芻議提升教師實驗素養的四種意識

鐘輝生 謝名軍

摘要： 以2019年贛州市實驗創新設計競賽活動為例，對相應的創新實驗進行評議。闡述了提升化學教師實驗素養的四種意識： 安全意識、變量控制意識、定量意識、美學意識。安全意識要求教師關注密閉體系的壓強變化帶來的安全隱患及對毒性藥品進行替代。變量控制意識要求教師盡量設計單一變量對實驗結果的影響，確保實驗結論與證據間的邏輯關系。通過定量對比或正交實驗探索最佳的實驗條件體現的是教師定量意識。實驗時盡量將儀器的材質美、造型美、操作美、現象美等呈現出來體現的是教師的美學意識。

關鍵詞： 實驗素養; 實驗創新; 安全意識; 變量控制意識; 定量意識; 美學意識

文章編號： 1005-6629（2019）12-0026-04? ? ? ? ? ? 中圖分類號： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： B

贛州市每兩年舉辦一次青年教師的實驗創新設計競賽活動。實驗創新包括實驗設計創新、實驗裝置創新、實驗原理創新、實驗內容創新等。活動要求參賽選手展示實驗儀器，能夠對實驗原理、操作步驟、設計思路、設計優點進行詳細解說，并現場演示實驗。從操作規范、熟練程度、現場解說、實驗創新和實驗效果五個方面對參賽選手的實驗創新設計活動進行評價。

筆者有幸受邀參加2019年贛州市實驗創新設計活動的評委工作。本屆實驗創新設計活動共有22名選手參賽，分兩組同時展示。從筆者所在組的11名選手展示情況來看，他們的創新實驗皆以教材實驗為藍本，對教材實驗的不足進行優化設計，讓創新有源，服務教學。絕大多數創新實驗具備了科學性和一定的實用性，實驗效果顯著。

人教版《化學2》實驗3-3“乙醇的催化氧化”，按照教材實驗進行演示，學生常有兩個疑惑： （1）通過聞氣味能夠判斷生成了乙醛嗎？（2）黑色CuO是Cu作催化劑的中間產物嗎？10號選手基于以上兩個問題對乙醇的催化氧化實驗進行創新設計（見圖1）。

實驗過程中可清晰地觀察到銅絲表面“紅—黑”交替現象，醛檢測試劑（主要成分： 酚試劑、硫酸鐵銨、1‰稀鹽酸、純水）由黃色變藍色。再比如人教版《化學1》實驗4-8“氨溶于水的噴泉實驗”，教師一般不會演示此實驗，因實驗準備

圖1? 乙醇的催化氧化

時間長，成功率低，即使能形成噴泉，現象也不明顯。有選手在文獻研究的基礎上，進行反復摸索改進，最終成功設計出“連環變色噴泉實驗裝置（見圖2）”，提高了實驗趣味性、探究性。

圖2? 連環變色噴泉實驗

以實驗為基礎是化學學科的重要特征之一，化學實驗對于全面發展學生的化學學科核心素養有著極為重要的作用。新課程標準倡導從四個方面發揮實驗的教學功能： （1）引導學生通過實驗探究活動學習化學。（2）重視通過典型的化學實驗事實引導學生認識物質及其變化的本質和規律。（3）利用化學實驗史實引導學生了解化學概念、化學原理的形成和發展，認識實驗在化學科學發展中的重要作用。（4）引導學生綜合運用所學的化學知識和技能，進行實驗設計和實驗操作，分析和解決與化學有關的實際問題[1]。化學教師的實驗素養直接決定著實驗在化學學習中獨特價值的發揮，但是從實驗的創新設計和選手對實驗操作的駕馭能力看，老師們的實驗素養還有待提高。賽后，筆者與選手們交流，他們說，課堂上老師們幾乎不做實驗，除非公開課、展示課或比賽課。因為信息技術的成熟，視頻實驗可以反復播放。本文擬以11位選手的實驗創新設計為例談談提升教師實驗素養的四個意識，以期與同行共勉。

