高中化学应加强实验定量意识与能力的培养——对实验中反应物不定量现象及其影响调查后的思考

王永忠 吴 星

（1张家港市乐余高级中学 江苏 张家港 215621；2扬州大学 江苏 扬州 225000）

对化学实验进行定量研究的思想与方法对化学科学的发展具有里程碑式的意义。古代经验化学之所以能上升为科学的化学，其中一个重要的原因，是采用了天平等衡量器具和数学的推论，如拉瓦锡通过对物质燃烧实验的定量研究，建立了氧化学说，发现了“质量守恒定律”；道尔顿、阿伏加德罗在对气体反应实验定量研究的基础上，提出了近代原子、分子学说，宣告近代化学科学的诞生。炼丹术在公元前二世纪时就已在中国产生，比欧洲早了上千年，但为什么我国炼丹术历经千年仍然只停留在经验化学阶段，主要原因是中国的炼丹家常常缺乏数学的素养，对实验的定量研究意识与能力不足，一直未能发现物质间的数量关系规律，这就是中国炼丹家不能把古代化学发展成为科学的化学的重要的原因［1］。在近现代，稀有气体、同位素、放射性元素、有机化学等一系列重大的化学科学发现和发展都是对实验进行严格的定量研究的结果，可以说，没有对实验的定量研究就没有化学科学的产生与发展，“我们依靠的是严格的实验”，拉瓦锡的话可谓一语中的。

但在中学化学教材和实际教学中，却存在着一些药品用量、浓度的随意性。这虽然和中学化学实验的定量要求不高有关，但这种随意性却有可能损害化学的科学性，也使实验的成功率大大降低，对培养学生全面、科学地认识化学不利，对培养学生的研究意识不利。例如，向高锰酸钾酸性溶液中通入乙烯气体随着H2SO4、KMnO4浓度的不同会出现多种现象，研究表明，该实验中的高锰酸钾酸性溶液以0.5%的溶液和10%的H2SO4溶液按体积比4∶1混合，褪色现象最明显［2］。 “实验，实际上是条件控制下的观察”［3］，只有对化学实验的条件（物质的浓度、用量等是实验条件的重要组成部分）进行严格有效的控制，才能获得科学事实，取得科学发现。

一、中学化学教材演示实验中的非定量情况

笔者对2002年人民教育出版社出版的 《全日制普通高中教科书·化学》（共三册）（以下简称人教版）与江苏教育出版社2005年出版的 《普通高中课程标准实验教科书·化学》中的《化学 1》、《化学 2》、《有机化学基础》、《化学反应原理》（以下简称苏教版）的实验教学内容进行了分析、比较。

表1 两种版本教材演示实验中含未定量内容统计

分析上述两表中的数据可知，两种版本教材演示实验的非定量描述特点相近，主要是对溶液浓度、液体体积、固体质量这三个方面，多用“一些、少量、一小段”等来说明物质的用量，用“浓、稀”等来说明物质的浓度，甚至不指明浓度或用量。

为什么教材中会出现这么多非定量的描述呢？主要有两种原因：（1）大部分的非定量描述的实验是因为反应物的用量多少 （在相对较大的合理范围）对实验本身和现象并无明显影响，可能会因实验者使用的反应容器的不同而有所不同。（2）对某些未指明用量的药品有一些约定俗成的规则。在人教87版的初级中学化学教材中对如何取用没有说明用量的药品作出过规定：“应该取用最少量：液体用1~2毫升，固体只要盖满试管底部。”（不知何种原因，在现行教材中删去了上述规定）因此教学者应该在实际教学中针对具体情况对教材实验的非定量部分进行合理范围的定量。所以教材中大多数非定量描述的实验是为了避免学生学习时过于僵化和呆板，避免造成不必要的限制，并非对反应物的用量没有要求。教师应明确认识这点，并在教学中渗透“定量”的概念。

表2两种版本教材的演示实验中非定量内容的分类统计

二、高中生化学实验定量意识与能力的调查分析

本调查分别从江苏的苏南、苏中、苏北三个地区抽取了张家港市、如皋市、灌云县三个地区的各一所学校的一个班进行了调查，共发放问卷190份，回收190份，其中有效问卷182份。

