高中化學(xué)實驗創(chuàng)新的實踐與思考

霍本斌

摘 要 通過對在《化學(xué)教學(xué)》《化學(xué)教育》《中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考》等學(xué)術(shù)期刊、各級化學(xué)優(yōu)質(zhì)課大賽和實驗創(chuàng)新大賽等呈現(xiàn)的實驗創(chuàng)新成果的觀察和分析，提出了生活化、生態(tài)化、生動化、微量化和定量化等“五化”實驗創(chuàng)新視角，以及優(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、增補教材實驗等實驗創(chuàng)新策略。

關(guān)鍵詞 化學(xué)實驗 實驗創(chuàng)新 優(yōu)化實驗

教師不僅是知識的傳播者、崇尚者、使用者，更是知識的創(chuàng)造者、質(zhì)疑者、完善者?；瘜W(xué)教師承擔(dān)著培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重任，而創(chuàng)新實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的重要載體。我國一線教師和研究人員為此作了大量工作，并取得了豐碩的研究成果。這些成果主要外顯于《化學(xué)教學(xué)》《化學(xué)教育》《中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考》等重要期刊、歷屆全國高中化學(xué)優(yōu)質(zhì)課展示活動、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(xué)實驗創(chuàng)新的研究策略。

一、高中化學(xué)實驗創(chuàng)新的類型

1.生活化

實驗教學(xué)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(jìn)化學(xué)實驗，使實驗現(xiàn)象更加明顯、直觀。目前用于改進(jìn)實驗裝置的生活用品主要包括注射器、輸液袋/管、筆桿、塑料瓶/盒、丟棄的太空杯、亞力克板、音樂賀卡、橡皮泥、氣球、節(jié)能燈管、小風(fēng)扇、計數(shù)器等。如華南師大韋新平、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(jìn)乙炔的制備與性質(zhì)實驗；應(yīng)用榛子果檢驗鐵元素、醛醛和制作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。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，還能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣、培養(yǎng)學(xué)生“變廢為寶”的學(xué)科思想和環(huán)保意識。

2.生態(tài)化

實驗創(chuàng)新的生態(tài)化是指在實驗創(chuàng)新過程中運用生活化素材優(yōu)化實驗，實現(xiàn)化學(xué)實驗的無害化、綠色化。目前生態(tài)化的實驗創(chuàng)新主要有以下幾種形式：第一，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(jìn)行銅和稀濃硝酸反應(yīng)的對比實驗[1]、氫氧化亞鐵制備實驗的改進(jìn)等。第二，對有毒氣體的制備和性質(zhì)進(jìn)行一體化設(shè)計，優(yōu)化實驗環(huán)節(jié)，體現(xiàn)綠色化學(xué)理念。如對NOX、Cl2和SO2的制備和性質(zhì)進(jìn)行一體化設(shè)計[2]，自制環(huán)保型防泄漏實驗裝置驗證CO2、SO2、Cl2的性質(zhì)和進(jìn)行銅與濃硫酸（或濃硝酸）、H2S與SO2的反應(yīng)等[3]。第三，對教材中的部分實驗進(jìn)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(jìn)行的微量化設(shè)計[4]。無論采用何種形式，其根本宗旨都是為了實現(xiàn)“綠色化學(xué)”，避免環(huán)境污染，保護(hù)人體健康。

3.生動化

實驗創(chuàng)新的生動化是指將傳統(tǒng)實驗通過趣味實驗、魔術(shù)化學(xué)、游戲化學(xué)的方式進(jìn)行呈現(xiàn)，讓學(xué)生在實驗情境中感受到化學(xué)美，并從中感受到樂趣，形成知識的意義建構(gòu)。無機(jī)化合物和有機(jī)物的性質(zhì)實驗教學(xué)可以采取這種方式進(jìn)行創(chuàng)新（如表1 所示）。

從表1中可以看出，以趣味實驗、魔術(shù)化學(xué)等為載體的實驗創(chuàng)新，是以學(xué)生的已有生活經(jīng)驗為背景展開的，以其獨特的現(xiàn)象、新穎的實驗方法而受到學(xué)生的青睞。生動化的實驗創(chuàng)新，能夠促進(jìn)學(xué)生人文精神和化學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展。

