高中化学实验创新的实践与思考

霍本斌

摘 要 通过对在《化学教学》《化学教育》《中学化学教学参考》等学术期刊、各级化学优质课大赛和实验创新大赛等呈现的实验创新成果的观察和分析，提出了生活化、生态化、生动化、微量化和定量化等“五化”实验创新视角，以及优化实验方式、优化实验装置、优化实验条件、调整实验试剂、增补教材实验等实验创新策略。

关键词 化学实验 实验创新 优化实验

教师不仅是知识的传播者、崇尚者、使用者，更是知识的创造者、质疑者、完善者。化学教师承担着培养学生化学学科核心素养的重任，而创新实验教学是培养学生核心素养的重要载体。我国一线教师和研究人员为此作了大量工作，并取得了丰硕的研究成果。这些成果主要外显于《化学教学》《化学教育》《中学化学教学参考》等重要期刊、历届全国高中化学优质课展示活动、各级部门组织的仪器创新大赛等。通过对这些外显成果的分类、整理、归纳，我们可以从中得出高中化学实验创新的研究策略。

一、高中化学实验创新的类型

1.生活化

实验教学生活化是指充分借助各种生活资源或自然资源、社区资源来改进化学实验，使实验现象更加明显、直观。目前用于改进实验装置的生活用品主要包括注射器、输液袋/管、笔杆、塑料瓶/盒、丢弃的太空杯、亚力克板、音乐贺卡、橡皮泥、气球、节能灯管、小风扇、计数器等。如华南师大韦新平、钱扬义教授利用带针头的针筒、塑料滴管、试管、药片板、青霉素瓶改进乙炔的制备与性质实验；应用榛子果检验铁元素、醛醛和制作PH试纸；运用饮料瓶完成爆鸣实验、酸性氧化物性质的验证和制作净水器等。生活化的实验创新不但可以节约实验成本、提高实验效率，还能激发学生学习化学的兴趣、培养学生“变废为宝”的学科思想和环保意识。

2.生态化

实验创新的生态化是指在实验创新过程中运用生活化素材优化实验，实现化学实验的无害化、绿色化。目前生态化的实验创新主要有以下几种形式：第一，将有毒气体的制备实验或易被空气氧化的实验由敞开体系改为封闭体系。如利用生活中的输液袋和注射器进行铜和稀浓硝酸反应的对比实验[1]、氢氧化亚铁制备实验的改进等。第二，对有毒气体的制备和性质进行一体化设计，优化实验环节，体现绿色化学理念。如对NOX、Cl2和SO2的制备和性质进行一体化设计[2]，自制环保型防泄漏实验装置验证CO2、SO2、Cl2的性质和进行铜与浓硫酸（或浓硝酸）、H2S与SO2的反应等[3]。第三，对教材中的部分实验进行微量化设计，使现象更加明显。如对石蜡的裂化实验、溴乙烷消去反应、煤的干馏、SO2和Cl2的系列化实验进行的微量化设计[4]。无论采用何种形式，其根本宗旨都是为了实现“绿色化学”，避免环境污染，保护人体健康。

3.生动化

实验创新的生动化是指将传统实验通过趣味实验、魔术化学、游戏化学的方式进行呈现，让学生在实验情境中感受到化学美，并从中感受到乐趣，形成知识的意义建构。无机化合物和有机物的性质实验教学可以采取这种方式进行创新（如表1 所示）。

从表1中可以看出，以趣味实验、魔术化学等为载体的实验创新，是以学生的已有生活经验为背景展开的，以其独特的现象、新颖的实验方法而受到学生的青睐。生动化的实验创新，能够促进学生人文精神和化学素养的发展。

4.微量化

微量化实验能够克服微型实验演示的弊端，它运用微小量的试剂在较常规的仪器中进行化学实验，依然能够得到明显的实验现象。微量化实验不但可以弥补微型实验的不足，而且还具有省时、经济、现象直观生动、易于操作的特点，从而受到一线教师的欢迎。

