化學實驗教學改革建議之一

　　摘要：闡述了對中學化學實驗教學重要性的認識；歸納出化學實驗體系包括化學體系、儀器裝置、實驗步驟和操作三個要素；指出化學學科本身教育的缺位，是很多教師黑板上“做實驗”的原因之一；提出實驗教學改革要從實驗預習開始，并以“粗鹽中難溶性雜質的去除”為例，對預習內容及方法進行了詳細的闡述，最后給出了實驗實施方案的建議。
　　文章編號： 1005–6629(2012)4–0003–04 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B
　　 1 對化學實驗教學重要性的認識
　　化學是一門重要的基礎科學，雖然和物理學、生物學、天文學等學科的視角和研究方法不盡相同，但它們之間實際上是相通的。例如，核酸化學的研究促成了分子生物學的誕生；地球、月球和其他天體化學成分中化學元素分布規律的研究及星際空間簡單化合物的發現，為地球化學和宇宙化學的誕生提供了堅實的基礎。這類互相滲透又互相促進的事例，不勝枚舉。由此說明，為了全面培育現代公民的科學素質，化學教育不可或缺。
　　化學是一門實驗性科學。通過在原子分子水平上對物質的組成、結構、性質和變化的研究，化學促進了人們對物質世界形成和發展的認識；基于對物質構成及穩定性等的了解，化學實現了對組成和結構極其復雜的天然產物的人工合成，使得某些源于動植物的珍貴資源，可以由簡單易得的化學原料進行工業化生產，人造橡膠、胰島素和青蒿素等的全合成僅僅是其中的個例。合成自然界原來不存在的新物質，則是化學所獨有的特色。所有這些成就，都源自出于化學家的實驗室工作。此外，和其他基礎科學相比，化學更注重物質的個性，個性的發現、識別和鑒定已成為實驗化學家的主要工作。雖然近年來理論化學方法得到了長足地進步，但是所得結論仍然需要通過精心設計的實驗來驗證，從而說明了化學仍然是一門實驗性科學。這就確定了化學實驗在化學教育和教學中不可替代的地位。
　　既然對理論推導或科學假設的驗證，通常由科學實驗來完成，那么為什么又要承認科學實驗所得結論都具有不同程度的不確定性，而且把這種認識視為科學素養的最重要內涵？茲以化學為例，物質的性質，不僅決定于它固有的組成和結構，還要受到所處環境（包括物理環境和化學環境）的影響。試以大家都熟悉的水為例，水的沸點依氣壓而變，同時也和溶解于其中的溶質的數量和性質有關；水在通常情況下是一種滅火劑，但是在遇到赤熱的炭或金屬鈉、鎂時，反而會因為分解產生氫而助燃。這些現象說明，只有在能夠影響它的眾多因素可以固定或忽略不計時，對物質性質的描述才是確定的。而對某些因素的固定或忽略，就可以成為科學結論具有不確定性的原因。如果用數學語言來表述，那就是“物質體系的性質是多因素的函數。”
　　以上的表述可以借助初等代數中的不定方程來闡明。利用一個類似于像x+y=8的方程，就可以得到上面的結論。因為要求解這個方程中的x，只有以下幾種可能，即：① y有固定值；②已知x和y之間的“關系”；③假設或已知在給定條件下，y可以忽略不計。顯然，①和②意味著增加了一個方程，不定方程已經轉變為正規的二元一次聯立方程，只有③才是符合求解不定方程的一種情況，顯然③所要求的前提條件本身就包含著不確定性。對于影響因素很多的化學反應體系，基于產物所作出的結論，是在嚴格控制多項條件下得到的，其中也包括若干被認為可以忽略的因素（如很多實驗是在對大氣開放的條件下進行的，而大氣對實驗的影響一般認為是可以忽略的，但是并不都有嚴格的實驗證明），參照上面介紹的那個不定方程，讀者應當很容易發現科學實驗和它的相似之處。綜上所述，科學實驗的結論（或由此推出的理論）一定存在著不確定性，就是不言而喻的了。所以，發現實驗結論或科學理論的不確定性，并設法減少或去除不確定性的探究性思維和實踐，是一切科學活動的核心內容，也是科學的魅力所在！絕對正確的唯一答案，可能只存在于目前的習題、考題和競賽題之中，它著重于已知的，其實并不完全的科學知識，因而難以起到幫助學生真正懂得什么是科學的作用。
