中學化學實驗改進與創新設計的誤區及應然路徑

劉貝貝 嚴文法

摘要： 化學實驗是科學探究的重要途徑之一，針對中學化學實驗的改進與創新設計是幫助學生認識并體會科學探究的思路與方法，培養創新意識與問題解決能力的重要環節。結合近年來中學化學實驗改進與創新設計的主要方向，分析現有實驗設計中存在的常見誤區，從問題發現與問題解決兩方面探討中學化學實驗改進與創新設計的應然路徑，并提出若干教學建議。

關鍵詞： 化學實驗改進; 實驗創新設計; 實驗誤區; 應然路徑

文章編號： 10056629（2020）12006706

中圖分類號： G6338

文獻標識碼： B

實驗是化學學科的重要基礎，承載著自然科學研究的基本方法與思路，凝練著頗具化學學科特質的科學思維與科學品質?；瘜W實驗是探究和學習物質及其變化的基本方法，是科學探究的一種重要途徑[1]。《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱“新課標”）強調結合真實情境素材、突出問題解決思路的外顯化、融入STSE教育理念、重視實驗探究能力的培養等，均是對化學實驗育人價值的把握與體現。在重視“素養為本”的課改背景下，在發展學生“科學探究與創新意識”素養的新課標要求下，針對化學實驗進行創新設計對發展化學學科核心素養、發揮化學實驗育人功能起著重要作用。

早期的實驗改進大多由于教學條件的限制，教師利用一些隨手可得的材料開展低成本的實驗改進，比如我國物理教育家朱正元先生就主張“瓶瓶罐罐當儀器，拼拼湊湊做實驗”，倡導自制教具。隨著教學條件的改善，教師進行實驗改進的目的轉向使實驗現象更加明顯，使學生科學探究能力與創新意識進一步發展，更好體現化學實驗的育人功能等方面，出現了“實驗創新熱”。但在“改進熱”“創新熱”升溫的背后，教師應明確認識到化學實驗設計需抓住“育人功能”這一主題，發現真正有價值的研究問題，圍繞化學學科核心素養精心設計，做出真正有質量的實驗改進和創新，避免化學實驗陷入“為改進而改進，為創新而創新”的誤區。

1化學實驗改進與創新設計的常見誤區

化學實驗改進與創新設計的目的是在不損害實驗教學功能與育人價值的基礎上，為教材實驗的優化探索新思路與新方法。但在實際操作中，往往會出現因為一味追求實驗的改進與創新而損害實驗本身的教學功能與育人價值，或者出現執其一端不及其余甚至有損其余的問題。

1.1追求實驗生活化，卻削弱了學科特質

部分生活化實驗改進過分追求材料要貼近生活，忽視了學生規范、嚴謹的實驗操作及化學學科核心素養的培養。例如，某探究二氧化碳性質的實驗改進（如圖1所示）提倡將“廚房”搬進實驗室，將教材原實驗儀器全部由生活品替代[2]。初中化學正是引導學生認識并熟練使用化學儀器、培養學生實驗操作規范的關鍵時期，該實驗作為初中教材內容的重要組成部分，是《義務教育化學課程標準（2011年版）》規定的8個基礎學生實驗之一[3]，承擔著發展學生化學實驗技能、學習科學探究的基本方法和形成科學探究能力的作用。而該實驗的改進將實驗儀器生活化僅停留在現象的觀察上，外在地追求貼近學生生活，忽視了原實驗固有的教育價值。化學實驗蘊含的學科特質對培養并發展學生的科學思維、科學品質具有不可替代的作用。新課標在實施建議中也指出，條件有限的學?！翱梢岳锰娲愤M行實驗”[4]，教師不應在課堂實驗中片面強調生活化物品的替代，在實驗條件允許的情況下，還應使用標準儀器。

1.2追求實驗微型化，卻干擾了現象觀察

微型化實驗裝置由于便捷、綠色、學生參與度高等優點而廣受關注，但此類改進也存在著一定的局限性。微型實驗設計中的材料常使用生活化物品，同樣存在著削弱化學學科特質的缺陷;同時，實驗設計還需考慮教學或實驗設備能否滿足觀察到明顯的實驗現象。例如，注射器是近年來微型實驗常用到的儀器，有研究利用它進行二氧化硫氣體制備與性質檢驗實驗的微型化改進設計（如圖2所示）。其具體改進操作是使用注射器吸取濃硫酸與內裝亞硫酸鈉的膠囊在注射器內反應生成二氧化硫，膠囊的上方放置四槽藥片板（盛裝檢驗試劑以檢驗二氧化硫的化學性質[5]）。該實驗制造了一個密閉實驗環境，能夠體現環保意識，而且將二氧化硫氣體的制備與性質檢驗進行了一體化設計，但是在實驗過程中，無論是藥片板的挪放還是試劑的添加均需十分小心，不適合學生獨立操作;如將此實驗過程改為教師演示，制備和性質檢驗的過程又集中于注射器內的有限空間，不利于現象觀察，反而削弱了該實驗的教學功能。類似的改進與創新設計為追求微型化、綠色化，卻干擾了學生對實驗現象的觀察，損害了原實驗固有的教學功能。觀察實驗現象是實驗教學的關鍵環節，微型化設計并不是將常規實驗“縮小”的生搬硬套，實驗改進與創新不應干擾對現象的觀察。

1.3追求實驗一體化，卻忽視了實驗的教學功能

一體化實驗設計往往會導致“化簡為繁”，部分教師過于追求“一步到位”，而使裝置設計繁雜，不但課堂搭建不易，學生觀察時也往往眼花繚亂。比如某銅與濃硝酸反應實驗的一體化設計（如圖3所示）[6]，該裝置設計了多個止水夾控制不同的線路，在具支試管中完成銅絲與濃硝酸的反應。

