淺談高職生化學實驗設計能力的培養

□麻昌愛

淺談高職生化學實驗設計能力的培養

□麻昌愛

化學實驗設計能力是化學實驗能力的重要組成部分。在實踐教學中開設探究性實驗和綜合課題研究實驗，對學生進行系統的技能訓練，有利于提高學生的實驗設計能力和創新能力。

實驗設計能力；理論與實踐

高職高專教育的目標是培養高等技術應用性專門人才，畢業生應具有基礎理論知識適度、技術應用能力強、知識面較寬、素質高等特點。對于化學化工類的高職教育來說，在學生走上工作崗位之前對他們進行綜合實驗技能訓練，不僅培養他們從事實踐工作的一般技能，而且還要著重培養他們的實驗設計和創新能力，以適應新世紀對新型技術人才的要求。我們在教學實踐中，對低年級的學生注重實驗基礎知識和基本技能的教學，在高年級中開設探究性實驗和綜合課題研究，對學生進行系統的技能訓練，突出學生的實驗設計能力和創新能力的培養，取得了較好的教學效果。

一、化學實驗設計能力的本質特征和功能

（一）化學實驗設計能力的本質特征

化學實驗設計能力是化學實驗能力的重要組成部分。化學實驗設計是指實驗者在實施化學實驗之前，根據一定的化學實驗目的和要求，運用有關的化學知識和技能，對實驗的儀器、裝置、步驟和方法所進行的一種規劃和嘗試。化學實驗設計是化學實驗準備階段的一項十分重要的工作，具有較強的綜合性、靈活性和創造性[1]。化學實驗設計的綜合性，是指進行化學實驗設計必須以一定的知識和實驗技能為基礎。換句話說，它既包含著對有關知識的掌握，也包含著對有關操作技能的掌握。如果沒有化學知識和實驗技能的綜合運用，是根本不可能進行化學實驗設計的。化學實驗設計的靈活性，是指對于要解決的問題，根據不同的實驗條件，可以設計出不同的方案，即是在相同的條件下，也可以進行不同的設計。化學實驗設計的創造性，是指通過實驗設計，可以充分發揮設計者的聰明才智，讓他們運用自己所學知識，創造性地構思、設計解決問題最佳的途徑和方法。

（二）化學實驗設計能力的功能

化學實驗設計在培養學生的科學素質，促進學生的全面發展等方面具有其本身獨特而重要的功能。第一，化學實驗設計可以激發學生的化學學習興趣。學生根據自己所學的化學知識，獨立地或在教師啟發下，設計出各種實驗方案，成功地解決化學問題，從而產生成功后的喜悅，激發起更大的學習熱情，成為進一步學習的強勁動力。第二，化學實驗設計可以培養學生運用知識的研究能力和創造能力。設計化學實驗方案需要學生靈活地和創造性地運用所學的化學基礎知識和基本技能，因而可以培養他們解決化學問題的能力和創造能力。第三，化學實驗設計能很好地培養學生的科學態度和科學思維，以及化學實驗設計需要的各種科學方法，形成嚴肅認真、一絲不茍、實事求是的創新精神和創新能力。第四，化學實驗設計在化學科學研究中具有極其重要的作用，它直接關系到實驗效率的高低，乃至實驗的成敗。科學、合理、周密、巧妙的實驗設計，往往能導致化學科學的重大發現[2]。

二、開設探究性實驗，培養學生化學實驗設計能力

探究性化學實驗，簡單說就是指面對現實問題或化學實驗教學中出現的疑難問題，通過設計一系列的實驗并付諸實踐，根據實驗現象或實驗結果進行嚴密推理來分析解決問題的一種實驗方法[3]。它能使學生通過自主參與類似于科學實驗研究的學習活動，獲得自身體驗，逐步形成善于質疑、樂于探究、勤于動手、努力求知的態度，從而促進學生形成良好的實驗設計習慣和創新意識，培養了學生創新精神和化學實踐能力，提高了學生的科學素質。

（一）探究性化學實驗的一般程序

探究性化學實驗可按以下一般程序進行設計實驗[3]。

圖1 探究性化學實驗設計程序圖

（二）確定化學實驗問題的一般策略

提出一個好的化學實驗問題，往往比解決一個化學實驗問題更重要。這主要是因為化學實驗問題不僅是化學實驗認知的起點，而且它還是化學實驗認知探索的方向和內容；它不僅可以激起主體對實驗探索的強烈愿望而且還是實現自我價值的強大動力。因此，確定化學實驗問題就成了探究性化學實驗的第一步。

