新課程背景下高中化學實驗設計與探究性實驗試題研究

李長江　張英鋒

摘要 化學是一門以實驗為基礎的學科，實驗對于學生學好化學具有不可替代的作用，高中化學新課程更凸顯了化學實驗教學在化學教學中的重要地位和作用。如何更科學、更準確的分析解答化學實驗設計與探究性實驗試題，是新課改背景下廣大教師費時最多的討論議題。本文旨在通過對人教社新、舊版化學教材中實驗的變化，結合實驗試題形式歸納實驗設計與探究試題的特點，初步總結出實驗設計與探究試題的解答策略。

關鍵詞 新課程；化學實驗設計；探究性實驗

中圖分類號 G633.8

文獻標識碼 A

文章編號 1005-4634（2012）05-0109-03

化學實驗過程本身就是一個探究的過程，學生在實驗過程中能夠發現有探究價值的問題，通過實驗可以收集解決問題的證據，還可以運用實驗檢驗結論的合理性，并能從中體驗科學家科學探究的方法，獲得探究的樂趣和成功的喜悅。為了有效地促進學生發展，在我國新一輪基礎教育課程改革中強調“通過以化學實驗為主的多種探究活動，使學生體驗科學研究的過程，激發學習化學的興趣，強化科學探究的意識，促進學習方式的轉變，培養學生的創新精神和實踐能力”。這在一定程度上改變了原有課程實施過于強調接受學習、死記硬背、機械訓練的現狀，特別強調學生在學習過程中的自主學習、探究學習、合作學習。這種學習方式的改變，將科學探究引入了化學課堂，力圖通過化學實驗教學這一途徑，全面體現化學新課程的全新理念，探索化學實驗教學的新體系。

1 人教社新、舊版化學教材中實驗的變化

1.1增加“探究性”實驗欄目

較舊版教材，2007年版人教社高中化學新教材增加了“科學探究”實驗欄目，并且比例較大，“科學探究”實驗占實驗總數的25%。新教材沒有嚴格區分學生分組實驗和演示實驗，在設置上，實驗內容與化學知識緊密配合，提倡“以生為本”，采取教師指導下學生親自實驗、親自體驗的教學形式。教材中涌現出了一些新的實驗呈現方式，如：實驗活動陳述式、實驗情境創設式、激勵質疑式、引導探究式、總結提煉式等，可見新教材注重對學生探究能力的培養。

1.2強調學生要更多的參與探究性實驗

化學實驗作為研究化學的重要手段，逐漸成為學生認識化學世界的工具，更是吸引學生主動學習化學的重要動力。舊教材在每個實驗后面都有相應的實驗現象和解釋，所以設置的表格非常少，而新教材中許多實驗現象和數據必須在實驗過程中才能夠得到，實驗結束后由學生自己去整理填寫。這說明新教材為了發揮實驗在培養未來公民科學素養中的重要作用，采用預先設置大量過程性客觀題的方式，“強制性”的讓學生參與動手實驗，獲得第一手數據。

1.3新教材化學實驗呈現鮮明的探究性思想

新課程標準中提出“通過以化學實驗為主的多種探究活動，使學生體驗科學研究的過程，激發學習化學的興趣，強化科學探究的意識，促進學習方式的轉變，培養學生的創新精神和實踐能力”。化學實驗在中學化學教學中應當成為學生探索、發現、驗證知識的重要手段。舊版本教材中有關實驗探究的內容基本屬于驗證性實驗，而新教材中的實驗則更加突出了以學生為主體的教學思路，不僅做到了探究性活動內容與知識內容結合，更加注意探究能力和實踐能力的培養，因此加強實驗探究，發揮其重要的作用，是實現高中化學新課程標準的關鍵之一。例如：實驗二氧化氮跟水反應（3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO），舊版教材中只是簡單介紹了工業上利用該反應制硝酸時，為了提高吸收效率，同時避免污染，需要補充過量氧氣，多次氧化NO、多次吸收。學生對此理解不深刻，印象膚淺。新教材將該實驗更改為設計實驗：提供一試管NO₂氣體，其他藥品和儀器自選，實驗要求盡可能多地使NO₂被水吸收，通過該實驗設計，對工業生產硝酸有哪些啟示？通過這一實驗設計，不僅使學生明確了對原料（NO₂）的充分利用、為保護環境要減少有害氣體（NO）的排放等道理，還培養了學生實驗設計的能力。