微量化实验的出现，拓展了中学化学实验创新的新渠道，随着研究的不断深入，已逐渐得到人们的重视和应用。

5.定量化

对高中化学实验进行定量化设计创新，是近年来兴起的一种研究潮流。目前有三种方式：第一，为了获取实验最佳条件而进行正交实验设计。如利用正交实验法研究“黑面包实验”、铁与水蒸汽反应的最佳条件。第二，借助传感器和信息技术对那些抽象难懂的科学理论实验，或需要捕捉实验细节，或需要进行定量研究的科学实验等，进行数字化实验探究。如利用微电流传感器探究原电池产生持续稳定电流的原因、利用色度計测定抗贫血药物中铁的含量、亚硝酸钠的含量等。第三，利用控制变量思想研究外界条件对化学反应速度、化学平衡的影响等。如过氧化氢提取海带中碘的实验条件优化等。

二、高中化学实验创新的途径

1.优化实验方式

化学实验方法是根据化学实验目的，通过运用实验仪器、设备、装置等物质手段，在特定实验条件下，改变化学实验对象的状态或性质，通过实验观察获得各种化学科学事实，以探究化学问题的一种科学研究方法[5]。为了适应新课改，已从传统单一的、照单抓药式的实验教学向微型化、系统化、探究式转变，使实验教学更能体现教与学的关系，让学生在实验方式的变革中培养化学素养。目前，以绿色化、生活化、可探性为特征的实验方式主要有：第一，将敞开体系实验改为封闭式实验。如用注射器作容器制备Fe（OH）2、NO2、Cl2等。第二，充分运用控制单一变量思想将教材实验设计成对照性实验。如利用控制变量思想研究乙酸乙酯制备中浓硫酸和饱和碳酸钠溶液的作用或利用不同催化剂研究乙酸乙酯制备的最佳条件等。第三，借助手持技术、传感器、数据采集器等对某些传统实验进行数字化实验设计，以弥补其不足。如利用微电流传感器研究单池单液原电池、双池单液电池、双池双液电池，让学生明确单池单液原电池电流不持续、不稳定，认识双池单液电池、双池双液电池的区别、金桥电池和盐桥电池的区别。近年来，借助于手持技术、各种传感器、数据采集器对化学实验进行数字化探究的成果常见于《化学教学》、《化学教育》、《化学教与学》等专业期刊。这些成果都增强了实验的说服力、拓展了学生视野、提升了学生能力。

2.优化实验装置

对实验装置进行优化、创新是为了更好地体现教与学的关系，使实验现象更加明显，实验结果更易于学生接受。优化实验装置是在不影响实验效果的前提下，对那些现象不明显、可视化差、对比难以形成、现象难以持续、易造成污染的实验进行的创新。对于实验装置的创新方式主要有：第一，利用中学常见仪器对原实验进行优化重组。第二，利用身边的素材、自主设计节约型或环保型的实验装置来替代教材实验装置。如开发多功能燃烧瓶用于铁丝、硫的燃烧和白磷的水下燃烧[6]等；制备封闭U型管完成温度对粒子运动速率的对比、CO2与NaOH溶液反应和CO2溶于水的对比实验[7]等。第三，以某一物质为载体，将其制备与性质实验进行系列化设计，达到优化实验环节的目的。如对SO2、氯气、NOX、CO2等气体的制备性质的一体化设计。

3.优化实验条件

实验条件是指同特定对象相联系，并对状态、性质和变化发生影响的诸因素的总和，是物质发生变化的外在因素。对实验条件进行优化，就是要通过改变条件，运用各种不同的实验比较法来获取最佳条件。从中学实验来看，实验条件优化的主要途径有：第一，将某些实验由敞开体系变为封闭体系。该法主要用于有毒气体的制备和性质实验、部分防氧化实验或用于能够与空气中的成份发生反应的实验等。如制备Fe（OH）2时，为了能较长时间观察到白色沉淀，需要在隔绝空气条件下进行。第二，对某些实验的引发方式进行改进。如测量空气中氧气的含量时将酒精灯加热改为电加热棒密闭环境引燃等。第三，通过控制反应过程的外部条件来优化实验条件（如表3所示）。其中，第三种情况比较普遍。

