高中化學實驗創新的實踐與思考

霍本斌

摘 要 通過對在《化學教學》《化學教育》《中學化學教學參考》等學術期刊、各級化學優質課大賽和實驗創新大賽等呈現的實驗創新成果的觀察和分析，提出了生活化、生態化、生動化、微量化和定量化等“五化”實驗創新視角，以及優化實驗方式、優化實驗裝置、優化實驗條件、調整實驗試劑、增補教材實驗等實驗創新策略。

關鍵詞 化學實驗 實驗創新 優化實驗

教師不僅是知識的傳播者、崇尚者、使用者，更是知識的創造者、質疑者、完善者。化學教師承擔著培養學生化學學科核心素養的重任，而創新實驗教學是培養學生核心素養的重要載體。我國一線教師和研究人員為此作了大量工作，并取得了豐碩的研究成果。這些成果主要外顯于《化學教學》《化學教育》《中學化學教學參考》等重要期刊、歷屆全國高中化學優質課展示活動、各級部門組織的儀器創新大賽等。通過對這些外顯成果的分類、整理、歸納，我們可以從中得出高中化學實驗創新的研究策略。

一、高中化學實驗創新的類型

1.生活化

實驗教學生活化是指充分借助各種生活資源或自然資源、社區資源來改進化學實驗，使實驗現象更加明顯、直觀。目前用于改進實驗裝置的生活用品主要包括注射器、輸液袋/管、筆桿、塑料瓶/盒、丟棄的太空杯、亞力克板、音樂賀卡、橡皮泥、氣球、節能燈管、小風扇、計數器等。如華南師大韋新平、錢揚義教授利用帶針頭的針筒、塑料滴管、試管、藥片板、青霉素瓶改進乙炔的制備與性質實驗；應用榛子果檢驗鐵元素、醛醛和制作PH試紙；運用飲料瓶完成爆鳴實驗、酸性氧化物性質的驗證和制作凈水器等。生活化的實驗創新不但可以節約實驗成本、提高實驗效率，還能激發學生學習化學的興趣、培養學生“變廢為寶”的學科思想和環保意識。

2.生態化

實驗創新的生態化是指在實驗創新過程中運用生活化素材優化實驗，實現化學實驗的無害化、綠色化。目前生態化的實驗創新主要有以下幾種形式：第一，將有毒氣體的制備實驗或易被空氣氧化的實驗由敞開體系改為封閉體系。如利用生活中的輸液袋和注射器進行銅和稀濃硝酸反應的對比實驗[1]、氫氧化亞鐵制備實驗的改進等。第二，對有毒氣體的制備和性質進行一體化設計，優化實驗環節，體現綠色化學理念。如對NOX、Cl2和SO2的制備和性質進行一體化設計[2]，自制環保型防泄漏實驗裝置驗證CO2、SO2、Cl2的性質和進行銅與濃硫酸（或濃硝酸）、H2S與SO2的反應等[3]。第三，對教材中的部分實驗進行微量化設計，使現象更加明顯。如對石蠟的裂化實驗、溴乙烷消去反應、煤的干餾、SO2和Cl2的系列化實驗進行的微量化設計[4]。無論采用何種形式，其根本宗旨都是為了實現“綠色化學”，避免環境污染，保護人體健康。

3.生動化

實驗創新的生動化是指將傳統實驗通過趣味實驗、魔術化學、游戲化學的方式進行呈現，讓學生在實驗情境中感受到化學美，并從中感受到樂趣，形成知識的意義建構。無機化合物和有機物的性質實驗教學可以采取這種方式進行創新（如表1 所示）。

從表1中可以看出，以趣味實驗、魔術化學等為載體的實驗創新，是以學生的已有生活經驗為背景展開的，以其獨特的現象、新穎的實驗方法而受到學生的青睞。生動化的實驗創新，能夠促進學生人文精神和化學素養的發展。

4.微量化

微量化實驗能夠克服微型實驗演示的弊端，它運用微小量的試劑在較常規的儀器中進行化學實驗，依然能夠得到明顯的實驗現象。微量化實驗不但可以彌補微型實驗的不足，而且還具有省時、經濟、現象直觀生動、易于操作的特點，從而受到一線教師的歡迎。

