鐘輝生 謝名軍

摘要： 以2019年贛州市實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)賽活動(dòng)為例，對(duì)相應(yīng)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)議。闡述了提升化學(xué)教師實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)的四種意識(shí)： 安全意識(shí)、變量控制意識(shí)、定量意識(shí)、美學(xué)意識(shí)。安全意識(shí)要求教師關(guān)注密閉體系的壓強(qiáng)變化帶來的安全隱患及對(duì)毒性藥品進(jìn)行替代。變量控制意識(shí)要求教師盡量設(shè)計(jì)單一變量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)論與證據(jù)間的邏輯關(guān)系。通過定量對(duì)比或正交實(shí)驗(yàn)探索最佳的實(shí)驗(yàn)條件體現(xiàn)的是教師定量意識(shí)。實(shí)驗(yàn)時(shí)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(xué)意識(shí)。

關(guān)鍵詞： 實(shí)驗(yàn)素養(yǎng); 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新; 安全意識(shí); 變量控制意識(shí); 定量意識(shí); 美學(xué)意識(shí)

文章編號(hào)： 1005-6629（2019）12-0026-04? ? ? ? ? ? 中圖分類號(hào)： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

贛州市每?jī)赡昱e辦一次青年教師的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)賽活動(dòng)。實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新、實(shí)驗(yàn)裝置創(chuàng)新、實(shí)驗(yàn)原理創(chuàng)新、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容創(chuàng)新等?；顒?dòng)要求參賽選手展示實(shí)驗(yàn)儀器，能夠?qū)?shí)驗(yàn)原理、操作步驟、設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)解說，并現(xiàn)場(chǎng)演示實(shí)驗(yàn)。從操作規(guī)范、熟練程度、現(xiàn)場(chǎng)解說、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新和實(shí)驗(yàn)效果五個(gè)方面對(duì)參賽選手的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)活動(dòng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

筆者有幸受邀參加2019年贛州市實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)活動(dòng)的評(píng)委工作。本屆實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)活動(dòng)共有22名選手參賽，分兩組同時(shí)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(shí)驗(yàn)皆以教材實(shí)驗(yàn)為藍(lán)本，對(duì)教材實(shí)驗(yàn)的不足進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，讓創(chuàng)新有源，服務(wù)教學(xué)。絕大多數(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)具備了科學(xué)性和一定的實(shí)用性，實(shí)驗(yàn)效果顯著。

人教版《化學(xué)2》實(shí)驗(yàn)3-3“乙醇的催化氧化”，按照教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行演示，學(xué)生常有兩個(gè)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(hào)選手基于以上兩個(gè)問題對(duì)乙醇的催化氧化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)（見圖1）。

實(shí)驗(yàn)過程中可清晰地觀察到銅絲表面“紅—黑”交替現(xiàn)象，醛檢測(cè)試劑（主要成分： 酚試劑、硫酸鐵銨、1‰稀鹽酸、純水）由黃色變藍(lán)色。再比如人教版《化學(xué)1》實(shí)驗(yàn)4-8“氨溶于水的噴泉實(shí)驗(yàn)”，教師一般不會(huì)演示此實(shí)驗(yàn)，因?qū)嶒?yàn)準(zhǔn)備

圖1? 乙醇的催化氧化

時(shí)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(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行反復(fù)摸索改進(jìn)，最終成功設(shè)計(jì)出“連環(huán)變色噴泉實(shí)驗(yàn)裝置（見圖2）”，提高了實(shí)驗(yàn)趣味性、探究性。

圖2? 連環(huán)變色噴泉實(shí)驗(yàn)

以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)是化學(xué)學(xué)科的重要特征之一，化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)于全面發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)有著極為重要的作用。新課程標(biāo)準(zhǔn)倡導(dǎo)從四個(gè)方面發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能： （1）引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)學(xué)習(xí)化學(xué)。（2）重視通過典型的化學(xué)實(shí)驗(yàn)事實(shí)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其變化的本質(zhì)和規(guī)律。（3）利用化學(xué)實(shí)驗(yàn)史實(shí)引導(dǎo)學(xué)生了解化學(xué)概念、化學(xué)原理的形成和發(fā)展，認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)在化學(xué)科學(xué)發(fā)展中的重要作用。（4）引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的化學(xué)知識(shí)和技能，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)操作，分析和解決與化學(xué)有關(guān)的實(shí)際問題[1]?；瘜W(xué)教師的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)直接決定著實(shí)驗(yàn)在化學(xué)學(xué)習(xí)中獨(dú)特價(jià)值的發(fā)揮，但是從實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和選手對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的駕馭能力看，老師們的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，除非公開課、展示課或比賽課。因?yàn)樾畔⒓夹g(shù)的成熟，視頻實(shí)驗(yàn)可以反復(fù)播放。本文擬以11位選手的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)為例談?wù)勌嵘處煂?shí)驗(yàn)素養(yǎng)的四個(gè)意識(shí)，以期與同行共勉。

