中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的常用方法舉要

吳良根

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)技能從本質(zhì)上講是一種思維技能，它是指學(xué)生根據(jù)問(wèn)題的需要確立研究目標(biāo)，應(yīng)用所學(xué)原理，選擇適當(dāng)?shù)膬x器、藥品和材料，設(shè)計(jì)各種實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證或探索某一原理或現(xiàn)象的過(guò)程。它沒(méi)有明顯的外顯動(dòng)作，主要是在頭腦中進(jìn)行的一種認(rèn)知活動(dòng)方式。在科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，對(duì)增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)預(yù)見(jiàn)性、減少實(shí)驗(yàn)失誤、培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ约皠?chuàng)造思維都有很大的作用，也是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的有效途徑。

一、化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的意義

化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)于發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力、提高他們的科學(xué)素養(yǎng)具有重要意義。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是運(yùn)用知識(shí)和求新創(chuàng)造的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，不僅有舊知識(shí)的運(yùn)用，而且有對(duì)新知識(shí)的探求。學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)技能的發(fā)展，往往說(shuō)明他們的遷移能力、創(chuàng)造性和思維能力有較快的發(fā)展。通過(guò)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，他們能學(xué)會(huì)如何控制或改變實(shí)驗(yàn)條件，選擇什么樣的儀器來(lái)實(shí)施實(shí)驗(yàn)，如何運(yùn)用規(guī)律來(lái)解釋自然現(xiàn)象，如何由諸多的現(xiàn)象歸納出本質(zhì)的結(jié)論，如何探索科學(xué)規(guī)律，等等。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)讓學(xué)生直接接觸科學(xué)研究的方法，使學(xué)生對(duì)預(yù)感、推測(cè)、試驗(yàn)以及獨(dú)立解決問(wèn)題的可能性有正確的認(rèn)識(shí)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是各種科學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用，是較高層次的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的教學(xué)意義主要有以下幾點(diǎn)：

（一）激發(fā)學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生根據(jù)自己所學(xué)的化學(xué)知識(shí)，獨(dú)立或在教師啟發(fā)下，設(shè)計(jì)出各種實(shí)驗(yàn)方案，成功地解決化學(xué)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題，從而產(chǎn)生成功后的喜悅，激發(fā)起更大的學(xué)習(xí)熱情，成為進(jìn)一步學(xué)習(xí)的強(qiáng)勁動(dòng)力。

（二）獲得親身參與研究探索的體驗(yàn)。美國(guó)教育家波利亞曾指出：“獲取知識(shí)的最佳途徑是自己的體驗(yàn)，因?yàn)樽陨眢w驗(yàn)最清楚，也最容易得出其中的內(nèi)在規(guī)律、性質(zhì)和聯(lián)系。”科學(xué)實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)學(xué)生通過(guò)自主參與一些類似于科學(xué)家從事科學(xué)研究的學(xué)習(xí)活動(dòng)，獲得親身體驗(yàn)和產(chǎn)生積極情感，逐步形成一種在日常學(xué)習(xí)和生活中喜愛(ài)質(zhì)疑、樂(lè)于探究、努力求知的心理傾向，產(chǎn)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，并且有所發(fā)現(xiàn)、有所發(fā)明、有所創(chuàng)造的積極欲望。

（三）提高發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。設(shè)計(jì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)方案需要學(xué)生靈活地、創(chuàng)造性地運(yùn)用所學(xué)的化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本技能，可以發(fā)展他們解決化學(xué)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的能力和創(chuàng)造能力。實(shí)驗(yàn)的過(guò)程圍繞著一個(gè)需要解決的問(wèn)題而展開(kāi)，學(xué)生直接參與研究，并最終使問(wèn)題得以解決。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中，會(huì)激活自身儲(chǔ)備的知識(shí)，通過(guò)解決實(shí)際問(wèn)題的探索性活動(dòng)，提高自己解決問(wèn)題的能力。

（四）學(xué)會(huì)分享與合作。合作的意識(shí)與能力是現(xiàn)代人所應(yīng)具備的基本素質(zhì)。在以往的課堂教學(xué)情境中，學(xué)生間的交流與合作缺乏充分的機(jī)會(huì)與條件，而實(shí)驗(yàn)則為學(xué)生提供一個(gè)有利于溝通與合作的良好空間，學(xué)生得以在這個(gè)過(guò)程中發(fā)展樂(lè)于合作的團(tuán)隊(duì)精神，學(xué)會(huì)交流和分享研究的信息、創(chuàng)意及成果，并在欣賞自己的同時(shí)，也學(xué)會(huì)欣賞別人。

