“創新實驗”中存在的問題及其改進對策

摘要：“創新實驗”是2014年江蘇省高中化學青年教師教學基本功大賽的一個項目。雖然大賽中展示的許多“創新實驗”具有科學性與實用性等特點，但是還存在著操作不規范、替代稍過度、裝置太復雜、原理欠科學等問題。要改進“創新實驗”的現狀和提高實驗教學的質量，廣大青年教師應該自覺堅持實驗操作規范、努力傳承化學學科特色、廣泛收集實驗改進方案、深入思考實驗設計原理，以確?；瘜W實驗的規范性、實用性和科學性。

關鍵詞：高中化學；青年教師；教學基本功大賽；創新實驗

文章編號：1005–6629（2015）2–0030–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

2014年江蘇省高中化學青年教師教學基本功大賽已經落下帷幕。該項賽事自2011年起每3年1屆，比賽內容包括粉筆字、即興演講、教學設計與課件制作、課堂教學、化學教學專業知識測試、實驗設計及操作技能等6個項目。在2011年的首屆比賽中，“實驗設計及操作技能”的內容是現場公布的教材演示實驗，“通過實驗證明淀粉（蔗糖）本身沒有還原性，而水解產物具有還原性”，但“有不少參賽教師的實驗操作不規范、不嚴謹，同時失敗率也較高”[1]。2014年的第二屆比賽方案將“實驗設計及操作技能”調整為“創新實驗”，要求“基于課程標準，各自提前設計一個適合高中課堂教學的創新實驗，體現創新價值與意義，具有科學性與實用性”[2]。從2014年5月公布比賽方案，到各地通過預賽推薦參賽選手，再到10月省級比賽的如期舉行，選手有比較充分的時間進行“創新實驗”的設計和操作訓練，同時還可以借助“外力”，在一定范圍文獻檢索的基礎上進行設計，并在主動征求其他教師意見的基礎上進行優化。因此，“創新實驗”的展示讓廣大化學教師產生了許多期待，同時也成了本屆比賽唯一進行網絡直播（直播地址為http：//hx.jssjys.com/Html/Article/2860/）的項目。

江蘇每屆高中化學青年教師教學基本功大賽共有26名選手，分兩組同時進行相關項目的比賽，這次“創新實驗”是比賽的最后一個項目，分別標注為E組和F組。從F組13位選手的展示情況來看，其中許多“創新實驗”具有科學性與實用性等特點。如有選手在過去W型彎管改進化學實驗的基礎上，在W型彎管后增加了一個帶加料口的V型管，使其成為3個V型相連的彎管（如圖1），以便深度檢驗反應的氣體產物；再有選手按照自己通過正交實驗探究得到的條件成功進行了蔗糖與濃硫酸“氣室制黑面包”的實驗，并有效處理了實驗中可能產生的尾氣；還有選手展示了有關“奇妙電池”的實驗，包括由U型管底部果凍鹽橋和左右兩側銅鋅半電池構成的原電池，以及由兩組碳棒電極電解制成的氫氧燃料電池。同時，參賽選手在“創新實驗”的展示過程中也存在諸多問題。本文擬以F組13位選手的“創新實驗”為例，在分析存在問題及其緣由的基礎上提出相關改進對策，以供青年教師在提升自身專業素養的進程中參考。

1 “創新實驗”中存在的問題及其緣由分析

1.1 自己操作不顧受眾觀察

化學是一門以實驗為基礎的學科，實驗是學生學習化學的重要中介。所以，比賽方案對“創新實驗”提出了“基于課程標準”和“適合高中課堂教學”等基本要求。如果“創新實驗”是課堂演示實驗還應該有便于學生觀察的要求，必要時允許通過一定的途徑提高實驗現象的能見度，保證學生準確獲取實驗中可能呈現的感性材料，即便是沒有明顯現象的實驗也要讓學生有真切的感受。圖2是一位選手進行鐵的吸氧腐蝕對比實驗的裝置，其中，兩支試管都被置于鐵夾的后方，鐵夾對試管產生了一定程度的遮擋，不利于學生對試管中實驗現象的全面觀察；同時試管下方的一個十字夾用凹槽向下的方向夾持鐵夾，還存在脫落的安全隱患。還有其他幾位選手也出現類似的遮擋情況。除此之外，有兩位選手出現了將用100mL小燒杯制作的氫氧燃料電池放在一排試劑瓶的后方進行電解操作的情況，這不僅不利于評委的觀察，也不利于攝像的直播。對此，有老師在直播網頁上留言說，“利用微型實驗參加這種比賽，從評委可視性角度比較吃虧，應該安排攝像頭放大”。其實，無論是進行課堂教學的實驗演示操作，還是進行“基于課程標準”的實驗創新設計，雖然比賽時是評委在進行評判，但到課堂教學層面時真正的受眾是學生，所以應該保證學生對演示實驗的能見度。青年教師在實驗展示過程中出現只顧自己操作不顧受眾觀察的現象，除了一時緊張造成慌亂以外，還可能有另外兩個方面的原因：一是教師平時課堂教學經常用視頻替代演示實驗[3]，從而缺乏給學生進行演示實驗操作方式的訓練；二是教師沒有形成正確的學生觀，心中沒有學生，沒有把為學生學習和發展服務的意識擺到正確的位置。

