化学实验设计的全程教学策略

化学实验设计的全程教学策略

北京师范大学附属实验中学 张建国（100032）

【内容提要】

化学实验设计是提升学生思维水平的重要手段，但是实验设计能力的形成需要一个过程，这就要求教师在高中学段的全过程．．．．．．．．有计划地、循序渐进地开展相关教学，即所谓化学实验设计的全程教学策略。另外，实验设计教学的开展也能大大提高日常教学的水平。笔者从日常教学与实验设计的相互作用与协调、实验设计教学的基本过程、习题教学在实验教学中的应用等几个方面对这一策略进行了探讨。 【主题词】实验设计 全程 策略

“化学实验设计”作为一个独立的教学单元，在普通高中的化学课程中格外醒目。笔者曾在高三第二学期教学中将此作为高中化学的收山之作，精心设计、精心施工，学生和老师都能在其中感受创造的快感——这也许是这一设计最具有魅力的地方。然而在教学的反思之中笔者也不无遗憾地感受到，设计的能力与技巧非一日之功，设计的意识和思维习惯更不是在几个课时之内能够成就的。从教学的角度讲，实验设计能力的形成必须植根于日常教学的土壤；日常教学也会因实验设计策略的实施而更加有效和有趣。因此“设计”不应成为秋后算帐式的亮点，而应该成为教学中一贯的策略。这种策略可以有效地帮助教师把学习的主动权真正地交还给学生，改变学生的学习方式并在自主学习过程中优化思维品质，课堂教学也会焕然一新。 本文结合案例对相关问题加以讨论。 一、日常教学中的实验设计 日常教学中实验设计的实施不是在原有基础上再附加一个新的东西，而是转换一个角度或一个方式。

【案例1】 金属钠跟水反应演示实验中氢气的检验

实验背景：（1）反应在敞口容器烧杯中进行（如图-1）；

（2）金属钠浮．在水面上，四处游．动； （3）检验氢气的方法是用小试管收集氢气

作爆鸣实验。

问题分析：学生已有的经验是收集导管中排出的氢气，

导管出气口很容易被固定．．在水下．．

（如图-2），这与本实验中的“游”与“浮”形成矛盾，是解决问题的关键。

教材提供的方法是用事先扎好小孔的铝箔包裹金属钠，用镊子夹住，放在试管口下（如图-3）。

图-1

基于上述分析可以形成如下教学程序：

基于任务是“设计”的基本特征，换句话说，任何设计总是针对特定任务来进行的。对本例而言，只有对实验的背景有一个总体把握，才能将其归纳为“一个任务”加以表述。“关键任务”中往往包含着最关键的问题，解决这些问题要么需要较高的技巧，要么难于用已知的方法直接解决，这既给“设计”提出了挑战，同时也为学生进行创造性思维留出了空间。设计解决关键问题的方案被认为是实验设计中最精彩的部分，教师多组织学生之间的讨论（如分小组讨论，选一个代表汇报等），并且鼓励学生发散思维。不过应该指出的是，“想出的方案得又快又多又好”固然值得鼓励，但却不是最重要的价值取向，它只是设计过程中的一个步骤，甚至不一定是最重要的步骤。化学实验设计的全程教学策略更加关注的是学生对完成一项任务的全过程把握，而不是深陷于一个局部，甚至为一点点雕虫小技沾沾自喜。因此，我们大可不必对已知的东西佯装不知，来一个“从头设计”，来一个彻头彻尾的“创造”。例如，教材中为我们提供了收集氢气的方法（图-3），我们完全可以让学生打开书去理解，去赏析，去评价。这并不妨碍学生进一步的设计与创造。发散是必要的，收敛是必须的。设计应该落实在一个可行的方案上，并且予以实施。反思不是一个可有可无的点缀，它也是全程教学的重要组成部分。除对实验过程中的原理、操作、结果等进行具体的分析外，还应对总体设计过程进行反思。

