在學科核心素養(yǎng)視角下的高中化學創(chuàng)新實驗教學研究

摘 要：新課標對培養(yǎng)學生的學科核心素養(yǎng)提出了更高的要求，對高中化學實驗進行改進與創(chuàng)新，可以全面提升學生的科學探究能力與創(chuàng)新思維。簡單闡述高中化學創(chuàng)新實驗的特點和原則，主要研究高中化學創(chuàng)新實驗教學設計的策略。

關鍵詞：學科核心素養(yǎng);創(chuàng)新實驗;教學設計策略

一、高中化學創(chuàng)新實驗的特點

1.降低實驗成本

學校能否根據(jù)新課標開設實驗取決于是實驗成本的高低。如果實驗成本過高，學校就無法正常開設實驗課，學生就沒有機會親自實驗，這樣不利于學生學科核心素養(yǎng)的提升。利用廉價易得的生活用品或廢舊材料對化學實驗進行創(chuàng)新改進，可以實現(xiàn)化學實驗的低成本化。

2.用生活用品代替實驗用品

化學實驗離不開實驗用品，學生平時很少接觸一些實驗儀器和藥品，在做實驗時會產(chǎn)生畏懼心理，生怕?lián)p壞實驗儀器，所以，我們可以用日常生活用品代替實驗用品，如我們把CH3COOH用白醋代替，把NaHCO3用小蘇打代替，把試管用注射器代替，把集氣瓶用帶蓋的塑料瓶代替等，這樣，可以消除學生對實驗的陌生感，讓學生親自體驗實驗的樂趣。

3.實驗設計要有創(chuàng)新理念

創(chuàng)新實驗設計方案要具有科學合理性。對實驗進行改進和創(chuàng)新可以加深學生對所學知識的理解，提高學生的實驗操作技能和邏輯思維能力。

二、高中化學創(chuàng)新實驗的設計原則

1.科學性原則

對化學實驗的創(chuàng)新一定不能違背科學性原則，實驗原理要科學合理，實驗內(nèi)容要正確，每個實驗現(xiàn)象要有對應的原理解釋。

2.可行性原則

創(chuàng)新實驗方案的設計要符合學校實驗教學和學生的實際情況，要保證實驗能夠順利進行，達到預期效果。

3.安全性原則

安全是順利進行創(chuàng)新實驗及避免傷害和事故的保障。實驗前教師要對學生進行安全教育，讓學生牢記安全規(guī)則，認識常見危險化學品標識，學會處理意外事故等。

4.簡便直觀性原則

實驗操作要盡可能簡單易行，即裝置要簡單，實驗步驟要少，條件要易于控制，實驗時間要短。實驗現(xiàn)象要直觀、明了，便于學生觀察。

5.綠色化原則

綠色化原則是指從實驗源頭上減少和消除污染物對生態(tài)環(huán)境和生活環(huán)境的影響，讓學生樹立環(huán)保意識。

三、高中化學創(chuàng)新實驗的設計策略

1.創(chuàng)新實驗生活化策略

尋求和改進生活日用品或廢舊材料來代替實驗儀器，可以降低實驗成本，給學生提供更多動手實驗的機會，拉近學生與化學實驗的距離。用廉價易得的日用品代替實驗儀器的前提是不能影響實驗效果。將分液漏斗用注射器代替，用注射器在密閉環(huán)境中收集氣體，集氣瓶用帶蓋的礦泉水瓶等代替，試管夾用衣夾代替，導管用輸液管代替等。例如在制備SO2和探究其性質(zhì)時，可以用青霉素瓶收集SO2氣體，用輸液管代替導管，通過擠壓青霉素瓶將SO2分別通入裝有品紅溶液、酸性高錳酸鉀溶液、硫化鈉溶液的試管中（試管口均塞有一團棉花）。

化學與生活息息相關，用生活日用品代替實驗藥品，不僅可以降低實驗成本，而且可以為學生提供改進和創(chuàng)新實驗的機會，提高學生的實際操作能力。例如，人教版必修2實驗2-6，探究FeCl3和MnO2這兩種催化劑對H2O2分解速率的影響，我們可以用肝臟研磨液代替MnO2，用土豆泥作另一種催化劑FeCl3，做對比實驗，現(xiàn)象明顯。

2.創(chuàng)新實驗條件優(yōu)化策略

提高實驗教學的效率離不開實驗條件的優(yōu)化，如果控制不好實驗條件，生成物產(chǎn)率就會降低，副產(chǎn)物就會增多，甚至會使實驗失敗。課本中的有些實驗仍然有一定的不足，因此我們要對課本中的一些實驗條件進行優(yōu)化探究與創(chuàng)新，尋求實驗最佳路徑。例如人教版選修5乙烯的制備實驗中，得到的乙烯產(chǎn)率通常很低，是由于濃硫酸把大量C2H5OH碳化，產(chǎn)生了有污染的二氧化硫，為了提高乙烯的產(chǎn)率，我們用五氧化二磷代替濃硫酸，并且探究得出此實驗的最佳溫度是85℃左右，這樣有效避免了乙醇的碳化，使反應物盡可能多地轉(zhuǎn)化為生成物。

