将对照实验思想贯穿到探究式实验中——以测定可乐中磷酸为例

曹 葵 王俊秀2

（1中国人民大学附属中学 北京 100080；2北京林业大学生物学院 北京 100083）

将对照实验思想贯穿到探究式实验中
——以测定可乐中磷酸为例

曹 葵1王俊秀12

（1中国人民大学附属中学 北京 100080；2北京林业大学生物学院 北京 100083）

对照实验是科学研究的一种重要方法，在中学实验教学中，不仅要把实验方法让学生掌握，更重要的是掌握科学研究的思路，设置对照实验的实验思维在教学中仍有待加强，教师应该在设计实验课程中增强这部分的内容，通过设置测定可乐中磷酸含量的课题，多次使用对照实验和空白实验方法，从而提高学生的科研思维能力，提高学生的实验技能。

探究教学；化学实验；对照实验

探究式教学以发现问题为基础，以解决问题为目的。对于中学生来说，科学思维的形成需要教师的正确引导，潜移默化的形成。在传统实验教学中，教师把实验问题，实验方法等直接讲述给学生，这样会禁锢学生的思维发展，不利于学生形成有效科学思维方式，遇到新问题就不会解决。而探究式教学，课堂以学生为主，问题引入以及解决方法都由学生思考讨论来完成，教师放手学生，正确引导学生进行思考，这种探究式实验，不仅让学生学到的是知识，更是学到了科学思维的方法以及提高学生自主学习的能力，这样才更有利于青少年的发展。

对于学生来说，他们掌握的知识有限，所以需要在教师引导下进行自然科学和教育科学相结合的科学探究。在教学中，教师要根据学生已掌握的知识来引出新的知识，在无形中让学生接受新的知识。在每一次学习新知识和新技能的时候，学生往往首先要从已经学习过的知识中寻找突破口，这是人们思维的逻辑惯性，教师就要利用这个思维惯性。

探究的过程必然伴随着科学思想与方法，对照实验是进行研究的最基本方法，对照实验就是指设置两个或两个以上的实验组，通过对比结果的比较分析，来探究各种因素与实验对象的关系的实验。在探究教学中，教师要有意识地设计对照实验，让学生不断和原来的知识进行对比，从而不断地进步，让学生在实践中体会对照实验的使用方法和意义，为将来主动运用打下基础。

下面仅以探究可乐中的磷酸含量课题为例，介绍如何将对照实验方式融入化学实验教学。

一、第一次对照——让学生认识到如何去除杂质干扰

一说到研究磷酸，尤其是研究磷酸含量，学生都会意识到应该使用酸碱滴定的方法，因为教材中做过盐酸和氢氧化钠的滴定实验，学生自然会将磷酸与盐酸相联系。

拿到课题，多数学生并不敢立即开始实验，因为学生有个重要的疑问，对于有色饮料来做滴定，能判断滴定终点吗？可乐中除了颜色之外，其他物质对滴定有干扰吗？因为学生学习过的滴定实验是无色溶液，这就形成了第一个对照系。如何将有色溶液变为无色溶液。

此时在课上开始第一次讨论——如何去除这些干扰因素？这里涉及到两个干扰因素，一个是CO2，一个是颜色，而颜色的主要来源是焦糖。对于CO2来说，处理起来比较简单，学生都会想到采用加热煮沸的方法，问题的关键在于可乐颜色。

学生在初三学习过水处理时使用过活性炭过滤，现在就需要进行对照，活性炭能处理污水是否能让可乐脱色？在学习活性炭处理污水时，初三老师一般不介绍活性炭吸附的特点，即对分子量大的物质吸附力大于分子量小的物质，在水中吸附力大于有机溶剂，对含有极性基团多的有机物吸附力大于极性基团少的，对芳香烃的吸附力大于脂肪烃。学生因为没有相关的知识储备，也就导致一些学生不敢动手操作，因为担心磷酸被吸附而无法测定，此时就需要先让学生自己动手进行实验验证，首先要解决是否可以使用活性炭脱色？因为不解决脱色问题就不可能进行后续的实验。

二、第二次对照——确定活性炭最佳用量

学生通过实验证明活性炭可以使可乐脱色，然而问题并没有完结，可以脱色仅仅是定性的结果，对于这个实验来说，每次实验应该使用多少活性炭呢？活性炭是不是越多越好，对于绝大多数学生来说，中学阶段只有滴定实验才是定量实验，其他都是定性的。而在这个实验中，学生非常有必要有定量思想，必须确定活性炭的最佳用量，用量过少，脱色不完全，用量太多，不仅仅是浪费问题，粉状活性炭会影响过滤速度，同时还存在最初学生担心的会不会吸附磷酸的问题，如果活性炭吸附焦糖色后再吸附磷酸，活性炭用量过多就会导致无法检测到磷酸。因此学生就需要试验相同体积的可乐使用活性炭脱色的最佳用量，也就是刚刚能脱色的用量。

在这个测试过程中，学生需要运用控制变量思想，每次可乐用量一样，仅仅调整活性炭用量，检测出恰好可以使焦糖被吸附的用量。

这个实验环节，还存在一个技巧，其实也是一次对比。如果每一次实验都按照正式实验用量（因为磷酸含量很少，要滴定出比较合理的结果，可乐用量需要100mL左右）进行，如果实验失败，浪费的时间更多。此时，可以采用每次取样品10mL，也就是取小样的过程。学生只需要看过滤液是否有颜色，不需要做后续滴定，可乐用量不必太多，节约时间。首先取一定量的活性炭，如果过滤后滤液无色，就将活性炭用量减半再试验，如果滤液有颜色，就将活性炭用量增加一半，直到找到添加的活性炭恰好使得滤液无色。而取小样做预实验也是科研中经常使用的方法，这个实验过程，也就将科学方法沉浸在课堂教学中，将枯燥的方法融入到学生解决问题的实践活动中。

