谈实验设计的科学性和实验操作的可行性

陈方

摘要：通过对“硫酸铜溶液中溶质的物质的量浓度的测定”中各种实验设计方案的分析与反思，指出设计的科学性及实验操作的可行性等方面存在的问题，并提出改进方法和建议，为教师进行实验教学与研究提供参考和借鉴，以促进教师的专业成长。

关键词：高中化学；实验设计；科学性；可行性

文章编号：1008-0546（2017）04-0080-02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.04.027

一、问题的提出

《普通高中化学课程标准》（实验）在第二部分“课程目标”“一、知识与技能”中有如下表述：2.获得有关化学实验的基础知识和基本技能，学习实验研究的方法，能设计并完成一些化学实验。在第三部分“内容标准”《化学1》主题2“化学实验基础”中又有如下表述：5.初步认识实验方案设计、实验条件控制、数据处理等方法在化学学习和科学研究中的应用[1]。显然，对于高中化学教师而言，学会设计并完成一些基本的化學实验是必须具备的化学实验技能。

最近参与了某地“高中化学中青年教师基本功大赛”的评委工作，其中实验为大赛的一项内容。评委组老师出了一道实验设计题：“根据自己的实验设计方案，选用必要的实验器材及试剂，按规定内容和要求对实验进行设计并操作”（每人可进行实验准备15分钟，操作展示不超过40分钟）。

实验课题：硫酸铜溶液中溶质的物质的量浓度的测定。

要求：

1. 书写出实验方案步骤。

2. 按各自的实验方案进行符合规范的实验操作。

3. 测定结果保留两位有效数字。

评委老师对各位参赛老师实验设计的科学性及实验操作的可行性、规范性和熟练程度、实验结果的准确性等进行评判和考核（以百分制形式判分）。（具体细则略）

各位参赛老师可谓“八仙过海，各显神通”，设计了各种各样的方案，并各自进行操作，评委老师在考核的过程中，发现了参赛老师在实验设计的科学性和实验操作的可行性等方面形形式式的问题。这引发了我们的分析与反思。

二、对问题的分析与反思

各位参赛老师的实验设计主要有以下不同的方案。

方案1. 取一定体积（各位参赛老师所取溶液的体积有异，下同）的CuSO4溶液，加热蒸发获得CuSO4·5H2O晶体，再将晶体加热脱水得到无水CuSO4，称量其质量，进行计算。

方案2.取一定体积的CuSO4溶液，再与足量的2mol·L-1 NaOH溶液反应得到Cu（OH）2沉淀，过滤、洗涤并干燥，将固体移入坩埚中灼烧分解得到CuO，称量其质量，进行计算。

方案3.取一定体积的CuSO4溶液，再与足量的2mol·L-1 BaCl2溶液反应得到BaSO4沉淀，过滤、洗涤并烘干，将沉淀转移至托盘天平（两托盘垫有相同质量的纸片），称量其质量，进行计算。

方案4.取一定体积的CuSO4溶液，再与足量的2mol·L-1 Ba（OH）2溶液反应得到BaSO4和Cu（OH）2混合沉淀，过滤洗涤干燥，称量其质量，进行计算。

方案5. 取一定体积的CuSO4溶液，再与足量的1.00mol·L-1 KI溶液反应，得到I2单质，用1%的淀粉溶液作指示剂，用1.00mol·L-1 Na2S2O3标准溶液进行滴定，由消耗Na2S2O3溶液的体积，进行计算。【注：相关反应原理为（1）2CuSO4+4KI[=]2CuI↓+I2+2K2SO4（2）I2+ 2Na2S2O3[=]2NaI+ Na2S4O6】

评委组老师对各方案实验设计的科学性和实验操作的可行性等方面进行了思考与反思，达成了一些基本的共识。

方案1中：有老师认为，不易控制加热的温度。当加热温度不同时，CuSO4·5H2O分解可得到CuSO4·xH2O（x﹤5）或CuO，故不能准确得到CuSO4的质量。反思：（1）经查证，CuSO4·5H2O到216.06～288.33℃时完全失水成为无水硫酸铜，而无水硫酸铜在650℃才分解得到CuO，其间有400℃左右相隔[2]。显然以上思考欠妥，实际上该方案是可行的，结果也相当准确。（2）该方案中得到CuSO4·5H2O晶体后，可直接称量其质量。如考虑蒸发皿中的晶体不易转移干净，可先称量干净蒸发皿的质量，再称量蒸发皿与晶体的质量，由此得到晶体质量。后经评委老师亲自实验，发现得到的结果是较为准确的。所以，有时看似基本且简单的实验方案，可能也是较科学且可行的方案。