研究材料为自编的《高中化学实验定量化现状调查问卷》，该问卷测试前请化学教育专家和中学化学教师进行了分析和修改。

1.高中生对化学实验药品定量的基本认识

表3 高中生对实验定量的基本认识统计

由表3可知，高中生对定量化学实验对化学科学发展的突出贡献缺乏基本的认识，只有54.95%的被调查者意识到在化学实验中严格控制物质的用量主要是由于实验本身的需要，还有21.98%的被调查者不知道哪些属于实验条件。高中生对化学实验条件尤其是物质用量对化学实验的重要作用认识不够清晰，实验定量意识比较薄弱，在实验操作中表现为对药品随意取用的情况比较普遍（具体见表4），这必然导致学生做实验的随意性和实验结果的不准确性，化学实验随之也就很容易失去它应有的功能。值得关注的是，还有一些学生反映未亲手做过实验，这说明还有少部分学校对实验的重视程度还有待提高。

进一步研究发现，现行高中化学教材及实验教学中的大量非定量化处理或重视不足是造成高中生化学实验定量研究意识不强的主要原因。

2.化学实验药品的非定量描述对学生实验操作的影响

调查题1：中学化学教材中有下列实验：取两支试管，分别加入少量NH4Cl、KCl溶液，再各滴入几滴AgNO3溶液和稀硝酸，观察实验现象。请根据你的理解填写下表。

试剂 溶液浓度（mol/L） 溶液用量（mL）NH4Cl溶液KCl溶液AgNO3溶液

调查题2：中学化学教材中有下列实验：在一支试管中加入一小段擦去氧化膜的镁条，再向试管中加入一定量的稀硫酸，观察现象。根据你的理解实验中“一定量的稀硫酸”表示稀硫酸的物质的量浓度为mol/L，体积为 mL。

调查题3：中学化学教材中有下列实验：取一支洁净的试管，向试管中加入0.1mol/L AgNO3溶液2mL，向其中加入稍过量的Cu粉，反应一段时间后，取上层清液于另一支试管中，再向试管中滴加0.1mol/L KI溶液，观察实验现象。如果你做这一实验，你将加Cu粉 g，反应时间将控制 分钟。

调查结果表明，化学教材中的探究实验的非定量化，给学生的实验探究造成了很大的困难，有些实验甚至到了无法进行的地步。具体地有以下几个方面：

（1）学生对实验中“药品用量含糊性描述”不能正确理解。如对 “少量、适量、稀、浓”等模糊性描述，有68.68%的被调查学生表示不知道其确切含义。在具体实验中大多数学生对药品用量表现出随意性、经验性的特点。如题1中，学生对加入“少量”NH4Cl溶液、KCl溶液的具体用量，分别有57.14%和57.69%的被调查的学生回答“不知道”，其他被调查的学生大多数认为其溶液的体积在1~10mL之间，少数学生认为可达50mL。

（2）学生对实验中“未说明的试剂浓度”理解差异性很大。问题1中的“滴入几滴AgNO3溶液和稀硝酸”，调查发现约57%的被调查的学生不知道取用多少物质的量浓度的溶液，能确定其溶液浓度的学生也是给出了毫无根据的数值，如AgNO3溶液的浓度最小的为0.01mol/L，最大的为5mol/L。在对题2的回答中，学生选择的“加入的稀硫酸的浓度和体积”相差几十倍，答案很分散，说明学生认识很不统一，有的甚至准备用40mL 10mol/L的硫酸。

（3）学生对实验中“反应条件的含糊性描述”不能正确理解。题3中要求学生“加入稍过量的Cu粉”，加多少Cu粉可认为是“稍过量”呢?有47.25%的被调查的学生“不知道”该取多少，其他认为取0.0064g、0.02g、0.1g、1g、2g的学生较多，上述答案仅占被调查者的24.17%，加入最少的为0.001 g，最大的为25.6 g，这里面虽有学生计算上的错误，但答案如此不统一，并且相差很大，这样的描述引起了学生认识上的混乱。对该实验中的另一个反应条件“反应一段时间”，认为所需时间最短的为0.5分钟，最长的为10分钟，还有47.25%的被调查的学生回答“不知道”，也同样说明了这个问题。

