基于科学素养训练的实验教学课堂设计——以食品中钙含量的深度研究为例

北京林业大学生物学院(100083) 于 笑 李 政

中国人民大学附属中学(100080) 曹 葵

在常规教学中，教师通常关注学生对知识的掌握与运用，而忽视对学生科学素养的培养。因此，有必要在课本之外寻找课题，引领学生在解决真实问题的方式中完成科学方法训练，提升科学素养。

1 课题的选择

元素的检验与含量是化学教学中一个重要内容。在平时的教学中一般不涉及定量实验，但是在高考中经常出现定量实验试题，这类试题学生普遍感到困难，尤其是2017年版课程标准提高了对定量实验的要求，在教学中有必要加强对定量实验的教学训练。

如何在学生已知的知识基础上，进行定量实验拓展研究？以食品中钙含量的测定为例。首先钙的测定需要使用EDTA滴定的方法，符合现在高考的导向；其次钙元素是学生在初中就已经接触到但是没有能够拓展学习的知识。补钙是社会上一个热点话题，各种补钙的广告或多或少影响着学生。如果简单地带领学生按照传统的方法测定某一个物质中的钙含量，无法达到提升学生科学素养的目的。为此，笔者选定了“牛奶和虾皮哪个更补钙”这一课题。

2 展开重点问题

在实验中存在几个难点：首先是测定过程中各种杂质对实验可能的干扰；其次是如何保证待测样本中的钙元素能被完全检出；第三则是固态样本中有效物质提取方法。

为了尽快进行研究，教师给出了自来水中钙离子含量测定的方法，滴定过程中的各种试剂的用途，例如加入HCl、三乙醇胺和Na2S分别除去各种杂质。

在此基础上，教师将问题升级：水换成牛奶，牛奶中含有的物质与水有什么不同；钙含量测定的实验该如何进行；牛奶中的这些“杂质”是不是会同样影响实验结果？

学生回答：牛奶中含有的脂肪和蛋白质就是测定钙含量的杂质。

因此，我们需要做一组对照实验，即去除蛋白质和脂肪的牛奶与不去除蛋白质和脂肪的牛奶的对照实验。而去除蛋白质和脂肪的方法，同学们则需要利用网络来检索最适宜的方法。由于需要排除的干扰因素很多，逐一排查需要大量的对照实验，因此在实际操作中并不可行，教学中教师仅仅带领学生讨论可能存在干扰的物质，而将探究重点引向更复杂的虾皮中钙含量的测定。

牛奶作为液体，测定起来比较容易，而虾皮中钙的测定则要复杂得多。

教师问：虾皮作为固体，我们应该怎样处理才能将其中的钙元素提取出来？

学生答：用酸浸泡。

教师问：这个反应的过程看不见，如何保证虾皮中的钙完全被盐酸溶解出来？

学生答：多泡一段时间。

教师继续追问：多泡一段时间是多长时间？多泡就能证明钙完全溶解了吗？

此时学生明白了，单纯浸泡无论多长时间都无法通过一次实验证明钙元素已经完全溶出。

学生问：既然一次测定不能证明，通过多次平行实验是不是可以呢？

在过去的教学中，很多学生已经养成了平行实验就可以去除误差的思维逻辑，但是在这个实验中却是不行的，因为取的样本是同一个样品，只能证明这次测定数据的准确性，但是依然不能证明钙元素是否完全溶出。

可以假设，钙元素的溶出是和时间有关的，随着时间延长，溶出率提高，直到完全溶出，但是具体应该泡多长时间该如何确定呢？学生在习题训练中做过很多类似的题目，只不过在实际操作过程中还不能与平时的习题形成有效的正向反馈。此时教师需要来引导：两次取样测定数据如果不一样，说明什么？如果一样又说明了什么？

学生立即明白了，那就是浸泡一段时间测定一次钙离子的含量，直到两次测定的数据一致。

不过这个实验方法过于费时，在教学中不可行。有什么办法能让没有用的有机物“消失”呢？

学生答：把有机物分解掉。

教师问：怎样分解？有机物在什么条件可以被破坏？

学生答：高温条件下有机物可以被氧化分解。我们可以把将虾皮高温灼烧分解其中有机物。

教师由此给出了灰化法的概念，并提出问题：灰化法与酸浸法有什么区别？各有什么优缺点？

学生讨论并回答：酸浸法不能获知是否将所测元素完全浸出，有机物完全浸出本身就存在困难，酸浸法存在系统误差无法消除。酸浸法实验时间太长，而灰化法可以很快完成实验，灰化法效果更好。

