鐘輝生 謝名軍

摘要： 以2019年贛州市實驗創(chuàng)新設(shè)計競賽活動為例，對相應的創(chuàng)新實驗進行評議。闡述了提升化學教師實驗素養(yǎng)的四種意識： 安全意識、變量控制意識、定量意識、美學意識。安全意識要求教師關(guān)注密閉體系的壓強變化帶來的安全隱患及對毒性藥品進行替代。變量控制意識要求教師盡量設(shè)計單一變量對實驗結(jié)果的影響，確保實驗結(jié)論與證據(jù)間的邏輯關(guān)系。通過定量對比或正交實驗探索最佳的實驗條件體現(xiàn)的是教師定量意識。實驗時盡量將儀器的材質(zhì)美、造型美、操作美、現(xiàn)象美等呈現(xiàn)出來體現(xiàn)的是教師的美學意識。

關(guān)鍵詞： 實驗素養(yǎng); 實驗創(chuàng)新; 安全意識; 變量控制意識; 定量意識; 美學意識

文章編號： 1005-6629（2019）12-0026-04? ? ? ? ? ? 中圖分類號： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： B

贛州市每兩年舉辦一次青年教師的實驗創(chuàng)新設(shè)計競賽活動。實驗創(chuàng)新包括實驗設(shè)計創(chuàng)新、實驗裝置創(chuàng)新、實驗原理創(chuàng)新、實驗內(nèi)容創(chuàng)新等?；顒右髤①愡x手展示實驗儀器，能夠?qū)嶒炘?、操作步驟、設(shè)計思路、設(shè)計優(yōu)點進行詳細解說，并現(xiàn)場演示實驗。從操作規(guī)范、熟練程度、現(xiàn)場解說、實驗創(chuàng)新和實驗效果五個方面對參賽選手的實驗創(chuàng)新設(shè)計活動進行評價。

筆者有幸受邀參加2019年贛州市實驗創(chuàng)新設(shè)計活動的評委工作。本屆實驗創(chuàng)新設(shè)計活動共有22名選手參賽，分兩組同時展示。從筆者所在組的11名選手展示情況來看，他們的創(chuàng)新實驗皆以教材實驗為藍本，對教材實驗的不足進行優(yōu)化設(shè)計，讓創(chuàng)新有源，服務教學。絕大多數(shù)創(chuàng)新實驗具備了科學性和一定的實用性，實驗效果顯著。

人教版《化學2》實驗3-3“乙醇的催化氧化”，按照教材實驗進行演示，學生常有兩個疑惑： （1）通過聞氣味能夠判斷生成了乙醛嗎？（2）黑色CuO是Cu作催化劑的中間產(chǎn)物嗎？10號選手基于以上兩個問題對乙醇的催化氧化實驗進行創(chuàng)新設(shè)計（見圖1）。

實驗過程中可清晰地觀察到銅絲表面“紅—黑”交替現(xiàn)象，醛檢測試劑（主要成分： 酚試劑、硫酸鐵銨、1‰稀鹽酸、純水）由黃色變藍色。再比如人教版《化學1》實驗4-8“氨溶于水的噴泉實驗”，教師一般不會演示此實驗，因?qū)嶒灉蕚?/p>

圖1? 乙醇的催化氧化

時間長，成功率低，即使能形成噴泉，現(xiàn)象也不明顯。有選手在文獻研究的基礎(chǔ)上，進行反復摸索改進，最終成功設(shè)計出“連環(huán)變色噴泉實驗裝置（見圖2）”，提高了實驗趣味性、探究性。

圖2? 連環(huán)變色噴泉實驗

以實驗為基礎(chǔ)是化學學科的重要特征之一，化學實驗對于全面發(fā)展學生的化學學科核心素養(yǎng)有著極為重要的作用。新課程標準倡導從四個方面發(fā)揮實驗的教學功能： （1）引導學生通過實驗探究活動學習化學。（2）重視通過典型的化學實驗事實引導學生認識物質(zhì)及其變化的本質(zhì)和規(guī)律。（3）利用化學實驗史實引導學生了解化學概念、化學原理的形成和發(fā)展，認識實驗在化學科學發(fā)展中的重要作用。（4）引導學生綜合運用所學的化學知識和技能，進行實驗設(shè)計和實驗操作，分析和解決與化學有關(guān)的實際問題[1]。化學教師的實驗素養(yǎng)直接決定著實驗在化學學習中獨特價值的發(fā)揮，但是從實驗的創(chuàng)新設(shè)計和選手對實驗操作的駕馭能力看，老師們的實驗素養(yǎng)還有待提高。賽后，筆者與選手們交流，他們說，課堂上老師們幾乎不做實驗，除非公開課、展示課或比賽課。因為信息技術(shù)的成熟，視頻實驗可以反復播放。本文擬以11位選手的實驗創(chuàng)新設(shè)計為例談談提升教師實驗素養(yǎng)的四個意識，以期與同行共勉。