確定的化學實驗問題應有明確的目的性和指向性，要使問題具有明確的、具體的應答區域。問題的發現和提出，可以是平時實驗中遇到的問題，可以是學生感興趣的與當地經濟發展有關的問題。問題既可以是學生自己提出的，也可以是教師根據需求提出的。例如我們根據廣西盛產木薯淀粉，提出對木薯淀粉進行改良、深加工的研究；又如我們在食品營養與檢測專業的《食品分析與檢驗》的實驗中，發現食品中淀粉含量的測定，通常使用的國家標準第二法——酸水解法中，將淀粉在酸性條件下加熱水解成單糖，單是將樣品加酸后于沸水浴中回流就需2h，耗時長、效率低。我們提出是否可以采用微波輻射的方法來促進淀粉的水解，以縮短測定時間，提高工作效率。

（三）突出實驗設計中的思路分析

化學實驗設計一般包括實驗目的和原理、實驗用品、實驗步驟和操作方法等。

培養學生的化學實驗設計能力，首先要訓練學生一種科學的思路分析，使得化學實驗設計中的實驗原理、實驗操作程序和方法，與化學理論知識和化學實驗方法論相一致，同時實驗設計還要遵循科學性、可行性、安全性、簡約性等原則[2]。在化學實驗設計的過程中，要根據提出的實驗問題，運用已具備的化學知識或實驗技能，構思出解決問題的方案。然后根據實驗方案進行實驗設計的論證試驗，經過試驗，提出新的問題，進一步改進實驗方案，再進行論證試驗。如此往復，找出科學的、合理的的實驗方案。

例如，上述提出的食品中淀粉含量測定方法的改進問題。這個實驗問題的目的和指向十分明確，就是如何采用微波輻射的方法來促進淀粉的水解，將淀粉水解成單糖，然后按還原糖測定，以縮短測定的時間。實驗小組通過查找相關資料，了解到近年來微波技術在現代分析化學中得到了許多的應用，主要涉及在試樣干燥、試樣消解、微波萃取、微波霧化等。微波加熱是通過分子極化和離子導電兩個效應對物質直接加熱，微波技術的優點反映在高效、快速，操作控制較簡單，及無化學污染等。根據微波加熱的特點，可以初步判定，微波輻射應該對淀粉的水解過程有促進作用。

（四）指導學生探尋化學實驗的最佳條件

設計出初步的實驗方案，還要指導學生探尋化學實驗的最佳條件。任何化學實驗都離不開實驗條件，只有對實驗條件進行嚴格、合理、有效的控制，才能得到理想的實驗結果。因此，探尋、控制實驗的最佳條件是化學實驗的靈魂，是實驗成敗的關鍵。

尋找最佳實驗條件的方法有多種，概括來講主要有全面比較法、優選法、簡單比較法和綜合比較法（或稱正交實驗法）[2]。在教學中，我們重點向學生介紹正交實驗法。正交實驗法是用正交表來安排多因素實驗，并通過計算、分析來尋找最佳條件的一種方法。

1.首先是正交表的選用。正交表是一些現成的表格，按照正交表安排實驗，可以使實驗具有較強的代表性。通常是根據實驗因素和水平數的多少來選擇正交表。

2.安排實驗。例如影響微波輻射淀粉酸水解程度的因素有A——微波功率火力、B——輻射時間、C——鹽酸濃度。它們分別取表1所示的三種水平。

表1 影響微波輻射淀粉酸水解程度的因素和水平

為了探尋最佳實驗條件，可選用L9（34）正交表來安排實驗。把A，B，C對應三列的“1”、“2”、“3”換成具體的水平，如表2所示。然后按表2安排9次實驗。

表2 正交試驗方案

3.結果分析，探尋最佳實驗條件。9次實驗結果如表3所示。為了比較哪個實驗水平淀粉的轉化率最高，可對實驗結果做相應的計算，并對計算結果進行分析，找出最佳實驗條件。如把每列中所有對應于水平“1”的指標相加，然后取平均值得K1，其余水平的指標處理方法與此相同，得K2和K3，這些K值，表示跟各因素對應的幾個水平的淀粉平均水解率。極差R是每列中K值分布的最大間距，即Kmax－Kmin，標志著該因素對指標影響的大小。

