基于化学学科理解的大单元思维建构复习课

摘要

误差分析涉及实验操作、变量相互影响等多个情境关系的串联分析，既对高中生的逻辑思维和宏微结合能力要求较高，也对教师的思维能力要求较高。在实际教学中，误差分析存在教师难教、学生难懂且记忆负担重的问题。鉴于此，创设“测定食品中SO₂残留量”情境，设计4个逐层递进的板块，从溶液配制的单一误差变量分析，到酸碱中和滴定的多个误差变量进阶分析，最后建构从溶质和溶液两个化学视角分析误差的思维模型。从实际使用效果看，该模型甚至能够运用于陌生问题的化学分析中，实现举一反三，继而培养学生类比迁移、分析运用、逻辑推理和证据思维等高阶品质。

Graphical abstract

关键词

误差分析 / 溶液配制 / 酸碱中和滴定 / SO₂含量 / 化学学科理解 / 思维模型

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》将化学学科理解定义为：“化学学科理解是指教师对化学学科知识及其思维方式和方法的一种本原性、结构化的认识。”^［1］课标要求教师提升化学学科理解能力，强调在教授过程中注重思维方式方法的传授、重视挖掘知识发现和形成的过程，以期培养学生的核心素养^［2］。误差分析出现在高中阶段“配制一定物质的量浓度的溶液”“酸碱中和滴定”及“中和反应反应热的测定”3项课题中。在课堂教学中常常存在以下问题：教师使出浑身解数也难以让学生体会操作失误导致误差产生的原因及变化，而学生也常常感觉误差分析结果“南辕北辙”^［3］。究其根源，一方面“误差分析”涉及多情境问题复杂的变化性以及变量与变量之间的复杂关系；另一方面学生在面对涉及庞大知识量和逻辑思维分析的问题时缺乏耐心、记忆力和推理能力，往往表现出明显的畏难情绪。另外，现有高中误差分析的教学比较孤立，各主题内容间的误差分析比较零散，缺乏一个连接点将其整理成体系，提取出对应的化学认识视角和认识思路^［4-5］。因此涉及误差分析的问题，一直都是高中阶段授课的一个痛点。为此，基于化学学科理解，笔者借助“测定食品中的SO₂残留量”情境将3个误差分析串联形成大单元教学，引领学生逐步突破误差分析的化学认识视角和化学认识思维，最终形成结构缜密的分析模型^［6］。

1 误差分析概念层级结构及其素养价值

高中阶段第一个误差分析是在“配制一定物质的量浓度的溶液”课题中，是从定性思维向定量思维过渡与飞跃的重要节点。定量思维的载体是误差分析，而误差分析重要主题的基本概念是“物质的量相关公式和变量间的关系”。这些结构严密的概念最终培养和建构的主题观念是“变化观”（图1），具体在这个主题中的大概念是“物质转化过程中遵循一定的定量关系”。

误差分析基于实验操作，不仅要让学生明白实验原理，还要让其了解物质之间转换的逻辑及其在转化过程中因操作失误所引起的定量关系之间的变化。误差分析是建立在知识理解和应用上的逻辑推理，不仅要判断单一量特征和内涵，还要推导其中关系的相互影响和转化。究其本质，是锻炼和培养学生的逻辑思维和证据意识。

2 教学思想与创新

基于化学学科理解的教学核心在于看到知识的价值，挖掘出对发展学生核心素养有用的认识视角和思路方法。郑长龙教授^［7］提出要从本原化和结构化的方式来进行理解。本原化代表对知识和思维方法进行本原性思考，抽提出本原性问题；结构化意味着根据知识的学科功能，将其串联成一个有机整体，形成结构模型。在实际教学中，要求教师结合课标、教材甚至前沿论文，对知识进行追本溯源的理解，概括出不同层次的核心大概念，从而凝练出蕴含化学认识视角和思路的本原性问题，再将蕴含不同层次大概念的本原性问题根据一定的逻辑线索组织起来，形成化学认识思路，以帮助学生建构思维模型。

