建立“仪器设计思维” 发展学生创新意识

王茂力

摘要：化学实验创新意识不可能来源于空无，其发生与发展需要真实的情境和有效的活动。提出以建立“仪器设计思维”为途径发展学生创新意识的四种课堂活动设计类型：由实验中仪器的具体功能需求展开仪器逆向设计;讨论所用仪器的设计意图;对“多器同用”中的仪器展开对比评价;结合相关化学史，从仪器的发展变迁中体会前人的创新之路。

关键词：仪器设计;创新意识;课堂活动设计;化学实验教学

文章编号：1005-6629（2021）05-0058-06 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1问题的提出

2011年上海化学高考试题中出现了一个不寻常的仪器（见图1）——一个“塌底”试管。该仪器不乏科学性，亦展示了仪器创新设计的魅力。然而与学生开展学情交流时，更多学生却对此创新表示“抗拒”：见此“异物”，心里很是排斥，首先排除的选项便是它，一直在常规仪器中筛选;具体分析后又觉可选，但太陌生，心里还是发虚……学生的话语引起笔者反思：对熟悉仪器不敢质疑，没见过的便视为“异物”而排斥。难道所有创新发明皆是异物？学生对非常规仪器为何反感？审视自己的教学，长期以来不重视为学生提供体验仪器设计过程的机会，学生缺乏“仪器设计思维”：认为实验所用仪器为理所当然之存在，欠缺体味其设计意图、经历改良设计的过程;认为书本上的仪器是现成、正规、正确的，能按照实验流程使用即可。实验教学如果忽视仪器设计思维的培养，实际上便失去了发展学生创新意识的一个有效抓手。

从学习进阶角度来看，仪器设计思维水平可分为从低到高三个层次。水平1（见表1）为“自觉关注”水平，是发展至较高水平的基础，要求学生能对仪器设计产生“自觉关注”，有探求究竟的动机、有洞悉儀器设计之意的欲望与欣赏意愿;水平2为“批判评价”水平，要求学生能找准合理角度对相关仪器进行评价;水平3为“自主设计”水平，为三个水平中最高者，是前两个水平的综合和升华，不仅要求学生具有主动和敏锐的批判评价能力，对学生的创新意识也有较高的要求。

2教学例析

陈述性知识灌输方式，如实物或多媒体展示、介绍仪器，然后照方抓药使用仪器，这样的教学设计不利于达到上述水平。结合教学实践，笔者提炼出四种有利于学生建立与发展“仪器设计思维”的活动类型，并在对应案例中标注出部分与设计思维水平相关的标志性教学行为。

2.1类型1：分析实验仪器应具功能展开仪器逆向设计

实验原理决定核心仪器应具的功能。引导学生从已有经验出发，由熟悉的常规仪器人手，在课堂讨论中发现对仪器有新的需求，然后通过对原仪器的增、减、拆、合进行创新设计，最后生成理想的仪器。

案例1 沪教版“硫酸铜水合物中结晶水含量测定”中关于“坩埚”的教学片段

教师：由上述测定原理可知，如何使晶体充分失去结晶水？

学生1：长时间加热。

教师：在哪里加热？

学生2：烧杯或蒸发皿。

学生3：（质疑）它们是对液体加热，不能直接加热固体的。[L2]

教师：你认为用什么仪器，说说理由？[L1]

学生3：试管就行，以前学过氯酸钾制氧气就是用试管，而且是口朝下，防止冷凝水倒流。

教师：想得周到，担心水倒流都考虑到了，都赞同用试管吗？

学生4：（质疑）好像水分也不能充分失去吧，试管那么长，水蒸气在试管中始终会有，这又不是随便失去一些结晶水就行，必须要完全失去才能准确测定。[L2]

教师：眼光犀利！这位同学抓住了定量实验的一个核心——求准！

学生3：（辩护）那我把试管锯短一点。[L3]

（班级里学生哄笑起来，认为这是诡辩）

教师：仪器都是人设计的，按需改良有啥不可？[L3]给他机会把试管锯短一截。得到这个仪器可以吗（黑板上画出图2）？

学生4：不方便称量吧，试管下面是圆的，不能直立放在电子天平里，横置的话，短试管中试剂容易倒出来。[L2]

教师：思考全面！你来改良设计一下吧。

学生4：可以把下面做成平的。[L3]

教师：那么得到的仪器就是这样（画出图3），还有何不妥吗？

学生5：如果加热固体，这么短的试管，会不会晶体蹦出来？

学生6：加个盖子！[L3]