1? 安全意識

安全是化學實驗素養的第一要素，包含實驗儀器安全、實驗藥品安全、實驗裝置設計安全、實驗過程安全等諸多方面。化學學科核心素養中的“科學態度與社會責任”開宗明義地強調“具有安全意識和嚴謹求實的科學態度”，教師要在確保安全的前提下引導學生通過實驗探索未知、追求真理。

多數中學化學實驗不可避免產生廢氣、廢液等。教師在進行實驗創新時，都具有“綠色化學”觀念，盡可能地將開放體系設計成封閉體系，防止尾氣逸散到空氣中，對師生健康造成危害。實驗的綠色化是實驗創新設計必須關注的一個方向。如果封閉體系中有氣體源源不斷地生成，其安全隱患不小。1號選手對人教版《化學2》實驗2-2“Ba（OH）2·8H2O晶體與NH4Cl晶體的吸熱反應”進行創新設計。其創新原理為利用飽和KNO3溶液的溶解度隨溫度變化較大的特點來表征Ba（OH）2·8H2O晶體與NH4Cl晶體反應吸收熱量。具體實驗為將10g Ba（OH）2·8H2O晶體與5g NH4Cl晶體混勻于透明密封塑料噴壺（噴壺壁上粘有一張濕潤的無色酚酞試紙），然后將噴壺放置于盛有飽和KNO3溶液的小燒杯中，可立即觀察到溶液中析出大量晶體、無色酚酞試紙變紅等現象。課本利用水結冰來表征吸熱反應，其受環境溫度影響較大，如果環境溫度稍高，實驗常以失敗告終。1號選手對實驗優點的自評為： 成功率高，現象明顯，綠色環保。

1號選手在設計實驗時通過制造密閉體系來解決教材實驗NH3在敞開體系的擴散問題。雖然其展示過程中沒有出現安全事故，但是實驗的安全問題始終讓評委們擔憂不已。密閉體系中缺乏吸收或收集NH3的措施，這說明1號選手在設計實驗時缺乏安全意識。巧合的是，在初中實驗創新設計活動的展示過程中，有一位選手依據碘的升華特性來說明分子不停地運動（見圖3）。當其將試管放入熱水約30s后，試管的橡皮塞被強大的氣流沖出，碘蒸氣彌漫空中。為什么出現這種情況呢？可能是因為熱水溫度太高，試管中的氣體受熱膨脹以及碘快速升華。如果是溫水，也許不會發生這類安全事故。提高化學教師的實驗素養首先要求他們時刻繃緊安全這根弦，杜絕僥幸心理。

圖3? 分子運動

從藥品的安全角度看，反應物Ba（OH）2·8H2O和產物BaCl2都含有重金屬離子Ba2+，毒性不小，教材上該實驗每次耗用Ba（OH）2·8H2O高達20克，污染嚴重，1號選手Ba（OH）2用量減半比封住氨氣有價值。如果能夠選擇低毒、安全的藥品進行吸熱反應實驗原理創新則更能凸顯綠色理念。如5g檸檬酸固體和10g碳酸鈉晶體混勻的降溫幅度高達21℃[2]、 1g碳酸氫銨固體與2mL 4mol/L的鹽酸混合能夠使冰醋酸凝結成固體[3]。

2? 變量控制意識

“證據推理”是化學學科核心素養之一，其內涵為“具有證據意識，能基于證據對物質組成、結構及其變化提出可能的假設，通過分析推理加以證實或證偽;建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系”。影響化學實驗的因素除反應本身性質外，還有諸如濃度、溫度、壓強等外在因素。因此控制變量是化學實驗必需面對的問題，只有設計單個因素的改變而導致實驗結果的不同，才能在證據和結論之間建立邏輯關系，實驗也更能達到預期目的，增強實驗的說服力[4]。