该节课以“测定食品中SO₂残留量”为情境，分为4个板块开展教学。板块1：基于价类二维视角再认识SO₂，将生活情境问题转化为化学问题，实现从生活到化学的过渡；板块2：建构“误差分析”定量分析思维模型，学生据此分析配制一定物质的量浓度溶液中误差分析的依据、视角和思路；板块3：运用多维变量“误差分析”思维模型，实现化学视角和思维模型从建构到运用的转化；板块4：基于价值认可“误差分析”思维模型，实现从化学回到生活的闭环，挖掘化学对于生产生活的意义和价值，提升学生对于化学价值的认同感。4个板块很好地运用了物质及其化合物、溶液配制、酸碱中和滴定间的联系，通过具体情境将其串联起来，实现大单元的教学，最终建构知识点、线、面完整的知识结构。教学思路如表1所示。

3 教学目标

（1） 通过配制NaOH滴定液的活动，能完整进行配制一定物质的量浓度溶液的规范实验操作；能从溶质和溶剂变化的角度来推测误差导致的实验结果，巩固基本实验操作能力和从变量角度分析变化的能力。

（2） 通过酸碱中和滴定方法测定腐竹中残留的SO₂，能分析酸碱中和滴定的原理，能从定性和定量结合的视角分析酸碱中和滴定的结果及对应的误差，实现从定性研究视角到定量研究视角的飞跃。

（3） 通过梳理配制溶液和酸碱中和滴定两者误差分析异同，能抓住误差分析本原性问题——变量引起变化。建构从溶质和溶液两个化学视角分析误差的思维模型。

4 教学过程

学生课前任务：在实验室分组配制100 mL 0.01 mol/L NaOH标准溶液和利用NaOH滴定含SO₂腐竹待测液（教师提供）的实验，并拍摄视频，以备课上使用。

充氮蒸馏法制备含SO₂腐竹待测液^［8］：称取约10 g腐竹装入500 mL圆底蒸馏烧瓶，将样品酸化后加入300 mL水，通入氮气，氮气流速为0.2 mL/min。加热功率150 W，当蒸馏液沸腾后迅速降低功率使蒸馏液保持微沸状态，用过氧化氢溶液吸收SO₂，即可得到含SO₂腐竹待测液。

4.1 基于价类二维视角再认识SO₂

学习任务一：从物质类别和元素价态两个角度回忆SO₂的性质。

【情境视频】展示SO₂在食品、工业生产中的应用。

【启发性问题】SO₂可以用作腐竹漂白防腐，物质的用途是由物质的性质决定的，那SO₂的什么性质决定其可以用于食品漂白防腐？可以从什么角度进行分析？

【小组讨论】从物质类别、元素价态和特殊性质3个角度分析，SO₂可以用作食品抗氧化、防腐漂白，是因为其具有还原性及漂白性。

【情境推进】新闻素材：近年来，SO₂在食品中的应用范围逐渐减小。

【本原性问题】为何SO₂逐渐退出食品应用？能否从SO₂使用的利弊进行分析？

【小组讨论】分别从原料廉价易得、化学性质综合优良、危害人体健康等方面讨论SO₂退出食品应用的原因。

【资料卡片】SO₂对人体健康的危害。

【本原性问题】利用SO₂熏制过的食品是否会有SO₂残留？若有，如何证明其残留在食品中？

【学生活动】①提出猜想：食品中有残留的SO₂；②设计实验：根据SO₂是酸性氧化物，可采取酸碱中和滴定验证。

【教师点评】酸碱中和滴定测定方法可取，但酸碱中和滴定是在溶液体系中进行，需要配制标准滴定液。

4.2 建构“误差分析”定量分析思维模型

学习任务二：分析配制一定物质的量浓度溶液中误差分析的依据、视角和思路。

【本原性问题】配制的标准滴定液如何选择？配制一定物质的量浓度的溶液步骤是什么？

【小组讨论】①SO₂是酸性氧化物，标准滴定液应该选碱性溶液，故选最常用的NaOH，指示剂可以选甲基橙或酚酞；②步骤：计算、称量、溶解、冷却、转移、洗涤、定容、摇匀、装瓶。

