新课程中学化学实验系统设计与实践研究

李新义+陆晓萍+高建伟

摘要：中学化学实验教学存在教材设置和教学实际不相匹配的矛盾。通过分析中学化学实验教学现状，比较原人教版（2003年第一版）和现行鲁科版（2007年第三版）两版教材的实验设置情况，将中学化学实验划分为基础性实验、拓展性实验和探究性实验，进行系统设计和实践研究。

关键词：中学化学；实验教学现状；系统设计；实践研究

文章编号：1005–6629（2015）7–0017–06 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

“通过实验学习化学”这是宋心琦先生在2012年《化学教学》主办的上海化学实验教学高级研修班中提出的，讲话体现了实验在化学教学中的核心地位[1]，也体现了实验教学是中学化学教学的最基本特征。如何通过实验学化学呢？下面通过我校省级实验课题的开展来谈一谈蚌埠二中在实验教学中的一些具体做法。

1 新课程中学化学实验系统设计的背景

化学是一门以实验为基础的自然科学；化学实验是化学学科的最基本的特征；化学实验是中学化学的重要教学内容，也是学生掌握化学知识、技能与方法的重要学习方式，有助于学生认知的发展[2]。然而中学化学实验教学的现状则是化学实验的地位和作用并没有得到充分的体现；学生实验素养不仅没有进步反而有所下降。我们认为，教材实验体系本身的某些缺憾或不足是造成实验教学薄弱的重要原因。

1.1 课程结构设计不合理阻碍新课程实验教学的推进

课程标准将实验提升到了前所未有的高度，在高中化学教材中增加了《实验化学》模块。但是，据了解，各省只是建议部分有条件的学校开设这门课程，在实际教学过程中，各中学并没有将《实验化学》列入选修模块。

1.2 学校及教师对实验的重要性在认识和行动上不一致

一方面教师认识到化学实验在新课程中占有很重要的地位。但是在实际的教学中仍多采用“演示实验”、“画实验”甚至要学生来“背实验”。主要原因如下：

（1）课程标准淡化了“学生实验”和“演示实验”的界定，但是缺少强制性，导致一些必要的可以由学生独立完成的实验被取消了，甚至对于不同年级应包含的具体实验要求也没有反映，造成教师在安排实验时无所适从，更让不愿意走进实验室的教师找到理由。例如：原人教版必修一教材第2章第2节“研究物质性质的方法和程序”中“观察金属钠及金属钠与水反应的现象”[3]实验，这个实验是教师演示还是学生分组，教材中没有明示，而是以“观察与思考”栏目设置的，是不是要求教师演示实验呢？对于有条件的学校完全可以进行分组实验，但是，由于教材没有明示，可能会有部分教师为了省事，只是演示实验而已了。再如：鲁科版必修一第三章“氨的性质”[4]实验，同样没有说明是演示实验还是分组实验？而在原人教版教材中“氨的性质”是明确要求为学生实验的。

（2）现行的教材中过于强调学生探究实验，教材实验方案的设计过于突出创新意识和实践能力的培养，却忽视了学生对经典实验的学习；在教学实践中教师普遍认为有的实验方案太开放，实验准备太麻烦，也没有强制要求，从而导致了实验可做可不做。例如鲁科版必修一第三章第一节“碳的多样性”中“碳酸钠和碳酸氢钠的性质”[5]实验，无目的、无步骤、无试剂，完全让学生自由发挥，任意创新，很显然，这种设置必然导致教师按照自己的意愿教实验或不做实验，甚至背实验。

1.3 实验教学资源的不完善影响实验教学的深层次发展

新课程标准对于实验仪器和药品、实验员都提出了更新更高的要求，但目前大部分学校教学资源和人员素质有限，导致了高中化学实验教学的弱化。例如，就化学的学科特点对实验人员的要求应该是很高的，既要有扎实的专业功底，还要具备较强的服务意识，而在中学化学教师的队伍结构中，实验员的专业功底往往是被忽视的。

1.4 学生实验缺乏规范合理的考核与评价标准

新课程化学实验综合评价的实际落实存在弊端。《全日制义务教育化学课程标准（实验稿）》在评价建议中强调：以培养和发展学生科学素养为宗旨的化学课程需要与之相适应的评价体系，这一体系既要评价学生化学实验基本技能的掌握情况，又要重视对学生科学探究能力、情感态度与价值观等方面的评价。但是在现行的教材中并没有专门的对实验技能和实验素养的科学评价。

