化學實驗設計能力的培養與評價

化學是一門以實驗為基礎的學科，實驗性是化學最基本的特征。化學實驗是培養學生觀察能力、操作能力、分析和解決問題能力以及思維能力的重要途徑。“課程標準”一方面要求學生掌握規定的實驗，包括了解實驗的目的、實驗原理和實驗步驟，會控制實驗的條件和使用實驗儀器，會觀察和分析實驗現象，解釋實驗結果(數據)并寫出實驗結論；另一方面要求學生具有設計簡單實驗方案的能力，即學生自主設計實驗原理、選擇實驗裝置、安排實驗步驟、設計數據處理的方法及分析實驗的現象，能通過分析和推理得出實驗結論的能力。化學實驗設計通常包括：①設計實驗方案；②設計實驗步驟；③設計實驗的改進方法等。

一、實驗設計通常遵循的三個原則

1．單因子變量原則

即控制其他因素不變，只改變其中一個因素，觀察其對實驗結果的影響。如用MnO₂等金屬氧化物改變KCLO₃分解速率的探究實驗。

2．平行重復原則

即控制某種因素的變化幅度，在同樣的條件下，重復實驗觀察其對實驗結果的影響程度。如：通過P、s、Fe等單質在空氣中與氧氣的燃燒現象的對比，概括氧氣的性質，并由氧氣的性質理解影響燃燒劇烈程度的外在因素。

3．設計對照原則

即實驗中設置對照組，使實驗結果具有說服方。如銅、鐵銹蝕的探究實驗，燃燒條件的探究等。

二、實驗設計的基本方法

1．了解題目的要求

解題時，首先要認真分析和領會題意，明確實驗的目的和要求，看清題意是要求設計實驗方案、步驟，還是分析實驗結果。

2．明確實驗的原理

“題在書外，理在書內。”認真分析材料所蘊涵的信息與教材內容的相關性，確立具體應用化學上的哪一條基本原理。

3．確立實驗的思路

根據實驗的原理對實驗做出假設，明確應遵循的相應的實驗原理，并充分利用題中提供的實驗藥品、儀器來設計實驗的具體思路。

4．設計實驗的步驟

根據實驗的目的、原理和具體的思維程序，設計出合理的實驗裝置和實驗操作步驟。如把制取氣體的化學反應與制取氣體的裝置的選擇相結合，確立氣體的制備裝置，把實驗裝置與實驗的操作相結合獨立完成實驗。同時要注意：一是題目中給出的實驗試劑和儀器一般要充分利用；二是除非題目允許，否則，不可以自己隨意增加實驗試劑與實驗儀器裝置。由于實驗設計是一個開放性的過程，可能存在多種實驗操作程序，所以一般應遵循以下幾個要求：原理的正確性、操作上的可行性、經濟上的合理性和符合環保要求的安全性。

5．記錄實驗現象和數據 在實驗中將觀察到的現象如實、準確地記錄下來。除用文字記錄外，還可以用數據或化學方程式進行記錄。

6．分析得出結論 根據實驗的現象和記錄的數據，通過分析、推理得出實驗結論，并用文字、圖表和化學方程式等方法做一個簡明的總結。

三、實驗設計題型的類析

1．設計實驗方案

題目給出實驗的目的以及一些附加的條件，讓學生設計實驗方案，寫出實驗的原理。解答這類題型首先要根據題目的要求和給出的條件，確立和書本相關的知識點及實驗原理，構思相關的化學實驗情境，然后設計便于操作的實驗方案。

例1：將一定量的碳和一定質量的氧氣置于密閉容器內，在一定條件下使二者充分反應后無固體剩余，得到無色氣體。你認為反應后密閉容器內氣體的組成最多有三種可能。根據你的猜想，選擇其中復雜的一種可能的組成，設計實驗方案進行探究，將有關的內容填寫在下列表格中(簡述或圖示)。

2．設計實驗的步驟

根據題目的要求及實驗提出的目的設計或補全實驗步驟。這類題目體現了理論聯系實際的原則和學以致用的目的。要求學生在平時的學習中有較強的實驗意識，在具體的實踐中逐步掌握根據實驗試題的要求和有關原理設計簡單的實驗方法的能力，以及通過分析和綜合，比較和論證選擇解決問題的最終方案的評價能力。