另外，實驗展示過程中還有3位選手是戴著橡膠手套的。這些使用橡膠手套的選手，在實驗中分別使用了硫酸、硝酸等試劑。但橡膠手套的使用反而會導致手指的不靈活，使得儀器的連接等操作不能順利進行。一位戴著橡膠手套的選手在使用塑料注射器向試管中注入濃硫酸時還不慎將注射器跌落在地。如果將戴著橡膠手套的形象呈現在學生面前，還會使學生對化學產生強烈的恐懼感。所以有教師戲言：“長期這樣進行中學化學教學，以后大學化學系就可能招不到學生了?！背霈F這些使用橡膠手套等過度自我保護的現象，也是因為教師平時缺少實驗操作的訓練，從而對自己的實驗技能產生高度不自信的外部表現。

1.2 器材替代不顧學科韻味

充分利用身邊生活中的物品，將其變“廢”為寶，或替代化學實驗的常規儀器和藥品，是化學實驗創新的重要路徑之一。所以，13位選手中有4位分別選用注射器、青霉素瓶、輸液管、靜脈注射袋、折疊式運動水壺等器材代替化學儀器進行了實驗創新設計。如果不看圖注或說明，可能難以想象圖3是一位選手正在靜脈注射袋內進行銅與稀硝酸反應的實驗。該實驗的操作是：先在潔凈干燥的靜脈注射袋內裝入少量銅粉，并保持真空狀態；然后用注射器向袋內注入少量稀硝酸，并用溫水加熱；在觀察到產生的無色氣體使其慢慢脹大，溶液呈淺藍色之后，再用注射器注入空氣，這時可以觀察到無色氣體立即變為紅棕色。這些選手實驗展示的第一個環節，或是擺放用輸液管連接的青霉素瓶，或把事先裝有各種藥品的靜脈注射袋和注射器擺滿桌面，或將掛滿折疊式運動水壺（瓶口各插有兩只注射器）的支架及若干裝有各種溶液的注射器擺放到桌面，等等。實驗中，他們還都能非常麻利地通過注射器向靜脈注射袋或折疊式運動水壺中注射各種溶液。所有這些很容易讓人聯想到醫院里護士配制靜脈注射液的場景，而與原本化學實驗中儀器的組裝、藥品的取用、溶液的傾倒等操作相去甚遠。

從實驗的效果看，利用醫藥等器材替代化學實驗的常規儀器存在以下4個問題：（1）容易堵塞。塑料管與玻璃管相比，容易扭曲變形而堵塞。有選手在檢查用輸液管連接的一組青霉素瓶的氣密性時，發現其堵塞只好另取一組進行實驗；還有選手用兩只相連的靜脈注射袋制取二氧化硫時，發現導管堵塞但又沒有備份只好放棄實驗。（2）不便清洗。醫用靜脈注射袋等貯放液體的容器，袋（瓶）口一般較小，在用于銅與稀硝酸反應或氯氣、二氧化硫等氣體制備實驗時，既難以盛裝固體藥品，也不容易進行清洗和干燥處理。（3）成本太大。由于一次性醫療廢棄物存在傳染疾病的可能，一般不允許流向社會[4]，所以選手基本都是使用嶄新的醫用器材。顯然這樣的所謂“代用”會大大提高化學實驗的成本。（4）有失學科韻味。自古以來，特別是在化學成為一門獨立的學科以來，化學實驗主要是在晶瑩剔透的玻璃器皿中進行的。使用不完全透明的塑料袋（瓶）等進行化學實驗，不僅會干擾實驗現象的觀察，而且會淡化實驗操作的基本規范，使化學實驗失去原有的韻味。出現這些有失化學實驗原有韻味的“替代”現象，主要是設計者沒有真正理解學科本身的特點和“替代”的真諦。

