新課程中學化學實驗系統設計與實踐研究

李新義+陸曉萍+高建偉

摘要：中學化學實驗教學存在教材設置和教學實際不相匹配的矛盾。通過分析中學化學實驗教學現狀，比較原人教版（2003年第一版）和現行魯科版（2007年第三版）兩版教材的實驗設置情況，將中學化學實驗劃分為基礎性實驗、拓展性實驗和探究性實驗，進行系統設計和實踐研究。

關鍵詞：中學化學；實驗教學現狀；系統設計；實踐研究

文章編號：1005–6629（2015）7–0017–06 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

“通過實驗學習化學”這是宋心琦先生在2012年《化學教學》主辦的上海化學實驗教學高級研修班中提出的，講話體現了實驗在化學教學中的核心地位[1]，也體現了實驗教學是中學化學教學的最基本特征。如何通過實驗學化學呢？下面通過我校省級實驗課題的開展來談一談蚌埠二中在實驗教學中的一些具體做法。

1 新課程中學化學實驗系統設計的背景

化學是一門以實驗為基礎的自然科學；化學實驗是化學學科的最基本的特征；化學實驗是中學化學的重要教學內容，也是學生掌握化學知識、技能與方法的重要學習方式，有助于學生認知的發展[2]。然而中學化學實驗教學的現狀則是化學實驗的地位和作用并沒有得到充分的體現；學生實驗素養不僅沒有進步反而有所下降。我們認為，教材實驗體系本身的某些缺憾或不足是造成實驗教學薄弱的重要原因。

1.1 課程結構設計不合理阻礙新課程實驗教學的推進

課程標準將實驗提升到了前所未有的高度，在高中化學教材中增加了《實驗化學》模塊。但是，據了解，各省只是建議部分有條件的學校開設這門課程，在實際教學過程中，各中學并沒有將《實驗化學》列入選修模塊。

1.2 學校及教師對實驗的重要性在認識和行動上不一致

一方面教師認識到化學實驗在新課程中占有很重要的地位。但是在實際的教學中仍多采用“演示實驗”、“畫實驗”甚至要學生來“背實驗”。主要原因如下：

（1）課程標準淡化了“學生實驗”和“演示實驗”的界定，但是缺少強制性，導致一些必要的可以由學生獨立完成的實驗被取消了，甚至對于不同年級應包含的具體實驗要求也沒有反映，造成教師在安排實驗時無所適從，更讓不愿意走進實驗室的教師找到理由。例如：原人教版必修一教材第2章第2節“研究物質性質的方法和程序”中“觀察金屬鈉及金屬鈉與水反應的現象”[3]實驗，這個實驗是教師演示還是學生分組，教材中沒有明示，而是以“觀察與思考”欄目設置的，是不是要求教師演示實驗呢？對于有條件的學校完全可以進行分組實驗，但是，由于教材沒有明示，可能會有部分教師為了省事，只是演示實驗而已了。再如：魯科版必修一第三章“氨的性質”[4]實驗，同樣沒有說明是演示實驗還是分組實驗？而在原人教版教材中“氨的性質”是明確要求為學生實驗的。

（2）現行的教材中過于強調學生探究實驗，教材實驗方案的設計過于突出創新意識和實踐能力的培養，卻忽視了學生對經典實驗的學習；在教學實踐中教師普遍認為有的實驗方案太開放，實驗準備太麻煩，也沒有強制要求，從而導致了實驗可做可不做。例如魯科版必修一第三章第一節“碳的多樣性”中“碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質”[5]實驗，無目的、無步驟、無試劑，完全讓學生自由發揮，任意創新，很顯然，這種設置必然導致教師按照自己的意愿教實驗或不做實驗，甚至背實驗。

1.3 實驗教學資源的不完善影響實驗教學的深層次發展

新課程標準對于實驗儀器和藥品、實驗員都提出了更新更高的要求，但目前大部分學校教學資源和人員素質有限，導致了高中化學實驗教學的弱化。例如，就化學的學科特點對實驗人員的要求應該是很高的，既要有扎實的專業功底，還要具備較強的服務意識，而在中學化學教師的隊伍結構中，實驗員的專業功底往往是被忽視的。

1.4 學生實驗缺乏規范合理的考核與評價標準

新課程化學實驗綜合評價的實際落實存在弊端。《全日制義務教育化學課程標準（實驗稿）》在評價建議中強調：以培養和發展學生科學素養為宗旨的化學課程需要與之相適應的評價體系，這一體系既要評價學生化學實驗基本技能的掌握情況，又要重視對學生科學探究能力、情感態度與價值觀等方面的評價。但是在現行的教材中并沒有專門的對實驗技能和實驗素養的科學評價。

