蘇一飛

摘 要：為了培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”素養(yǎng)，教師在化學(xué)教學(xué)中，要特別重視引導(dǎo)學(xué)生進行創(chuàng)新實驗設(shè)計：對教材提供的或常見的實驗進行改進和創(chuàng)新，使其材料更環(huán)保、操作更簡單、現(xiàn)象更明顯、結(jié)論更有說服力?；瘜W(xué)創(chuàng)新實驗設(shè)計對思維的靈活性、深刻性、批判性、求異性、系統(tǒng)性、聯(lián)系性等都有較高的要求，需要一些念頭、思路、條件、素材來推動?；瘜W(xué)創(chuàng)新實驗設(shè)計的原則有：直觀化、綠色化、趣味化、數(shù)字化。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新實驗設(shè)計 直觀化 綠色化 趣味化 數(shù)字化

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，其中包括“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”，要求學(xué)生“認(rèn)識科學(xué)探究是進行科學(xué)解釋和發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造和應(yīng)用的科學(xué)實踐活動；能發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的問題；能從問題和假設(shè)出發(fā)，依據(jù)探究目的，設(shè)計探究方案，運用化學(xué)實驗、調(diào)查等方法進行實驗探究；勤于實踐，善于合作，敢于質(zhì)疑，勇于創(chuàng)新”。

為此，教師在化學(xué)教學(xué)中，要特別重視引導(dǎo)學(xué)生進行創(chuàng)新實驗設(shè)計：對教材提供的或常見的實驗進行改進和創(chuàng)新，使其材料更環(huán)保、操作更簡單、現(xiàn)象更明顯、結(jié)論更有說服力。

但是，化學(xué)創(chuàng)新實驗設(shè)計是基于化學(xué)基本知識和實驗技能的綜合運用（解決新問題、探索新知識），對思維的靈活性、深刻性、批判性、求異性、系統(tǒng)性、聯(lián)系性等都有較高的要求。為此，化學(xué)創(chuàng)新實驗設(shè)計需要一些念頭、思路、條件、素材來推動。據(jù)此，筆者在實踐中總結(jié)出化學(xué)創(chuàng)新實驗設(shè)計的四條原則（念頭、思路）。

一、直觀化原則

創(chuàng)新實驗設(shè)計應(yīng)該是在原有實驗方案基礎(chǔ)上的繼承與發(fā)展，是揚棄而非否定；具體表現(xiàn)為實驗現(xiàn)象更為簡潔、明晰、直觀、凸顯等。

例如，教材中鈉和水反應(yīng)的實驗是在燒杯中進行的，這個實驗通常要求鈉塊為綠豆大?。翰灰诉^大，否則容易爆炸；不宜過小，否則難以觀察現(xiàn)象。但是，在實際操作過程中，鈉的用量很難精確控制。那么，是否能把這個實驗進行改進，做到既不危險又能輕松地觀察到實驗現(xiàn)象呢？教學(xué)時，教師可通過引導(dǎo)學(xué)生查資料，進行實驗改進和創(chuàng)新設(shè)計，得到如圖1所示的實驗裝置。而常規(guī)驗證生成氣體的實驗是氫氣的爆鳴實驗：在金屬尖嘴處再連接一個導(dǎo)管，用排水法收集一試管氣體，再靠近點燃的酒精燈的火焰，若出現(xiàn)輕微的爆鳴聲，則證明是氫氣?？梢赃M一步引導(dǎo)學(xué)生改進氣體驗證實驗的可行性與趣味性：在金屬尖嘴處再連接一個金屬尖嘴，將其通入裝有肥皂水的表面皿中，就會產(chǎn)生氣泡；再用火柴去點燃肥皂泡，出現(xiàn)爆鳴聲，從而證明是氫氣。

再如，在設(shè)計Na2O2與H2O反應(yīng)點燃脫脂棉的實驗方案時，為了驗證脫脂棉燃燒的助燃?xì)怏w為反應(yīng)生成的O2，將包裹有Na2O2的脫脂棉球用塑料皮紙包裹密封后浸入CCl4中，在隔絕空氣的條件下讓Na2O2與H2O反應(yīng)，點燃脫脂棉。但是，在設(shè)計后續(xù)步驟時，遇到兩個問題：（1）包裹好的棉球漂浮在CCl4上方，CCl4無法起到隔絕空氣的作用；（2）如何讓水透過塑料皮紙與棉球內(nèi)的Na2O2接觸？經(jīng)過多次實驗，設(shè)計出了如圖2所示的創(chuàng)新實驗裝置：利用注射器注水，可以很好地解決上述兩個問題。

二、綠色化原則

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》要求學(xué)生“具有‘綠色化學(xué)觀念和可持續(xù)發(fā)展意識”。為此，創(chuàng)新實驗設(shè)計要注重：（1）利用無污染的反應(yīng)物做替代性實驗。比如，氧化Fe2+可以使用雙氧水代替酸性高錳酸鉀溶液。（2）實驗微型化、小型化。在定性實驗中，不影響實驗效果的前提下，可以減少藥品的用量。（3）尾氣的處理和再利用。比如，在一氧化碳還原氧化銅的實驗中，可以將尾氣直接用導(dǎo)管導(dǎo)入酒精噴燈的火焰中，既支持燃燒，又防止有毒物質(zhì)污染環(huán)境。（4）必要時可以用計算機模擬危險實驗。比如，研究氫氣和氯氣的反應(yīng)時，鎂條燃燒的強光照射會引發(fā)混合氣體的爆炸，危險指數(shù)較高，可以用短片模擬實驗過程。（5）廢物的處理。比如，實驗室制取氯氣實驗結(jié)束后，產(chǎn)物氯化錳不能隨便倒入水槽，以免引起地下水污染；銀鏡反應(yīng)中，可以用三氯化鐵或者雙氧水替代硝酸，使操作更加便捷，產(chǎn)物無毒、無污染。