三、第三次对照——测量体积如何确定

由于可乐中磷酸含量比较少，测定时可乐取样要100mL左右，问题随之而来，我们测量时用的体积是最初取样的体积还是过滤后的体积？

如果用取样体积计算，加热蒸发CO2、滤纸吸附导致实际测量体积偏小，数据结论偏小，这个偏差对实验有多少影响？如果有影响应该如何消除？

反之如果选用过滤后体积计算，数据会不会偏大。如果有影响，影响有多大，如何消除影响？

两种方法哪个因素的影响大？如何解决这个问题使得误差最小。

最终的办法还是通过对比实验，实际测量过滤前后体积差来解决。实验发现，加热去除CO2的过程确实有少量的水分挥发，每100mL可乐加热后体积大约减少1-2mL，可以说这个体积变化不能忽略，而每个人实验时加热的程度不完全一致，这就必须使用开始的体积作为测定标准，而过滤是滤纸会吸附一些水分，就需要通过蒸馏水润洗的方式将吸附的溶液冲洗下来，从而减小实验误差。

四、第四次对照——活性炭是否吸附磷酸

经过三次对比实验，绝大部分学生完成了实验测定，有的学生以为已经完成了实验，其实不然。此时最关键的问题——脱色用的活性炭有没有吸附磷酸？依然没有解决。这个问题不解决，那么前面做的所有实验其实都是无效的，必须补充实验证明没有吸附作用。

立刻有学生提出测定已知浓度磷酸通过活性炭前后的浓度，如果浓度没有变化，就说明没有吸附作用。

然而问题并没有这么简单，老师随后追问：是随意拿任意浓度的磷酸就可以吗？

学生显然没有想到这个问题，但是当老师提出问题，结论就摆在那里了——必须使用和可乐中磷酸浓度一样的磷酸溶液进行实验。

实验证明，当活性炭适量，恰好使得可乐脱色的情况下，其对磷酸基本没有吸附作用，使用活性炭吸附磷酸的实验方案可行。

在实验设计和进行中，教师设计了一系列的对照实验，浓度对照、干扰对照、体积对照……教师适当地提出问题引导学生思考，逐步递进，问题层层深入，也渐渐达到我们探究教学的目的，让学生在实验过程中掌握科学思维方法。正如很多学生知道设置平行对照实验来增加实验的准确性。同样，教师在实验教学中也应该设置玄机，把科学思维渗入到实验思路中，让学生真正在无形中掌握科学思维方式，这才更加有利于学生未来的学习发展。如我们在实验中也设置“陷阱”，教师所提供的磷酸是5g/L，而可乐中磷酸含量只有约0.5%，如果学生不思考直接依照可乐取样的量来做滴定实验，不仅是浪费太多时间在滴定过程中，因为浓度不一致，其说服力也大幅度下降，如果通过活性炭前后测量值相差0.01g/L，对于5g/L可以忽略，而对于0.5%初始浓度来说就不能忽略了。这就要求学生必须将对比实验使用的纯磷酸稀释到上一步实验测定的磷酸含量相同的浓度。

教师在设计实验方案时，如果多思考，即使很小的一个生活问题，也能让学生掌握科学研究思维。爱因斯坦说：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要”，生活处处是化学，在学生的探究研究实验中，教师把生活中的问题带到课堂，增加课堂的趣味性，增加学生的研究兴趣。

对照实验是科学研究方法中非常重要的一种研究方法，如果在做可乐磷酸测定用活性炭过滤可乐时，学生不设置对照实验，只做平行实验的话，其实验结果很难让人信服。

对照实验是化学实验教学的重要手段，是从临床诊断和治疗引入化学实验的成功案例之一，无论是现在使用的中学化学教材，还是目前对学生实验能力的鉴定和评价，对照实验都占了很大的比重。关于对照实验的考查内容主要是学生关于对照实验的条件设置、过程设计、现象观察和结论分析等的认识和掌握。这就要求教师在以对照实验为方法的教学过程中，引导学生深入剖析对照实验的内涵，理清对照实验的设计原则，掌握对照实验的设计方法，从而更彻底地解决实际问题，以达到提高解决问题能力和科学素养的目的。对照实验教学在化学教学中是重点也是难点，如何开展有效的化学实验教学愈来愈引起化学教育工作者的关注，对照作为一种科学学习方法，对于学生的思维能力的培养具有不可替代的作用，实验过程中则需要学生手、脑、眼并用，在严谨的实验操作、仔细的实验观察和严密的逻辑推理后得出科学结论。对照实验开展让教师更关注学生严密和谨慎的科学探究态度和习惯的培养，使学生能有效且熟练地解决实际问题，从而培养出创新性全面发展的人。

［1］ 吴俊明.发展化学实验教学研究需要大智慧——在《化学教学》实验教学高级研修班上的讲话［J］.化学教学,2013（2）:3-5

［2］ 黄文君.创设条件经历探究体会科研［J］.教学仪器与实验，2014（8）:14-16

［3］ 李进京.生物实验设计中对照实验的分析及应用［J］.中学生物学，2008（1）:43-48

［4］ 马路平.对照实验在高中化学教学中的应用［D］.武汉：华中师范大学，2013：1-16

1008-0546（2017）10-0078-02

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10.3969/j.issn.1008-0546.2017.10.025