……

教师：（画出图4）设计得巧妙！得到的仪器是否能够满足我们的需求呢？相关资料表明，胆矾中的五份结晶水随温度上升逐份失去，在650℃时，硫酸铜开始分解为氧化铜，而玻璃软化温度约在600℃。有何想法？[L2]

学生7：加热温度可以接近但不能超过650℃，但是盛装物质的仪器的材料最好不是玻璃，要采取熔点更高的材料。

教师：金刚石？

学生：（笑）要便宜、容易获取的材料。

教师：回顾刚才仪器设计的过程：根据实验目的，考虑诸多因素：结晶水充分失去，称量方便，防止晶体飞溅，材料经济、耐高温等，有创意也贴近实际。现在我们来欣赏集大家创意于一身的仪器——坩埚。

（下发数个坩埚，学生把玩、讨论，发现手里坩埚的特征和刚才讨论的多个设计点很吻合，颇有成就感）[L1]

案例评析：上述案例体现了由实验所需而进行仪器逆向设计的一种模式：分析仪器应具功能，展开仪器设计，评价，再改良，再评价……。一般由学生熟悉的通用仪器人手，分析其在具体情境中使用时的不足，逐渐改良为“恰到好处”的专用仪器。

在按需设计、批判评价的过程中，挖掘影响实验成败的仪器方面的因素，进而对仪器做增、删、合、拆等创新之举，会渐渐形成一种“设计师”的视域，这类课堂活动可对学生创新思维的提升提供丰富的机会。

案例2 “配制一定物质的量浓度溶液”实验中关于仪器“容量瓶”的教学

教师：为了准确配制一定物质的量浓度的溶液，从原理（c=n/V）来看，关键是什么？

学生1：溶质的物质的量要准确，对应溶液体积也要精确。

教师：假如配制的溶液体积要准确的250mL，如何操作呢？

学生2：（每组都分有10mL量筒、滴管、250mL烧杯等仪器）可以把溶质放入烧杯中，然后加水到250mL刻度线。

教师：大家如果认可，尝试着把水加到250 mL刻度，然后说说你的体会。[L1]

（片刻后）学生2：好像用烧杯不大好？加到刻度后，再加两滴管水，液面还是在刻度线，那个刻度线那么粗，可能不准确呢。

教师：为何刚才多加了水，液面上升却不明显呢？

学生3：烧杯口径大，要较多的水才能使得液面上升。

教师：是不是和我们崇明岛虽地处江心，却不会有洪水一个道理啊？（学生纷纷说着“十几公里的江面”等）所以烧杯一般不作定量仪器，其刻度只作大致参考。那么用什么仪器更好？[L1]

学生：量筒！量筒细，可以测得精确。

教师：如何操作？

学生4：我们的量筒是10mL，要250mL溶液，就要量取水25次，再一起倒入烧杯中混合。

学生5：不对！溶液要250mL，不是水要250mL。

学生5：把溶质放到250 mL规格的量筒中，再加水到250mL刻度。

教师：（随即拿出250mL规格的量筒）你觉着行不？

（学生笑了起来，发现250 mL量筒的口径也不小，比10mL量筒口径大多了）[L2]

学生5：那就把10mL量筒的筒壁延长25倍……喔，好像太長了！

教师：刚才两个仪器各有优劣，烧杯肚子大，精度不高，细的量筒容量小，精度却较高，容量和精度如何两全呢？[L2]

学生6：可以把它们组合起来，用烧杯做底，量筒做颈，拼在一起。[L3]

案例评析：通过在仪器设计中不断地探索、试错，在相关经验形成的同时，逐步建立起某些关于仪器设计的认知模型。在该案例中，学生通过烧杯和量筒特征的对比，建立了“大肚有容，细颈求精”的认知模型，这种“按需组合”的创新方法对以后的学习能起到一定的经验指导作用。比如在滴定管的设计中，学生就能真正理解滴定管细长特征的由来——对容量的要求不高，而更在乎精度。

2.2类型2：讨论实验仪器或工程设备的设计意图

认为所见仪器自然如此，无视其设计特点，恰是失去了创新意识的有效生长点，是一种惰性思维的体现。如果在教学中能把学生经验中的熟悉仪器与其形变后产生新功能的形似仪器同时对比展示，学生必由疑生趣、析其异同、探其所图;也可将学生未见过的特征明显的实验仪器或某化工设备作为探究素材，对发展学生创新思维会有积极的促进作用。

案例3

（卤素单元教学复习课）对球形、梨形分液漏斗及恒压漏斗等仪器设计意图的理解

教师：在制取气体时，用到的一种能控制反应进度的仪器是？

学生：分液漏斗。

教师：大家对比桌上的分液漏斗（见图5），注意到什么了吗？[L1]

