高中化學實驗創(chuàng)新的研究視角與優(yōu)化策略

霍本斌+++江宏

摘 要：中等教育類三大化學主流期刊、全國化學優(yōu)質(zhì)課大賽、全國和部分省市實驗創(chuàng)新大賽等所呈現(xiàn)的實驗研究成果為廣大教育工作者提供了實驗創(chuàng)新的實踐基礎(chǔ)和研究方向，通過對這些研究成果進行歸納、分析，提出了高中化學實驗創(chuàng)新的“五化”創(chuàng)新視角和優(yōu)化實驗方式、優(yōu)化實驗裝置、優(yōu)化實驗條件、調(diào)整實驗試劑、增補教材實驗等優(yōu)化策略。

關(guān)鍵詞：化學實驗；實驗創(chuàng)新；優(yōu)化策略

化學實驗是化學教學的重要組成部分，優(yōu)化教材實驗是提升實驗教學的重要保障，同時也是培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)的重要舉措。為了最大化地進行實驗創(chuàng)新，我國一線教師、教育科研工作者作了大量的研究工作，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》等期刊、歷屆全國或省市高中化學優(yōu)質(zhì)課展示活動和各級部門組織的儀器創(chuàng)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(chuàng)新的研究視角和實施策略。這些研究視角和策略對廣大教育工作者提供了實驗再創(chuàng)新的實踐基礎(chǔ)和研究方向。

一、高中化學實驗創(chuàng)新的研究視角

對于化學實驗的創(chuàng)新視角而言，由于研究者所處的環(huán)境和研究水平的差異，提法有所不同。有的提出“依標務(wù)本”“開放性探究”“聯(lián)系實際”“簡約易成”“安全環(huán)保”的改進原則；有的提出 “趣味化、探究化、生活化、綠色化、可視化”的研究視角[1]；還有的提出“直觀性、安全性、簡易化、科學性”的優(yōu)化原則[2]等等。如果對上述觀點作系統(tǒng)的歸納與分析，總結(jié)與概括，不難得出實驗創(chuàng)新的“五化”研究視角，即生活化、生態(tài)化、生動化、微量化、定量化。

（一）生活化

實驗創(chuàng)新生活化是指充分借助各種生活資源或自然資源、社區(qū)資源來改進化學實驗，使實驗現(xiàn)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、輸液管、筆桿、塑料瓶、塑料盒、丟棄的太空杯、電烙鐵、電加熱棒、粉筆、亞力克板、音樂賀卡、橡皮泥、氣球、節(jié)能燈管、小風扇、計數(shù)器等。如華南師范大學韋新平、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(zhì)實驗[3]；應(yīng)用貞子果檢驗鐵元素、醛基和制作pH試紙；運用飲料瓶完成爆鳴實驗、酸性氧化物性質(zhì)的驗證和制作凈水器等[4]。生活化的實驗創(chuàng)新不但可以節(jié)約實驗成本、提高實驗效率，而且還能激發(fā)學生學習化學的興趣、培養(yǎng)學生“變廢為寶”的學科思想和環(huán)保意識。

（二）生態(tài)化

教育生態(tài)學認為真正的教育必須直面生命，滿足生命發(fā)展需要，彰顯生命活力，提升生命質(zhì)量。在化學教學中要構(gòu)建生態(tài)化課堂，需要以生態(tài)化實驗創(chuàng)新為基本保障，需要教師樹立綠色化學觀念，關(guān)注環(huán)境友好化學實驗，以避免化學實驗對環(huán)境的污染和學生的傷害。實驗創(chuàng)新的生態(tài)化就是指在實驗創(chuàng)新過程中運用生活化的素材優(yōu)化實驗，實現(xiàn)化學實驗的無害化、綠色化。目前對生態(tài)化的實驗創(chuàng)新主要有以下幾種形式：一是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(yīng)的對比實驗、氫氧化亞鐵制備實驗的改進等。二是對有毒氣體的制備和性質(zhì)進行一體化設(shè)計，優(yōu)化實驗環(huán)節(jié)，體現(xiàn)綠色化學理念。如對NOx、Cl2和SO2的制備和性質(zhì)進行一體化設(shè)計[5]，自制環(huán)保型防泄漏實驗裝置驗證CO2、SO2、Cl2的性質(zhì)和進行銅與濃硫酸（或濃硝酸）、H2S與SO2的反應(yīng)等[6]。三是對教材中的部分實驗進行微量化設(shè)計，使現(xiàn)象更加明顯。如對石蠟的裂化實驗、溴乙烷消去反應(yīng)、煤的干餾、SO2和Cl2的系列化實驗進行的微量化設(shè)計[7]。無論采用何種形式的設(shè)計，其根本宗旨都是為了實現(xiàn)“綠色化學”，避免環(huán)境污染，保護人體健康。