基于以上分析，我们认为：现行的鲁科版教材中实验教学的设计安排与新课程理念不完全相匹配，尤其高一高二淡化基础实验教学的现状不太利于高中化学新课程推进。研究、实施高中新课程化学实验的系统设计与学生实验的规范性合理性考核、评价已迫在眉睫，势在必行。

2 新课程中学化学实验系统设计思路

2.1 原人教版必修教材（2003年第一版）和现行鲁科版（2007年第三版）（以下内容中简称为原人教版和鲁科版）化学必修教材中的实验比较

通过对原人教版必修教材和现行鲁科版必修教材中的实验进行比较，找到两种版本的异同点，结合新课标进行有效融合，再系统设计。表1是我们对原人教版必修教材中的实验进行分类统计的结果[6]。

通过实验的内容和形式分析，不难发现，原人教版教材实验是以随堂实验、学生实验、选做实验三种形式来设置的。其优点是：（1）实验的主体和分工很明确；（2）基础实验较多，有利于培养学生的基本操作技能和基本实验素养。不足之处是：（1）大部分实验以验证性实验为主，探究性实验设置比较少，仅仅是在选做实验中设计了一些探究性实验，而在实际教学中，选做实验几乎不开展；（2）实验设置缺乏对学生探究能力和创新思维的培养。

如果将原人教版必修教材中随堂实验划分为演示实验，其他为学生实验；将现行的鲁科版必修教材中的“观察与思考”实验划分为演示实验，将“活动与探究”部分划分为学生实验，则统计如表3：

通过以上数据可知，原人教版教材中以演示实验为主，学生实验很少，而现行鲁科版教材中演示实验数量则大幅下降，而学生实验数量则大幅上升，恰为原人教版教材中的3倍。由此可见，新教材更注重学生的实验设计能力和探究能力，新教材的实验编排对学生实验素养的发展起着重要的作用。

我们以鲁科版教材必修一模块中“不同价态硫元素的转化”[7]实验为例予以说明。

案例：不同价态的硫元素之间的转化

你已经初步认识了硫黄和一些含硫化合物，例如二氧化硫和硫酸等。在硫黄、二氧化硫和硫酸这三种物质中，硫元素的化合价分别为——0、+4、+6。请你设计实验，探究这三种价态硫元素间的相互转化，并实施部分实验。

一、实验方案和实验记录

二、归纳整理

1.根据实验，用图示的方法表示不同价态硫元素之间的相互转化关系。

2.通过实验，总结二氧化硫和浓硫酸的化学性质。

3.在实验过程中，你遇到哪些问题？是如何解决的？

4.你还能实现其他含有不同价态硫元素的物质间的相互转化吗？

本实验为探究实验，只提供了方案和记录、归纳整理等环节，把整个探究活动全部交给学生，要求学生自主设计。不可否认，这样的编排利于培养学生自主设计实验的能力，但是学生很难操作，尤其是对于刚进入高一才一周的学生，自主创新的能力还较弱，甚至基本的实验操作技能还不具备，怎么可能自主创新或实验探究呢？那是不是要回到过去呢？当然不是，整合和系统设计才是更好的选择！

2.2 结合新老教材实验内容，将中学化学实验进行分类设计

根据实验的特点和难易程度划分为基础性、拓展性、探究性三种层次，有效的分层次教学，不同层次的实验教学适合不同层次的学校、班级，做到因校施教，因班施教，真正地做到因材施教。

2.3 根据实验特征细分实验并撰写实验报告

在基础性、拓展性、探究性三个层次的分类基础上，再细分为学生实验、演示实验、探究实验、趣味实验以及数字化实验等，然后再按照课标要求，进行系统设计并撰写实验报告，形成符合学生认知结构和新课标要求的一系列实验。

2.4 制定实验评价标准，完善实验评价体系

针对不同层次的实验，制定有不同侧重点的实验评价标准，以完善实验评价体系。不同层次的学校，可以选择适合自己学校水平的实验报告，进行实验教学和实验评价。

3 新课程中学化学实验系统设计和实践探究

3.1 研读教材，根据实验特征对教材中实验进行分类

通过研读教材、组内讨论等方式，对教材中的实验进行分类，划分层次，即明确哪些是基础性实验，哪些是拓展性实验，哪些是探究性实验。以选修四第三章第4节“酸碱中和滴定”内容为例，对于酸碱中和滴定终点的判定实验，可以设计为：