2 實驗設計與探究試題的特點

2.1創設情境、體現創新

“創新是一個民族進步的靈魂，是一個國家興旺發達的不竭動力?！碑斍敖逃母灸康木褪桥囵B具有創新能力的高素質人才?？v觀新課標高考中各省份的化學實驗試題，多數以創設新穎情景為出題口，主要體現在以下三個方面：一是多數高考試題雖然取材于教材，但在藥品使用、儀器拓展、實驗操作、實驗步驟等方面做了優化和創新，有時則是對教材上多個實驗進行“組團”式考查（如2010年新課標全國理綜卷實驗題）；二是關注實驗過程的創新。如實驗原理、實驗條件的創新，實驗途徑及步驟的創新（如2008年新課標全國理綜卷測定鐵元素含量、2009年探究堿式碳酸銅組成的兩種方法）等；三是大多數探究性試題的情景都是目前社會生活、科技、資源、環境等熱點問題。這就意味著學生中學化學知識考查不僅要有“知識性”、“學術性”，還要有“社會性”和“時代性”。

2.2考查基礎、側重綜合

從近幾年高考實驗試題來看，所考查知識源于教材中的典型實驗，但“立足教材、高于教材”。中學最基礎的內容依舊是考查的重點，但試題的綜合性更強?？疾橐c包括重要物質的制備與性質、實驗原理、基本實驗操作、重要儀器的使用等。命題經常以元素化合物知識為載體，將實驗原理、計算、設計、評價、推斷融合在其中，把能力的考查提升到一個更高的高度。在新課標高考中定量實驗更是高頻考點。

2.3重視能力、提高要求

新課程背景下高考中的實驗題著重考查學生的三種能力：（1）實驗設計和評價能力。在實驗設計方面重點考查實驗操作、儀器的選擇與連接、局部裝置的優化、化學原理的驗證、實驗步驟的補充與設計等。在評價方面側重考查局部實驗裝置的優、缺點并進行改進，實驗原理的評價，實驗數據誤差分析等；（2）實驗表達能力。命題人往往要求學生把設計目的、具體操作、實驗步驟、實驗現象、實驗結論等用語言表達出來。在作答時一定要注意兩點：一是要注意敘述的有序性，為了完成某個操作需要幾步進行，觀察到某些實驗現象，要把每一步敘述到位，如檢查氣密性，一般要有構造密閉體系、改變壓強、產生相關現象、得出結論四步。二是要用規范的化學語言敘述，杜絕使用口頭語，如“通入二氧化硫氣體”不能說成“加入二氧化硫氣體”；少量二氧化碳通入澄清石灰水，現象應為“溶液變渾濁”，而不能表述成“溶液變白”；（3）計算能力。從近幾年新課標高考試題來看，定量實驗是考查的高頻考點?？疾榈哪Ｊ街饕袃煞N：一是“數據的測量一數據的處理一得出結論”型；二是“給出數據一分析數據一發現規律”型。無論是哪種題型都可能會涉及數據的處理和對計算能力的考查。

3 實驗設計與探究題的解題策略

3.1思考問題的順序

1）思考實驗考察的核心問題。如為達到實驗目的選擇的實驗路線、方法是否恰當；實驗原理是否科學、合理；所選用藥品與儀器是否簡單合理；實驗現象是否直觀、明顯（是否有干擾）；實驗過程是否安全、環保。

2）思考常規實驗操作。回顧與本實驗有關物質的制備、凈化、吸收、存放、環保、安全等問題，還要注意實驗的具體目的：是否需驅趕空氣裝置、需防止空氣中的CO₂、H₂O進入裝置等具體問題。

3）思考常規實驗儀器及裝置的連接順序。一般為氣體發生裝置-凈化裝置（包括干燥、凈化、除雜）-主體實驗裝置-尾氣處理。有些實驗還需要增加驅趕空氣裝置、防倒吸裝置、防止空氣中有關氣體進入等裝置。

4）思考實驗操作的順序以及要求注意的相關問題。實驗操作順序一般為：連接儀器-檢查氣密性-裝藥品-進行實驗。儀器連接一般按照從下至上、從左到右的順序。在整套儀器連接完畢后，應先檢查裝置的氣密性，檢查裝置氣密性的方法依裝置的特點而定，然后裝入藥品進行后續操作。