基于以上分析，我們認為：現行的魯科版教材中實驗教學的設計安排與新課程理念不完全相匹配，尤其高一高二淡化基礎實驗教學的現狀不太利于高中化學新課程推進。研究、實施高中新課程化學實驗的系統設計與學生實驗的規范性合理性考核、評價已迫在眉睫，勢在必行。

2 新課程中學化學實驗系統設計思路

2.1 原人教版必修教材（2003年第一版）和現行魯科版（2007年第三版）（以下內容中簡稱為原人教版和魯科版）化學必修教材中的實驗比較

通過對原人教版必修教材和現行魯科版必修教材中的實驗進行比較，找到兩種版本的異同點，結合新課標進行有效融合，再系統設計。表1是我們對原人教版必修教材中的實驗進行分類統計的結果[6]。

通過實驗的內容和形式分析，不難發現，原人教版教材實驗是以隨堂實驗、學生實驗、選做實驗三種形式來設置的。其優點是：（1）實驗的主體和分工很明確；（2）基礎實驗較多，有利于培養學生的基本操作技能和基本實驗素養。不足之處是：（1）大部分實驗以驗證性實驗為主，探究性實驗設置比較少，僅僅是在選做實驗中設計了一些探究性實驗，而在實際教學中，選做實驗幾乎不開展；（2）實驗設置缺乏對學生探究能力和創新思維的培養。

如果將原人教版必修教材中隨堂實驗劃分為演示實驗，其他為學生實驗；將現行的魯科版必修教材中的“觀察與思考”實驗劃分為演示實驗，將“活動與探究”部分劃分為學生實驗，則統計如表3：

通過以上數據可知，原人教版教材中以演示實驗為主，學生實驗很少，而現行魯科版教材中演示實驗數量則大幅下降，而學生實驗數量則大幅上升，恰為原人教版教材中的3倍。由此可見，新教材更注重學生的實驗設計能力和探究能力，新教材的實驗編排對學生實驗素養的發展起著重要的作用。

我們以魯科版教材必修一模塊中“不同價態硫元素的轉化”[7]實驗為例予以說明。

案例：不同價態的硫元素之間的轉化

你已經初步認識了硫黃和一些含硫化合物，例如二氧化硫和硫酸等。在硫黃、二氧化硫和硫酸這三種物質中，硫元素的化合價分別為——0、+4、+6。請你設計實驗，探究這三種價態硫元素間的相互轉化，并實施部分實驗。

一、實驗方案和實驗記錄

二、歸納整理

1.根據實驗，用圖示的方法表示不同價態硫元素之間的相互轉化關系。

2.通過實驗，總結二氧化硫和濃硫酸的化學性質。

3.在實驗過程中，你遇到哪些問題？是如何解決的？

4.你還能實現其他含有不同價態硫元素的物質間的相互轉化嗎？

本實驗為探究實驗，只提供了方案和記錄、歸納整理等環節，把整個探究活動全部交給學生，要求學生自主設計。不可否認，這樣的編排利于培養學生自主設計實驗的能力，但是學生很難操作，尤其是對于剛進入高一才一周的學生，自主創新的能力還較弱，甚至基本的實驗操作技能還不具備，怎么可能自主創新或實驗探究呢？那是不是要回到過去呢？當然不是，整合和系統設計才是更好的選擇！

2.2 結合新老教材實驗內容，將中學化學實驗進行分類設計

根據實驗的特點和難易程度劃分為基礎性、拓展性、探究性三種層次，有效的分層次教學，不同層次的實驗教學適合不同層次的學校、班級，做到因校施教，因班施教，真正地做到因材施教。

2.3 根據實驗特征細分實驗并撰寫實驗報告

在基礎性、拓展性、探究性三個層次的分類基礎上，再細分為學生實驗、演示實驗、探究實驗、趣味實驗以及數字化實驗等，然后再按照課標要求，進行系統設計并撰寫實驗報告，形成符合學生認知結構和新課標要求的一系列實驗。

2.4 制定實驗評價標準，完善實驗評價體系

針對不同層次的實驗，制定有不同側重點的實驗評價標準，以完善實驗評價體系。不同層次的學校，可以選擇適合自己學校水平的實驗報告，進行實驗教學和實驗評價。

3 新課程中學化學實驗系統設計和實踐探究

3.1 研讀教材，根據實驗特征對教材中實驗進行分類

通過研讀教材、組內討論等方式，對教材中的實驗進行分類，劃分層次，即明確哪些是基礎性實驗，哪些是拓展性實驗，哪些是探究性實驗。以選修四第三章第4節“酸堿中和滴定”內容為例，對于酸堿中和滴定終點的判定實驗，可以設計為：