（三）生動化

實驗創(chuàng)新的生動化是指將傳統(tǒng)實驗內(nèi)容通過趣味實驗、魔術(shù)化學、游戲化學的方式進行呈現(xiàn)，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(gòu)。這種實驗創(chuàng)新適用于元素化合物或有機物性質(zhì)實驗教學，例如利用可樂與包有Na2O2的脫脂棉來研究Na2O2與CO2的反應(yīng)（神奇的可樂實驗）；將浸過品紅的紙花研究SO2的漂白性或自制小白花研究FeCl3溶液與KSCN、KI淀粉溶液的反應(yīng)（變色花實驗）；通過向事先浸潤過KSCN溶液的酒杯中倒入FeCl3溶液，再倒入鮮橙汁（調(diào)酒實驗）；將茶水倒入燒杯，用醮有鐵鹽的玻璃棒攪拌茶水，然后再倒入維生素C來研究鐵鹽的性質(zhì)（神奇的茶水）；利用苯酚和酒精進行牛奶變清水實驗等。這些實驗創(chuàng)新都是建立在學生已有生活經(jīng)驗之上，以學習、生活、科技知識為背景展開的，以其獨特的現(xiàn)象、新穎的實驗方法而受到學生的青睞。生動化的實驗創(chuàng)新教學，能夠促進學生科學素養(yǎng)和人文精神、化學素養(yǎng)的發(fā)展。

（四）微量化

微量化實驗是建立在早期的微型化實驗基礎(chǔ)之上的，它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(guī)的儀器中進行化學實驗，依然能夠得到明顯的實驗現(xiàn)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(jīng)濟、現(xiàn)象直觀生動、易于操作的特點，從而受到一線教師的歡迎。目前取得的微量化研究成果主要有：氯氣的制備及性質(zhì)實驗的微量化設(shè)計（于永明等）、套管式氣體多重性質(zhì)實驗的微量化研究（王超）、檢驗火柴頭中硫元素的幾套微量化改進方案、蔗糖炭化實驗的微量化和綠色化改進、鈉和硫反應(yīng)實驗的微量化設(shè)計（賈同全）等等。微量化實驗的出現(xiàn)，拓展了中學化學實驗創(chuàng)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(yīng)用。

（五）定量化

對化學實驗進行定量化設(shè)計創(chuàng)新，是近年來興起的一種研究潮流。目前對實驗進行定量化設(shè)計的方式有三種：一是為了獲取實驗最佳條件而進行的正交實驗設(shè)計。這種定量研究常采用正交表來完成相關(guān)實驗探究。如利用正交實驗法研究“黑面包實驗”、鐵與水蒸氣反應(yīng)的最佳條件。二是借助傳感器和信息技術(shù)對抽象難懂的科學理論實驗，或需要捕捉實驗細節(jié)，或需要進行定量研究的科學實驗等，進行數(shù)字化實驗探究。這種方式使化學實驗由創(chuàng)新走向了創(chuàng)意設(shè)計。如利用微電流傳感器探究原電池產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)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。三是利用探究變量思想，通過傳統(tǒng)實驗方式，研究外界條件對化學反應(yīng)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(yōu)化等。

二、高中化學實驗的創(chuàng)新途徑

（一）優(yōu)化實驗方式

化學實驗方法是根據(jù)化學實驗?zāi)康?，通過運用實驗儀器、設(shè)備、裝置等物質(zhì)手段，在特定實驗條件下，改變化學實驗對象的狀態(tài)或性質(zhì)，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。為了適應(yīng)新課程改革，對傳統(tǒng)實驗方法的改進，已從傳統(tǒng)單一的、照單拆抓藥式的實驗教學，向微型化、系統(tǒng)化、探究式轉(zhuǎn)變，使實驗教學更能體現(xiàn)教與學的關(guān)系，讓學生在實驗方式的變革中培養(yǎng)化學基本素養(yǎng)。目前，以綠色化、生活化、可探性為特征的實驗方式主要有以下三種情況：一是將敞開體系的實驗改為封閉式實驗，進行綠色化設(shè)計。如利用注射器作容器制備Fe（OH）2、NO2、Cl2等。二是充分運用控制單一變量（注：這個單一變量可以是物質(zhì)的量、組成與結(jié)構(gòu)、物料順序、溶解度、溫度、壓強、催化劑等）思想，將教材實驗設(shè)計成對照性實驗。例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。三是對某些傳統(tǒng)實驗，借助手持技術(shù)、傳感器、數(shù)據(jù)采集器等對其進行數(shù)字化探究實驗設(shè)計，以彌補傳統(tǒng)實驗存在的缺陷（如①傳統(tǒng)實驗難以捕捉細微的科學過程；②難以將定量科學定量化；③抽象的科學理論難以理解等）。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，讓學生理解單池單液原電池電流不持續(xù)、不穩(wěn)定的原因以及金橋和鹽橋的區(qū)別。這是傳統(tǒng)實驗無法做到的。近年來，借助于手持技術(shù)、各種傳感器對化學實驗進行數(shù)字化探究的成果常見于《化學教學》《化學教育》《化學教與學》等期刊。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。數(shù)字化實驗設(shè)計是一種富有創(chuàng)意的實驗創(chuàng)新方式。

