大学化学实验“水的硬度测定”三重表征的FC教学设计

肖博涵+　徐安贝　张雨婷　郑兴

摘 要 在大学化学实验“水的硬度测定”教学中，采用翻转课堂为主线，情境教学和实验探究等方法为支线的二维教学模式，突出反应原理的三重表征进行教学设计。有效突破难点，激发学习興趣，彰显“STS”教育思想，培养三重表征的化学思维，有利于实现教学目标。

关键词 化学实验 三重表征 翻转课堂 教学设计

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.10.054

Abstract In the teaching of "determination of water hardness" in college chemistry experiment， the paper uses flipped classroom as the main line， situational teaching and experimental inquiry as the two-dimensional teaching mode of the branch， and emphasizes the triple representation of the reaction principle in teaching design. The effective breakthrough difficulty， stimulates the study interest， manifests "the STS" the education thought， trains the chemical thought which the threefold representation， is advantageous in realizes the teaching goal.

Keywords chemistry experiment； triple characterization； flipped classroom； teaching design

1 问题的提出

化学是以实验为基础的自然学科，大学化学实验包含化学理论知识与实验操作技能，是大学一年级一门独立必修课程。滴定分析是大学化学实验的基础操作，实验要点多，操作繁琐，教师讲解时间过长，学生操作时间少，对于大学一年级的学生，难度较大。有些实验项目，如“水的硬度测定”，涉及滴定分析、配合物稳定性等原理，与实际生活相关，实验现象不容易判断，知识进阶过大，[1]传统课堂难以调动学生逻辑思维、创新思维，实验完成后学生仍然不能透彻理解在微观水平上的反应机理，不能用符号表示出该反应的方程式；难以在三维表征之间自由地转换思维。

化学物质涉及三重表征，是指宏观知识、微观知识及符号知识外在的呈现形式和在头脑中的加工与呈现形式。宏观表征指物质及其性质、化学反应过程和现象等；微观表征指微观模型、微观粒子，如分子、原子和离子等；符号表征指化学元素符号、化学结构式等。在学生学习化学的过程中，宏观表征是物质外在呈现最直观的，也是最容易被学生接受的表征形式；微观表征是无法直接观察到的微粒（如：分子、原子、离子）的运动及其相互作用，物质的组成及结构等微观概念；符号表征是化学学习的标记，也是传播化学知识的重要手段。[2]对于大学化学实验课程，三重表征的教学策略可归纳为以下三方面：合理利用微观模拟；理解符号表征的意义；加强表征之间的转换意识和能力。

由“水的硬度测定”具体内容，基于化学三重表征，采用翻转课堂（Flipped Classroom ，简写为FC）教学模式进行教学设计，借助信息技术，“反转”知识的传递与内化环节，利用微课将知识在课前进行传递，在课上进行内化，着重提升学生的实验操作和问题的解决能力，激发思考，提高教学效果。

在相关理论的基础上，结合学生特点，以本课题组叶梦倩[3]所构建的“以问题为基础的大学化学实验翻转课堂”为教学设计模型。

2 水的硬度测定教学设计

2.1 教学内容价值

本次实验计划4学时。内容主要包括“配位滴定”、“EDTA法测定水中钙、镁离子的含量”等实验操作技术；“配位滴定原理”、“水的总硬度测定原理”、“水中钙镁含量测定原理”等原理；是在学习酸碱滴定、氧化还原滴定实验之后，滴定分析最后一个实验项目，与实际生活相关，综合性较强。有利于学生巩固分析化学实验原理，提高实验操作能力、锻炼分析问题和解决问题的能力。由本节课的内容特点及作用价值，适合采用构建学生三重表征思维模式的FC教学策略。[4]

2.2 基于三重表征的FC教学设计

2.2.1 教学目标

教学目标作为实际教学中的导航，对后期教学以及评价都具有一定指导作用，是检查、评价教学成效的尺度和标准。基于①课程标准；②教学内容；③学生分析等三方面要素制定三维教学目标。

知识与技能：（1）知道EDTA在不同pH值下与钙、镁离子的结合顺序及其产物的稳定性。（2）了解常用仪器的干燥及洗涤，溶液的配制，滴定管的使用及洗涤。（3）理解基础化学课程中配位滴定原理，迁移到常见配合物的稳定性，巩固滴定的实验操作和实验方法。

