化学实验设计策略在高中化学创新实验研究中的应用案例

石春婷，李紫薇

（伊犁师范学院 化学与环境科学学院，新疆 伊宁 835000）

化学上的一般事实性规律如果只通过讲解灌输给学生，不利于学生创新思维的发展。若是运用化学实验独特的现象呈现给学生，不仅可以帮助学生理解，还可以帮助学生加深记忆。怎样将事实性规律设计成适宜的实验，这对师生来说就是一个复杂的问题。运用实验设计策略去设计化学实验，可以取得良好的实验效果。化学实验设计的策略是指进行实验设计时所采用的方式和方法[1]。虽然化学实验设计策略具有一般性和普遍性，对于各种不同类型的实验都适用，但是在实际进行实验设计的过程中，需要我们针对不同的类型的实验，通过对化学实验案例进行分析，将化学实验设计策略转化为适用于特定实验的具体方案。在实验设计的过程可以运用一个策略，也可以多种策略结合使用。

本研究采用突出主要问题策略、实验目标反推策略、希望点列举策略和实验目标分析策略设计了高中化学创新实验“钠与水的反应”和“铜与浓稀硝酸反应”的2个案例。

（1）突出主要问题策略：将实验简单化，突出实验中不能解决的若干问题，联系生活实际进行发散性思考，最终将复杂问题解决。

（2）目标分析策略：从已知推向未知，划分出一个一个小步骤，逐步去完成，最终去设计好实验。

（3）希望点列举策略：通过对实验进行研究和分析，列出希望点，使问题本来的目的聚集成焦点，再制定具体的解决方案。

（4）目标反推策略：分析实验的目的和已有条件，根据实验目的去反推到最初的条件，然后再正向分析已有条件，逐步解决实验设计中出现的问题。

1 中学化学实验创新设计案例分析

1.1 钠与水反应的实验创新设计

1.1.1 问题的提出

钠与水的反应是化学必修一第三章第一节的内容，在整个教材中占有重要的地位[2]。选择钠作为代表性活泼金属与水反应，说明了钠的性质这一知识点的重要性。在教学过程中，既强调钠的化学性质也要注重钠的物理性质的学习。钠与水反应的实验具有一定的危险性，新课标将其设计为演示实验。为了激发学生的学习兴趣，加深学生对理论知识的理解，本研究在实验安全性上实行了改进，让每个学生都参与到课堂教学之中。另外，教材中钠与水反应的实验不够完善，不能对反应产物进行验证，比如如何验证NaOH、H2的生成。

1.1.2 实验创新的思路

金属钠的取用和用量不易控制，本研究采用突出主要问题策略进行发散性思考，将钠固定在大头针上，放置于学生不能拿到的位置。采用实验目标反推策略对生成的氢气进行验证。验证氢气最方便的方法就是点燃，故需要一个带尖嘴的玻璃仪器。采用希望点列举的策略将钠与水的反应设计成密闭体系。将固定好的钠放入锥形瓶中，但不能与锥形瓶中的水接触，钠应离水面有一定的距离。怎样使钠与水接触而发生反应呢？实验选用长颈漏斗作为加水的仪器，并将其固定在大头针旁。

1.1.3 实验创新的过程

1.1.3.1 实验原理

2Na+2H2O＝2NaOH+H2；酚酞遇碱变红。

1.1.3.2 实验试剂与仪器

试剂：金属钠、水、酚酞、火柴。仪器：锥形瓶、大头针、带尖嘴活塞、小烧杯、橡胶塞、长颈漏斗。

1.1.3.3 实验装置图

实验装置如图1所示。

1.1.3.4 实验步骤

①准备一个50 mL的带橡胶塞的锥形瓶，先把一个大头针插入橡胶塞中，再将橡胶塞塞入锥形瓶中。在大头针底部与锥形瓶处于同一平面的锥形瓶外部做标记，做好标记后将橡胶塞取出，在锥形瓶中加水至所做标记的位置。如图1所示，将长颈漏斗嵌入橡胶塞中。②在煤油中取出钠，用小刀将其切成正方形，边长约0.5 cm。将钠插入到大头针后，将橡胶塞插入到锥形瓶中待用。③在小烧杯中装适量的水，倒入长颈漏斗，打开如图1止水夹，加水至水面恰与钠接触停止加水，然后关闭活塞。④先点燃火柴并靠近尖嘴处，打开止水夹观察现象。

图1 钠与水反应

1.1.3.5 注意事项

①锥形瓶中加水不能过多，否则会与水反应。②倒水进入锥形瓶时注意打开止水夹，保证气压相等。③生成的H2量少，检验时一定要先点燃后放气。④不能使用普通针，在插入橡胶塞时容易弯曲且不易插入。