例如，傳統(tǒng)教學(xué)中，電解質(zhì)導(dǎo)電性實驗的裝置較為龐大、復(fù)雜，可以利用廢舊醫(yī)療器材等做成溶液導(dǎo)電性測試器，使實驗微型化。具體制作方法如下：取三節(jié)紐扣電池、一只發(fā)光二極管、一段廢舊水筆芯、一段粗銅絲和若干導(dǎo)線，連接電路；將整個電路固定在一支粗細(xì)合適的透明塑料水筆殼內(nèi)，套上筆帽保護電極（如圖3）；取6只一次性輸液器皮條上的球泡管，均封堵住一端，制成6個滴瓶；另用輸液器皮條剪成適當(dāng)長短，熔封一端，制成6只滴瓶膠帽；在6個滴瓶內(nèi)分別吸入稀鹽酸、醋酸溶液、NaOH溶液、NaCl溶液、蔗糖溶液、酒精溶液，套上膠帽，貼上標(biāo)簽備用。

再如，制備SO2或Cl2后，可以利用注射器將氣體注入裝有品紅溶液或其他試劑的青霉素藥瓶（相當(dāng)于密封的小型集氣瓶）中，從而避免有毒氣體的逸出。還可利用注射器取代分液漏斗進行CCl4萃取碘水中的I2實驗，并進行分液操作：如圖4所示，實驗時多次重復(fù)②③步操作，利用空氣氣泡運動和兩層液體的密度差上下顛倒攪拌，讓I2和CCl4充分接觸、萃取。

三、趣味化原則

在課堂教學(xué)中，為了調(diào)節(jié)課堂氣氛，調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性，幫助學(xué)生加深對知識的理解和記憶，消除學(xué)習(xí)中的困惑，激發(fā)創(chuàng)新思維，可以根據(jù)實際情況，適當(dāng)設(shè)計一些趣味創(chuàng)新實驗。

例如，給高一學(xué)生上第一節(jié)化學(xué)課時，筆者先展示了“晴雨花”，并解釋其中的化學(xué)原理：此花是用二氯化鈷溶液浸泡后晾干的紙折疊而成的，晴天時它是一朵藍色的花，將要下雨時它會變成紫色，下雨時它會變成粉紅色。然后，筆者補充了一組趣味實驗：“滴水點燈”“吹氣生火”“水下公園”“指紋檢驗”等。這些神奇美麗的實驗極大地激發(fā)了學(xué)生的好奇心和求知欲，為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)化學(xué)打下了良好的感情基礎(chǔ)。

再如，教學(xué)“氨與氯化氫的反應(yīng)”時，除了演示教材中所給的實驗外，筆者設(shè)計了趣味實驗“濟公扇”（或稱“空中生煙”）：向桌面上滴幾滴濃氨水，在蒲扇的上端邊緣滴幾滴濃鹽酸，然后將蒲扇靠近桌前，在濃氨水處扇幾下，便會出現(xiàn)白煙騰騰的景象。學(xué)生在驚喜的同時也深刻記憶了氨與氯化氫的反應(yīng)現(xiàn)象。

四、數(shù)字化原則

信息技術(shù)與學(xué)科課程整合已經(jīng)成為當(dāng)前

國際基礎(chǔ)教育改革的趨勢和潮流。在化學(xué)教學(xué)過程中，數(shù)字化傳感技術(shù)作為一種新型的實驗工具，使用方便快捷，而且準(zhǔn)確度較高。這種新的探究學(xué)習(xí)模式可以讓學(xué)生感受高科技的力量和神奇，增強他們探究科學(xué)問題的興趣，培養(yǎng)他們科學(xué)探究的能力。數(shù)字化傳感實驗的探究過程可以增加學(xué)生合作交流的機會，學(xué)生利用實驗得到的定量數(shù)據(jù)可以自我構(gòu)建對化學(xué)理論的理解。

例如，在“酸堿中和滴定”實驗中，通過使用pH傳感器，實時監(jiān)測反應(yīng)過程中混合溶液pH的變化情況，繪制出準(zhǔn)確的酸堿中和滴定曲線，可以使學(xué)生不再是定性、抽象地而是定量、直觀地判斷滴定終點，計算酸或堿溶液的濃度，從而加深學(xué)生對于實驗過程和結(jié)果的理解和掌握。

再如，在“外界條件對化學(xué)反應(yīng)速率的影響”實驗中，分別用塊狀的大理石和粉末狀的大理石與同濃度的鹽酸溶液反應(yīng)，學(xué)生可以從產(chǎn)生氣體的速率觀察到反應(yīng)的快慢情況。而加入壓強傳感器來做數(shù)字化實驗時，學(xué)生不但可以觀察到上述現(xiàn)象，還能通過具體的、實時的數(shù)據(jù)分析得出，隨著時間的推移，二者反應(yīng)的速率并不是穩(wěn)定不變的，也不是持續(xù)增大或持續(xù)減小的，而是有時增大、有時減小的。這就是反應(yīng)全過程真實情況的直觀映射，僅僅通過傳統(tǒng)定性實驗是不可能觀察到這樣的現(xiàn)象的。

參考文獻：

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