4.调整实验试剂

对于那些操作困难、易受干扰、有副反应的化学反应，可以通过调整试剂，即寻找新的试剂来替换原有试剂，使现象更加明显，实验结果或结论更具可靠性和说服力（如表4所示）。

5.增补教材实验

为了增强教学的直观性、加强学生对某些抽象原理、概念的理解，有时需要适当增加教材之外的实验来弥补教材本身的不足。如在进行人教版选修4“弱电解质的电离”一节教学时，為了让学生在真实的情境中认识弱电解质电离平衡，可增加电离平衡动态演示器演示醋酸的电离和使用PH传感器测定0.01 mol/LNaOH溶液分别滴定20 mL0.100 mol/L HCl、20 mol0.100 mol/L CH3COOH的PH值变化来帮助学生理解电离平衡的概念；在进行人教版必修1中NO2教学时可增加使用气压传感器定量研究NO2溶于水的实验，让学生从定量的角度认识NO2与H2O的反应等。从目前的研究来看，对教材实验的增补主要以数字化实验为主，如使用温度传感器测定自然界的水温、酒精灯火焰温度；用电导率传感器测定电解质的电导率、研究离子反应的本质、稀NaOH和NH4HCO3溶液反应的顺序等；用PH传感器绘制酸碱滴定曲线等。这些增加的实验都不同程度地提高了实验教学的质量，培养了学生的信息素养。

三、对高中化学实验创新的思考

1.用科学方法进行实验创新

在对实验进行创新之前，应采用科学的方法对其作系统研究，千万不可盲目改进。如人教版必修1第三章中“铁与水反应”的实验按教材所给装置，只需对实验条件改进即可成功：脱脂棉用水打湿后挤干，塞入试管底（塞紧），厚度达到1～2cm；还原铁粉用量1g，铁粉中心至棉花外沿1～2cm；然后用酒精灯加热铁粉中心2～3min实验。而有的教师将酒精灯改为酒精排灯、酒精喷灯，将试管改为硬质玻管、玻璃弯管等做法是欠妥当的。

2.慎用微型化实验设计

微型化实验在分组实验、第二课堂教学中有其独特的功能和价值，因而受到一些研究者的重视和青睐。但由于微型实验现象只能近距离观察，如果用于课堂演示，必须借助实物展台才能达到效果，在实验条件相对较差的地区或学校可能就不适用。为了克服微型化实验自身存在的某些缺陷，建议少做微型化实验创新，多作微量化实验研究。

3.实验装置的改进应走向简约化

有的老师追求标新立异，对实验装置进行了盲目改进，使其操作过于复杂。如人教版必修2中氯气与钠的反应实验本身就设计安全、环保，易于操作，无需再作改进就能确保实验成功。如果采用图1所示装置进行改进，其创意令人可敬，但其使实验变得复杂、操作难度加大，不可取。人教版必修1实验4-9铜与浓硫酸的反应实验只需在其盛有的品红溶液的试管口放一团浸过NaOH溶液的棉花就可解决实验环保的问题，无须采用图2所示的创新设计来增加实验难度和成本。

4.慎用数字化实验创新实验内容

对实验的创新主要源于教与学的需要，经济快速、操作简便、现象明显、成功率高是实验创新的目的所在。对于教材中的实验，有无必要进行数字化实验设计，应根据其在教材中所处的地位和现有实验效果来确定。如果滥用数字化实验来改进教材实验，就可能造成实验成本升高、装置复杂、教学效果提升有限等方面的问题。如将NO2溶于水的实验设计成图3所示的数字化探究实验势必会增加实验成本、使实验装置变得更复杂。

参考文献

[1] 张正飞.例析注射器在中学化学实验改进中的妙用[J].化学教与学，2013（9）.

[2] 包朝龙.宁波市高中化学实验创新实验作品荟萃[J].化学教学，2014（11）.

[3] 谭文生.环保型气体防泄漏实验装置[J].化学教学，2013（10）.

[4] 李光珍.五个高中化学实验的微量化改进[J].化学教学，2014（5）.

[5] 赵向军.论高中新课程中的化学实验教学创新[J].化学教育，2011（2）.

[6] 李静媛.多功能燃烧瓶的创新设计及应用[J].化学教学，2016（4）.

[7] 谢丹敏，汤中华.封闭U型管在对比实验中的应用[J].化学教学，2016（4）.

【责任编辑 郭振玲】