基礎性實驗：按照教材的要求設計為利用酸堿滴定管來進行強酸和強堿之間的中和滴定實驗；

拓展性實驗：按照教材的要求設計為利用酸堿滴定管來進行強酸和弱堿之間的中和滴定實驗；

探究性實驗：利用離子濃度、溫度及導電能力的變化來確定終點，即設計利用pH、溫度和電導率傳感器來確定滴定終點等。

對于基礎性設計主要針對一些普通中學，而拓展性實驗和探究性實驗則適用于重點中學或學有余力且對化學有濃厚興趣的學生。

3.2 根據實驗特征細分實驗并撰寫實驗報告

在第一階段三個層次的分類基礎上，再針對具體實驗特征將每個案例細分為學生實驗、演示實驗、探究實驗、趣味實驗以及數字化實驗等，然后再按照課標要求，進行系統設計并撰寫實驗報告，形成符合學生認知結構和新課標要求的一系列實驗。

例如對于現行的魯科版教材必修一第1章第2節關于“氯氣的性質”的實驗我們可以設計為：氯氣的物理性質設計為學生實驗；氯氣的化學性質設計為演示實驗；氯水的漂白性實驗設計為拓展性實驗；氯氣與水反應的產物探究設計為探究性實驗；而探究次氯酸在光照條件下分解產物又可以利用氧氣傳感器來測定，即可以設計為數字化實驗。

又如對于選修四第三章第4節“酸堿中和滴定”內容，我們進行如下的細分：利用酸堿滴定管來進行強酸和強堿之間的中和滴定實驗設計為學生分組實驗；利用溫度和電導率傳感器來確定滴定終點設計為數字化實驗。下面是我們撰寫的利用電導率傳感器確定酸堿中和滴定終點的實驗報告。

案例：用電導率傳感器確定酸堿中和滴定的終點

一、實驗原理

電導滴定法是通過測定溶液的電導率，求出反應終點的方法。當電極的大小和電極間距離一定時，電解質的電導率決定于溶液中離子的濃度和種類。如果溶液中離子濃度和種類發生變化，則溶液的電導率也隨之發生變化。

當溶液中發生酸堿中和反應時，由于生成了弱電解質水和溶液中離子種類發生了變化，溶液中電導率將會發生變化，利用滴定過程中電導率變化曲線上的轉折點可以確定反應的終點。

二、實驗儀器與試劑

計算機、威尼爾全功能數據采集器、威尼爾電導率傳感器（型號CON-BTA）、燒杯、威尼爾滴數傳感器（型號VDC-BTA）、1.0 mol/L氫氧化鈉溶液和未知濃度的鹽酸

三、實驗步驟

1.用25mL移液管量取25mL未知濃度HC1溶液注入150mL的燒杯中，并放入磁力攪拌子，用燒杯取1.0 mol/L NaOH溶液約50mL溶液于滴數傳感器的滴定管中，固定于鐵架臺上。

2.連接電源，打開電腦軟件，用蒸餾水將電導率傳感器清洗干凈后插入燒杯中。

3.開啟磁力攪拌器，緩慢攪拌。滴加已知濃度的氫氧化鈉溶液，點擊采集按鈕，采集隨氫氧化鈉溶液體積的變化過程中的電導率的變化。

四、實驗結果及討論

當NaOH溶液滴入鹽酸時，電導率的變化說明了什么？如何確定酸堿中和滴定終點？

五、反思與啟示

除了利用電導率傳感器確定酸堿中和滴定終點之外，還可以采用什么方式確定滴定終點？

3.3 以教材為載體，深化開展拓展性實驗

改進以中學實驗為基礎的拓展性實驗，通過實驗中神奇的實驗現象，來展示化學學科的魅力，以達到激發學生學習化學的興趣，提高他們將來投身于化學學科學習的熱情。例如，以過氧化鈉的性質為背景設計的“滴水生火實驗”、“吹氣生火實驗”；以氧化還原反應為背景的“魔棒點燈實驗”，讓學生感受到燃燒的引發可以有很多方法，同時也能讓學生體會到水不是滅火的唯一物質，不了解引起火災的物質有可能會造成更大的災情。下面是對魯科版選修4第三章第一節“弱電解質鹽類的水解”[8]中對鹽類的水解實驗進行的拓展設計。