5）思考實驗現象，得出合理結論。為了答題全面，回答實驗現象時一般也是按照實驗裝置從下至上、從左到右的順序進行觀察，根據實驗中觀察到的現象推導出實驗結論。

3.2結合具體類型科學作答

1）物質制備型。單純從應試角度來看，所見到的制備類實驗，從左到右，一般會出現下列幾部分裝置：氣體（物質）制備-除雜-干燥-主體實驗-（尾氣處理）-（收集）-（凈化）。括號中的裝置不同的實驗會有所取舍。遇到具體實驗問題時，只要對照上述裝置路線進行適當的取舍，就可以理清命題人的目的了。就近幾年的高考實驗試題看，制備實驗中實驗裝置除了上面這幾部分基本裝置外，為了使實驗更加科學、合理、完美，經常出現改進、優化類裝置，如水浴加熱裝置、防倒吸的裝置、平衡壓強的裝置、不同氣體充分混合裝置、冷凝回流的裝置、冷卻收集的裝置等。應該扎實地記住上面這幾部分裝置，當題中給出裝置時，可以對照上述順序把整套裝置劃分為幾個模塊，便于理清思路。當需要自己設計制備裝置時，可以把它作為路線圖，便于設計最佳的制備方案。物質的制備中往往涉及到多個物質之間的相互轉化，從起始物質到最終產物的實現可能存在多種途徑，如何從這幾種途徑中選擇最佳方案？關鍵是對制備原理的選擇，此選擇以原料和產物的性質為基礎，以操作過程的簡捷與可操作性為前提，以原料的利用率和產物的產出率為終極目標。

2）性質驗證型。此類問題一般解題思路為：分析物質的結構確定所屬類型-典型代表物的性質-推測其可能具有的性質-推測可能發生的化學反應-利用反應產生的現象證明是否具備這樣的性質。此類題型主要有兩種：一種是條件限制型的，即對實驗試劑、檢驗方法、實驗裝置做了限定，需要根據命題人的思路進行探究并作答。作為應試題目，限制型的題目是考查的重點；另一種是開放型的，即不論哪種實驗方法只要能達到驗證目的即可。解決限制型的試題首先要根據題設條件綜合分析命題人的意圖，弄清整體思路，然后再具體作答，切忌自己主觀臆斷，否則得到的答案往往與標準答案相差甚遠。其次要注意驗證某性質一般應通過某個具體化學反應的實驗現象來達到驗證目的，因此做這類題目時要排除其他干擾因素對驗證的影響。如探究二氧化硫與過氧化鈉的反應：二氧化硫與二氧化碳在組成上具有相似性，于是可以推測二氧化硫可能與過氧化鈉反應生成亞硫酸鈉，但考慮到二氧化硫具有還原性，所以與過氧化鈉反應時還可能生成硫酸鈉，因此，就可以根據亞硫酸鈉與硫酸鈉的性質，設計合適的化學反應，從而驗證二氧化硫和過氧化鈉可能發生的反應。

3）定量探究型。定量實驗的核心是“定量”，因而實驗的設計應圍繞定什么量、如何定量、如何精確定量等一系列問題設計簡單定量實驗方案。高中定量實驗教學可分為定量驗證和定量分析。如一定物質的量濃度溶液的配制和氣體摩爾體積的測定，這類實驗可深化對概念的理解，屬于定量驗證類實驗。其實驗原理是已有的概念和相關的定義式，因此需要測定的目標量是十分明確的。硫酸銅晶體中結晶水含量的測定和酸堿中和滴定實驗等屬于定量分析類實驗，實驗中實驗原理的設計需要先找到合適的相關反應并確定計量關系，然后圍繞實現實驗原理、準確測量展開關于操作原理和儀器原理的討論，完成實驗設計。定量探究實驗的重點是對數據的分析和處理。對數據的分析要注意不僅要看數據是否在誤差允許范圍內，還要就數據的測定環境進行分析，尤其是氣體體積數據，在多個反應共存時，往往用守恒法或關系式法處理數據。

4）假設探究型。這類題一般由兩部分組成，一部分是提出若干假設（猜想部分），另一部分是對其中的某種假設做出驗證（實驗設計部分）。這類題集基本儀器的使用、物質的檢驗、實驗設計等于一身，綜合考查考生的實驗能力。解決這類問題需要明確科學探究的一般步驟：主要有“提出問題-猜想假設-科學探究-得出結論”4個步驟，一般情況下提出問題主要由試題本身在題干中提出，而“猜想假設-科學探究-得出結論”3個步驟是學生作答的關鍵所在。

總之，開展化學實驗教改一個關鍵點就是要實現實驗教學模式的轉變，從傳統的注入式向以探究式為主的教學式的轉變。新課改教科書中的化學實驗為學生創設了親身參與實踐的情境，具有獲知、激趣、求真、循理、育德等教育功能。教師在進行化學實驗設計與探究性實驗試題教學設計時，應突出以學生為本，突出學生在課堂上的主動性、探究性、創造性和差異性，在特定的課堂環境中根據學生的認知和情感需要，因勢利導地組織學生參與到自主創新的探究性學習環境中來，只有這樣，才能讓課堂真正成為喚醒學生潛能、促進學生自我發展的舞臺。