1? 安全意識(shí)

安全是化學(xué)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)的第一要素，包含實(shí)驗(yàn)儀器安全、實(shí)驗(yàn)藥品安全、實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)安全、實(shí)驗(yàn)過程安全等諸多方面?；瘜W(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”開宗明義地強(qiáng)調(diào)“具有安全意識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度”，教師要在確保安全的前提下引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探索未知、追求真理。

多數(shù)中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)不可避免產(chǎn)生廢氣、廢液等。教師在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新時(shí)，都具有“綠色化學(xué)”觀念，盡可能地將開放體系設(shè)計(jì)成封閉體系，防止尾氣逸散到空氣中，對(duì)師生健康造成危害。實(shí)驗(yàn)的綠色化是實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)必須關(guān)注的一個(gè)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(hào)選手對(duì)人教版《化學(xué)2》實(shí)驗(yàn)2-2“Ba（OH）2·8H2O晶體與NH4Cl晶體的吸熱反應(yīng)”進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。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(diǎn)來表征Ba（OH）2·8H2O晶體與NH4Cl晶體反應(yīng)吸收熱量。具體實(shí)驗(yàn)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(yīng)，其受環(huán)境溫度影響較大，如果環(huán)境溫度稍高，實(shí)驗(yàn)常以失敗告終。1號(hào)選手對(duì)實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)的自評(píng)為： 成功率高，現(xiàn)象明顯，綠色環(huán)保。

1號(hào)選手在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)通過制造密閉體系來解決教材實(shí)驗(yàn)NH3在敞開體系的擴(kuò)散問題。雖然其展示過程中沒有出現(xiàn)安全事故，但是實(shí)驗(yàn)的安全問題始終讓評(píng)委們擔(dān)憂不已。密閉體系中缺乏吸收或收集NH3的措施，這說明1號(hào)選手在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)缺乏安全意識(shí)。巧合的是，在初中實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)活動(dòng)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(yùn)動(dòng)（見圖3）。當(dāng)其將試管放入熱水約30s后，試管的橡皮塞被強(qiáng)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?yàn)闊崴疁囟忍?，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(huì)發(fā)生這類安全事故。提高化學(xué)教師的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)首先要求他們時(shí)刻繃緊安全這根弦，杜絕僥幸心理。

圖3? 分子運(yùn)動(dòng)

從藥品的安全角度看，反應(yīng)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(shí)驗(yàn)每次耗用Ba（OH）2·8H2O高達(dá)20克，污染嚴(yán)重，1號(hào)選手Ba（OH）2用量減半比封住氨氣有價(jià)值。如果能夠選擇低毒、安全的藥品進(jìn)行吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)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(dá)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(shí)

“證據(jù)推理”是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，其內(nèi)涵為“具有證據(jù)意識(shí)，能基于證據(jù)對(duì)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(shí)或證偽;建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系”。影響化學(xué)實(shí)驗(yàn)的因素除反應(yīng)本身性質(zhì)外，還有諸如濃度、溫度、壓強(qiáng)等外在因素。因此控制變量是化學(xué)實(shí)驗(yàn)必需面對(duì)的問題，只有設(shè)計(jì)單個(gè)因素的改變而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)也更能達(dá)到預(yù)期目的，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的說服力[4]。

人教版選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》實(shí)驗(yàn)2-1為比較不同濃度稀硫酸與鋅粒反應(yīng)的速率。7號(hào)選手對(duì)該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)（見圖4）。