3.学生解决实验问题时的定量意识

（1）学生在理解化学实验原理时定量意识较为淡薄。

在调查问卷中设置了五个判断题：

①将一定量的AlCl3溶液和NaOH溶液混合，会出现白色沉淀；

②将硝酸银溶液与氨水混合能够得到银氨溶液；

③在加热的条件下，二氧化锰与盐酸反应制备氯气；

④向澄清的石灰水中通入二氧化碳气体，最后可看到白色混浊；

⑤将氢气、氧气混合气点燃，肯定会发生爆炸。

各题的正确率如表5。

表5 实验中定量分析能力测试判断题情况统计

由上表可知，高中生对这类常见的与量有关的实验问题平均正确率仅为61.76%，说明高中生对于实验原理中涉及定量问题的理解是很欠缺的，究其原因，教学与教材实验中的大量出现的对药品的非定量使用造成学生理解上的偏颇与僵化应是其中非常重要的一个因素，在调查问卷的简答题和实验设计、评价题中，更可以明确地看到这一点。

调查问卷中设置了两个简答题：

（1）某同学为了制备少量的氢氧化铝，设计了如下实验方案：①向试管中加入0.1mol/L AlCl3溶液3mL，②向试管中滴加一定量的NaOH溶液，③振荡试管，④过滤洗涤。在上述方案中不合理的是步骤 （填序号），理由是 ，你的改进方法是 。

（2）为了比较碳酸钠和碳酸氢钠与盐酸反应速率的快慢，某同学设计了如下实验：①向两只试管中分别加入一定量的碳酸钠和碳酸氢钠溶液，②向两只试管中分别滴加盐酸，③观察并记录生成气体的速度。在上述方案中不合理的是步骤 （填序号），理由是，你的改进方法是 。

在对上述两题的回答中，答案集中度很低。如（1）题中对不合理步骤的判断，共有七种不同的答案，分别占有一定的比例。对理由的叙述中，仅有64.29%的被调查学生提到了药品的用量问题，其中合理的答案仅占42.86%，在改进方案中，仅有2.20%的被调查学生能从浓度、体积两方面对NaOH溶液的用量进行界定，而有54.40%的被调查者的回答中根本就未从物质用量的角度进行或不知道该如何改进。（2）题的调查结果与（1）题相似，也仅有32.99%的被调查学生从物质用量的角度对实验方案作出了评价，仅有34.62%的被调查学生能从物质用量这个方面给予了比较合理的改进方法，但无人能够全面地从溶液浓度、体积两方面全面地给出改进意见。

（3）在调查问卷中设置了一道实验设计题：

某学生利用如图所示的实验装置，进行实验探究：

（1）二氧化碳气体的制备；

（2）二氧化碳使紫色石蕊溶液变色；

（3）二氧化碳能与澄清石灰水反应。

请完善下列实验步骤。

（1）检查仪器的气密性。

（2）在漏斗A中加入_______，在试管B中加入________（3）___（4）____（5）____（6）将废液倒入指定的容器中，洗涤并整理仪器。

对A中的药品，有66.48%的学生写了稀盐酸或稀硫酸，另有31.32%的被调查学生写了盐酸，但无人对酸的浓度作明确的说明。对固体的选用，有92.31%的被调查学生选择了碳酸钙、碳酸钠等碳酸盐类，但无人说明该取用多少质量的固体比较合适。对于C、D中的药品，被调查者大多只注意溶液的顺序和反应的现象，而无人关注溶液浓度。78.57%的被调查者写“在试管中放入石蕊试液”，而不是“将2~3滴石蕊试液滴加到试管的水中”。同样的，石灰水是否用饱和的也无人作出说明。从整体的实验设计来看，还有33.52%的被调查者给出的方案根本不可行或是不知道该怎么做。

从上述调查结果来看，很多学生掌握的只是纸面上的化学而不是实验室中的化学，这和教材有关，更和中学实验教学密切相关。一方面教材的实验示例要对药品浓度、用量尽可能进行定量，以期获得最好的演示效果，但也应避免过于繁琐和僵化；另一方面在日常教学中要有意识地培养学生化学实验定量意识，尤其要强调药品浓度、用量对实验原理、对操作合理性的影响，避免学生认识上的单一和操作上的随意；其三是要积极研究演示实验最优化的用量与操作，研究怎样用最少的药品完成实验，把绿色化学理念落实到日常实验中。

［1］ 张家治主编.化学史教程［M］.太原：山西教育出版社，2000

［2］ 周伟.乙烯和高锰酸钾溶液反应浅探 ［J］.化学教学，2004，（9）：8-9

［3］ 杨少明.中学实验内容改革的思路［J］.化学教学，2000，（5）：8-9

［4］ 梁英豪等编写.初级中学课本·化学·全一册 ［M］.北京：人民教育出版社，1987