　　 2 化學實驗體系三要素
　　一個化學實驗，不論是演示實驗還是教學實驗，都可以歸納為：作為實驗對象的物質體系（若目的在于探究化學變化過程，也可以稱作化學體系）；適當的儀器裝置和必要的安全措施；合理的實驗步驟和規范的操作技術等三個方面。雖然三者不可或缺，但是從學科教育的角度來看，它們的重要性并不是等同的，而是依次遞減的。只要認真分析一下，就可以認同這個看法。既然化學的研究對象是化學物質，學習或探究的目標決定了化學體系的選定（如考慮試劑易得且反應具有典型性；影響反應過程的因素較少或容易控制等。對于中學化學實驗來說，還要著重考慮實驗者安全和是否具備處理廢液等所需條件等）；化學體系選定之后，使用什么樣的儀器裝置也就大致確定了；實驗步驟決定于所選定的化學體系和儀器裝置，如何安全地、有序地完成實驗，決定了實驗者操作技術的規范程度。只有這樣來認識化學教學實驗，才能真正體現出為什么化學仍然是一門實驗性科學，和為什么學習化學一定離不開實驗。也才能夠做到通過化學實驗（包括演示和教學實驗、探究性實驗活動）培養學生的科學精神和科學作風。
　　不必諱言的是，現在的化學實驗教學中，因為實驗體系來自教材或教參，使得實施時往往把注意力放在第二、第三兩個方面，化學體系的選擇反而成為次要甚至被忽略，于是除去通過實驗能夠加深對某個實驗現象的印象外，學生受到的教育僅僅側重于某種儀器裝置的認識和基本操作訓練帶來的科學作風培育。化學學科本身教育的缺位，是很多老師認為黑板上“做實驗”也并無不可的原因之一，也是中考高考試題中出現花樣翻新的種種實驗裝置設計的誘因之一。
　　 3 實驗教學改革要從實驗預習開始
　　對實驗在化學教學中作用的評價雖然未必相同，化學實驗的重要性在化學教育界卻早已達成共識，可是近年來化學實驗教學質量不高已成為一個無容諱言的問題。雖然課程內容變化和應試壓力的影響、化學實驗學時較少、實驗經費不足以及缺少實驗室輔助人員等問題確系客觀存在，但是實驗教學改進方向不明、教學價值模糊，以至于師生對化學實驗的學習熱情明顯衰退，則是一個更為基本的原因。為此，新頒布的初中化學課程標準中，不僅明確規定了8個必須完成的基礎化學實驗，并且把化學實驗定為進行科學探究的重要方式。這是我們思考并實踐化學實驗教學改革的依據。
　　在研究物質世界時，化學學科著重于物質的個性，通常以物質的組成結構和性質為切入點。因此探索現有物質和設想中的新物質的合成方法（包括分離、提純和鑒定）便成為化學所獨有的研究課題。特定物質合成與分析方法的積累和不斷更新，使得化學合成與分析方法成為化學中最重要的基本文獻。化學教學中的實驗（包括演示實驗和學生實驗），無不來源于此。這種情況和中醫驗方匯編對中醫教學的作用非常相似。一般情況下，醫者在設計和制定處方時，驗方通常起著基本框架的作用。但是在實際用于診治時，通常要求根據患者的癥狀、體質、甚至當地當時的氣候等，對驗方內藥劑及其配比進行適當地增減，亦即力求更加符合患者的“個性”。能否做到恰如其分，和醫者對每味中藥以及組合成方劑后綜合藥性的了解程度密切相關。所以只會照方抓藥和只能熟記大量驗方的人，不可能視為合格的醫生。與此相似，只會按照實驗講義按部就班地進行實驗，沒有明確的探究目標，不能主動地把觀察到的實驗現象和化學基本概念相聯系，從而使自己對化學的理解得到深化（即通過實驗學習化學和化學是一門實驗性科學等理念的落實），即使操作很規范，實驗過程很順利，DH7MeEC8AidhjkoW39pixw==也不能認為是一次高質量的科學實驗活動。因為僅僅按照實驗講義規定的方法和步驟完成的實驗活動，如果只能落實于所謂“動手能力”（即使對科學習慣的養成有利，也需要進行有針對性地提示和指導）的訓練，就不是一次完整的化學教學實驗活動，在化學學科教育方面存在著明顯的疏漏。這種疏漏將使得化學教學實驗的教學效果難以達到預期的目標。那種類似于操作工或實驗員的訓練方式和目標，用于培育科學素養為主要任務的中學生，并不能夠真正引發學生對科學的興趣和有助于提高他們的探究性學習的能力。