利用磁鐵吸引內壁繞有銅絲的封鐵短玻璃導管，控制反應的開始與停止，

同時設計了噴泉實驗、pH傳感器等檢驗反應產物性質。這樣的一體化設計固然能將化學反應與產物檢驗融為一體，創新引入噴泉實驗與信息技術，但是我們也發現，該實驗設計不但裝置搭建困難、實驗效果也不穩定，增加了教師演示實驗操作的難度，而且演示過程中多個止水夾控制多條線路，學生需要在理解每條線路操作的同時觀察實驗現象，反而增加了認知負荷。此外，將一體化裝置應用于課堂實驗教學時，教師容易忽略對實驗裝置設計思路的引導，而是一次性展示出實驗現象。這樣不顧教材邏輯順序、難度梯度設置的應用，可能僅在節約課堂時間上具備一定優勢，卻損害了化學實驗發展學生科學思維、科學探究能力與創新意識的育人功能，可謂得不償失。

第三，一體化設計整而不亂。一體化創新實驗需注重實驗設計整體的科學性、簡約性原則，做到“整而不亂”。例如，某加熱碳酸氫銨的一體化實驗設計（如圖6所示）[17]，將碳酸氫銨加熱反應置于密閉體系中，利用濕潤的紅色石蕊試紙、變色硅膠、澄清石灰水檢驗產物并處理尾氣，改善了教材原實驗中敞口反應體系的缺陷，整合了反應裝置與產物檢驗裝置，利用實驗現象加深了學生對反應的化學方程式的理解。此類一體化裝置設計簡約、教學功能豐富，學生對實驗現象的觀察一目了然，為實驗的一體化改進指明了合理方向。此外，一體化實驗設計在教學應用中需注重實效，精心梳理教材中零散實驗被整合為一體實驗時的教學邏輯。教師應在實驗教學過程中利用好一體化裝置整體、綠色、高效的優勢，向學生滲透物質制備、檢驗、收集、尾氣處理過程中問題解決的結構化思路，促進學生科學思維與科學素養的發展。

第四，顯性化設計顯而不損。前文已提到，顯性化實驗改進往往會陷入“抓一手放一手”的誤區，一心追求理想實驗現象而不顧原實驗的教學內涵。顯性化創新設計應做到“顯而不損”，在使實驗現象理想、明顯的同時，不損害原實驗呈現出的知識價值與素養價值。例如，針對測定空氣中氧氣含量的教材實驗，由于紅磷引燃過程中裝置密閉性下降造成實驗結果普遍不理想的缺陷，某實驗改進設計（如圖7所示）利用帶刻度的硬質玻璃管作為反應容器[18]，使用一定功率的激光筆隔空引燃白磷，燃燒完全后將玻璃管一端豎立于水槽中，待液面穩定后觀察到了五分之一液體體積的理想實驗結果。該實驗設計彌補了教材實驗耗時長、氧氣體積測量結果不理想的缺陷，同時完整地保留了原實驗的原理、方法，體現了綠色觀念與創新意識。此類顯性化的創新設計既強化了實驗現象又不損害原實驗價值，同時能夠對學生的創新意識與科學思維能力的培養發揮重要作用。

第五，數字化設計輔而不濫。數字化創新設計易陷入濫用的誤區，將課堂實驗“能省則省”“能換則換”。數字化實驗創新應發揮其輔助作用而非替代作用，“能讓學生做的實驗就不應僅僅讓學生看”，合理地進行數字化設計，做到“輔而不濫”。例如，在“鹽類的水解”一課中，有教師利用色度傳感器與數據采集器輔助探究影響Fe3+水解的因素[19]，其中FeCl3溶液的配制，溫度、pH、反應物濃度的調節等實驗環節加強了對學生實驗操作技能的訓練，促進了學生對科學方法與科學探究過程的學習;認識Fe3+水解程度時，傳感器與采集器對Fe3+吸光度的測定更讓學生體會到了現代技術手段的創新對化學科學的重要價值。數字化創新實驗并不是將實驗室搬上電子屏幕的替代過程，而是提供給部分實驗結果不易觀察的定量連續測量實驗的新思路與新方法，如探究濃度對化學反應速率的影響、溫度對化學平衡的影響等，教師需合理運用數字化設計，在現代技術與化學實驗的創新與融合中加強學生的問題解決能力、曲線分析能力，促進“宏微符表”四重表征能力的發展，培養學生定量探究的思維。

3教學建議

不論基于何種角度進行實驗改進與創新設計，歸根結底是要彌補教材原有不足，以更加優化的方式實現化學實驗的育人功能，發揮實驗設計的自主性與創造性，更好服務于實驗教學。

因此，教師在日常實驗教學中，不應盲目追求實驗方法的“新”“異”，不局限于改進或創新設計結果的呈現，而應該把握好設計過程中發現問題、思考解決途徑、探究設計方案的結構化思路流程，讓學生重點體驗問題解決的過程，發揮學生的主體作用，在思考、改進、設計中調動高階思維，培養批判性思維與實踐能力，實現化學學科核心素養的發展。在利用實驗改進與創新設計培養創新意識與探究能力的同時，教師還需有意識地引導學生回歸教材，理解教材經典實驗中的實驗原理、實驗方法，挖掘知識價值與素養價值，發展學生的知識遷移能力與科學思維。當然，教師自身需加強對教材的理解，留心挖掘有價值的問題進行實驗創新，及時更新實驗教學理念，充分延伸化學實驗的育人功能，以此促進學生化學學科核心素養的整體提高。

參考文獻：

[1][4][9][10][11]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.