基础性实验：按照教材的要求设计为利用酸碱滴定管来进行强酸和强碱之间的中和滴定实验；

拓展性实验：按照教材的要求设计为利用酸碱滴定管来进行强酸和弱碱之间的中和滴定实验；

探究性实验：利用离子浓度、温度及导电能力的变化来确定终点，即设计利用pH、温度和电导率传感器来确定滴定终点等。

对于基础性设计主要针对一些普通中学，而拓展性实验和探究性实验则适用于重点中学或学有余力且对化学有浓厚兴趣的学生。

3.2 根据实验特征细分实验并撰写实验报告

在第一阶段三个层次的分类基础上，再针对具体实验特征将每个案例细分为学生实验、演示实验、探究实验、趣味实验以及数字化实验等，然后再按照课标要求，进行系统设计并撰写实验报告，形成符合学生认知结构和新课标要求的一系列实验。

例如对于现行的鲁科版教材必修一第1章第2节关于“氯气的性质”的实验我们可以设计为：氯气的物理性质设计为学生实验；氯气的化学性质设计为演示实验；氯水的漂白性实验设计为拓展性实验；氯气与水反应的产物探究设计为探究性实验；而探究次氯酸在光照条件下分解产物又可以利用氧气传感器来测定，即可以设计为数字化实验。

又如对于选修四第三章第4节“酸碱中和滴定”内容，我们进行如下的细分：利用酸碱滴定管来进行强酸和强碱之间的中和滴定实验设计为学生分组实验；利用温度和电导率传感器来确定滴定终点设计为数字化实验。下面是我们撰写的利用电导率传感器确定酸碱中和滴定终点的实验报告。

案例：用电导率传感器确定酸碱中和滴定的终点

一、实验原理

电导滴定法是通过测定溶液的电导率，求出反应终点的方法。当电极的大小和电极间距离一定时，电解质的电导率决定于溶液中离子的浓度和种类。如果溶液中离子浓度和种类发生变化，则溶液的电导率也随之发生变化。

当溶液中发生酸碱中和反应时，由于生成了弱电解质水和溶液中离子种类发生了变化，溶液中电导率将会发生变化，利用滴定过程中电导率变化曲线上的转折点可以确定反应的终点。

二、实验仪器与试剂

计算机、威尼尔全功能数据采集器、威尼尔电导率传感器（型号CON-BTA）、烧杯、威尼尔滴数传感器（型号VDC-BTA）、1.0 mol/L氢氧化钠溶液和未知浓度的盐酸

三、实验步骤

1.用25mL移液管量取25mL未知浓度HC1溶液注入150mL的烧杯中，并放入磁力搅拌子，用烧杯取1.0 mol/L NaOH溶液约50mL溶液于滴数传感器的滴定管中，固定于铁架台上。

2.连接电源，打开电脑软件，用蒸馏水将电导率传感器清洗干净后插入烧杯中。

3.开启磁力搅拌器，缓慢搅拌。滴加已知浓度的氢氧化钠溶液，点击采集按钮，采集随氢氧化钠溶液体积的变化过程中的电导率的变化。

四、实验结果及讨论

当NaOH溶液滴入盐酸时，电导率的变化说明了什么？如何确定酸碱中和滴定终点？

五、反思与启示

除了利用电导率传感器确定酸碱中和滴定终点之外，还可以采用什么方式确定滴定终点？

3.3 以教材为载体，深化开展拓展性实验

改进以中学实验为基础的拓展性实验，通过实验中神奇的实验现象，来展示化学学科的魅力，以达到激发学生学习化学的兴趣，提高他们将来投身于化学学科学习的热情。例如，以过氧化钠的性质为背景设计的“滴水生火实验”、“吹气生火实验”；以氧化还原反应为背景的“魔棒点灯实验”，让学生感受到燃烧的引发可以有很多方法，同时也能让学生体会到水不是灭火的唯一物质，不了解引起火灾的物质有可能会造成更大的灾情。下面是对鲁科版选修4第三章第一节“弱电解质盐类的水解”[8]中对盐类的水解实验进行的拓展设计。