微量化實驗的出現，拓展了中學化學實驗創新的新渠道，隨著研究的不斷深入，已逐漸得到人們的重視和應用。

5.定量化

對高中化學實驗進行定量化設計創新，是近年來興起的一種研究潮流。目前有三種方式：第一，為了獲取實驗最佳條件而進行正交實驗設計。如利用正交實驗法研究“黑面包實驗”、鐵與水蒸汽反應的最佳條件。第二，借助傳感器和信息技術對那些抽象難懂的科學理論實驗，或需要捕捉實驗細節，或需要進行定量研究的科學實驗等，進行數字化實驗探究。如利用微電流傳感器探究原電池產生持續穩定電流的原因、利用色度計測定抗貧血藥物中鐵的含量、亞硝酸鈉的含量等。第三，利用控制變量思想研究外界條件對化學反應速度、化學平衡的影響等。如過氧化氫提取海帶中碘的實驗條件優化等。

二、高中化學實驗創新的途徑

1.優化實驗方式

化學實驗方法是根據化學實驗目的，通過運用實驗儀器、設備、裝置等物質手段，在特定實驗條件下，改變化學實驗對象的狀態或性質，通過實驗觀察獲得各種化學科學事實，以探究化學問題的一種科學研究方法[5]。為了適應新課改，已從傳統單一的、照單抓藥式的實驗教學向微型化、系統化、探究式轉變，使實驗教學更能體現教與學的關系，讓學生在實驗方式的變革中培養化學素養。目前，以綠色化、生活化、可探性為特征的實驗方式主要有：第一，將敞開體系實驗改為封閉式實驗。如用注射器作容器制備Fe（OH）2、NO2、Cl2等。第二，充分運用控制單一變量思想將教材實驗設計成對照性實驗。如利用控制變量思想研究乙酸乙酯制備中濃硫酸和飽和碳酸鈉溶液的作用或利用不同催化劑研究乙酸乙酯制備的最佳條件等。第三，借助手持技術、傳感器、數據采集器等對某些傳統實驗進行數字化實驗設計，以彌補其不足。如利用微電流傳感器研究單池單液原電池、雙池單液電池、雙池雙液電池，讓學生明確單池單液原電池電流不持續、不穩定，認識雙池單液電池、雙池雙液電池的區別、金橋電池和鹽橋電池的區別。近年來，借助于手持技術、各種傳感器、數據采集器對化學實驗進行數字化探究的成果常見于《化學教學》、《化學教育》、《化學教與學》等專業期刊。這些成果都增強了實驗的說服力、拓展了學生視野、提升了學生能力。

2.優化實驗裝置

對實驗裝置進行優化、創新是為了更好地體現教與學的關系，使實驗現象更加明顯，實驗結果更易于學生接受。優化實驗裝置是在不影響實驗效果的前提下，對那些現象不明顯、可視化差、對比難以形成、現象難以持續、易造成污染的實驗進行的創新。對于實驗裝置的創新方式主要有：第一，利用中學常見儀器對原實驗進行優化重組。第二，利用身邊的素材、自主設計節約型或環保型的實驗裝置來替代教材實驗裝置。如開發多功能燃燒瓶用于鐵絲、硫的燃燒和白磷的水下燃燒[6]等；制備封閉U型管完成溫度對粒子運動速率的對比、CO2與NaOH溶液反應和CO2溶于水的對比實驗[7]等。第三，以某一物質為載體，將其制備與性質實驗進行系列化設計，達到優化實驗環節的目的。如對SO2、氯氣、NOX、CO2等氣體的制備性質的一體化設計。

3.優化實驗條件

實驗條件是指同特定對象相聯系，并對狀態、性質和變化發生影響的諸因素的總和，是物質發生變化的外在因素。對實驗條件進行優化，就是要通過改變條件，運用各種不同的實驗比較法來獲取最佳條件。從中學實驗來看，實驗條件優化的主要途徑有：第一，將某些實驗由敞開體系變為封閉體系。該法主要用于有毒氣體的制備和性質實驗、部分防氧化實驗或用于能夠與空氣中的成份發生反應的實驗等。如制備Fe（OH）2時，為了能較長時間觀察到白色沉淀，需要在隔絕空氣條件下進行。第二，對某些實驗的引發方式進行改進。如測量空氣中氧氣的含量時將酒精燈加熱改為電加熱棒密閉環境引燃等。第三，通過控制反應過程的外部條件來優化實驗條件（如表3所示）。其中，第三種情況比較普遍。