表3 正交試驗方案及實驗結果

由表3中的K值可以看出，該實驗的最佳實驗條件為：A1B3C1，即微波功率810W，微波時間22min，鹽酸濃度6mol·L-1。由極差值（R）可以看出，三因素對淀粉水解率（Y）的影響主次順序為：C＞B＞A，即鹽酸濃度＞輻射時間＞微波功率。

從實驗結果分析可知，用加熱方法使淀粉水解需要2h，而改用微波輻射只需22min，大大縮短了水解的時間。

（五）創設良好實驗環境，強化化學實驗設計訓練

實驗環境包括實驗手段、教師引導方法、實驗群體的態度和水平等。化學實驗手段是構成化學科學認識活動的不可缺少的要素，也是學生認識化學實驗現象和操作，建立化學實驗能力不可缺少的橋梁。教學中應盡量給學生提供完備的實驗儀器以增加學生動手機會、拓寬想象空間。教師的引導是學生掌握化學實驗操作方法和技巧、完成實驗方案設計的關鍵。如在選擇和確定實驗題目、實驗設計方案的確定、資料的收集篩選等方面，教師都應給予必要的指導。實驗小組成員之間分工協作，取長補短，相互鼓勵，融恰的合作關系，求真嚴謹的作風有利于學生發揮各自的主觀能動性，共同來面對困難和挑戰。在實驗教學中教師要注意引導學生營造嚴謹又充滿激情的實驗氛圍。

三、成效與展望

加強化學實驗設計研究，并不意味著忽視實驗基本操作和基礎實驗的教學，相反，應該加強實驗基礎知識和基本技能的教學，因為學生只有掌握一定的基礎知識、基本技能和科學方法以后，才有基礎進行實驗設計。實驗設計偏重于培養學生的實踐能力、探究能力和創新能力。在實踐中，我們對化學化工類高職學生的化學實驗教學課程設置進行系統的編排。一年級強化實驗基礎知識和基本技能的教學。二年級結合資格證考試，有針對性地對實驗技能進行訓練，并增開部分探究性實驗，初步嘗試實驗設計的過程。三年級結合畢業設計，組織學生開展綜合性的課題研究，對學生進行 “發現問題——提出問題——設計實驗方案——實驗設計驗證——結果與討論”系統的訓練，強化實驗設計能力和創新能力的培養，提高學生的實踐能力水平，在課題研究的基礎上，撰寫研究論文，參加廣西高校化學化工類學生論文大賽和實驗技能競賽。由于我們在實驗教學中既強調基礎技能的訓練，又注重實驗設計能力和實踐能力的培養，在每年的論文大賽和實驗技能競賽中都取得相當好的成績，這又大大地激發學生參加實驗技能訓練和課題研究的積極性。同時我們還十分注重學生資格證的考試，近三年來，化學化工類的畢業生100%取得一張技能資格證書，80%以上取得兩張技能資格證，初步實現“一書雙證”的教學目標。由于學生有較好的技能基礎和較強的實踐能力，每年畢業生就業率均達100%。

面對新時代對創新型人才的需求和挑戰，創新教育這一新的教育形態己經成為當前世界各國教育改革的主旋律。化學實驗在培養學生的創新精神和創新能力等方面有著自己獨特的優勢，而化學實驗成敗的關鍵又取決于化學實驗設計，無論是教師，還是學生都應該靈活掌握化學實驗設計的原則和方法。但目前還存在著實驗教材內容陳舊、教師重視不夠、實驗條件不足、實驗教學評價制度不完善等不利因素，這就意味著高職院校的教學改革是急迫而長期的歷史重任。

[1]王克勤，馬建峰，李萬領.培養學生化學實驗設計能力的教學策略和方法[J].中學化學教學參考，2002(03).

[2]梁慧姝，鄭長龍.化學實驗論[M].南寧：廣西教育出版社，1996：116～129.

[3]苗深花，閆立澤.探究性化學實驗的設計[J].化學教學,2003(10).

責任編輯 時紅兵

麻昌愛（1957-），男，廣西橫縣人，廣西南寧地區教育學院副教授，研究方向為化學課程與教學論。

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