4.微量化

微量化實驗?zāi)軌蚩朔⑿蛯嶒炑菔镜谋锥?，它運用微小量的試劑在較常規(guī)的儀器中進(jìn)行化學(xué)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(jì)、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。

微量化實驗的出現(xiàn)，拓展了中學(xué)化學(xué)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。

5.定量化

對高中化學(xué)實驗進(jìn)行定量化設(shè)計創(chuàng)新，是近年來興起的一種研究潮流。目前有三種方式：第一，為了獲取實驗最佳條件而進(jìn)行正交實驗設(shè)計。如利用正交實驗法研究“黑面包實驗”、鐵與水蒸汽反應(yīng)的最佳條件。第二，借助傳感器和信息技術(shù)對那些抽象難懂的科學(xué)理論實驗，或需要捕捉實驗細(xì)節(jié)，或需要進(jìn)行定量研究的科學(xué)實驗等，進(jìn)行數(shù)字化實驗探究。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。第三，利用控制變量思想研究外界條件對化學(xué)反應(yīng)速度、化學(xué)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(xué)實驗創(chuàng)新的途徑

1.優(yōu)化實驗方式

化學(xué)實驗方法是根據(jù)化學(xué)實驗?zāi)康模ㄟ^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(xué)實驗對象的狀態(tài)或性質(zhì)，通過實驗觀察獲得各種化學(xué)科學(xué)事實，以探究化學(xué)問題的一種科學(xué)研究方法[5]。為了適應(yīng)新課改，已從傳統(tǒng)單一的、照單抓藥式的實驗教學(xué)向微型化、系統(tǒng)化、探究式轉(zhuǎn)變，使實驗教學(xué)更能體現(xiàn)教與學(xué)的關(guān)系，讓學(xué)生在實驗方式的變革中培養(yǎng)化學(xué)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：第一，將敞開體系實驗改為封閉式實驗。如用注射器作容器制備Fe（OH）2、NO2、Cl2等。第二，充分運用控制單一變量思想將教材實驗設(shè)計成對照性實驗。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。第三，借助手持技術(shù)、傳感器、數(shù)據(jù)采集器等對某些傳統(tǒng)實驗進(jìn)行數(shù)字化實驗設(shè)計，以彌補其不足。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(xué)生明確單池單液原電池電流不持續(xù)、不穩(wěn)定，認(rèn)識雙池單液電池、雙池雙液電池的區(qū)別、金橋電池和鹽橋電池的區(qū)別。近年來，借助于手持技術(shù)、各種傳感器、數(shù)據(jù)采集器對化學(xué)實驗進(jìn)行數(shù)字化探究的成果常見于《化學(xué)教學(xué)》、《化學(xué)教育》、《化學(xué)教與學(xué)》等專業(yè)期刊。這些成果都增強(qiáng)了實驗的說服力、拓展了學(xué)生視野、提升了學(xué)生能力。

2.優(yōu)化實驗裝置

對實驗裝置進(jìn)行優(yōu)化、創(chuàng)新是為了更好地體現(xiàn)教與學(xué)的關(guān)系，使實驗現(xiàn)象更加明顯，實驗結(jié)果更易于學(xué)生接受。優(yōu)化實驗裝置是在不影響實驗效果的前提下，對那些現(xiàn)象不明顯、可視化差、對比難以形成、現(xiàn)象難以持續(xù)、易造成污染的實驗進(jìn)行的創(chuàng)新。對于實驗裝置的創(chuàng)新方式主要有：第一，利用中學(xué)常見儀器對原實驗進(jìn)行優(yōu)化重組。第二，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[6]等；制備封閉U型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[7]等。第三，以某一物質(zhì)為載體，將其制備與性質(zhì)實驗進(jìn)行系列化設(shè)計，達(dá)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。

3.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。對實驗條件進(jìn)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(xué)實驗來看，實驗條件優(yōu)化的主要途徑有：第一，將某些實驗由敞開體系變?yōu)榉忾]體系。該法主要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份發(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沉淀，需要在隔絕空氣條件下進(jìn)行。第二，對某些實驗的引發(fā)方式進(jìn)行改進(jìn)。如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)境引燃等。第三，通過控制反應(yīng)過程的外部條件來優(yōu)化實驗條件（如表3所示）。其中，第三種情況比較普遍。

4.調(diào)整實驗試劑

對于那些操作困難、易受干擾、有副反應(yīng)的化學(xué)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（如表4所示）。