过程与方法：（1）熟练掌握配位滴定法的原理，EDTA法测定的原理及实验操作。（2）通过实验过程中问题的思考及解决，能解释实验中的现象和原理。

情感态度价值观：（1）通过微课视频的学习，形成对配位滴定实验的兴趣，增强理论联系实际的能力，体会由微观反应到宏观现象的表征转换。（2）通过水的硬度测定结果，查阅资料了解生活用水是否符合标准，体验化学与生活的紧密联系，树立在生活中关注环境，保护环境的意识。

2.2.2 教学重难点

通过对学生知识水平和认识水平的勘察确立教学重难点。由教学目标制定教学重点，由目标和学生障碍点确定教学难点；（1）重点：①EDTA与Ca2+、Mg2+进行配位反应的实验原理；②配位滴定实验规范的操作；③实验滴定终点颜色的判断。（2）难点：①实验显色原理体现出配合物的稳定性关系；②微观表征过渡到符号表征的思考过程；③水中钙镁离子含量的计算方法。[5]endprint

2.2.3 教学流程（如图1所示）

3 教学设计讨论

3.1 详解反應过程的三重表征

在微课阶段，从宏观、微观、符号三重表征，详细分析了实验过程中的原理，实际的实验现象和微观动画结合，使学生突破难点，建构模型思维。

宏观现象：在pH=10.0的氨性缓冲溶液中，水样钙镁含量越高，消耗的EDTA越多。无色水样中加入铬黑T后，显酒红色，用EDTA滴定到达终点时显蓝色。

微观图示（图2）：

微观解释：水样中加入铬黑T后，显酒红色，是由于镁离子与铬黑T结合生成了酒红色物质，滴入EDTA（H2Y2-）后，EDTA与钙离子结合，终点前钙离子、剩余的镁离子全部都与EDTA结合。终点时EDTA夺取与与铬黑T结合的镁离子，使铬黑T释放出来，显示其本身的蓝色。

符号表示：

滴定前：Mg2+ +HIn2-（蓝色）=MgIn-（酒红色）终点前：Ca2+ +Mg2++2H2Y2-= CaY2-+ MgY2-+4H+

终点时：MgIn- +H2Y2-=MgY2- +HIn2-+H+（蓝色）

溶液中EDTA与Ca2+、Mg2+配位结合使显色物质游离进而显色（微观）、溶液颜色在酒红色和蓝色之间转换（宏观）、反应方程式（符号）三重表征，建立三者由微观化学反应体现宏观现象，再用符号方程式表示实验原理，对形成良好的认知结构和化学科学观念具有重要作用。

3.2 提高学生知识迁移能力

水的硬度与生活密切相关，课前提出水的硬度对生活的影响等问题，联系生活实际激发学生的实验兴趣，教授学生判断水硬度的依据这一知识点的应用，体现了水的硬度的宏观表征，形成更完整的认知结构，有利于将本实验中学习的知识应用到生活、未来工作中，提高了知识迁移能力。

3.3 节约课堂时间，增大课堂容量

通过FC教学模式，学生课前观看微课视频，已经熟悉了实验反应原理和实验操作步骤，明确了实验的正确操作方法，教师仅在课堂上讲解学生课前学习中存在的问题，尽可能地让学生进行多次多次操作，培养动手能力。

通过微课视频，课前为学生展示实验中溶液颜色在酒红色和蓝色之间的变化的实验现象，体现了EDTA在溶液中结合钙、镁离子从而显色的原理，学生通过实验现象理解实验原理，又明确了滴定终点的判断方法，增大了课堂的容量。

4 结语

由内容特点出发，围绕反应原理的三重表征进行教学设计，采用FC教学为主线，情境教学和实验探究等方法为支线的二维教学模式。增加了课堂的容量，减轻了学生在课中的学习负担；有利于突破难点减少学生课上学习不透彻导致实验失败的几率。基于三重表征化学实验的FC实验教学设计，有利于实现教学目标。

参考文献

[1] 邸欣.分析化学实验指导[M].人民卫生出版社，2016.

[2] 张丙香，毕华林.化学三重表征的含义及其教学策略[J].中国教育学刊，2013（2）：73-76.

[3] 叶梦倩.基于“翻转课堂”模式的大学化学实验教学设计与应用研究——以滴定分析为例[D]，延边大学，2017.

[4] 刘苏莉.翻转课堂的教学设计与应用——基于大学分析化学实验的案例分析[J].大学教育，2016（5）：113-115，133.

[5] 傅源，李锋.生活用水硬度的测定教学设计探析[J].职业技术，2016（12）：87-89.endprint