4.調整實驗試劑

對于那些操作困難、易受干擾、有副反應的化學反應，可以通過調整試劑，即尋找新的試劑來替換原有試劑，使現象更加明顯，實驗結果或結論更具可靠性和說服力（如表4所示）。

5.增補教材實驗

為了增強教學的直觀性、加強學生對某些抽象原理、概念的理解，有時需要適當增加教材之外的實驗來彌補教材本身的不足。如在進行人教版選修4“弱電解質的電離”一節教學時，為了讓學生在真實的情境中認識弱電解質電離平衡，可增加電離平衡動態演示器演示醋酸的電離和使用PH傳感器測定0.01 mol/LNaOH溶液分別滴定20 mL0.100 mol/L HCl、20 mol0.100 mol/L CH3COOH的PH值變化來幫助學生理解電離平衡的概念；在進行人教版必修1中NO2教學時可增加使用氣壓傳感器定量研究NO2溶于水的實驗，讓學生從定量的角度認識NO2與H2O的反應等。從目前的研究來看，對教材實驗的增補主要以數字化實驗為主，如使用溫度傳感器測定自然界的水溫、酒精燈火焰溫度；用電導率傳感器測定電解質的電導率、研究離子反應的本質、稀NaOH和NH4HCO3溶液反應的順序等；用PH傳感器繪制酸堿滴定曲線等。這些增加的實驗都不同程度地提高了實驗教學的質量，培養了學生的信息素養。

三、對高中化學實驗創新的思考

1.用科學方法進行實驗創新

在對實驗進行創新之前，應采用科學的方法對其作系統研究，千萬不可盲目改進。如人教版必修1第三章中“鐵與水反應”的實驗按教材所給裝置，只需對實驗條件改進即可成功：脫脂棉用水打濕后擠干，塞入試管底（塞緊），厚度達到1～2cm；還原鐵粉用量1g，鐵粉中心至棉花外沿1～2cm；然后用酒精燈加熱鐵粉中心2～3min實驗。而有的教師將酒精燈改為酒精排燈、酒精噴燈，將試管改為硬質玻管、玻璃彎管等做法是欠妥當的。

2.慎用微型化實驗設計

微型化實驗在分組實驗、第二課堂教學中有其獨特的功能和價值，因而受到一些研究者的重視和青睞。但由于微型實驗現象只能近距離觀察，如果用于課堂演示，必須借助實物展臺才能達到效果，在實驗條件相對較差的地區或學校可能就不適用。為了克服微型化實驗自身存在的某些缺陷，建議少做微型化實驗創新，多作微量化實驗研究。

3.實驗裝置的改進應走向簡約化

有的老師追求標新立異，對實驗裝置進行了盲目改進，使其操作過于復雜。如人教版必修2中氯氣與鈉的反應實驗本身就設計安全、環保，易于操作，無需再作改進就能確保實驗成功。如果采用圖1所示裝置進行改進，其創意令人可敬，但其使實驗變得復雜、操作難度加大，不可取。人教版必修1實驗4-9銅與濃硫酸的反應實驗只需在其盛有的品紅溶液的試管口放一團浸過NaOH溶液的棉花就可解決實驗環保的問題，無須采用圖2所示的創新設計來增加實驗難度和成本。

4.慎用數字化實驗創新實驗內容

對實驗的創新主要源于教與學的需要，經濟快速、操作簡便、現象明顯、成功率高是實驗創新的目的所在。對于教材中的實驗，有無必要進行數字化實驗設計，應根據其在教材中所處的地位和現有實驗效果來確定。如果濫用數字化實驗來改進教材實驗，就可能造成實驗成本升高、裝置復雜、教學效果提升有限等方面的問題。如將NO2溶于水的實驗設計成圖3所示的數字化探究實驗勢必會增加實驗成本、使實驗裝置變得更復雜。

參考文獻

[1] 張正飛.例析注射器在中學化學實驗改進中的妙用[J].化學教與學，2013（9）.

[2] 包朝龍.寧波市高中化學實驗創新實驗作品薈萃[J].化學教學，2014（11）.

[3] 譚文生.環保型氣體防泄漏實驗裝置[J].化學教學，2013（10）.

[4] 李光珍.五個高中化學實驗的微量化改進[J].化學教學，2014（5）.

[5] 趙向軍.論高中新課程中的化學實驗教學創新[J].化學教育，2011（2）.

[6] 李靜媛.多功能燃燒瓶的創新設計及應用[J].化學教學，2016（4）.

[7] 謝丹敏，湯中華.封閉U型管在對比實驗中的應用[J].化學教學，2016（4）.

【責任編輯 郭振玲】