方案2中：滤纸上的沉淀不易全部转移入坩埚，坩埚中也有部分CuO残留，称量出CuO的质量偏小；若将滤纸灼烧后有灰份残留，不易准确得到CuO质量。反思：该方案中可将滤纸改为无灰滤纸（中学阶段一般不用），在坩埚中灼烧后，称量坩埚与CuO的质量（可先称量干净坩埚的质量），最后再得到CuO的质量。该方案应是中学阶段常用且可靠的方案。

方案3中：参赛老师想利用所得到的BaSO4相对分子质量较大的特点，减小实验误差。问题是：滤纸上的沉淀不易全部转移，称量出的质量偏小。反思：类似方案2中，可将滤纸改为无灰滤纸，将沉淀和滤纸置于坩埚中灼烧后，称量坩埚与BaSO4的质量（可先称量干净坩埚质量），最后再得到BaSO4的质量。该方案也可作如下改进：可先用两张等质量的滤纸，一张用作过滤，待将沉淀过滤、洗涤并烘干后，将滤纸和沉淀合并称量，另一张滤纸可作称量时的平衡用纸。后经实验证实，实验结果也较为准确。

方案4中：参赛老师认为，该方案与方案2、方案3相比沉淀的总质量更大，误差更小。但由于Ba（OH）2·8H2O溶解度很小（298K时，Ksp=2.55×10-4[3]）（这与一般中学化学老师的猜想不符），所能配制的Ba（OH）2溶液浓度太小（约0.04mol·L-1，根本达不到2mol·L-1），要使溶液中Cu2+、SO42-完全沉淀，所需Ba（OH）2溶液体积较大，且沉淀颗粒小，过滤速度慢，过滤后滤液仍然浑浊，实验操作时间较长（超过要求中的40分钟）。反思：错误的实验设计往往会使实验操作不可行。化学实验必须注意理论与实际相结合，那些脱离实际的“想象性实验”只能是纸上谈兵。

方案5中：该方案是高考命题中经常涉及的方案。想到该方案的老师较少，该方案在实验设计的科学性及实验操作的可行性及实验结果的准确性等方面都是较为理想的。反思：定性与定量相结合是化学学习和研究中常用的学科思想。对于常见的定量实验，如称量、一定物质的量浓度溶液的配制、滴定（包括中和滴定及氧化还原滴定）等，应重点研究其方法与原理，还需关注实验的准确性，对实驗进行误差分析等。对中学阶段较少涉及的配位（络合）滴定，沉淀滴定等实验，教师应有所了解，以进一步拓展我们的视野，丰富并充实教学资源。

三、结语

化学实验方案设计中必须对问题进行全面的思考与分析。如：如何正确选择实验用品和试剂、实验过程设计是否合理和简洁、如何控制实验条件、怎样通过有关现象和有关数据得出正确结论等。通过以上案例，也为我们中学化学教师的实验教学和实验研究工作提供了一种思路和方法；同时，此类活动的开展对培养教师的发散思维能力及创新精神能起到很好的推动作用。

《普通高中化学课程标准》（实验）在第一部分“二、课程的基本理念”中有如下表述：8.为化学教师创造性地进行教学和研究提供更多的机会，在课程改革的实践中引导教师不断反思，促进教师的专业发展[4]。我们常说：要给学生一瓢水，自己就要有一桶水。但是大家设想一下，如果自己总是那一桶水，能够无休止的往外舀吗？如果自己总是那一桶水，舀出来的还是活水吗？老师需要与时俱进，在不断的学习中汲取丰富的营养，更新自己的老旧知识，丰富并完善自己的知识结构，使自己的学识在教学过程中不断得到提升。此外，在高中化学教学中，教师要以改革的精神搞好教学，转变教学观点，经常反思自己的教学活动，针对教学中遇到的实际问题开展教学研究。如：如何结合学校的实际情况开展化学实验探究教学？如何根据具体情况设计解决化学问题的实验方案，并予以评价和优化[5]？这也是新课程改革赋予教师的职责所在。

参考文献

[1][4][5]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（实验）[M].北京：人民教育出版社，2003：7-11，2，34

[2] 曹新鑫.无水硫酸铜脱水机理及硫酸铜高温分解的热力学研究[J].精细与专用化学品，2011（6）：31

[3] 权新军.无机化学简明教程[M].北京：科学出版社，2009：286