【学生活动】随机播放小组配制100 mL 0.01 mol/L NaOH标准溶液的视频，将小组操作视频和教师的规范操作进行比较。发现以下问题：药品和砝码放反了，称量时间过长，NaOH潮解了，转移溶液时洒在容量瓶外等。

【本原性问题】这些不规范操作会产生什么样的实验误差？从什么角度分析？分析依据是什么？

【师生讨论】各种不规范操作对实验结果的影响。例如，转移溶液时溶液洒在容量瓶外，根据物质的量浓度公式可知，影响的是溶质物质的量（溶质减少），故配制出来的溶液浓度偏低。

【小组总结】①误差分析依据：物质的量浓度计算公式c=n/V。②误差分析角度：从溶质的物质的量和溶液体积变化的两个角度进行分析。③误差分析思路：先确定是否有不规范操作；其次确定不规范操作引起的变量改变，是溶质物质的量还是溶液体积，随后从定量的角度判断不规范操作使变量的变化情况（增多/减少/不变）；最后得出配制的溶液浓度是偏高、偏低，还是不变的结论。

【过渡】测定SO₂的标准滴定液已经配制好，接下来开始滴定食品中是否有SO₂残留。

4.3 运用多维变量“误差分析”思维模型

学习任务三：基于科学探究思维完成NaOH溶液滴定腐竹待测液的实验。

【实验药品】基于市面上用SO₂熏制的腐竹配制出来的待测液，100 mL 0.01 mol/L NaOH标准溶液。

【思维培育】在开始滴定之前，需要做什么准备？完整科学探究实验过程是什么？

【学生活动】明白实验目的，分析实验原理，设计实验方案，准备实验仪器与药品，了解实验注意事项，搜集证据，分析结论。

【驱动性问题】酸碱中和滴定的原理是什么？如何判断滴定到达终点？酸碱指示剂如何选取？

【学生分析】①酸碱中和反应：H⁺+OH^-=H₂O，SO₂是酸性氧化物，会与碱性物质NaOH反应生成亚硫酸钠盐和水（SO₂+2NaOH=Na₂SO₃+H₂O）；②在酸碱中和滴定过程中，H⁺和OH^-物质的量守恒相等，故c_{\mathrm{测}}=(c_{\mathrm{标}}\times V_{\mathrm{标}})/V_{\mathrm{测}}；③滴定终点判断：由酸碱指示剂变色原理可知，当最后半滴滴定液滴入待测液中，待测液颜色产生突变，且维持约30 s不褪色，即达滴定终点；④酸碱指示剂选取：变色明显，碱滴酸可采用酚酞或甲基橙，颜色突变分别为无色到粉红色、红色到橙色。

【教师讲解】利用NaOH滴定腐竹待测液的实验方案和实验药品。

【结构性问题】酸碱中和滴定实验的注意事项有哪些？能否类比前面配制溶液的注意事项来总结？

【小组讨论】从仪器选择、操作要求、搜集证据等3个方面总结酸碱中和滴定实验的注意事项。

【学生活动】根据讨论所得的结果，任选一组播放NaOH滴定含SO₂腐竹待测液的实验视频，其余学生依旧仔细观察、对比本组实验操作和教师操作的细节，记录不正确操作及实验现象，并分析会对实验造成什么影响？利用配制溶液建构的基于误差分析的化学认识视角和化学认识思路分析酸碱中和滴定实验中的误差变化。

【师生总结】总结酸碱中和滴定中出现的误差，得出结论：腐竹待测液中确实残留有SO₂。

【资料卡片】文献报道腐竹中确实残留有SO₂^［8］。

【总结】完整的科学探究过程，验证了近年来逐渐取消SO₂在食品中的应用是因为容易有SO₂残留。

4.4 基于价值认可“误差分析”思维模型

学习任务四：分析化学思维在生活中的价值。

【结构性问题】在这个过程中经历了溶液误差分析和酸碱中和滴定误差分析，两种误差分析有何异同？请小组从知识内容及联系、分析视角、分析思维等角度讨论。

【小组总结】相同点：都涉及溶液浓度的计算，由一个变量引起其他变量的改变；不同点：溶液分析中溶质来源于固体称量，只涉及质量变化；而酸碱中和滴定涉及两种溶液体系，是溶液误差分析的复合，其中H⁺和OH^-物质的量守恒相等，涉及二重变化。