学生1：别人的分液漏斗上面是球状的，我的分液漏斗是尖长的！

教师：一种称为球形漏斗，制取气体时用得较多，另一种称为梨形漏斗，较细长，形状上的差异设计，意图为何？[L2]

（教师参与讨论时发现学生对这两种漏斗的设计很难理解）

教师：提示一下大家，球形漏斗一般用在滴加液体上，而梨形漏斗一般用在萃取分液上，从用途的不同上再思考。

学生2：做成球形是为了能装体积更多的液体，方便使用，而梨形的原因还是说不出。

教师：那我们请同学来实践一下。

（在球形和梨形漏斗中分别加入油水混合物，请一位同学分别把下层的水放出）[L2]

学生3：用球形漏斗时，不方便判断何时关闭旋塞，而梨形漏斗的液面下降很明显，以便及时关闭旋塞，分液更彻底。

教师：为何梨形漏斗中液面下降更明显呢，你们有相关的经验喔。

学生：和向烧杯、量筒中加等量液体引起液面高度变化不同相似。梨形漏斗较细的结构使得液体减少时液面高度变化明显。

教师：同样是漏斗，设计上的差异能赋予仪器不同的功能。在习题中我们见到过一种改良过的分液漏斗（见图6），回忆其功能后，再看看另一个漏斗，能理解其设计特点的意图吗（展示如图7的漏斗）？[L2]

案例评析：该活动的逻辑发展路线为发现仪器差异一分析功能差异一理解仪器特点。这个过程能充分调动学生的相关经验，激发他们的批判性思维，并形成一种设计思维模型：实验需求一仪器功能一设计调整。教学互动中，教师并未明言创新一词，却将创新的积极意义和方法潜移默化地展示出来。

在遇到梨形漏斗功能分析困难时，采用学生实验的方法，其体会比教师口述要深刻得多。再如中和滴定实验，承接液体为何用锥形瓶而非烧杯？不用教师多言，让学生在烧杯和锥形瓶中分别加入适量液体，要求“充分摇匀”，锥形瓶“收口”设计的优势展现无遗。

案例4沪教版教材“氯化氢合成塔”设计分析

教师：知道了氯化氢工业制取原理后，请同学们欣赏教材中提供的氯化氢合成塔（见图8），什么设计点最吸引你，尝试解释其设计意图，或者提出你对某设计的疑惑。[L1]

学生1：设备外表有很多铁片。为的是增大表面积，能够充分散热。[L2]

学生2：通氢气和氯气的管子不是并排而是分为内外管，我觉得能够充分燃烧。

教师：内外管分别通入何种气体是随意的吗？

学生2：氢气应该通外管，这样能够把氯气包着燃烧，使有毒的氯气充分反应。[L2]

教师：能够从“原料充分反应”角度分析，很到位！还有别的出彩设计吗？

学生3：配有视孔，便于随时观察反应情况。

学生4：我有个疑问，燃烧的热为啥要散掉呢？

教师：具体说说。

学生4：我认为可以把燃烧放出的热利用起来。

教师：能从能源充分利用角度分析，很不错，你有啥具体想法吗？

学生4：把整个装置放在可以流动的水里，这样就可以很便利地获取热水了。[L3]

教师：非常有创意！还真有人按照这种思路设计出了一种新型的氯化氢合成塔——水套式合成塔。（教师展示一家企业的产品图片，其余学生对学生4鼓掌赞许！）

学生5：我有个疑问，为啥设备的上面要做成尖的呢？[L1]

學生6：下雨的时候就顺势流下，不会有积水，不然设备容易腐蚀。[L2]

……

教师：刚才同学们的讨论非常精彩，老师也受益匪浅。同学们能够从“原料”“能源”“环境”等更高层次角度思考，这就是“绿色化”思维的一种体现。[L3]

案例评析：仪器设计思维的建立及运用，不仅针对实验室中的仪器，还可以迁移到实际的化工生产中。化工设备对大多数学生来说很陌生，对其设计意图的探究，既是对学生课堂所学知识的一种迁移和运用，也是中学阶段发展学生工程思维的一个途径。用工程思维中“创新性”“系统性”“权衡性”“价值性”“双赢性”思维模型对设备进行批判性思考，分析得失，尝试改进，这对学生社会责任意识的建立与创新思维的发展都有积极深远的影响。

