高中化学开放性实验课题设计研究实例

周轶晔

摘 要：实验是化学学科发展的基础。在高中化学教学中，常规实验有助于学生把知识理论应用于操作实践，从而深化对知识的理解。与此同时，教师也应在可能的条件下给学生营造一个研究性的学习氛围，引导和培养学生的实验探究精神和研究能力。

关键词：实验设计；自变量；因变量；控制变量

笔者在日常教学中，通过学习和研究国内外的化学教学实验大纲和评价标准，尝试在日常化学教学中引导和启发学生设计简单的实验来研究一对变量的关系，并把实验设计付诸动手实验。本文就实验设计的理念、要求、评价标准做了介绍，并以某个开放性实验课题为实例展示了高中生学习和实践化学实验设计的过程和结果，以及在整个过程中所表现出来的活跃开放的思维和严谨求实的态度。

一、化学实验设计要求

笔者参考了国际文凭课程体系（International Baccalaureate）中化学课程的实验大纲和考核要求，就有关化学实验设计进行了教学尝试和课外拓展。对学生实验设计的要求和评价主要有以下三个方面：

1.实验设计是否明确了研究对象和实验变量。学生要具体说明实验方案中的自变量和对应的因变量，并能对因变量进行定量測量。设计方案中还需陈述任何可能干扰因变量结果的其他可控变量。

2.实验设计是否能有效控制变量。学生要说明如何调整和控制自变量的具体方法，以及如何控制其他可控变量的具体方法，使可控变量不影响到因变量的测量。

3.实验设计是否能收集到足够且可信的实验数据。在设计方案中足够的实验操作次数能避免实验结果的偶然性，以及足够的数据和合理的数据分布能使结果呈现一个较准确的趋势图。

二、教学实验设计实例

1.实验设计课题和具体要求

笔者首先对学生进行了有关化学实验设计的教学和指导，明确了实验设计的要求和评价标准，并给学生布置了一个开放性的课题——“研究液体的某种物理性质”。学生自行选择某种安全的常见液体，研究某个因素的变化对该液体的某种物理性质造成的变化。具体要求如下：

（1）提出明确的实验目的，包含自变量、可定量测量的因变量，以及可能影响到因变量结果的可控变量。

（2）提出控制和调整自变量的方法，并陈述如何控制其他可控变量来排除其对实验结果的影响。

（3）列出具体的实验试剂、设备和仪器。

（4）列出相关的实验安全提醒。

（5）列出清晰的实验步骤，按照该实验步骤能收集到足够可靠的数据。

（6）设计记录实验数据的表格。

2.实验设计过程

学生的实验设计初稿在限定的一周时间内完成。笔者收集到五花八门的实验设计方案，有些方案非常简单新颖。例如：“温度对糖浆粘度的影响”“乙醇水溶液的不同浓度对其表面张力的影响”“不同氯化钠水溶液浓度对水的凝固点的影响”等等。然而初高中普遍存在的问题有以下几点：

（1）对自变量的设定和调整不合理。

（2）对因变量欠缺定量测量。

（3）实验方案中涉及的可控变量不全面，或者对可控变量的控制方法不恰当。

（4）所选实验仪器的量程、精度不合适。

笔者对学生的初稿做了第一遍批改，并进行了一对一的交流和探讨，指出问题并启发学生对自己的方案进行进一步的思考和修改。之后学生根据自己的修改方案动手实验操作和测量。在实践过程中学生会进一步发现实验设计中的问题以及在设计细节上的缺陷，并在实验进程中记录需要改进的地方。例如：发现新的可能影响结果的可控变量；增减或替换实验试剂和设备；完善实验步骤……甚至推翻整个实验方案，进行重新设计。最终的实验设计方案更严谨翔实，更具可操作性。

三、教学体会和总结

“研究液体的某种物理性质”，是一个简单却又宽泛的命题，学生可以基于现有的科学知识充分展开自己的思维设计如何研究一对有关液体物理性质的变量。在现实的科学研究中，定量测量和数据分析是任何研究结论的事实依据。因此，对实验设计很重要的一点要求就是对所研究的因变量进行定量测量。而为了保证实验中因变量的结果变化仅仅是由自变量的变化引起的，学生必须思考和发现任何会对因变量结果造成干扰的其他可控变量，并就如何控制其他可控变量提出方法和建议。

此次实验方案设计的教学实践旨在引导和启发学生的科学实验思维，实践科学研究方法，培养严谨诚实的实验态度。整个过程经过教师指导，学生设计，教师点评，学生修改，学生实验，学生反思再修改一系列递进的阶段，学生对实验设计有了一定的掌握和领悟，笔者也收获了好多份新颖的设计方案，有感于学生活跃开放的思维。

学生通过实验设计尝试，初步掌握了科学研究的思维和方法。即在科学实验中，必须有明确的研究目的，能合理调控自变量，定量测量因变量，控制其他可控变量，为将来进一步提高科学实验能力打下一定的基础。

编辑 谢尾合