　　筆者認為實驗教學改革要從實驗預習開始。首先應當明確該實驗的目的和采用的處理方法和步驟，以及事后檢查是否達到預期目標的方法。要求的方面和程度應當根據所選擇的化學實驗體系、實驗方法和步驟來確定，更要依據學生的實際水平（包括學科知識和從事科學實驗活動的經驗兩個方面）來制定，這點在化學啟蒙階段尤為重要，不可要求過高。但是如果只要求粗讀一遍實驗講義及所附報告格式，學生便會把注意力集中于如何從書本或課堂筆記中尋找將要填入報告空欄中的“答案”，而不會結合實驗的目的和步驟進行思考和設定自己關注的重點（即希望通過實驗探究的某個方面，包括化學學科內容、操作方式或步驟等）。雖然驗證某些原理或化學現象的實驗依然是初等化學實驗選材時的重點，可是從實驗教學來說，實驗過程中對化學現象的觀察、思考、推理和聯想則更為重要。后者對學習興趣的萌發、探究能力的提高和科學精神的培育，遠比結論的再次被證明和相關知識點記憶牢固程度的加深來得重要。如果不能認識到這一點，或者仍然不能擺脫歷年的中考高考試題可能產生的困擾，化學實驗教學改革就不能順利地推進。黑板上“做實驗”、紙上畫儀器裝置圖、以及著力于某些基本操作的訓練和競賽來代替化學實驗的做法，仍然會大行其道。
　　應當怎樣進行實驗的預習？試從初中課程標準中規定的8個必做實驗中首先選擇“粗鹽中難溶性雜質的去除”為例闡明筆者的想法。
　　“粗鹽提純”是一個傳統的基礎化學實驗，新發布的初中化學課程標準推薦的必做實驗（粗鹽中難溶性雜質的去除）只相當于原來的“粗鹽提純”實驗的前半部（可能考慮到目前有些學校實驗設備較差和學生實驗操作熟練程度較低的實際情況）。如果只要求除去難溶性雜質，而不要求得到純“鹽”，可以選擇的體系很多，只要組分中同時包含可溶性物質和不溶性物質就可以入選，未必一定要用粗鹽。當實驗條件具備時，我認為還是完成粗鹽提純實驗的全過程為好，因為通過實驗可以學到更多的東西。
　　實驗原理簡介：粗鹽提純實驗的物質體系為同時混有難溶性和可溶性雜質（此處的雜質并非一定指廢棄物，系針對純粹氯化鈉而言）的固體氯化鈉。實驗目的在于依據氯化鈉和雜質在水中溶解度的差別使之分離并獲得純凈的氯化鈉晶體。雖然難溶性和可溶性雜質的去除都以溶解度差別為依據，但是前者基于可溶和難溶；后者基于溫度對氯化鈉在水中溶解度的影響遠低于粗鹽中所含可溶性雜質（如鈣、鎂、鉀、鐵等的氯化物；硫酸鹽及硝酸鹽等）所體現的差別，二者并不相同。為了簡便實用，通常采用兩次分離操作。難溶性雜質的分離采用簡單的過濾分離法方案[此外還有離心分離法、抽濾分離法、傾析（decantation）法、以及類似于化工廠常用的壓濾法（filter press）可供選擇]，易溶性雜質的分離則采用結晶分離方案來完成。
　　第一次過濾除去的是粒徑大于濾紙孔的難溶性雜質，而不是溶于水中的分子和離子（也包括能夠穿過濾紙孔的膠體微粒）。水并不是唯一可用的溶劑，對目標物質和雜質具有不同的溶解性才是選擇的依據。第二次過濾是為了把濾液蒸發后得到的氯化鈉晶體從殘余的母液中分離出來。結晶法分離基于在同一溫度下，溶液中所含物質到達飽和濃度的先后次序的不同。以溫度對溶解度影響的不同為依據的體系，只有少數的特例，其中以氯化鈉最為典型。當溶液中氯化鈉的含量遠高于其他可溶性物質時，過程則更容易控制。以至于工藝條件相當粗放的海水曬鹽法已經成為海鹽生產的主要途徑。
　　簡單的驗純方法：結晶分離法的實現，取決于一個基本原理，那就是在形成結晶時，晶體中不包含母液中的其他成分和溶劑分子（水合物中的水應計入水合離子，少數因離子半徑相近晶格相同的物質可以形成類似于固溶體的晶體除外），這種性質和晶體結構的規整性和組成微粒的密堆積特性有關。因此結晶法不僅用于分離，而且廣泛地用于提純（并發展為重結晶法和分級結晶法等）。所以可以把晶體中是否含有溶劑（此處為水），作為初步驗純的方法之一。晶態物質因晶格不同，外形隨之有所不同，但是同一純凈物的晶體，大小可以各異，基本形狀卻大致相同。水晶是最為常見的一例（此外還有大家熟悉的五水硫酸銅和鉀鋁明礬等）。用放大鏡或顯微鏡觀察食鹽晶體就可以見到同樣的情形（例如面角不變），所以觀察和比較晶體外形也可以作為一種簡單的驗純方法。