1.3 形式創新不顧實際操作

在比賽過程中，一位選手用自稱“二口管”的儀器按圖4裝置創新了銅與稀硝酸反應的實驗。實驗時，先如圖組裝好儀器并檢查裝置的氣密性，之后向燒杯中加入4 mol/L的NaOH溶液，關閉醫用輸液管控制器，打開帶尖嘴玻璃管上的止水夾，從二口管的左側注入稀硝酸至接近左側管口，塞上插有銅絲的橡皮塞并使橡皮塞緊貼液面，銅絲與稀硝酸立即反應產生無色氣體，溶液逐漸變淡藍色，一段時間后在左側形成無色氣柱。打開醫用輸液管控制器并控制流速，兩側液面同時下降，燒杯中形成藍色沉淀，二口管左側氣體變為紅棕色，并與右側無色空氣形成鮮明對比。對于銅與稀硝酸的反應，早有老師在一只注射器中安全地完成了相關綠色化實驗。具體操作是：在注射器內放入一小塊銅片，吸取少量稀硝酸，排盡空氣，迅速用塑料帽套牢尖嘴；過一會兒，可觀察到活塞緩慢外移，同時注射器內出現無色氣體。為了驗證注射器內的氣體是一氧化氮，拔去尖嘴上的塑料帽，向外拉動活塞，吸入少量空氣，注射器內的氣體立刻變成紅棕色[5]。在結束實驗時，將注射器內的液體擠入盛有一定量氫氧化鈉溶液的小燒杯中即可。圖4中被稱為“二口管”的儀器，其實是“克氏蒸餾”裝置中的“蒸餾頭”。顯然在一只注射器中進行銅與稀硝酸反應的實驗，要比在“蒸餾頭”中的實驗快捷、簡便，更可貴的是大大減少了藥品的用量，這不僅能降低實驗的成本，而且減小了可能的環境污染。

在“創新實驗”比賽中，還有兩位選手運用氧氣傳感器和壓力傳感器對吸氧腐蝕過程中體系內部氧氣濃度或氣體壓強的變化進行了演示。其實，這兩個實驗只能反映體系中氧氣濃度或氣體壓強的變化，一些邊遠的農村中學可能還沒有氧氣傳感器和壓力傳感器，而人教版教科書安排的“鐵的吸氧腐蝕實驗”中“導管內水柱的上升”就能說明問題。對于吸氧腐蝕的教學來說，真正的難點是對吸氧腐蝕電極反應的理解。下列實驗就可以用來突破這一難點：在U型管中裝入氯化鈉溶液，左右兩側分別插入用導線連接的鐵釘和碳棒（干燥并用砂紙打磨表面），同時在鐵釘附近滴加2滴鐵氰化鉀溶液，碳棒附近滴加2滴酚酞試液。將檢流計串聯在兩極之間，可以觀察到檢流計指針的偏轉、鐵釘附近形成藍色沉淀和碳棒附近溶液顯紅色的現象[6]。那些不從操作的簡便、難點的突破等角度考慮的所謂“創新”，其實只是追求實驗儀器或裝置等外在創新的“形式主義”。

1.4 解決表象不顧原理科學

比賽中有兩位選手用靜脈注射袋或注射器創新了氯氣的制取和性質實驗，由于加熱條件受限，他們都選用了氯酸鉀與濃鹽酸反應的方法來制取氯氣。從實驗現象看，這兩位選手所制得的氣體都明顯呈現黃色，而且反應混合液也呈黃色。究其原因，雖然氯酸鉀與濃鹽酸之間能發生反應生成氯氣，但是同時會產生大量的二氧化氯氣體。

早在1811年，英國科學家戴維就在實驗室通過氯酸鉀與鹽酸的作用，首次成功制備了二氧化氯氣體[7]。由于常溫下二氧化氯是黃色氣體，極易溶于水，所以，選手們通過氯酸鉀與濃鹽酸反應制得的氯氣明顯呈現黃色，反應混合液也呈黃色。而用夾著大量二氧化氯的氯氣進行氯氣的性質實驗，顯然是不科學也不嚴謹的。