人教版選修4《化學反應原理》實驗2-1為比較不同濃度稀硫酸與鋅粒反應的速率。7號選手對該實驗裝置進行改進（見圖4）。

圖4? 濃度、溫度對反應速率影響

改進的目的是通過觀察滴水的速率來探究濃度、溫度對鋅與稀硫酸反應速率的影響。當選手通過注射器向試管中加水稀釋硫酸時，理論上滴水速率會減慢。可實際結果滴水速率反而變快了。為什么會出現這種與預期不一致的實驗現象呢？因為往密封體系中加水，雖然硫酸的濃度下降了，但是加水和反應過程中產生的熱效應都會使體系壓強增大。用圖4探究溫度對反應速率影響也存在兩個變量，當選手將試管放入熱水中，雖然滴水速率明顯加快，但是升溫還會使試管內的壓強增大，也導致滴水速率加快。實驗證據和實驗結論之間并沒有唯一的關聯性，不夠嚴謹。

3號選手同樣也缺乏變量控制意識。該選手以柚子皮作為水蒸氣來源對人教版《化學1》科學探究“鐵粉與水蒸氣”反應實驗進行改進。實驗現象非常明顯，不到2分鐘時間吹出彩色大氣泡，且氣泡能夠被點燃。實驗雖然很成功，但是細究起來，氫氣一定是鐵粉與水蒸氣反應產生的嗎？以水果皮作水蒸氣源，水果皮所產生的水蒸氣多少混合著有機酸。為了解決教材濕棉花可能焦化的問題，可以選擇CuSO4·5H2O作水蒸氣源。其優點是： （1）CuSO4·5H2O脫水溫度較低，很容易產生水蒸氣。（2）能夠通過觀察藍色的變化來監測水蒸氣的量。（3）脫水后的硫酸銅晶體吸水后可循環使用。

3? 定量意識

1775年前后，拉瓦錫用定量化學實驗闡述了燃燒的氧化學說，開創了定量化學時期，使化學沿著正確的軌道發展。之后原子概念和分子概念相繼被提出，從原子和分子水平角度來定量研究物質及轉化才使化學真正成為一門科學。化學上的很多概念、原理都是基于定量研究基礎上逐漸形成和發展起來的。化學實驗的定量化包含實驗藥品的定量化，實驗條件的定量化，實驗操作的定量化，等等。化學教師在開展實驗教學或進行實驗創新時一定要有定量意識。

人教版《化學1》實驗3-9安排了“FeSO4溶液與NaOH溶液混合實驗”。所觀察到的現象為： 當往FeSO4溶液中滴入NaOH溶液時，生成的白色絮狀沉淀[Fe（OH）2]迅速變成灰綠色，最后變成紅褐色。因為白色氫氧化亞鐵一閃而過，這極大地激起了教師的研究熱情，不斷地對白色氫氧化亞鐵制備實驗進行創新設計。

本次比賽活動，有兩位選手基于“除氧、隔氧”思路對制備白色氫氧化亞鐵實驗進行創新設計。一位選手利用注射器完成實驗，另外一位選手利用注射器在溶膠中讓FeSO4溶液和NaOH溶液混合。從展示效果看，都能觀察到稍白色的沉淀，慢慢地白色都會變成灰色。

白色氫氧化亞鐵制備是中學化學實驗的難點，該實驗對藥品的用量、反應條件、藥品滴加順序等要求較高，即使得到白色氫氧化亞鐵也會緩慢地變成灰綠色。這就要求教師在進行實驗設計時要有定量意識。遺憾的是，兩位選手在展示時都沒有說明所用藥品的濃度。查閱文獻，王思佳采用正交實驗法，探究了NaOH溶液和FeSO4溶液濃度對生成白色氫氧化亞鐵的影響[5]： 新配制的硫酸亞鐵溶液以1.0mol/L為宜，而氫氧化鈉溶液濃度以20%最佳。李玉炫論證將少量的1.0mol/L硫酸亞鐵溶液擠入過量的4mol/L氫氧化鈉溶液中可以制得白色氫氧化亞鐵沉淀[6]。白色氫氧化亞鐵之所以難以制備，除其易轉化為晶型綠色氫氧化亞鐵外，制備過程中，還存在氫氧化亞鐵甚至微量氫氧化鐵吸附Fe2+而使沉淀顯灰綠色。徐建飛等老師摸索出將少量0.1mol/L硫酸亞鐵溶液極為緩慢在8mol/L NaOH溶液底部與之反應制備白色氫氧化亞鐵的實驗方案[7]。