案例：碳酸盐与硫酸铝反应泡沫灭火器

一、实验目的

1.探究碳酸盐与硫酸铝的双水解反应原理

2.模拟灭火器灭火原理

二、实验原理

三、实验仪器及药品

具支试管、小试管、单孔塞

饱和的碳酸氢钠溶液、1 moL/L的硫酸铝溶液、洗洁精

四、实验操作

1.先在具支试管中装好饱和的碳酸氢钠和洗洁精的混合液，约占试管容积的二分之一；

2.把盛有1 moL/L的硫酸铝溶液的小试管系住，小心地放进具支试管里（为防止小试管管口倒转时堵塞，可加入一支比小试管略长的玻璃管），用胶塞塞紧（如图1）。此装置犹如备用的泡沫灭火器；

3.把具支试管倒转，使两种溶液混和，即可产生大量的泡沫，并从具支试管中的支管喷出，射程可达1～2米（如图2）。

五、改进后的实验优点

1.试剂用量少，适应微型化要求，甚至能改为学生实验；

2.本实验装置的外形和结构更似实用泡沫灭火器；

3.现象明显，尤其不会因二氧化碳的气压不足而影响实验结果，成功率几达100%。

3.4 以数字化实验为抓手，推动探究性实验的深入开展

数字化实验技术最早由华南师范大学钱扬义教授所带领的团队引入我国开展研究的，其核心是传感器技术的应用[9]。通过传感器技术在中学化学传统实验中的应用，有效地把中学传统的实验与现代信息技术整合起来，这样做不仅能增强学生的化学学习兴趣，还有助于提高学生的科学素养。同时，通过现代信息技术的使用使我们科学实验探究的手段和方法得以拓展，这对中学化学的实验教学研究很有益处[10]。我校进行数字化实验实践的两种思路：一是就某一个实验，利用不同的传感器技术进行实践和探究，例如关于酸碱中和滴定的终点判定，我们可以用pH传感器、温度传感器、电导率传感器等方法，然后进行讨论、评价。二是利用一种传感器对不同的中学化学实验案例进行实践和探究，例如我们先对中学化学中能够利用到温度传感器进行的实验进行筛选，选出可行的实验做成案例，然后汇集成册。其中课题组成员撰写的实验案例“手持技术在酸碱滴定中的应用研究”和“碳酸钠水解的pH和温度变化的关系”分别发表在2013年《化学教学》第6期和第12期，另外有4个案例获得第三届“威尼尔杯”数字化实验创新大赛全国一等奖，6个案例获得二等奖。

4 存在的主要问题及解决办法

4.1 缺乏创新性实验

我们的主要工作侧重于对基础性实验，即对选修和必修模块基础性实验的整合，对教师演示实验、学生分组实验、探究实验及数字化实验做出了较为详细的梳理。但是，对于创新性实验的设计，有些实验从操作程序上来说较为复杂，还没有找到更简单易行，现象明显的实验方法。以后的工作中，我们要在探索中学习，加强对实验的创新性设计。

4.2 趣味性实验开展还没有常态化

趣味性实验将教学内容和实际问题有机结合。激发学习者积极的情感体验，能有效提高学习质量。爱因斯坦说过“兴趣是最好的老师”。对于正处于学习厌倦期的青少年来说，学习兴趣对他们知识的掌握、能力的发展乃至形成都具有巨大的影响。目前，我们只对于《化学与生活》模块中的趣味性实验有所涉及，实验设计内容大多较为“古板”，趣味性不足。因此，应在实现实验目的的基础上增强实验的可观赏性、有趣性。

参考文献：

[1]宋心琦.再谈中学化学实验教学改革——在《化学教学》“中学化学实验教学高级研修班”上的讲话[J].化学教学，2013，（3）：3～7.

[2]肖常磊，钱扬义.中学化学实验教学论[M]北京：化学工业出版社，2008：6.

[3][4][5][7]王磊主编.普通高中课程标准实验教科书·化学1（必修）[M]济南：山东科技出版社，2007：9～10，76～71，64～65，88.

[6]人民教育出版社化学室编.全日制普通高中课程标准实验教科书·化学第一册[M].北京：人民教育出版社，2003.

[8]王明召，高盘良，王磊主编.普通高中课程标准实验教科书·化学反应原理[M].济南：山东科技出版社，2007：87.

[9]白涛等编著.化学：为什么是这样[M]北京：化学工业出版社，2011：2.

[10]李新义，高建伟.手持技术在酸碱滴定的应用研究[J].化学教学，2013，（6）：45～46.