3.創(chuàng)新實驗裝置改進策略

化學實驗追求的原則之一是操作簡便，簡化實驗操作的有效方法就是對實驗裝置進行改進，我們可以將物質(zhì)的制備裝置、物質(zhì)性質(zhì)的檢驗裝置及尾氣吸收裝置連接在一起，從而避免藥品的浪費和實驗操作的復雜性，如課本在研究SO2的性質(zhì)時，SO2是實驗前制好的，實驗時再將集氣瓶中的SO2通入品紅溶液、酸性KMnO4溶液中，這樣操作過程復雜，因此我們將制取SO2裝置和性質(zhì)檢驗裝置整合在一起。又如在進行FeCl3的水解實驗時，我們往往加熱蒸干其溶液，耗時長，我們將粉筆浸泡在FeCl3溶液中，取出后晾干（提前準備），用酒精燈加熱粉筆，粉筆表面很快變成紅褐色，說明有Fe（OH）3生成，繼續(xù)加熱粉筆表面變黑，這種黑色物質(zhì)是究竟是什么呢？由此激發(fā)了學生探究的熱情，有利于培養(yǎng)學生的科學探究精神。

在對實驗效果無影響的前提下，我們應盡可能使實驗裝置簡約化。如課本的焰色反應實驗，每次實驗前都要將鐵絲或鉑絲用稀鹽酸清洗，并且灼燒至無色，再蘸取試樣進行灼燒觀察現(xiàn)象，如此重復操作麻煩又費時，于是，我們進行改進，在鐵絲下端纏一小棉花團，多個纏在鐵絲上的小棉花團分別蘸取不同待測試液（將各種試樣溶解在酒精和水體積比為7∶1的溶液中），將鐵絲掛在鐵桿上，同時點燃，觀察現(xiàn)象，火焰顏色對比明顯。還有另一種改進方法，就是將各待測液裝入化妝用的小噴瓶中，將待測液噴在酒精燈的火焰上觀察顏色。

4.創(chuàng)新實驗綠色化策略

創(chuàng)新實驗要以綠色環(huán)保為宗旨，即在實驗過程中要盡可能減少有毒、有污染物質(zhì)的排放。豐富多彩的化學實驗現(xiàn)象可以激發(fā)學生的學習興趣，但是，化學實驗同時伴隨著一些不安全因素，這讓學生對實驗產(chǎn)生懼怕心理。我們在對實驗進行創(chuàng)新時，一定要朝著對師生有利的方向發(fā)展。

選用微型實驗儀器進行實驗，可以大大減少實驗藥品的用量并取得良好的實驗效果。如課本中的電解和電鍍實驗通常在燒杯中進行，電解和電鍍廢液的不合理排放會污染環(huán)境，如果我們用微型的六孔井穴板代替燒杯，金屬和電解液的用量會減少至實驗改進前的1/10。又如Cu和稀HNO3的反應，我們往往采用試管作反應容器，用酒精燈直接加熱，但由于NO易被空氣中的氧氣氧化為紅棕色的NO2，所以很難看到無色的NO生成。為了產(chǎn)生明顯的現(xiàn)象且減少NO2的污染，我們將稀硝酸裝在青霉素瓶子里，試管用事先裝有環(huán)狀細銅絲的注射器代替，然后用注射器吸入3 mL熱的稀硝酸，注射器內(nèi)溶液逐漸變藍，同時產(chǎn)生無色氣泡。將銅和稀硝酸的反應裝置微型化，使實驗現(xiàn)象更加明顯，實驗污染更少。

全封閉實驗裝置代替半封閉實驗裝置，可以減少有污染物質(zhì)的排放，給師生營造健康安全的實驗環(huán)境。如課本中將濃硫酸加入盛放乙醇的燒杯中，濃硫酸使乙醇脫水碳化，形成“黑面包”，同時產(chǎn)生大氣污染物SO2，“黑面包——碳”也可能滴落在實驗桌上，污染實驗臺。我們可以改進實驗裝置，將一根鐵絲通過瓶蓋上的小孔伸入容積比較大的玻璃瓶中，進行攪拌，在瓶蓋上放一團用濃NaOH浸泡過的棉花，吸收SO2氣體。改進后的裝置，用廉價易得的鐵絲和玻璃瓶分別代替了玻璃棒和燒杯，節(jié)約了資源，降低了實驗費用。