1? 安全意識

安全是化學實驗素養(yǎng)的第一要素，包含實驗儀器安全、實驗藥品安全、實驗裝置設(shè)計安全、實驗過程安全等諸多方面?；瘜W學科核心素養(yǎng)中的“科學態(tài)度與社會責任”開宗明義地強調(diào)“具有安全意識和嚴謹求實的科學態(tài)度”，教師要在確保安全的前提下引導學生通過實驗探索未知、追求真理。

多數(shù)中學化學實驗不可避免產(chǎn)生廢氣、廢液等。教師在進行實驗創(chuàng)新時，都具有“綠色化學”觀念，盡可能地將開放體系設(shè)計成封閉體系，防止尾氣逸散到空氣中，對師生健康造成危害。實驗的綠色化是實驗創(chuàng)新設(shè)計必須關(guān)注的一個方向。如果封閉體系中有氣體源源不斷地生成，其安全隱患不小。1號選手對人教版《化學2》實驗2-2“Ba（OH）2·8H2O晶體與NH4Cl晶體的吸熱反應”進行創(chuàng)新設(shè)計。其創(chuàng)新原理為利用飽和KNO3溶液的溶解度隨溫度變化較大的特點來表征Ba（OH）2·8H2O晶體與NH4Cl晶體反應吸收熱量。具體實驗為將10g Ba（OH）2·8H2O晶體與5g NH4Cl晶體混勻于透明密封塑料噴壺（噴壺壁上粘有一張濕潤的無色酚酞試紙），然后將噴壺放置于盛有飽和KNO3溶液的小燒杯中，可立即觀察到溶液中析出大量晶體、無色酚酞試紙變紅等現(xiàn)象。課本利用水結(jié)冰來表征吸熱反應，其受環(huán)境溫度影響較大，如果環(huán)境溫度稍高，實驗常以失敗告終。1號選手對實驗優(yōu)點的自評為： 成功率高，現(xiàn)象明顯，綠色環(huán)保。

1號選手在設(shè)計實驗時通過制造密閉體系來解決教材實驗NH3在敞開體系的擴散問題。雖然其展示過程中沒有出現(xiàn)安全事故，但是實驗的安全問題始終讓評委們擔憂不已。密閉體系中缺乏吸收或收集NH3的措施，這說明1號選手在設(shè)計實驗時缺乏安全意識。巧合的是，在初中實驗創(chuàng)新設(shè)計活動的展示過程中，有一位選手依據(jù)碘的升華特性來說明分子不停地運動（見圖3）。當其將試管放入熱水約30s后，試管的橡皮塞被強大的氣流沖出，碘蒸氣彌漫空中。為什么出現(xiàn)這種情況呢？可能是因為熱水溫度太高，試管中的氣體受熱膨脹以及碘快速升華。如果是溫水，也許不會發(fā)生這類安全事故。提高化學教師的實驗素養(yǎng)首先要求他們時刻繃緊安全這根弦，杜絕僥幸心理。

圖3? 分子運動

從藥品的安全角度看，反應物Ba（OH）2·8H2O和產(chǎn)物BaCl2都含有重金屬離子Ba2+，毒性不小，教材上該實驗每次耗用Ba（OH）2·8H2O高達20克，污染嚴重，1號選手Ba（OH）2用量減半比封住氨氣有價值。如果能夠選擇低毒、安全的藥品進行吸熱反應實驗原理創(chuàng)新則更能凸顯綠色理念。如5g檸檬酸固體和10g碳酸鈉晶體混勻的降溫幅度高達21℃[2]、 1g碳酸氫銨固體與2mL 4mol/L的鹽酸混合能夠使冰醋酸凝結(jié)成固體[3]。

2? 變量控制意識

“證據(jù)推理”是化學學科核心素養(yǎng)之一，其內(nèi)涵為“具有證據(jù)意識，能基于證據(jù)對物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出可能的假設(shè)，通過分析推理加以證實或證偽;建立觀點、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系”。影響化學實驗的因素除反應本身性質(zhì)外，還有諸如濃度、溫度、壓強等外在因素。因此控制變量是化學實驗必需面對的問題，只有設(shè)計單個因素的改變而導致實驗結(jié)果的不同，才能在證據(jù)和結(jié)論之間建立邏輯關(guān)系，實驗也更能達到預期目的，增強實驗的說服力[4]。