可喜的是，6號選手在進行實驗創新時具有很強的定量意識。該選手對人教版選修5《有機化學基礎》實驗2-1“乙炔的實驗室制取”進行改進。教材為了減緩電石與水的反應速率，用飽和食鹽水代替水，但是反應依然很劇烈，電石易呈糊狀。6號選手通過對比實驗找到了平穩生成乙炔氣體的最佳試劑： 電石和體積比為3∶1的乙醇水溶液。

4? 美學意識

生活中從不缺少美，而是缺少發現美的眼睛（羅丹語）。化學之美美在物質的幾何外形、物質的微觀結構、物質的色彩斑斕;化學之美美在儀器材質的晶瑩剔透、儀器造型的行云流水;化學之美美在化學變化的絢麗多姿、化學原理的簡約和諧、化學用語的抽象樸素。化學是一門具有獨特美的學科，作為一名化學教師理應將化學之美呈現給學生，用化學之美吸引學生，激勵學生。

教師進行實驗教學或實驗創新設計時，要盡量將化學實驗之美展示出來。化學實驗之美主要體現在實驗儀器選材美、實驗裝置設計美、實驗操作的嫻熟美、實驗現象的層次美。6號選手的乙炔實驗改進裝置（見圖5）簡潔實用，11號選手的萃取分液一體化循環裝置（見圖6）美純粹有韻味。

圖5? 乙炔實驗改進裝置

圖6? 萃取分液一體化循環裝置

但是多數選手的實驗創新缺乏美學意識，突出表現在實驗器材的選擇和裝置的組裝方面。11個實驗有8個實驗使用到了醫用注射器，少則1支，多則6支，而且所選用的注射器為白色半透明塑料制品。一般化學儀器多數為玻璃透明儀器，造型優雅，如中學常見的分液漏斗、冷凝管、滴定管、酒精燈等給人以美的享受。選手們將廢棄的醫療器械用于實驗改進，美其名曰“廢物再利用”，其實用廢棄的醫療器械進行實驗改進，不但有失化學之美，讓學生感到恐懼，而且還存在傳染疾病的風險[8]。有兩位選手進行銅片與濃硝酸反應的實驗改進，都選擇紅色不透明氣球來收集多余的紅棕色NO2，如果換成透明的氣球可能會多一層色彩沖擊效果。

化學教學離不開化學實驗，化學實驗價值實現離不開化學教師實驗素養的提高。要提高化學教師的實驗素養，教師最好遠離視頻實驗，堅持動手實驗，追求實驗操作的規范性、熟練性，提高實驗安全意識，探索實驗結論與實驗證據的一致性，傳承化學學科特色和學科之美。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育制定. 普通高中化學課程標準（2017版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 72.

[2]李靜雯， 陳懿. 吸熱反應實驗創新設計[J]. 化學教學， 2015， （4）： 53～55.

[3]董銀萍， 汪潔， 張雷. 吸熱反應實驗的綠色化改進[J]. 教育現代化， 2018， （10）： 295～296.

[4]鐘輝生， 嚴康華， 艾亮亮. 基于變量控制的證據意識[J]. 中學化學教學參考， 2018， （9）： 29～31.

[5]王思佳. 正交實驗法探究氫氧化亞鐵的制備[J]. 中學教育， 2018， （3）： 176～178.

[6]李玉炫. 化學實驗題的評析與實證——以NO? -3在酸性條件下的氧化性及Fe（OH）2的制備為例[J]. 化學教學， 2016， （2）： 54～57.

[7]徐建飛， 張平， 杜淑賢. 制備氫氧化亞鐵實驗方案再探究[J]. 化學教學， 2015， （7）： 54～56.

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