5.創(chuàng)新實驗內(nèi)容整合策略

為了節(jié)約實驗時間，提高實驗教學效率，我們可以將多個（兩個或兩個以上）實驗整合到一起做。課本中的實驗往往根據(jù)內(nèi)容的不同分開進行，雖然實驗現(xiàn)象明顯，有利于提高學生的注意力，但課堂時間畢竟有限，且將實驗分開進行需要更多的實驗藥品，會對學校造成經(jīng)濟負擔，因此，師生要共同努力對實驗進行創(chuàng)新與整合，充分發(fā)揮學生的創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)，同時提高教師的專業(yè)素質(zhì)。如我們可以將物質(zhì)的制備及其性質(zhì)的檢驗實驗整合到一起，也可以將同種物質(zhì)的不同性質(zhì)實驗或?qū)Ρ任镔|(zhì)不同性質(zhì)的實驗組合在一起來做。由于整合實驗操作比較復雜，現(xiàn)象多，因此學生的注意力一定要高度集中。

將同一物質(zhì)的不同性質(zhì)的實驗整合，尋找最少的實驗時間和實驗藥品的用量等，可以培養(yǎng)學生的綜合素養(yǎng)。如人教版必修1在研究SO2的化學性質(zhì)時，先用濃硫酸和亞硫酸鈉制了多瓶SO2，然后一個個來探究SO2與Na2S溶液，SO2與品紅溶液，SO2與酸性高錳酸鉀的反應，需要大量的藥品和時間。我們對此實驗進行了改進，把可樂瓶的上部分減去，然后將藥丸板放到可樂瓶中，將Na2SO3固體、Na2S溶液、品紅溶液、酸性KMnO4溶液分別放到藥丸板凹槽中，可樂瓶上的口用多層保鮮膜包住，最后用注射器將濃硫酸加入盛有Na2SO3固體的凹槽中，產(chǎn)生的SO2與其他物質(zhì)進行反應，最后用NaOH溶液來吸收尾氣。這樣將SO2的漂白性、氧化性和還原性同時檢驗了，提高了實驗效率。

為了比較物質(zhì)間的不同化學反應，我們往往設計平行實驗，進行平行實驗不利于節(jié)約資源和時間，并且學生很難保證實驗同時進行，這對實驗結(jié)果也有一定的影響，無法達到預期效果。彌補平行實驗的不足可以采用創(chuàng)新整合實驗方案的方法，如人教版必修1研究Na2CO3和NaHCO3受熱分解情況的實驗，采用分別加熱這兩種物質(zhì)，分解產(chǎn)物用澄清石灰水檢驗的方法。對該實驗進行如下改進：將裝有Na2CO3的小試管套入裝有NaHCO3的大試管中，用兩個導管分別將兩試管與盛放澄清石灰水的兩個試管相連接，加熱大試管。實驗改進以后，增加了現(xiàn)象差距的明顯程度，此實驗的結(jié)論是Na2CO3的熱穩(wěn)定性強于NaHCO3。

6.創(chuàng)新實驗運用策略

將學生的生活融入化學創(chuàng)新實驗中，可以使學生對化學產(chǎn)生更加濃厚的學習興趣，產(chǎn)生熱愛生活、創(chuàng)造美好生活的愿望，培養(yǎng)學生的社會責任感。

學校教育的最終目標是學以致用，理論聯(lián)系實際，學會用創(chuàng)新實驗解決生活問題、解釋生活現(xiàn)象等。如學生可以運用NaHCO3和稀鹽酸反應的實驗原理，利用生活日用品（各種飲料瓶）自制滅火器，先在可樂瓶（帶蓋）中加入一定量干燥的小蘇打粉末，然后將裝有食醋的小塑料管固定在可樂瓶中，最后傾斜可樂瓶，讓二者充分反應，這樣學生就體驗到了創(chuàng)新實驗的真正樂趣。有些神奇的生活現(xiàn)象中蘊藏著化學實驗原理，如Fe2+和Fe3+之間的相互轉(zhuǎn)化及Fe3+的特性實驗能夠解釋一些生活現(xiàn)象，比如蘋果咬了一口放置后會“生銹”，我們自己榨的蘋果汁看起來有些發(fā)黃，而我們買的蘋果汁是淺綠色，這里面隱藏著什么樣的秘密呢？這只是蘊藏了簡單的化學創(chuàng)新實驗原理，空氣中的O2很容易將蘋果中的Fe2+氧化為黃色的Fe3+，而市售的蘋果汁配方中含有維生素C，維生素C具有還原性，可以抑制Fe2+被氧化?？傊瑢⒒瘜W創(chuàng)新實驗與學生的實際生活聯(lián)系起來，有利于學生了解生活，懂得生活。

注：本文系甘肅省教育科學2019年度“十三五”規(guī)劃課題《在化學學科核心素養(yǎng)背景下利用現(xiàn)代信息技術(shù)優(yōu)化高中化學實驗教學的策略與研究》（課題編號：GS[2019]GHB0467號）階段性研究成果。

作者簡介：李敏婭，女，一級教師，高中化學教學，甘肅省白銀市，甘肅省白銀市會寧縣第五中學。

編輯 王彥清