【激发思考】配制溶液和酸碱中和滴定都涉及误差分析，且酸碱滴定的误差分析是建立在溶液误差分析之上，属于进阶思维。学生明白误差分析的思路和方法可以迁移到其他问题的研究上。

【升华】SO₂从优良添加剂到被社会淘汰，即任何物质或事物都有其两面性。化学能创造生活，也能毁灭生活，关键在于使用者如何使用。在学习化学中更要有正确的价值观引领，让化学对生活可持续发展作出更大的贡献。

5 教学亮点

（1） 基于本原性问题挖掘知识本原，有效搭建高中化学认知结构的骨架。

利用生活中的真实情境——为何SO₂逐渐退出食品业，激起学生的学习兴趣。层层递进的问题引导学生深入探究：SO₂具有什么性质？从什么角度进行物质性质的研究？为何要将物质配制成溶液进行研究？溶液配制中的误差是由什么导致的？溶液配制的误差分析从哪两个化学视角进行研究？为什么可以用酸碱滴定进行测定？酸碱滴定的误差分析和溶液配制误差分析的化学认识视角及化学认识思路一致吗？误差分析的化学认识视角和认识思路可以迁移应用到生活中的陌生情境吗？这些问题的提出，能够引导学生了解知识的本原，明白知识和分析问题的化学视角及思维之间的联系，为建构认知结构搭建骨架，达到知其然更知其所以然的目的。

（2） 基于化学认识视角和思路外显的引导分析，为学生建构解决不良结构问题的思维模型。

化学认识视角和认识思路，是对物质及其变化的特征及规律进行认识的角度、切入点、程序、路径及框架^［9］。高中误差分析涉及多项课题，学生若死记硬背操作步骤导致的误差，将会增加知识的记忆负担。因此在复习课中，采取情境贯穿的方式，将中学最重要的两个误差分析进行结构串联研究。一方面，通过板块的递进实现思维层面的进阶；另一方面，通过学习任务拆分各个化学学习视角和学习思路，直接将其外显化。由配制溶液单一变量误差分析，进阶到酸碱中和滴定多重变量的误差分析，实现了化学认识视角和认识思路的质的飞跃。教学实践表明，学生总结出误差分析完整的知识结构、问题分析的切入点和框架图，最后建构思维模型，以此将零碎的知识整合成结构良好、逻辑性强、可迁移程度高的思维模型，可以高效达成素养提升的培养目标。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020.

[2] 姜显光，郑长龙，赵红杰.提升教师学科理解能力：缘起、意义及策略［J］.化学教育（中英文），2022，43（17）：94-99.

[3] 沈旭东.认知心理学原理下高中化学教学难点的归因分析：以“中和滴定误差分析”为例［J］.现代中小学教育，2017，33（01）：55-58.

[4] 梁伟梅.“一定物质的量浓度溶液的配制及误差分析”教学探究［J］.中学化学教学参考，2019（16）：45-46.

[5] 汪阿恋，吴新建，张贤金，等.高中化学必做实验的实验体系及教育价值探析：以“配制一定物质的量浓度的溶液”实验为例［J］.化学教学，2021（10）：60-63，67.

[6] 洪清娟.化学学科理解视域下的教材单元整体备课［J］.化学教育（中英文），2021，42（19）：49-55.

[7] 郑长龙.化学学科理解与“素养为本”的化学课堂教学［J］.课程·教材·教法，2019，39（09）：120-125.

[8] 方芳.酸碱滴定法测定食品中二氧化硫的条件优化［J］.广东化工，2023，50（08）：195-197.

[9] 郑长龙，孙佳林.“素养为本”的化学课堂教学的设计与实施［J］.课程·教材·教法，2018，38（04）：71-78.

基金资助

云南师范大学博士科研启动项目（理科）“云南产马钱属药用植物的化学成分及其生物活性的研究”(2019XJLK11)

中国化学会化学教育委员会“十四五”规划2021年一般课题(HJ2021-0018)