　　實驗體系的特點：這是學生初次接觸到的化學實驗，選擇大家所熟悉的食鹽（粗鹽）作為實驗體系，不僅因為價廉易得，提純過程比較簡單，而且效果明顯。有助于學生對所涉及的提純方法、步驟和用到的基本操作留下比較深刻的印象。對于化學中所要求的“純”，也能夠有所體驗和認識。
　　此處的“純”包括兩重含義，即外觀和內涵兩個方面。由混有有色雜質的粗鹽到晶瑩剔透的氯化鈉晶體；由和多種無色物質共存，到組成單一的純物質。實驗者可以觀察到氯化鈉的“真面目”，從而對它作出精確地描述。其次，因為氯化鈉的溶解度和溫度關系不大，通過控制結晶條件，分離效率很高，一般不需要進行重結晶，對于初學者的實驗技巧和操作熟練程度要求較低。
　　對實驗目標完成情況的自我檢查：既然實驗的目的是粗鹽提純，那么最后應當從產物純凈情況和收率兩個方面進行自我檢查和評價。基于初等化學的要求，建議增加驗純和觀察所得氯化鈉晶體（外形和晶體內是否含有水）兩個方面的探究內容，并引導學生思考有關物理變化與化學變化、物理性質與化學性質、純凈物等概念在這個實驗中的應用。
　　實驗后可供思考的問題：請根據學生情況進行選擇，可以采用學生自行研討和探究的方式，也可以采取教師邊提問邊講解的方式，還可以選擇直接講解的方式。
　　（1）本實驗要想除去的雜質具有什么特點，實驗中建議采用的方法依據了什么原理？
　　（2）在實驗過程中，要經過兩次過濾，一次是為了除去不溶性雜質，另一次是為了把純凈氯化鈉固體從母液中分離出來。完成兩次過濾時，都要對濾紙上的濾出物用少量蒸餾水淋洗。這是為什么？它們的目的相同嗎？（一次是為了除去濾出物上沾附的食鹽溶液；一次是為了除去食鹽晶體上沾附的可溶性雜質。）
　　（3）去除粗鹽中所含不溶性雜質的方法，除了這個實驗用的過濾法外，還有其他方法可用嗎？（還可以用離心法和傾析法，這些在化學實驗中都是常見的方法。）
　　（4）所得氯化鈉晶體中會有水存在嗎？如何證明你的結論？（加熱前后保持恒重；加熱時上方的表玻璃上無水汽；碾碎后無水跡等，也都是實驗中常用的方法。）
　　（5）假如粗鹽中含有可溶性有色物質，現在用的方法也一定有效嗎？（建議由學生自己探究，實驗方法基本相同，更能體現化學的特點和科學精神的教育。）
　　（6）殘液是否一定是廢棄物？（進行化學和環保、資源相關聯的教育。）
　　 4 實驗實施方案建議
　　方案1：把這個實驗放在學習過溶液和溶解度的有關知識之后進行。可以更好地鞏固所學的知識，使得溶解度概念在實驗中得到切實地應用，而且還可以擴展到對結晶過程、提純過程中的縝密思考及采取的有效步驟（如對濾出物的淋洗）的初步認識以及對產物的檢驗等方面，都是在課堂上和書本上很難直接學到或體驗到的，有助于三維教育目標的落實。
　　預習要求除閱讀實驗講義中的基本操作與實驗步驟外，還要求對溶液和溶解度概念、溶解度與溫度的關系圖進行復習。并嘗試回答教師事先設定的幾個問題（由教師根據學生情況自己擬定，應包括實驗目的和大致步驟，每個步驟希望達到的目的，氯化鈉的溶解度和溫度的關系有何特點等）
　　建議在學生的實驗報告中增加以下項目：驗純結果；氯化鈉的收率；實驗過程中得失之處的反思。
　　方案2：把這個實驗分成兩個，一個以學習過濾操作為主，可以放在學期之初。另一個放在學習了溶液和溶解度有關課程之后，著重于探究如何從溶有粗鹽的混濁液的濾液獲取純凈的氯化鈉晶體。其他建議請參照方案1，不再贅述。
　　參考文獻：
　　[1]宋心琦.關于中學化學教學實驗改革問題的思考[J].化學教學，2008，（4）：1.
　　[2]宋心琦.化學實驗教學問題[J].中學化學教學參考，2011，（11）：3.