这里学生又犯了经常犯的小错误，认为非对即错，在获知了灰化的方法后就认为酸浸法不好，而实际上并非如此。

教师追问：你如何知道完全灰化了？

学生茫然。

灰化和酸浸其实同样存在需要判断是否反应完全的问题，差别仅仅是酸浸法肉眼无法看出来，而灰化法凭肉眼基本可以判断。而实际上肉眼的判断并不一定准确，如何判断完全灰化最终还是要依靠技术手段。

如果简单地照搬灰化法的实验方法，灼烧一段时间就测定一次，因为灰分非常少，一来误差太大，二来几次取样后就没有样本了，这个方法不可行。但是思想方法却是可以借鉴的。

教师提示：灰化的过程就是将有机物烧掉的过程，这个过程的质量会有什么变化？

在教师的提示下，学生意识到只要在灰化后称量样本质量，直到质量不变就可以认为有机物完全被烧掉了。

3 思维跃升，实验中解决实际问题

讨论解决一些基本问题，实际操作时的变量则是对学生的应变能力、操作水平、理论联系实际能力的又一种考验。比如实验将要开始时，坩埚的恒重问题就需要学生发现并解决，这时教师要及时提出并引导学生思考。

教师问：我们的实验过程中用电子称量天平时，经常用到“归零”，我们为什么要归零？

学生答：没有归零前有数值，称重出的结果就不准确。

教师问：那坩埚我们可以直接用来盛装虾皮灼烧吗？我们需要对坩埚进行“归零”吗？

学生答：需要。

教师问：为什么需要？需要怎样对坩埚进行“归零”？

学生答：坩埚中可能会有物质会在灼烧时产生变化，会对实验结果产生误差，需要先对坩埚进行灼烧。

教师问：我们应该灼烧多久呢？

学生答：灼烧至坩埚重量不再变化。

讨论取得效果，学生已经能再次使用恒重法来剔除坩埚可能带来的误差。

实验开始，在灰化的过程中，坩埚中会冒烟，学生并没有意识到这些烟可能对实验有何影响，教师此时则不能放过这个误差，给学生提出新的问题。

教师问：这些烟是什么成分，对实验有无影响？

学生答：是碳。

教师追问：你怎么知道只有碳，而没有其他物质？

此时学生就意识到钙元素就可能随烟雾损失，导致最终测定值偏小。

教师此时继续提出新要求：如何不能起火并尽量减少冒烟，也就是控制燃烧的速度。因为虾皮的量是一定的，唯一能够控制的就是氧气的量，有什么办法让氧气按照我们需要的量进入坩埚内呢？

教师在此过程中可引导学生往坩埚盖的方向上思考，不盖坩埚盖，就会起火冒烟，完全盖住坩埚盖，则氧气不足无法充分灰化，部分盖住坩埚盖才可以解决这个问题。

当学生将一个个实验数据得出来，问题又出现了，从绝对含量上比较，虾皮明显高于牛奶而究竟是牛奶适合补钙还是虾皮适合补钙观点却并不一致。有学生从绝对量比较，认为虾皮最适合补钙；有的学生则认为虾皮不适合每天大量吃，因此还是牛奶最适合补钙。

教师此时并不给出所谓的标准答案，而是有意识留下悬疑，让学生课后继续探讨，在科学的道路上，只有不断探索，才能得出真理。

4 总结

本实验选取的是贴近生活的实验材料——牛奶和虾皮，这样将教学的事实性知识置于真实的问题情境中，教学内容就显得生动且有意义。能够充分地调动学生的兴趣，增强学生将化学知识应用于生产、生活实践的意识，为今后能够对与化学有关的社会和生活问题做出合理的判断提供了实践基础。

传统的课堂授课方式教师讲授偏多，学生主动性发挥不足，导致学生对部分知识点掌握的深度和广度受到限制。这节课教师由知识的传输者变为引导者，学生由知识的被动接受者变为主动构建者。在探究式教学过程中，学生是主体，教师以课程内容为基础，将讲授式授课与开放式讨论授课相结合，引导学生创造性地解决问题，让学生在学习中掌握科学思维方法。通过定量实验提升学生的科学素养，培养学生对数据的敏感性，知道哪些参数可变哪些不可以变。哪些是不确定因素、哪些数据存在逻辑关系在锻炼学生类比思维的同时也强化了求异思维。培养学生的求异思维是建立在求同思维的基础上，课后教师不给出标准答案，给学生发散性思维空间。在探究性学习过程中，将学生引入主动学习过程，探究过程的体验和经验的积累会提高其学习能力，问题解决带来的成就感会使其更有学习激情和动力，从而形成良性循环，循序渐进地提高学生的综合素质。