化学教学中创新实验设计的原则

苏一飞

摘 要：为了培养学生的“科学探究与创新意识”素养，教师在化学教学中，要特别重视引导学生进行创新实验设计：对教材提供的或常见的实验进行改进和创新，使其材料更环保、操作更简单、现象更明显、结论更有说服力。化学创新实验设计对思维的灵活性、深刻性、批判性、求异性、系统性、联系性等都有较高的要求，需要一些念头、思路、条件、素材来推动。化学创新实验设计的原则有：直观化、绿色化、趣味化、数字化。

关键词：创新实验设计 直观化 绿色化 趣味化 数字化

《普通高中化学课程标准（2017年版）》提出了化学学科核心素养，其中包括“科学探究与创新意识”，要求学生“认识科学探究是进行科学解释和发现、创造和应用的科学实践活动；能发现和提出有探究价值的问题；能从问题和假设出发，依据探究目的，设计探究方案，运用化学实验、调查等方法进行实验探究；勤于实践，善于合作，敢于质疑，勇于创新”。

为此，教师在化学教学中，要特别重视引导学生进行创新实验设计：对教材提供的或常见的实验进行改进和创新，使其材料更环保、操作更简单、现象更明显、结论更有说服力。

但是，化学创新实验设计是基于化学基本知识和实验技能的综合运用（解决新问题、探索新知识），对思维的灵活性、深刻性、批判性、求异性、系统性、联系性等都有较高的要求。为此，化学创新实验设计需要一些念头、思路、条件、素材来推动。据此，笔者在实践中总结出化学创新实验设计的四条原则（念头、思路）。

一、直观化原则

创新实验设计应该是在原有实验方案基础上的继承与发展，是扬弃而非否定；具体表现为实验现象更为简洁、明晰、直观、凸显等。

例如，教材中钠和水反应的实验是在烧杯中进行的，这个实验通常要求钠块为绿豆大小：不宜过大，否则容易爆炸；不宜过小，否则难以观察现象。但是，在实际操作过程中，钠的用量很难精确控制。那么，是否能把这个实验进行改进，做到既不危险又能轻松地观察到实验现象呢？教学时，教师可通过引导学生查资料，进行实验改进和创新设计，得到如图1所示的实验装置。而常规验证生成气体的实验是氢气的爆鸣实验：在金属尖嘴处再连接一个导管，用排水法收集一试管气体，再靠近点燃的酒精灯的火焰，若出现轻微的爆鸣声，则证明是氢气。可以进一步引导学生改进气体验证实验的可行性与趣味性：在金属尖嘴处再连接一个金属尖嘴，将其通入装有肥皂水的表面皿中，就会产生气泡；再用火柴去点燃肥皂泡，出现爆鸣声，从而证明是氢气。

再如，在设计Na2O2与H2O反应点燃脱脂棉的实验方案时，为了验证脱脂棉燃烧的助燃气体为反应生成的O2，将包裹有Na2O2的脱脂棉球用塑料皮纸包裹密封后浸入CCl4中，在隔绝空气的条件下让Na2O2与H2O反应，点燃脱脂棉。但是，在设计后续步骤时，遇到两个问题：（1）包裹好的棉球漂浮在CCl4上方，CCl4无法起到隔绝空气的作用；（2）如何让水透过塑料皮纸与棉球内的Na2O2接触？经过多次实验，设计出了如图2所示的创新实验装置：利用注射器注水，可以很好地解决上述两个问题。

二、绿色化原则

《普通高中化学课程标准（2017年版）》要求学生“具有‘绿色化学观念和可持续发展意识”。为此，创新实验设计要注重：（1）利用无污染的反应物做替代性实验。比如，氧化Fe2+可以使用双氧水代替酸性高锰酸钾溶液。（2）实验微型化、小型化。在定性实验中，不影响实验效果的前提下，可以减少药品的用量。（3）尾气的处理和再利用。比如，在一氧化碳还原氧化铜的实验中，可以将尾气直接用导管导入酒精喷灯的火焰中，既支持燃烧，又防止有毒物质污染环境。（4）必要时可以用计算机模拟危险实验。比如，研究氢气和氯气的反应时，镁条燃烧的强光照射会引发混合气体的爆炸，危险指数较高，可以用短片模拟实验过程。（5）废物的处理。比如，实验室制取氯气实验结束后，产物氯化锰不能随便倒入水槽，以免引起地下水污染；银镜反应中，可以用三氯化铁或者双氧水替代硝酸，使操作更加便捷，产物无毒、无污染。