2.3类型3：对“多器同用”中的仪器展开对比评价

不同的仪器可以有相同的主要功能，它们各自的特色、利弊就是让学生开展批判性思考的有效素材。课堂活动中可引导学生从科学性、简约性、绿色化等角度对“多器”展开对比评价、改良和设计。

案例5对具备“随开随用，随关随停”制气功能的多种仪器开展对比（见图9）。

教师：所示制气仪器具有一个共同的实验功能，能说出吗？

学生：随开随用，随关随停。

教师：它们形态各异，各具特色。我们来点评一下，好在哪里，不足之处又在哪里。[L2]

学生1：我还是觉得A最厚实、稳重。

教师：（学生偷笑）这是很中肯的评价嘛，美学追求当然能体现在仪器设计上。这也让我们思考，评价仪器设计，除了美学追求以外，还应该考虑什么因素？[L2]

学生2：要能有效达成实验目的。

学生3：操作要方便，仪器不能太复杂。

学生4：环保，有毒物质不能散出，用的试剂无需太多。

学生5：仪器不要那么多限制，比如A不能加热，这对需要加热的实验就不行了。[L2]

教师：很好，评价标准归纳为：科学性、兼容性、简约化、绿色化。接下来从这几个标准来分别评价一下上面的仪器。

学生6：我认为G比F从仪器的科学性和简约性来讲，都更好一些。F中的隔板要固定到光溜溜的管壁上，不容易，而G中加玻璃珠就方便得多，而且F容易出现固体变细碎后一掉到底，而G中层层玻璃珠对哪怕是较小固体的固定效果好得多。[L2]

学生7：我认为更简单的装置就是在D的基础上，不用带孔塑料片，底部破个小洞的试管直接就可以用！不需要气体时，拎起来就是。[L3]

（同学们沉默片刻后，开始赞许这种简易的做法）

学生8：但是我觉得这只能制取无毒的气体。[L2]

案例评析：创新是有一定目的和方向的。多器同用评价活动中，教师需要先引导学生得出评价的标准，后续的评价讨论才可以既发散又集中。评价的目的不是为了决胜负，而是去体会各种仪器的特色，去欣赏仪器的多样化，破除学生经验中关于仪器“一器一用”的刻板印象。每种仪器的特色，以及带来的功能上的优劣，都能成为学生以后开展创新活动的素材。

2.4类型4：结合化学史，从仪器的发展变迁中体会前人创新之路

这种课堂活动设计能有效改变学生认为化学仪器生就如此，不愿深究的惰性思维。仪器从雏形生成到修正改良、衍生发展的变迁史中，蕴含了丰富的设计创新史。让学生沿着前人的创新脚步，去理解一次次设计上的改良，是发展学生的仪器设计思维以及促发创新思维的一种有效策略。

案例6 利用“滴定管变迁史”开展教学活动设计提供关于滴定管发展历史资料如表2所示。

案例评析：从滴定管历史变迁的真实情境，体会前人设计与创新的过程。教师从仪器操控、材料兼容、测量求精等方面人手，设计一系列的课堂探究活动。学生在观摩、“参与”前人的设计创新的同时，自然就丢弃了之前的惰性思维。他们能真切地感受到手中的滴定管并非生就如此，而是历史上长期的多次改良设计的精华积淀，仅为解决“将液体下滴控制到精准的一滴”便煞费苦心。

3研究反思

上述建立仪器设计思维、发展学生创新意识的相关探索，是挖掘化学实验教学独特价值功能的一次实践。

为使学生达到相应仪器设计思维水平，可从两方面人手。一方面要精心选择有效的探究素材为仪器设计思维提供生长点，另一方面要在实践中充分利用课堂中的对话。对话既能产生有效教学资源，也是对学生仪器设计水平层次进行过程评价的重要依据。这就要求教师把握好预设的主线的同时，为学生主动学习行为的展示，如“质疑、设计、辩论”等，提供充分的机会。教师无需多言，真诚的倾听和有效的引导与评价能起到更好的作用。

从学习动机角度看，基于仪器设计思维发展而设计的课堂活动中，学生的兴趣也由感知兴趣、操作兴趣、探究兴趣逐渐上升至创造兴趣，这是化学学习兴趣的最高层次，是推动学生形成较高科学素养的强劲的动力。

最后需要指出的是，实验设计的对象不仅除了单个仪器，还包括基本原理、试剂（种类、物态、添加方式等）、仪器组合等方面，仪器设计只是整个实验设计系统的一个子系统。随着学生学科知识的不断充实以及学习能力层次的不断提升，从仪器设计思维学习中的收获将影响对整个实验系统的设计，其创新思维也将得以发展。