周軼曄

摘 要：實驗是化學(xué)學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)。在高中化學(xué)教學(xué)中，常規(guī)實驗有助于學(xué)生把知識理論應(yīng)用于操作實踐，從而深化對知識的理解。與此同時，教師也應(yīng)在可能的條件下給學(xué)生營造一個研究性的學(xué)習(xí)氛圍，引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生的實驗探究精神和研究能力。

關(guān)鍵詞：實驗設(shè)計；自變量；因變量；控制變量

筆者在日常教學(xué)中，通過學(xué)習(xí)和研究國內(nèi)外的化學(xué)教學(xué)實驗大綱和評價標(biāo)準(zhǔn)，嘗試在日?；瘜W(xué)教學(xué)中引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生設(shè)計簡單的實驗來研究一對變量的關(guān)系，并把實驗設(shè)計付諸動手實驗。本文就實驗設(shè)計的理念、要求、評價標(biāo)準(zhǔn)做了介紹，并以某個開放性實驗課題為實例展示了高中生學(xué)習(xí)和實踐化學(xué)實驗設(shè)計的過程和結(jié)果，以及在整個過程中所表現(xiàn)出來的活躍開放的思維和嚴(yán)謹(jǐn)求實的態(tài)度。

一、化學(xué)實驗設(shè)計要求

筆者參考了國際文憑課程體系（International Baccalaureate）中化學(xué)課程的實驗大綱和考核要求，就有關(guān)化學(xué)實驗設(shè)計進(jìn)行了教學(xué)嘗試和課外拓展。對學(xué)生實驗設(shè)計的要求和評價主要有以下三個方面：

1.實驗設(shè)計是否明確了研究對象和實驗變量。學(xué)生要具體說明實驗方案中的自變量和對應(yīng)的因變量，并能對因變量進(jìn)行定量測量。設(shè)計方案中還需陳述任何可能干擾因變量結(jié)果的其他可控變量。

2.實驗設(shè)計是否能有效控制變量。學(xué)生要說明如何調(diào)整和控制自變量的具體方法，以及如何控制其他可控變量的具體方法，使可控變量不影響到因變量的測量。

3.實驗設(shè)計是否能收集到足夠且可信的實驗數(shù)據(jù)。在設(shè)計方案中足夠的實驗操作次數(shù)能避免實驗結(jié)果的偶然性，以及足夠的數(shù)據(jù)和合理的數(shù)據(jù)分布能使結(jié)果呈現(xiàn)一個較準(zhǔn)確的趨勢圖。

二、教學(xué)實驗設(shè)計實例

1.實驗設(shè)計課題和具體要求

筆者首先對學(xué)生進(jìn)行了有關(guān)化學(xué)實驗設(shè)計的教學(xué)和指導(dǎo)，明確了實驗設(shè)計的要求和評價標(biāo)準(zhǔn)，并給學(xué)生布置了一個開放性的課題——“研究液體的某種物理性質(zhì)”。學(xué)生自行選擇某種安全的常見液體，研究某個因素的變化對該液體的某種物理性質(zhì)造成的變化。具體要求如下：

（1）提出明確的實驗?zāi)康模宰兞?、可定量測量的因變量，以及可能影響到因變量結(jié)果的可控變量。

（2）提出控制和調(diào)整自變量的方法，并陳述如何控制其他可控變量來排除其對實驗結(jié)果的影響。

（3）列出具體的實驗試劑、設(shè)備和儀器。

（4）列出相關(guān)的實驗安全提醒。

（5）列出清晰的實驗步驟，按照該實驗步驟能收集到足夠可靠的數(shù)據(jù)。

（6）設(shè)計記錄實驗數(shù)據(jù)的表格。

2.實驗設(shè)計過程

學(xué)生的實驗設(shè)計初稿在限定的一周時間內(nèi)完成。筆者收集到五花八門的實驗設(shè)計方案，有些方案非常簡單新穎。例如：“溫度對糖漿粘度的影響”“乙醇水溶液的不同濃度對其表面張力的影響”“不同氯化鈉水溶液濃度對水的凝固點的影響”等等。然而初高中普遍存在的問題有以下幾點：

（1）對自變量的設(shè)定和調(diào)整不合理。

（2）對因變量欠缺定量測量。

（3）實驗方案中涉及的可控變量不全面，或者對可控變量的控制方法不恰當(dāng)。

（4）所選實驗儀器的量程、精度不合適。

筆者對學(xué)生的初稿做了第一遍批改，并進(jìn)行了一對一的交流和探討，指出問題并啟發(fā)學(xué)生對自己的方案進(jìn)行進(jìn)一步的思考和修改。之后學(xué)生根據(jù)自己的修改方案動手實驗操作和測量。在實踐過程中學(xué)生會進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)實驗設(shè)計中的問題以及在設(shè)計細(xì)節(jié)上的缺陷，并在實驗進(jìn)程中記錄需要改進(jìn)的地方。例如：發(fā)現(xiàn)新的可能影響結(jié)果的可控變量；增減或替換實驗試劑和設(shè)備；完善實驗步驟……甚至推翻整個實驗方案，進(jìn)行重新設(shè)計。最終的實驗設(shè)計方案更嚴(yán)謹(jǐn)翔實，更具可操作性。

三、教學(xué)體會和總結(jié)

“研究液體的某種物理性質(zhì)”，是一個簡單卻又寬泛的命題，學(xué)生可以基于現(xiàn)有的科學(xué)知識充分展開自己的思維設(shè)計如何研究一對有關(guān)液體物理性質(zhì)的變量。在現(xiàn)實的科學(xué)研究中，定量測量和數(shù)據(jù)分析是任何研究結(jié)論的事實依據(jù)。因此，對實驗設(shè)計很重要的一點要求就是對所研究的因變量進(jìn)行定量測量。而為了保證實驗中因變量的結(jié)果變化僅僅是由自變量的變化引起的，學(xué)生必須思考和發(fā)現(xiàn)任何會對因變量結(jié)果造成干擾的其他可控變量，并就如何控制其他可控變量提出方法和建議。

此次實驗方案設(shè)計的教學(xué)實踐旨在引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生的科學(xué)實驗思維，實踐科學(xué)研究方法，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)誠實的實驗態(tài)度。整個過程經(jīng)過教師指導(dǎo)，學(xué)生設(shè)計，教師點評，學(xué)生修改，學(xué)生實驗，學(xué)生反思再修改一系列遞進(jìn)的階段，學(xué)生對實驗設(shè)計有了一定的掌握和領(lǐng)悟，筆者也收獲了好多份新穎的設(shè)計方案，有感于學(xué)生活躍開放的思維。

學(xué)生通過實驗設(shè)計嘗試，初步掌握了科學(xué)研究的思維和方法。即在科學(xué)實驗中，必須有明確的研究目的，能合理調(diào)控自變量，定量測量因變量，控制其他可控變量，為將來進(jìn)一步提高科學(xué)實驗?zāi)芰Υ蛳乱欢ǖ幕A(chǔ)。

編輯 謝尾合