图-2

图-3

在将近3年的教学中，教材为我们提供的可用于实验设计的素材可谓俯拾皆是。

试想，如果我们不是基于日常教学内容给我们提供的素材，循序渐进地培养实验设计的基本能力和意识，而只是将纸面上的图示变成学生在实验室的“真人表演”，甚至只是教师一连串的熟练动作，那学生的实验设计能力从何而来？在他们毕业的时候，在他们参加高考的时候，我们又怎能指望他们具有合格的实验设计能力呢？

二、实验设计对概念、知识和技能形成的支持作用

实验设计能力需要在日常教学中循序渐进地形成，同时它也可以对日常教学中概念、知识和技能的形成起着支持作用。

应该指出，实验设计并不仅指实验装置的设计，更应该包括原理设计，这也是以基础知识和基本技能关系最为密切之处。下面以锌锰干电池的设计为例，谈谈设计在理解化学原理中的意义。

【案例2】锌锰干电池设计思想——从锌与硫酸反应谈起

负极反应：Zn－2e -Zn2+ 正极反应：2H+＋2e -H2↑

反应原理：

＋

关键问题：（1）硫酸溶液为液体，使用不够方便。

（2）反应中产生气体（H2），会使密闭装置发生“气胀”。

设计——问题及解决：

（1）Zn为活泼金属，发生负极反应，兼作电极材料和装置外形的支撑物。（2）硫酸溶液不能作电极材料，另选用石墨；

硫酸溶液提供H+，但液体使用不方便，改用NH4Cl：

2NH4+＋2e-2NH3↑＋H2↑

产生新问题：NH3的处理。

（3）Zn2+会吸收NH3：Zn2+＋4NH3Zn(NH3)42+

（2）中产生的问题得以解决

（4）H2具有还原性，可加入固体氧化剂，例如二氧化锰将其吸收：2MnO2＋H2Mn2O3（固体）＋H2O（液体）

尚遗留问题：反应中水的生成会使电池漏液。 这里既有原理设计，也有“工艺设计”。我们虽然不易真正去实施这样一个设计，但是这一设计过程中的对元素相关知识，对电化学相关原理的应用显然使其得到了深化和整合。将设计的方案加以实施，并在实践中对方案的设计进行评价和反思显然是重要的、必不可少的，但是也不应排除纸面上甚至是思想上的方案与设计，毕竟思维训练仍然是化学教学的一项重要任务。这种“思想实验”同样是有意义的。我们可以进行设计，甚至也可以去欣赏，诸如炼钢炼铁、硫酸工业、合成氨等是很难“实验”的，但这些设计当中的神来之笔闪耀着人类智慧的光芒，它们将极大提高学生对科学原理理解的水平，同时将为科学家的智慧折服。 三、化学实验设计的“本论” 对化学实验设计而言，经过2～3年有计划的训练，最终应该对设计的原则、要求、步骤、实施、表达、反思等加以规范和总结。教师要对教学设计的基本心理过程加以研究，帮助学生迈上这“第100级台阶”。 【案例3】化学实验设计的概念、过程和要求

1． 概念：在化学实验之前，根据实验的目的和要求，运用相关的化学知识和技能，对实

验的仪器、装置和方法进行的一种规划。 2． 过程

设计：腹稿−−→−物化

草稿−−→−细化

成稿−−−−−→−结构化（逻辑化）

方案−−−→−实践与反思

最佳方案

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⎧问题、讨论—————反思—记录与结果处理—过程与结果———收获实验步骤

———工作程序仪器、药品

———物质条件原理—————依据——怎么做目的名称

——————任务—做什么方案 3． 要求

（1）科学性：实验原理、实验操作、程序、方法正确。

（2）安全性：避免使用有毒和危险药品，避免危险操作，必要使用注明详细的注意事项。 （3）可行性：依据中学现有实验条件。

（4）简约性：装置简单、步骤少、药品用量小、时间短、现象明显。 【案例4】以铝屑为原料制备氢氧化铝 实验目的：以最为经济的方法制取A l (O H )3

将关于Al 和A l (O H )3性质的知识应用于实践。 原理设计：