化學教學中創新實驗設計的原則

蘇一飛

摘 要：為了培養學生的“科學探究與創新意識”素養，教師在化學教學中，要特別重視引導學生進行創新實驗設計：對教材提供的或常見的實驗進行改進和創新，使其材料更環保、操作更簡單、現象更明顯、結論更有說服力?；瘜W創新實驗設計對思維的靈活性、深刻性、批判性、求異性、系統性、聯系性等都有較高的要求，需要一些念頭、思路、條件、素材來推動。化學創新實驗設計的原則有：直觀化、綠色化、趣味化、數字化。

關鍵詞：創新實驗設計 直觀化 綠色化 趣味化 數字化

《普通高中化學課程標準（2017年版）》提出了化學學科核心素養，其中包括“科學探究與創新意識”，要求學生“認識科學探究是進行科學解釋和發現、創造和應用的科學實踐活動；能發現和提出有探究價值的問題；能從問題和假設出發，依據探究目的，設計探究方案，運用化學實驗、調查等方法進行實驗探究；勤于實踐，善于合作，敢于質疑，勇于創新”。

為此，教師在化學教學中，要特別重視引導學生進行創新實驗設計：對教材提供的或常見的實驗進行改進和創新，使其材料更環保、操作更簡單、現象更明顯、結論更有說服力。

但是，化學創新實驗設計是基于化學基本知識和實驗技能的綜合運用（解決新問題、探索新知識），對思維的靈活性、深刻性、批判性、求異性、系統性、聯系性等都有較高的要求。為此，化學創新實驗設計需要一些念頭、思路、條件、素材來推動。據此，筆者在實踐中總結出化學創新實驗設計的四條原則（念頭、思路）。

一、直觀化原則

創新實驗設計應該是在原有實驗方案基礎上的繼承與發展，是揚棄而非否定；具體表現為實驗現象更為簡潔、明晰、直觀、凸顯等。

例如，教材中鈉和水反應的實驗是在燒杯中進行的，這個實驗通常要求鈉塊為綠豆大?。翰灰诉^大，否則容易爆炸；不宜過小，否則難以觀察現象。但是，在實際操作過程中，鈉的用量很難精確控制。那么，是否能把這個實驗進行改進，做到既不危險又能輕松地觀察到實驗現象呢？教學時，教師可通過引導學生查資料，進行實驗改進和創新設計，得到如圖1所示的實驗裝置。而常規驗證生成氣體的實驗是氫氣的爆鳴實驗：在金屬尖嘴處再連接一個導管，用排水法收集一試管氣體，再靠近點燃的酒精燈的火焰，若出現輕微的爆鳴聲，則證明是氫氣。可以進一步引導學生改進氣體驗證實驗的可行性與趣味性：在金屬尖嘴處再連接一個金屬尖嘴，將其通入裝有肥皂水的表面皿中，就會產生氣泡；再用火柴去點燃肥皂泡，出現爆鳴聲，從而證明是氫氣。

再如，在設計Na2O2與H2O反應點燃脫脂棉的實驗方案時，為了驗證脫脂棉燃燒的助燃氣體為反應生成的O2，將包裹有Na2O2的脫脂棉球用塑料皮紙包裹密封后浸入CCl4中，在隔絕空氣的條件下讓Na2O2與H2O反應，點燃脫脂棉。但是，在設計后續步驟時，遇到兩個問題：（1）包裹好的棉球漂浮在CCl4上方，CCl4無法起到隔絕空氣的作用；（2）如何讓水透過塑料皮紙與棉球內的Na2O2接觸？經過多次實驗，設計出了如圖2所示的創新實驗裝置：利用注射器注水，可以很好地解決上述兩個問題。

二、綠色化原則

《普通高中化學課程標準（2017年版）》要求學生“具有‘綠色化學觀念和可持續發展意識”。為此，創新實驗設計要注重：（1）利用無污染的反應物做替代性實驗。比如，氧化Fe2+可以使用雙氧水代替酸性高錳酸鉀溶液。（2）實驗微型化、小型化。在定性實驗中，不影響實驗效果的前提下，可以減少藥品的用量。（3）尾氣的處理和再利用。比如，在一氧化碳還原氧化銅的實驗中，可以將尾氣直接用導管導入酒精噴燈的火焰中，既支持燃燒，又防止有毒物質污染環境。（4）必要時可以用計算機模擬危險實驗。比如，研究氫氣和氯氣的反應時，鎂條燃燒的強光照射會引發混合氣體的爆炸，危險指數較高，可以用短片模擬實驗過程。（5）廢物的處理。比如，實驗室制取氯氣實驗結束后，產物氯化錳不能隨便倒入水槽，以免引起地下水污染；銀鏡反應中，可以用三氯化鐵或者雙氧水替代硝酸，使操作更加便捷，產物無毒、無污染。