（五）培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，通過(guò)認(rèn)真、踏實(shí)的探究，會(huì)逐漸養(yǎng)成嚴(yán)肅認(rèn)真、一絲不茍、尊重他人意見(jiàn)的正確實(shí)驗(yàn)態(tài)度，形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)和克服困難的意志品質(zhì)，有利于學(xué)生認(rèn)識(shí)和掌握科學(xué)過(guò)程與科學(xué)方法、不滿足于現(xiàn)狀的進(jìn)取精神，同時(shí)也懂得了科學(xué)知識(shí)對(duì)于自然、社會(huì)與人的意義和價(jià)值。

二、中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原則

在學(xué)生具備了一定的化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、掌握了一定的化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作技能的基礎(chǔ)上，有目的的提出一些實(shí)驗(yàn)問(wèn)題，要求學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?，根?jù)已學(xué)過(guò)的實(shí)驗(yàn)原理和方法，設(shè)計(jì)出新的實(shí)驗(yàn)方案，這是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是、獨(dú)立思考、開(kāi)拓創(chuàng)新精神和能力的重要途徑。

（一）目的性原則。目的性原則是指在科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程中，對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、用品、裝置、步驟、方法以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果等方面的設(shè)計(jì)，都應(yīng)圍繞實(shí)驗(yàn)的目的與要求進(jìn)行。例如，一氧化碳還原氧化銅的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)的目的是說(shuō)明一氧化碳具有還原性，可把氧化銅中的銅還原成單質(zhì)，本身被氧化成二氧化碳。因此，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的立足點(diǎn)就是如何將黑色的氧化銅轉(zhuǎn)化為紅色的銅，如何將一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳，并將其檢驗(yàn)出來(lái)。然后據(jù)此選擇實(shí)驗(yàn)試劑、儀器、裝置、反應(yīng)條件、操作步驟和方法，并組裝多種有利于黑色氧化銅轉(zhuǎn)化為紅色銅的實(shí)驗(yàn)裝置。

（二）科學(xué)性原則?？茖W(xué)性原則是指設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)操作等必須與科學(xué)理論知識(shí)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法相一致。例如，檢驗(yàn)?zāi)撤N無(wú)色溶液中是否含有CO32-離子，就不能通過(guò)加入鹽酸，看是否有使澄清石灰水變渾濁的氣體產(chǎn)生的方法來(lái)檢驗(yàn)。因?yàn)槿粲蠬CO3-離子、SO32-離子、HSO3-離子的存在，此實(shí)驗(yàn)中都可以產(chǎn)生相似的現(xiàn)象，因而有失原理、方法的科學(xué)性。

（三）可行性原則。可行性原則是指在設(shè)計(jì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，從實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)實(shí)施到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的產(chǎn)生，在實(shí)施時(shí)切實(shí)可行，所選用的化學(xué)實(shí)驗(yàn)藥品、儀器、設(shè)備和方法在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)條件下能夠得到滿足。例如NaCl、Na2SO4的鑒別，有的學(xué)生常選用AgNO3做試劑，認(rèn)為AgCl難溶、Ag2SO4微溶，從而把兩者加以區(qū)分。事實(shí)上，這種方法所依據(jù)的原理在實(shí)施時(shí)是不可行的。因?yàn)榱蛩徙y不穩(wěn)定很易分解成難溶的氧化銀。

（四）安全性原則。安全性原則是指在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)必須考慮實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的安全，盡量避免使用有毒藥品和進(jìn)行具有危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)操作，如果必須使用，應(yīng)在所設(shè)計(jì)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)方案中詳細(xì)寫(xiě)明注意事項(xiàng)，以防造成環(huán)境污染和人身傷害。

（五）簡(jiǎn)便性原則。簡(jiǎn)便性原則要求在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮到實(shí)驗(yàn)材料容易獲得、實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)化、實(shí)驗(yàn)藥品便宜、實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便、實(shí)驗(yàn)量化簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)步驟少和實(shí)驗(yàn)時(shí)間短等問(wèn)題。這樣，可以避免學(xué)生在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中陷入一些繁瑣的過(guò)程中，而忽視科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵問(wèn)題，如對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的思考，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析等。

（六）綠色化原則。綠色化學(xué)是二十一世紀(jì)化學(xué)科學(xué)的一個(gè)重要發(fā)展方向，也是中學(xué)化學(xué)教學(xué)中學(xué)生應(yīng)樹(shù)立的基本化學(xué)觀念之一。綠色化學(xué)倡導(dǎo)從源頭上就盡可能地消除或減少有毒、有害化學(xué)物質(zhì)對(duì)環(huán)境的影響，要想實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須從化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)做起。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中體現(xiàn)綠色化學(xué)思想，要求在化學(xué)反應(yīng)原料的選擇、化學(xué)反應(yīng)條件的選擇、化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物、化學(xué)實(shí)驗(yàn)的操作等環(huán)節(jié)都要貫徹綠色化學(xué)思想。