5.增補教材實驗

為了增強(qiáng)教學(xué)的直觀性、加強(qiáng)學(xué)生對某些抽象原理、概念的理解，有時需要適當(dāng)增加教材之外的實驗來彌補教材本身的不足。如在進(jìn)行人教版選修4“弱電解質(zhì)的電離”一節(jié)教學(xué)時，為了讓學(xué)生在真實的情境中認(rèn)識弱電解質(zhì)電離平衡，可增加電離平衡動態(tài)演示器演示醋酸的電離和使用PH傳感器測定0.01 mol/LNaOH溶液分別滴定20 mL0.100 mol/L HCl、20 mol0.100 mol/L CH3COOH的PH值變化來幫助學(xué)生理解電離平衡的概念；在進(jìn)行人教版必修1中NO2教學(xué)時可增加使用氣壓傳感器定量研究NO2溶于水的實驗，讓學(xué)生從定量的角度認(rèn)識NO2與H2O的反應(yīng)等。從目前的研究來看，對教材實驗的增補主要以數(shù)字化實驗為主，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；用PH傳感器繪制酸堿滴定曲線等。這些增加的實驗都不同程度地提高了實驗教學(xué)的質(zhì)量，培養(yǎng)了學(xué)生的信息素養(yǎng)。

三、對高中化學(xué)實驗創(chuàng)新的思考

1.用科學(xué)方法進(jìn)行實驗創(chuàng)新

在對實驗進(jìn)行創(chuàng)新之前，應(yīng)采用科學(xué)的方法對其作系統(tǒng)研究，千萬不可盲目改進(jìn)。如人教版必修1第三章中“鐵與水反應(yīng)”的實驗按教材所給裝置，只需對實驗條件改進(jìn)即可成功：脫脂棉用水打濕后擠干，塞入試管底（塞緊），厚度達(dá)到1～2cm；還原鐵粉用量1g，鐵粉中心至棉花外沿1～2cm；然后用酒精燈加熱鐵粉中心2～3min實驗。而有的教師將酒精燈改為酒精排燈、酒精噴燈，將試管改為硬質(zhì)玻管、玻璃彎管等做法是欠妥當(dāng)?shù)摹?/p>

2.慎用微型化實驗設(shè)計

微型化實驗在分組實驗、第二課堂教學(xué)中有其獨特的功能和價值，因而受到一些研究者的重視和青睞。但由于微型實驗現(xiàn)象只能近距離觀察，如果用于課堂演示，必須借助實物展臺才能達(dá)到效果，在實驗條件相對較差的地區(qū)或?qū)W?？赡芫筒贿m用。為了克服微型化實驗自身存在的某些缺陷，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(jìn)應(yīng)走向簡約化

有的老師追求標(biāo)新立異，對實驗裝置進(jìn)行了盲目改進(jìn)，使其操作過于復(fù)雜。如人教版必修2中氯氣與鈉的反應(yīng)實驗本身就設(shè)計安全、環(huán)保，易于操作，無需再作改進(jìn)就能確保實驗成功。如果采用圖1所示裝置進(jìn)行改進(jìn)，其創(chuàng)意令人可敬，但其使實驗變得復(fù)雜、操作難度加大，不可取。人教版必修1實驗4-9銅與濃硫酸的反應(yīng)實驗只需在其盛有的品紅溶液的試管口放一團(tuán)浸過NaOH溶液的棉花就可解決實驗環(huán)保的問題，無須采用圖2所示的創(chuàng)新設(shè)計來增加實驗難度和成本。

4.慎用數(shù)字化實驗創(chuàng)新實驗內(nèi)容

對實驗的創(chuàng)新主要源于教與學(xué)的需要，經(jīng)濟(jì)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。對于教材中的實驗，有無必要進(jìn)行數(shù)字化實驗設(shè)計，應(yīng)根據(jù)其在教材中所處的地位和現(xiàn)有實驗效果來確定。如果濫用數(shù)字化實驗來改進(jìn)教材實驗，就可能造成實驗成本升高、裝置復(fù)雜、教學(xué)效果提升有限等方面的問題。如將NO2溶于水的實驗設(shè)計成圖3所示的數(shù)字化探究實驗勢必會增加實驗成本、使實驗裝置變得更復(fù)雜。

參考文獻(xiàn)

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【責(zé)任編輯 郭振玲】