（二）優(yōu)化實驗裝置

對教材實驗裝置進行優(yōu)化、創(chuàng)新是為了更好地體現(xiàn)“教”與“學”的關(guān)系，使實驗現(xiàn)象更加明顯，實驗結(jié)果更易于學生接受。優(yōu)化實驗裝置，就是要在不影響實驗效果的前提下，對現(xiàn)象不明顯、可視化差、對比難以形成、現(xiàn)象難以持續(xù)、易造成環(huán)境污染的實驗進行創(chuàng)新。對于實驗裝置的創(chuàng)新方式主要有以下三種形式：①利用中學較常見的實驗儀器對原實驗進行優(yōu)化重組。②利用身邊的素材、自主設(shè)計節(jié)約型或環(huán)保型的實驗裝置來替代教材的實驗裝置，如開發(fā)多功能燃燒瓶用于鐵絲、硫的燃燒和白磷的水下燃燒等；制備封閉U形管完成溫度對粒子運動速率的對比、CO2與NaOH溶液反應(yīng)和CO2溶于水的對比實驗等。③以某一種物質(zhì)為載體，將其制備與性質(zhì)實驗進行系列化設(shè)計，達到優(yōu)化實驗環(huán)節(jié)的目的。如對SO2、氯氣、NOx、CO2等氣體的制備性質(zhì)的一體化設(shè)計，就屬于這種情況。

（三）優(yōu)化實驗條件

實驗條件是指同特定對象相聯(lián)系，并對狀態(tài)、性質(zhì)和變化發(fā)生影響的諸因素的總和，是物質(zhì)發(fā)生變化的外在因素。它要通過物質(zhì)的本質(zhì)屬性或內(nèi)部結(jié)構(gòu)而起作用。對實驗條件進行優(yōu)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。從中學化學實驗來看，實驗條件優(yōu)化的主要途徑有：一是將某些實驗由敞開體系變?yōu)榉忾]體系。這種方法主要運用于有毒氣體的制備和性質(zhì)實驗、部分防氧化實驗或用于能夠與空氣中的成分發(fā)生反應(yīng)的實驗等。如制備Fe（OH）2時，為了能較長時間觀察到白色的Fe（OH）2沉淀，需要在隔絕空氣條件下進行。二是對某些實驗的引發(fā)方式進行改進。如在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(huán)境引燃、將鋁熱反應(yīng)的鎂條引燃電爐絲、丁烷槍引燃等。三是通過控制反應(yīng)過程的外部條件來優(yōu)化實驗條件（見表1），這種情況比較普遍。

（四）調(diào)整實驗試劑

對于操作困難、易受干擾、存在副反應(yīng)的化學反應(yīng)，可以通過調(diào)整試劑，即尋找新的試劑來替換原有試劑，使其實驗現(xiàn)象更加明顯，實驗結(jié)果或結(jié)論更具可靠性和說服力。如利用甲苯和Br2的CCl4代替CH4和Cl2進行鹵代反應(yīng)，用鹽的甲醇溶液代替鹽的水溶液做焰色反應(yīng)，用P2O5固體代替濃硫酸在常溫下催化乙醇脫水，用氨水、2%AgNO3、20%氫氧化鈉溶液4滴、4%葡萄糖1mL代替2%AgNO3、2%稀氨水、3滴乙醛進行銀鏡反應(yīng)和后續(xù)實驗改進，用30%的NaOH溶液代替稀NaOH溶液與FeSO4反應(yīng)制備Fe（OH）2等。

（五）增補教材實驗

為了增強教學的直觀性，加深學生對某些抽象原理、概念的理解，有時需要適當增補相關(guān)實驗以彌補教材自身的不足。如增補使用電離平衡動態(tài)演示器演示醋酸的電離，利用pH傳感器繪制0.01mol·L-1NaOH溶液分別滴定20mL 0.100mol·L-1HCl、20mL 0.100mol·L-1