例2：不法商販為牟取暴利，不擇手段制造假冒商品，請你根據學過的化學知識，設計簡單的實驗方案，用化學方法鑒別下列物質的真偽。

(1)用自來水冒充純凈水(蒸餾水)。

(2)用質量分數為95％的乙醇溶液冒充無水乙醇。

(3)鋁合金冒充純銀制品。

下面是實驗操作、現象、結論及化學方程式：

(1)取3～4毫升樣品，滴入酸化的AgNO₃溶液后，輕輕振蕩。如有白色狀沉淀生成，則是自來水；若仍澄清則是蒸餾水。因為自來水在用氯氣消毒后，會在水中留有微量的氯離子。

3．設計改進方法

考查學生對化學實驗設計的嚴密性和科學性的評價，并以此為媒介引導學生探究解決問題的最佳方法，進一步培養學生的創新精神和實踐能力。

例3：某校化學課外活動小組積極開展環保活動。他們對學校所在地的一所化工廠排出的污水進行多次檢測，發現其中含有大量的Zn²⁺、Hg²⁺、Fe²⁺、Cu²⁺四種金屬離子，如不處理會對環境造成污染。為防止污染并回收金屬銅，同學們設計了如下實驗方案：

(1)三種方案中能制得純凈Cu的方案是方案三。

(2)在能制得純凈銅的方案中，實際上仍對環境(空氣污染)的步驟是③濾渣中的汞(液態附著在銅粉上)在加熱時蒸發到空氣中，污染空氣。在加熱裝置上連接一個冷卻裝置，將汞蒸氣冷凝回收。

4．綜合實驗設計型

此類試題為完全開放性，其條件、方法和方案均具有不確定性。要求學生思維發散，根據具體要求自行設計。

例4：稀鹽酸中存在＿種粒子。稀鹽酸可使紫色的石蕊試劑變紅。請你設計實驗，探究鹽酸中是哪種粒子使紫色試劑變紅的。

鹽酸是氯化氫氣體的水溶液。HCI=H⁺+Cl^-在溶液中共存在三種粒子即水分子、氫離子和氯離子。對比實驗設計如下：

(1)將蒸餾水噴灑在浸過紫色石蕊試劑后烘干的紫色花朵上，花朵的顏色沒有變化，則說明水分子與石蕊試劑不發生反應。

(2)用三支小試管分別各取少取氯化鈉溶液、氯化鉀溶液、氯化鎂溶液，向三支試管分別滴入幾滴紫色石蕊試劑，發現三支試管中的溶液均無變化。說明紫色石蕊遇稀鹽酸溶液變紅與氯離子無關。

(3)用三支小試管分別各取少取稀鹽酸、稀硫酸、稀硝酸，向三支試管分別滴入幾滴紫色石蕊試劑，發現三支試管中的溶液均變成紅色。說明紫色石蕊遇稀鹽酸變紅與氫離子有關。

結論：氫離子在溶液中遇紫色石蕊試劑，發生化學反應生成顯紅色的新物質，使溶液變成紅色。

(作者單位：雙城市周家第2中學)

編輯，張燁

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機會的意義

一個人在海上遇難，漂流到了一個小島上，他建了個小木房，還儲存了一些食物在里面。每天他想盡辦法尋找生機，一大早就要登上高處張望。可一個星期過去了，一只木船的影子也沒看見。

這天，他正在岸邊張望，突然狂風大作，雷電轟鳴。一回頭，他看見自己的木棚方向升起濃煙，他急忙跑回去原來雷電點烯了他的木房，大火熊熊燃燒起來，他真希望能趕快下一場雨澆滅這場火，因為他所有的食物都在這里！可是，火漸漸地把棚子燒成灰燼，天卻漸漸地轉晴了，一滴雨也沒下。

他絕望了，認為這是上帝的懲罰。他心灰意冷地到一棵樹上結束了自己的生命。

就在他停止呼吸后不久，一艘船開過來，人們來到島上，船長一看見灰燼和吊在樹上的尸體就明白了一切，他說：“他沒有想到失火后冒出的濃煙把我們的船引到這里，他只要再堅持一會兒就會獲救的。”

機會常常在最意想不到的時刻到來，對于我們來說，不僅要有創造機會的能力，還要有等待機會的勇氣，就像要漫漫長夜等待黎明，太陽總是在最黑暗的時刻后升起。

(作者單位：山東省臨清市曹崗小區建委家屬院4號樓一單元四層西戶)