1.1.3.6 实验的优点

对产生的H2进行了验证，弥补了课本实验的不足。同时增强了实验的安全性。改演示实验为学生分组实验，增强了学生的动手能力，培养了学生实事求是的态度。

1.2 铜与浓、稀硝酸反应的实验创新设计

1.2.1 问题的提出

铜与浓、稀硝酸反应涉及的有关知识需要实验事实的支撑。例如，铜的性质不活泼，一般不与酸发生反应，但硝酸具有强氧化性，可以将Cu氧化成Cu(NO3)2，同时硝酸被还原。HNO3浓度不同所具有的氧化性也不同，浓、稀HNO3分别与Cu反应后会被还原成什么物质？在现行的人教版教材中，由于NO2有毒气体的生成而选择忽视实验[2]。为了加深学生对理论知识的理解，培养学生动手、动脑和观察的能力，有必要从实验的视角了解浓、稀HNO3的性质。从实验设计的角度来看，实验的连贯性较为重要，因此，本实验设计更注重实验的连贯性。Cu与浓HNO3反应剧烈，现象明显，考虑反应生成物NO2与H2O会进一步发生反应生成HNO3，而生成的稀HNO3可作为反应物与Cu发生反应，从而设计出连续的一体化的实验。实验过程产生的有毒气体不利于师生的身心健康。教师可以根据反应的原理、实验目标以及前后知识的联系引导学生去思考，并参与到实验的设计中，完善实验方案。在这个设计的过程中，学生的思维能力得到了锻炼，有助于学生朝着创新型人才的方向发展。

1.2.2 实验创新的思路

实验装置的一体化设计，在教材中Cu与浓、稀HNO3反应是分开进行的。浓、稀HNO3氧化性质不同。Cu与浓硝酸反应生成的二氧化氮可以和水反应生成稀HNO3，实验前仅制作浓HNO3即可，这样还可以节约药品。

实验设计分3个步骤进行：①实验过程中所需要稀硝酸的制备。采用实验目标反推策略，稀硝酸由水与NO2反应生成，故另一装置事先应装好水，反应过程将生成的NO2通入即可生成稀硝酸。②采用实验目标分析策略对现象进行逐一分析。将Cu片放入具支试管中反应生成NO2，具支试管内溶液变蓝，U型管内有气泡生成，溶液蓝色变浅。③验证NO生成。运用实验目标反推策略验证NO的生成，在U型管的左侧，用洗耳球鼓入空气，NO与O2反应生成NO2，U型管内气体变红。

1.2.3 实验创新的过程

1.2.3.1 反应原理

1.2.3.2 实验试剂和仪器

试剂：铜片、浓HNO325 mL、蒸馏水100 mL。仪器：U型管、具支试管、橡胶塞若干、洗耳球、蝴蝶架两个、橡胶管若干、玻璃导管若干。

1.2.3.3 实验装置

实验装置如图2所示。

图2 铜与浓、稀HNO3反应

1.2.3.4 实验步骤

①如图2用橡皮塞塞紧具支试管，向U型管中加水至高于弯管处1 cm，用带玻璃导管的塞子塞上右侧U型管口，从左往右依次用橡胶管将整个装置连接起来。②实验前检查装置气密性，用手微热或酒精灯微热，若发现U型管左右液面一高一低即气密性良好，否则重新搭建装置。③将铜片分别放置于U型管和具支试管内，观察现象。④反应开始后待U型管内有气泡生成，溶液变蓝，用洗耳球向U型管左端鼓入空气，观察现象。

1.2.3.5 注意事项

①若要保证生成的稀硝酸可以和铜反应，就要保证生成的二氧化氮的量足够。②在实验的过程中注意安全，塞紧瓶塞，防止压强过大瓶塞被冲出，从而导致二氧化氮泄露污染空气。

1.2.3.6 实验的优点

①整个装置处于一个密闭的体系，没有污染。②实验的过程不用制取稀硝酸。③具支试管中有红棕色气体和蓝色沉淀生成，现象明显。④实验将含氮物质的转化综合利用起来，提升学生综合分析能力。

2 结语

化学实验设计策略是对大量的实验设计方案进行分析总结得出的结论，这个结论可以指导我们如何去进行实验设计。教师在一定的方针、策略指导下，才能更加明确实验创新的方向。例如在本研究中，钠与水反应创新设计运用了突出主要问题策略、实验目标反推策略和希望点列举策略；铜与浓稀硝酸反应的创新设计活用了实验目标反推策略和实验目标分析策略。教师在进行实验设计时，可以从不同的角度分析问题，从而对书本上不完善的实验进行改进完善，也可以将理论性强的知识设计成趣味性化学实验，更好地去帮助学生理解化学理论性知识，激发学生学习兴趣。对化学实验设计的策略进行研究是站在一定的高度对化学实验设计方法的一个规律性的总结设计，具有一定的意义。