CH3COOH溶液的pH值變化曲線以幫助學生對電離平衡的理解；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(yīng)等。從目前的研究來看，對教材的增補實驗主要以數(shù)字化探究實驗為主，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(dǎo)率傳感器測定電解質(zhì)的電導(dǎo)率、研究離子反應(yīng)的本質(zhì)、稀NaOH和NH4HCO3溶液反應(yīng)的順序等。這些增補實驗都能不同程度地提高實驗教學的質(zhì)量，培養(yǎng)了學生的信息素養(yǎng)。

對于某個實驗的創(chuàng)新，可以是單角度的，也可以是多角度的。如對人教版選修5中溴乙烷消去反應(yīng)的實驗創(chuàng)新就可以從多個角度進行。由于溴乙烷沸點低（38.4℃），受熱易揮發(fā)，很難通過消去反應(yīng)制得乙烯；乙醇易揮發(fā)的性質(zhì)也會干擾乙烯的檢驗，實驗成功率低。在不改變該實驗教學功能的前提下，通過綜合分析，進行下列創(chuàng)新設(shè)計可使實驗成功率大大提高。即選用沸點較高的1，2-二氯乙烷（83.5℃）代替溴乙烷、用6gNaOH固體和15mL無水乙醇代替KOH的乙醇飽和溶液；選用73～75℃的熱水水浴加熱代替直接用酒精燈加熱；考慮反應(yīng)混合物充分接觸而用錐形瓶代替大試管；用礦泉水瓶來收集消去反應(yīng)產(chǎn)生的氣體，然后將氣體壓入KMnO4溶液進行檢驗。這一實驗創(chuàng)新充分運用了裝置優(yōu)化、條件優(yōu)化、試劑調(diào)整等改進策略。諸如此類創(chuàng)新案例還相當多，因篇幅原因，不再贅述。

三、對高中化學實驗創(chuàng)新的思考

對化學實驗的創(chuàng)新主要是為了確保實驗成功，消除學生對實驗異?，F(xiàn)象產(chǎn)生的困惑，使實驗教學能夠滿足實驗探究的需要等。為此，很多研究者或一線教師采用了多樣化的研究視角進行了實驗創(chuàng)新并取得大量的成果，但通過對現(xiàn)有成果的考查與反思，有一些問題值得大家關(guān)注。

（1）在對實驗進行創(chuàng)新之前，應(yīng)采用科學的方法對其作系統(tǒng)研究，千萬不可盲目改進。如人教版必修1中鐵與水反應(yīng)無需改進裝置，只需做如下優(yōu)化即可成功：脫脂棉用水打濕后擠干，塞入試管底部（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。用酒精燈加熱鐵粉中心2～3min即可。而有的將酒精燈改為酒精排燈（或噴燈），將試管改為硬質(zhì)玻管、玻璃彎管等做法是欠妥的。

（2）慎用微型化實驗設(shè)計。微型化實驗因在分組實驗、第二課堂教學中有其獨特的功能和價值而受到一些研究者的青睞。但微型實驗現(xiàn)象只能近距離觀察，如果用于課堂演示，務(wù)必借助實物展臺才能達到效果。在實驗條件相對較差的地區(qū)或?qū)W?？赡懿贿m用。為了克服微型化實驗自身存在的缺陷，建議少做微型化實驗創(chuàng)新，多作微量化實驗研究。

（3）實驗裝置的改進應(yīng)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(fù)雜。如人教版必修2中Cl2與Na反應(yīng)實驗本身就設(shè)計安全、環(huán)保，易于操作，體現(xiàn)了綠色化學思想，無需再作改進就能確保實驗成功。如果進行圖1所示的改進，務(wù)必會使實驗變得復(fù)雜、操作難度加大，不可取。又如人教版必修1中銅與濃硫酸的反應(yīng)實驗沒有必要做如圖2所示的改進，只需在盛品紅溶液的試管口放一團浸過NaOH溶液的棉花即可解決環(huán)保問題。

（4）慎用數(shù)字化實驗進行實驗創(chuàng)新。實驗創(chuàng)新主要源于教與學的需要，經(jīng)濟快速、操作簡便、現(xiàn)象明顯、成功率高是實驗創(chuàng)新的目的所在。教材實驗有無必要進行數(shù)字化實驗設(shè)計，應(yīng)根據(jù)其所在教材中所處位置的功能、作用和現(xiàn)有實驗效果來確定。如果濫用數(shù)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(fù)雜、教學效果提升有限等方面的問題。

（5）定量化實驗要關(guān)注正交實驗，重視圖表、數(shù)據(jù)的采集、復(fù)合、整理、利用，關(guān)注學科方法和學科思想。

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