案例：碳酸鹽與硫酸鋁反應泡沫滅火器

一、實驗目的

1.探究碳酸鹽與硫酸鋁的雙水解反應原理

2.模擬滅火器滅火原理

二、實驗原理

三、實驗儀器及藥品

具支試管、小試管、單孔塞

飽和的碳酸氫鈉溶液、1 moL/L的硫酸鋁溶液、洗潔精

四、實驗操作

1.先在具支試管中裝好飽和的碳酸氫鈉和洗潔精的混合液，約占試管容積的二分之一；

2.把盛有1 moL/L的硫酸鋁溶液的小試管系住，小心地放進具支試管里（為防止小試管管口倒轉時堵塞，可加入一支比小試管略長的玻璃管），用膠塞塞緊（如圖1）。此裝置猶如備用的泡沫滅火器；

3.把具支試管倒轉，使兩種溶液混和，即可產生大量的泡沫，并從具支試管中的支管噴出，射程可達1～2米（如圖2）。

五、改進后的實驗優點

1.試劑用量少，適應微型化要求，甚至能改為學生實驗；

2.本實驗裝置的外形和結構更似實用泡沫滅火器；

3.現象明顯，尤其不會因二氧化碳的氣壓不足而影響實驗結果，成功率幾達100%。

3.4 以數字化實驗為抓手，推動探究性實驗的深入開展

數字化實驗技術最早由華南師范大學錢揚義教授所帶領的團隊引入我國開展研究的，其核心是傳感器技術的應用[9]。通過傳感器技術在中學化學傳統實驗中的應用，有效地把中學傳統的實驗與現代信息技術整合起來，這樣做不僅能增強學生的化學學習興趣，還有助于提高學生的科學素養。同時，通過現代信息技術的使用使我們科學實驗探究的手段和方法得以拓展，這對中學化學的實驗教學研究很有益處[10]。我校進行數字化實驗實踐的兩種思路：一是就某一個實驗，利用不同的傳感器技術進行實踐和探究，例如關于酸堿中和滴定的終點判定，我們可以用pH傳感器、溫度傳感器、電導率傳感器等方法，然后進行討論、評價。二是利用一種傳感器對不同的中學化學實驗案例進行實踐和探究，例如我們先對中學化學中能夠利用到溫度傳感器進行的實驗進行篩選，選出可行的實驗做成案例，然后匯集成冊。其中課題組成員撰寫的實驗案例“手持技術在酸堿滴定中的應用研究”和“碳酸鈉水解的pH和溫度變化的關系”分別發表在2013年《化學教學》第6期和第12期，另外有4個案例獲得第三屆“威尼爾杯”數字化實驗創新大賽全國一等獎，6個案例獲得二等獎。

4 存在的主要問題及解決辦法

4.1 缺乏創新性實驗

我們的主要工作側重于對基礎性實驗，即對選修和必修模塊基礎性實驗的整合，對教師演示實驗、學生分組實驗、探究實驗及數字化實驗做出了較為詳細的梳理。但是，對于創新性實驗的設計，有些實驗從操作程序上來說較為復雜，還沒有找到更簡單易行，現象明顯的實驗方法。以后的工作中，我們要在探索中學習，加強對實驗的創新性設計。

4.2 趣味性實驗開展還沒有常態化

趣味性實驗將教學內容和實際問題有機結合。激發學習者積極的情感體驗，能有效提高學習質量。愛因斯坦說過“興趣是最好的老師”。對于正處于學習厭倦期的青少年來說，學習興趣對他們知識的掌握、能力的發展乃至形成都具有巨大的影響。目前，我們只對于《化學與生活》模塊中的趣味性實驗有所涉及，實驗設計內容大多較為“古板”，趣味性不足。因此，應在實現實驗目的的基礎上增強實驗的可觀賞性、有趣性。

參考文獻：

[1]宋心琦.再談中學化學實驗教學改革——在《化學教學》“中學化學實驗教學高級研修班”上的講話[J].化學教學，2013，（3）：3～7.

[2]肖常磊，錢揚義.中學化學實驗教學論[M]北京：化學工業出版社，2008：6.

[3][4][5][7]王磊主編.普通高中課程標準實驗教科書·化學1（必修）[M]濟南：山東科技出版社，2007：9～10，76～71，64～65，88.

[6]人民教育出版社化學室編.全日制普通高中課程標準實驗教科書·化學第一冊[M].北京：人民教育出版社，2003.

[8]王明召，高盤良，王磊主編.普通高中課程標準實驗教科書·化學反應原理[M].濟南：山東科技出版社，2007：87.

[9]白濤等編著.化學：為什么是這樣[M]北京：化學工業出版社，2011：2.

[10]李新義，高建偉.手持技術在酸堿滴定的應用研究[J].化學教學，2013，（6）：45～46.