還有選手用在表面均勻涂抹凡士林的鋅片進行了簡易銅鋅原電池的實驗，由于鋅片與稀硫酸接觸受阻，大大降低了原電池中的電流強度，同時也使鋅片表面產生氣泡的現象變得很不明顯。在解釋簡易銅鋅原電池中鋅片表面產生氣泡的原因時，該選手認為是由于鋅片不純形成局部原電池所導致的。而且還介紹說，過去人們往往通過形成鋅汞齊的方法來減小鋅片與稀硫酸的接觸面。其實，鋅片表面有氫氣產生是由于動力學原因，鋅片失去的電子只有一部分經過導線傳遞到銅片表面被H+離子結合，而更多的電子由鋅片直接傳遞給了H+離子。所以相對于銅片，鋅片是原電池的負極，同時也有局部鋅片是另一個局部鋅片的正極，也就是說，鋅片表現著“二重電極”的角色。而且鋅汞齊的形成使鋅片表面變得更為不純，形成鋅汞齊后鋅片表面氫氣減少，主要不是鋅汞齊減小了鋅片與稀硫酸的接觸面，而是因為氫氣在汞表面有著很大的析出過電勢的緣故。要控制鋅片表面產生氫氣的現象，只有用帶鹽橋的原電池。鹽橋的使用不僅能完全控制鋅片表面的氣泡問題，同時會大大提高原電池的供電效率[8]。以上創新實驗之所以會出現原理欠妥的現象，主要是由于一些青年教師只注意實驗的表面現象而對原理卻不求甚解所導致的。

2 改進“創新實驗”現狀和提高實驗教學質量的對策

2.1 自覺堅持實驗操作規范

科學規范的實驗操作是完成有關實驗獲取相應感性材料的基本保障。因此，在化學教學活動中，教師除了對學生進行實驗規范指導以外，更應該以身作則，自覺追求自身實驗操作的規范性，確保學生從演示或分組實驗中獲得相應的感性材料和正確的操作方法。

2.2 努力傳承化學學科特色

任何學科都有自身的學科特色。學生從九年級學習化學開始，就對拉瓦錫在玻璃曲頸甑、汞槽和鐘罩中所進行的經典著名的空氣成分測定等實驗留下了深刻的印象?；瘜W實驗也離不開儀器的組裝、藥品的取用等一系列基本操作。所以化學實驗的創新要傳承學科特色，鞏固學生對學科特色的認識。

2.3 廣泛收集實驗改進方案

創新實驗都是為教學服務的。為了發揮化學實驗所具有的激發學習興趣、呈現物質性質、揭示反應原理、解決化學問題等功能，教師應該在做好教科書安排的有關實驗的基礎上，廣泛收集他人的實驗改進方案，從中汲取成功經驗，使其成為自身實驗創新的起點，或直接為實驗教學提供有益的參考。

2.4 深入思考實驗設計原理

科學性是包括化學實驗在內的一切教學活動的生命線。每個化學實驗都有相應的教育功能，要全面實現化學實驗的教育功能，首先要深入思考實驗中的有關問題，保證設計原理的科學準確，并使其與所要呈現的物質性質、揭示的反應原理或解決的化學問題相對應，從而使其更好地為化學教學服務。

總之，“實驗設計及操作技能”是化學教師的一項基本功，無論是經典實驗還是“創新實驗”，都應該有規范、實用、科學以及蘊含學科傳統韻味的基本要求。廣大化學教師特別是青年化學教師，要結合實踐苦練教學基本功，以全面提升自己的專業素養，為提高化學教學質量和培養化學學科的棟梁之才，做出自己應有的貢獻。

參考文獻：

[1]劉學明.青年教師專業發展初探——參加江蘇省基礎教育青年教師高中化學基本功大賽有感[J].化學教與學，2012，（9）：61～62.

[2]江蘇省中小學教學研究室. 2014年江蘇省基礎教育青年教師教學基本功大賽比賽方案[EB/OL]. http：//www.jssjys. com/Html/Article/13230/，2014-05-20.

[3]陸軍.對江蘇農村高中化學教學現狀的考察報告[J].化學教學，2013，（10）：20～23.

[4]魏明，李月玲.一次性醫用輸液器、注射器廢棄物的處理[J].中華醫院感染學雜志，2008，l8（7）：1048～1050.

[5]張慶云.注射器在綠色化學實驗中的應用[J].教學儀器與實驗，2003，（7）：37～39.

[6]陸軍.“金屬的電化學腐蝕與防護”教學設計[J].化學教學，2008，（9）：42～44.

[7]王長德.二氧化氯分析技術及其注意事項[J].中國消毒學雜志，2014，31（4）：389～393.

[8]陸軍.用析氫過電勢討論幾個中學化學教學問題[J].中學化學，2008，（7）：12～14.