例如，傳統教學中，電解質導電性實驗的裝置較為龐大、復雜，可以利用廢舊醫療器材等做成溶液導電性測試器，使實驗微型化。具體制作方法如下：取三節紐扣電池、一只發光二極管、一段廢舊水筆芯、一段粗銅絲和若干導線，連接電路；將整個電路固定在一支粗細合適的透明塑料水筆殼內，套上筆帽保護電極（如圖3）；取6只一次性輸液器皮條上的球泡管，均封堵住一端，制成6個滴瓶；另用輸液器皮條剪成適當長短，熔封一端，制成6只滴瓶膠帽；在6個滴瓶內分別吸入稀鹽酸、醋酸溶液、NaOH溶液、NaCl溶液、蔗糖溶液、酒精溶液，套上膠帽，貼上標簽備用。

再如，制備SO2或Cl2后，可以利用注射器將氣體注入裝有品紅溶液或其他試劑的青霉素藥瓶（相當于密封的小型集氣瓶）中，從而避免有毒氣體的逸出。還可利用注射器取代分液漏斗進行CCl4萃取碘水中的I2實驗，并進行分液操作：如圖4所示，實驗時多次重復②③步操作，利用空氣氣泡運動和兩層液體的密度差上下顛倒攪拌，讓I2和CCl4充分接觸、萃取。

三、趣味化原則

在課堂教學中，為了調節課堂氣氛，調動學生的積極性和主動性，幫助學生加深對知識的理解和記憶，消除學習中的困惑，激發創新思維，可以根據實際情況，適當設計一些趣味創新實驗。

例如，給高一學生上第一節化學課時，筆者先展示了“晴雨花”，并解釋其中的化學原理：此花是用二氯化鈷溶液浸泡后晾干的紙折疊而成的，晴天時它是一朵藍色的花，將要下雨時它會變成紫色，下雨時它會變成粉紅色。然后，筆者補充了一組趣味實驗：“滴水點燈”“吹氣生火”“水下公園”“指紋檢驗”等。這些神奇美麗的實驗極大地激發了學生的好奇心和求知欲，為學生后續學習化學打下了良好的感情基礎。

再如，教學“氨與氯化氫的反應”時，除了演示教材中所給的實驗外，筆者設計了趣味實驗“濟公扇”（或稱“空中生煙”）：向桌面上滴幾滴濃氨水，在蒲扇的上端邊緣滴幾滴濃鹽酸，然后將蒲扇靠近桌前，在濃氨水處扇幾下，便會出現白煙騰騰的景象。學生在驚喜的同時也深刻記憶了氨與氯化氫的反應現象。

四、數字化原則

信息技術與學科課程整合已經成為當前

國際基礎教育改革的趨勢和潮流。在化學教學過程中，數字化傳感技術作為一種新型的實驗工具，使用方便快捷，而且準確度較高。這種新的探究學習模式可以讓學生感受高科技的力量和神奇，增強他們探究科學問題的興趣，培養他們科學探究的能力。數字化傳感實驗的探究過程可以增加學生合作交流的機會，學生利用實驗得到的定量數據可以自我構建對化學理論的理解。

例如，在“酸堿中和滴定”實驗中，通過使用pH傳感器，實時監測反應過程中混合溶液pH的變化情況，繪制出準確的酸堿中和滴定曲線，可以使學生不再是定性、抽象地而是定量、直觀地判斷滴定終點，計算酸或堿溶液的濃度，從而加深學生對于實驗過程和結果的理解和掌握。

再如，在“外界條件對化學反應速率的影響”實驗中，分別用塊狀的大理石和粉末狀的大理石與同濃度的鹽酸溶液反應，學生可以從產生氣體的速率觀察到反應的快慢情況。而加入壓強傳感器來做數字化實驗時，學生不但可以觀察到上述現象，還能通過具體的、實時的數據分析得出，隨著時間的推移，二者反應的速率并不是穩定不變的，也不是持續增大或持續減小的，而是有時增大、有時減小的。這就是反應全過程真實情況的直觀映射，僅僅通過傳統定性實驗是不可能觀察到這樣的現象的。

參考文獻：

[1] 王磊.從知識解析為本到基于學生認識發展 促進化學教學設計與實踐向高水平跨越——北京師范大學化學教育研究所“高端備課”項目簡介[J].化學教育，2010（1）.

[2] 林崇德.21世紀學生發展核心素養研究[M].北京：北京師范大學出版社，2016.

[3] 核心素養研究課題組.中國學生發展核心素養[J].中國教育學刊，2016（10）.