人教版選修4《化學反應原理》實驗2-1為比較不同濃度稀硫酸與鋅粒反應的速率。7號選手對該實驗裝置進行改進（見圖4）。

圖4? 濃度、溫度對反應速率影響

改進的目的是通過觀察滴水的速率來探究濃度、溫度對鋅與稀硫酸反應速率的影響。當選手通過注射器向試管中加水稀釋硫酸時，理論上滴水速率會減慢?？蓪嶋H結(jié)果滴水速率反而變快了。為什么會出現(xiàn)這種與預期不一致的實驗現(xiàn)象呢？因為往密封體系中加水，雖然硫酸的濃度下降了，但是加水和反應過程中產(chǎn)生的熱效應都會使體系壓強增大。用圖4探究溫度對反應速率影響也存在兩個變量，當選手將試管放入熱水中，雖然滴水速率明顯加快，但是升溫還會使試管內(nèi)的壓強增大，也導致滴水速率加快。實驗證據(jù)和實驗結(jié)論之間并沒有唯一的關(guān)聯(lián)性，不夠嚴謹。

3號選手同樣也缺乏變量控制意識。該選手以柚子皮作為水蒸氣來源對人教版《化學1》科學探究“鐵粉與水蒸氣”反應實驗進行改進。實驗現(xiàn)象非常明顯，不到2分鐘時間吹出彩色大氣泡，且氣泡能夠被點燃。實驗雖然很成功，但是細究起來，氫氣一定是鐵粉與水蒸氣反應產(chǎn)生的嗎？以水果皮作水蒸氣源，水果皮所產(chǎn)生的水蒸氣多少混合著有機酸。為了解決教材濕棉花可能焦化的問題，可以選擇CuSO4·5H2O作水蒸氣源。其優(yōu)點是： （1）CuSO4·5H2O脫水溫度較低，很容易產(chǎn)生水蒸氣。（2）能夠通過觀察藍色的變化來監(jiān)測水蒸氣的量。（3）脫水后的硫酸銅晶體吸水后可循環(huán)使用。

3? 定量意識

1775年前后，拉瓦錫用定量化學實驗闡述了燃燒的氧化學說，開創(chuàng)了定量化學時期，使化學沿著正確的軌道發(fā)展。之后原子概念和分子概念相繼被提出，從原子和分子水平角度來定量研究物質(zhì)及轉(zhuǎn)化才使化學真正成為一門科學。化學上的很多概念、原理都是基于定量研究基礎(chǔ)上逐漸形成和發(fā)展起來的?；瘜W實驗的定量化包含實驗藥品的定量化，實驗條件的定量化，實驗操作的定量化，等等。化學教師在開展實驗教學或進行實驗創(chuàng)新時一定要有定量意識。

人教版《化學1》實驗3-9安排了“FeSO4溶液與NaOH溶液混合實驗”。所觀察到的現(xiàn)象為： 當往FeSO4溶液中滴入NaOH溶液時，生成的白色絮狀沉淀[Fe（OH）2]迅速變成灰綠色，最后變成紅褐色。因為白色氫氧化亞鐵一閃而過，這極大地激起了教師的研究熱情，不斷地對白色氫氧化亞鐵制備實驗進行創(chuàng)新設(shè)計。

本次比賽活動，有兩位選手基于“除氧、隔氧”思路對制備白色氫氧化亞鐵實驗進行創(chuàng)新設(shè)計。一位選手利用注射器完成實驗，另外一位選手利用注射器在溶膠中讓FeSO4溶液和NaOH溶液混合。從展示效果看，都能觀察到稍白色的沉淀，慢慢地白色都會變成灰色。

白色氫氧化亞鐵制備是中學化學實驗的難點，該實驗對藥品的用量、反應條件、藥品滴加順序等要求較高，即使得到白色氫氧化亞鐵也會緩慢地變成灰綠色。這就要求教師在進行實驗設(shè)計時要有定量意識。遺憾的是，兩位選手在展示時都沒有說明所用藥品的濃度。查閱文獻，王思佳采用正交實驗法，探究了NaOH溶液和FeSO4溶液濃度對生成白色氫氧化亞鐵的影響[5]： 新配制的硫酸亞鐵溶液以1.0mol/L為宜，而氫氧化鈉溶液濃度以20%最佳。李玉炫論證將少量的1.0mol/L硫酸亞鐵溶液擠入過量的4mol/L氫氧化鈉溶液中可以制得白色氫氧化亞鐵沉淀[6]。白色氫氧化亞鐵之所以難以制備，除其易轉(zhuǎn)化為晶型綠色氫氧化亞鐵外，制備過程中，還存在氫氧化亞鐵甚至微量氫氧化鐵吸附Fe2+而使沉淀顯灰綠色。徐建飛等老師摸索出將少量0.1mol/L硫酸亞鐵溶液極為緩慢在8mol/L NaOH溶液底部與之反應制備白色氫氧化亞鐵的實驗方案[7]。