例如，传统教学中，电解质导电性实验的装置较为庞大、复杂，可以利用废旧医疗器材等做成溶液导电性测试器，使实验微型化。具体制作方法如下：取三节纽扣电池、一只发光二极管、一段废旧水笔芯、一段粗铜丝和若干导线，连接电路；将整个电路固定在一支粗细合适的透明塑料水笔壳内，套上笔帽保护电极（如图3）；取6只一次性输液器皮条上的球泡管，均封堵住一端，制成6个滴瓶；另用输液器皮条剪成适当长短，熔封一端，制成6只滴瓶胶帽；在6个滴瓶内分别吸入稀盐酸、醋酸溶液、NaOH溶液、NaCl溶液、蔗糖溶液、酒精溶液，套上胶帽，贴上标签备用。

再如，制备SO2或Cl2后，可以利用注射器将气体注入装有品红溶液或其他试剂的青霉素药瓶（相当于密封的小型集气瓶）中，从而避免有毒气体的逸出。还可利用注射器取代分液漏斗进行CCl4萃取碘水中的I2实验，并进行分液操作：如图4所示，实验时多次重复②③步操作，利用空气气泡运动和两层液体的密度差上下颠倒搅拌，让I2和CCl4充分接触、萃取。

三、趣味化原则

在课堂教学中，为了调节课堂气氛，调动学生的积极性和主动性，帮助学生加深对知识的理解和记忆，消除学习中的困惑，激发创新思维，可以根据实际情况，适当设计一些趣味创新实验。

例如，给高一学生上第一节化学课时，笔者先展示了“晴雨花”，并解释其中的化学原理：此花是用二氯化钴溶液浸泡后晾干的纸折叠而成的，晴天时它是一朵蓝色的花，将要下雨时它会变成紫色，下雨时它会变成粉红色。然后，笔者补充了一组趣味实验：“滴水点灯”“吹气生火”“水下公园”“指纹检验”等。这些神奇美丽的实验极大地激发了学生的好奇心和求知欲，为学生后续学习化学打下了良好的感情基础。

再如，教学“氨与氯化氢的反应”时，除了演示教材中所给的实验外，笔者设计了趣味实验“济公扇”（或称“空中生烟”）：向桌面上滴几滴浓氨水，在蒲扇的上端边缘滴几滴浓盐酸，然后将蒲扇靠近桌前，在浓氨水处扇几下，便会出现白烟腾腾的景象。学生在惊喜的同时也深刻记忆了氨与氯化氢的反应现象。

四、数字化原则

信息技术与学科课程整合已经成为当前

国际基础教育改革的趋势和潮流。在化学教学过程中，数字化传感技術作为一种新型的实验工具，使用方便快捷，而且准确度较高。这种新的探究学习模式可以让学生感受高科技的力量和神奇，增强他们探究科学问题的兴趣，培养他们科学探究的能力。数字化传感实验的探究过程可以增加学生合作交流的机会，学生利用实验得到的定量数据可以自我构建对化学理论的理解。

例如，在“酸碱中和滴定”实验中，通过使用pH传感器，实时监测反应过程中混合溶液pH的变化情况，绘制出准确的酸碱中和滴定曲线，可以使学生不再是定性、抽象地而是定量、直观地判断滴定终点，计算酸或碱溶液的浓度，从而加深学生对于实验过程和结果的理解和掌握。

再如，在“外界条件对化学反应速率的影响”实验中，分别用块状的大理石和粉末状的大理石与同浓度的盐酸溶液反应，学生可以从产生气体的速率观察到反应的快慢情况。而加入压强传感器来做数字化实验时，学生不但可以观察到上述现象，还能通过具体的、实时的数据分析得出，随着时间的推移，二者反应的速率并不是稳定不变的，也不是持续增大或持续减小的，而是有时增大、有时减小的。这就是反应全过程真实情况的直观映射，仅仅通过传统定性实验是不可能观察到这样的现象的。

参考文献：

[1] 王磊.从知识解析为本到基于学生认识发展 促进化学教学设计与实践向高水平跨越——北京师范大学化学教育研究所“高端备课”项目简介[J].化学教育，2010（1）.

[2] 林崇德.21世纪学生发展核心素养研究[M].北京：北京师范大学出版社，2016.

[3] 核心素养研究课题组.中国学生发展核心素养[J].中国教育学刊，2016（10）.