可喜的是，6號選手在進行實驗創(chuàng)新時具有很強的定量意識。該選手對人教版選修5《有機化學基礎(chǔ)》實驗2-1“乙炔的實驗室制取”進行改進。教材為了減緩電石與水的反應速率，用飽和食鹽水代替水，但是反應依然很劇烈，電石易呈糊狀。6號選手通過對比實驗找到了平穩(wěn)生成乙炔氣體的最佳試劑： 電石和體積比為3∶1的乙醇水溶液。

4? 美學意識

生活中從不缺少美，而是缺少發(fā)現(xiàn)美的眼睛（羅丹語）?；瘜W之美美在物質(zhì)的幾何外形、物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、物質(zhì)的色彩斑斕;化學之美美在儀器材質(zhì)的晶瑩剔透、儀器造型的行云流水;化學之美美在化學變化的絢麗多姿、化學原理的簡約和諧、化學用語的抽象樸素?；瘜W是一門具有獨特美的學科，作為一名化學教師理應將化學之美呈現(xiàn)給學生，用化學之美吸引學生，激勵學生。

教師進行實驗教學或?qū)嶒瀯?chuàng)新設(shè)計時，要盡量將化學實驗之美展示出來?；瘜W實驗之美主要體現(xiàn)在實驗儀器選材美、實驗裝置設(shè)計美、實驗操作的嫻熟美、實驗現(xiàn)象的層次美。6號選手的乙炔實驗改進裝置（見圖5）簡潔實用，11號選手的萃取分液一體化循環(huán)裝置（見圖6）美純粹有韻味。

圖5? 乙炔實驗改進裝置

圖6? 萃取分液一體化循環(huán)裝置

但是多數(shù)選手的實驗創(chuàng)新缺乏美學意識，突出表現(xiàn)在實驗器材的選擇和裝置的組裝方面。11個實驗有8個實驗使用到了醫(yī)用注射器，少則1支，多則6支，而且所選用的注射器為白色半透明塑料制品。一般化學儀器多數(shù)為玻璃透明儀器，造型優(yōu)雅，如中學常見的分液漏斗、冷凝管、滴定管、酒精燈等給人以美的享受。選手們將廢棄的醫(yī)療器械用于實驗改進，美其名曰“廢物再利用”，其實用廢棄的醫(yī)療器械進行實驗改進，不但有失化學之美，讓學生感到恐懼，而且還存在傳染疾病的風險[8]。有兩位選手進行銅片與濃硝酸反應的實驗改進，都選擇紅色不透明氣球來收集多余的紅棕色NO2，如果換成透明的氣球可能會多一層色彩沖擊效果。

化學教學離不開化學實驗，化學實驗價值實現(xiàn)離不開化學教師實驗素養(yǎng)的提高。要提高化學教師的實驗素養(yǎng)，教師最好遠離視頻實驗，堅持動手實驗，追求實驗操作的規(guī)范性、熟練性，提高實驗安全意識，探索實驗結(jié)論與實驗證據(jù)的一致性，傳承化學學科特色和學科之美。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育制定. 普通高中化學課程標準（2017版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 72.

[2]李靜雯， 陳懿. 吸熱反應實驗創(chuàng)新設(shè)計[J]. 化學教學， 2015， （4）： 53～55.

[3]董銀萍， 汪潔， 張雷. 吸熱反應實驗的綠色化改進[J]. 教育現(xiàn)代化， 2018， （10）： 295～296.

[4]鐘輝生， 嚴康華， 艾亮亮. 基于變量控制的證據(jù)意識[J]. 中學化學教學參考， 2018， （9）： 29～31.

[5]王思佳. 正交實驗法探究氫氧化亞鐵的制備[J]. 中學教育， 2018， （3）： 176～178.

[6]李玉炫. 化學實驗題的評析與實證——以NO? -3在酸性條件下的氧化性及Fe（OH）2的制備為例[J]. 化學教學， 2016， （2）： 54～57.

[7]徐建飛， 張平， 杜淑賢. 制備氫氧化亞鐵實驗方案再探究[J]. 化學教學， 2015， （7）： 54～56.

[8]魏明， 李月玲. 一次醫(yī)用輸液器、注射器廢棄物的處理[J]. 中華醫(yī)院感染學雜志， 2008， （7）： 1048～1050.