圖4? 濃度、溫度對(duì)反應(yīng)速率影響

改進(jìn)的目的是通過觀察滴水的速率來探究濃度、溫度對(duì)鋅與稀硫酸反應(yīng)速率的影響。當(dāng)選手通過注射器向試管中加水稀釋硫酸時(shí)，理論上滴水速率會(huì)減慢。可實(shí)際結(jié)果滴水速率反而變快了。為什么會(huì)出現(xiàn)這種與預(yù)期不一致的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象呢？因?yàn)橥芊怏w系中加水，雖然硫酸的濃度下降了，但是加水和反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱效應(yīng)都會(huì)使體系壓強(qiáng)增大。用圖4探究溫度對(duì)反應(yīng)速率影響也存在兩個(gè)變量，當(dāng)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(huì)使試管內(nèi)的壓強(qiáng)增大，也導(dǎo)致滴水速率加快。實(shí)驗(yàn)證據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)論之間并沒有唯一的關(guān)聯(lián)性，不夠嚴(yán)謹(jǐn)。

3號(hào)選手同樣也缺乏變量控制意識(shí)。該選手以柚子皮作為水蒸氣來源對(duì)人教版《化學(xué)1》科學(xué)探究“鐵粉與水蒸氣”反應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯，不到2分鐘時(shí)間吹出彩色大氣泡，且氣泡能夠被點(diǎn)燃。實(shí)驗(yàn)雖然很成功，但是細(xì)究起來，氫氣一定是鐵粉與水蒸氣反應(yīng)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(jī)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(diǎn)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(lán)色的變化來監(jiān)測(cè)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(shí)

1775年前后，拉瓦錫用定量化學(xué)實(shí)驗(yàn)闡述了燃燒的氧化學(xué)說，開創(chuàng)了定量化學(xué)時(shí)期，使化學(xué)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(xué)真正成為一門科學(xué)?；瘜W(xué)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(xué)實(shí)驗(yàn)的定量化包含實(shí)驗(yàn)藥品的定量化，實(shí)驗(yàn)條件的定量化，實(shí)驗(yàn)操作的定量化，等等?；瘜W(xué)教師在開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)或進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新時(shí)一定要有定量意識(shí)。

人教版《化學(xué)1》實(shí)驗(yàn)3-9安排了“FeSO4溶液與NaOH溶液混合實(shí)驗(yàn)”。所觀察到的現(xiàn)象為： 當(dāng)往FeSO4溶液中滴入NaOH溶液時(shí)，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?yàn)榘咨珰溲趸瘉嗚F一閃而過，這極大地激起了教師的研究熱情，不斷地對(duì)白色氫氧化亞鐵制備實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

本次比賽活動(dòng)，有兩位選手基于“除氧、隔氧”思路對(duì)制備白色氫氧化亞鐵實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。一位選手利用注射器完成實(shí)驗(yàn)，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(huì)變成灰色。

白色氫氧化亞鐵制備是中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)，該實(shí)驗(yàn)對(duì)藥品的用量、反應(yīng)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(huì)緩慢地變成灰綠色。這就要求教師在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)要有定量意識(shí)。遺憾的是，兩位選手在展示時(shí)都沒有說明所用藥品的濃度。查閱文獻(xiàn)，王思佳采用正交實(shí)驗(yàn)法，探究了NaOH溶液和FeSO4溶液濃度對(duì)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(yīng)制備白色氫氧化亞鐵的實(shí)驗(yàn)方案[7]。

可喜的是，6號(hào)選手在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新時(shí)具有很強(qiáng)的定量意識(shí)。該選手對(duì)人教版選修5《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》實(shí)驗(yàn)2-1“乙炔的實(shí)驗(yàn)室制取”進(jìn)行改進(jìn)。教材為了減緩電石與水的反應(yīng)速率，用飽和食鹽水代替水，但是反應(yīng)依然很劇烈，電石易呈糊狀。6號(hào)選手通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)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(xué)意識(shí)

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(xué)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(xué)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(xué)之美美在化學(xué)變化的絢麗多姿、化學(xué)原理的簡(jiǎn)約和諧、化學(xué)用語的抽象樸素?；瘜W(xué)是一門具有獨(dú)特美的學(xué)科，作為一名化學(xué)教師理應(yīng)將化學(xué)之美呈現(xiàn)給學(xué)生，用化學(xué)之美吸引學(xué)生，激勵(lì)學(xué)生。

教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)或?qū)嶒?yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量將化學(xué)實(shí)驗(yàn)之美展示出來?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)之美主要體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)儀器選材美、實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)美、實(shí)驗(yàn)操作的嫻熟美、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的層次美。6號(hào)選手的乙炔實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置（見圖5）簡(jiǎn)潔實(shí)用，11號(hào)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(shí)驗(yàn)改進(jìn)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(shí)驗(yàn)創(chuàng)新缺乏美學(xué)意識(shí)，突出表現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)器材的選擇和裝置的組裝方面。11個(gè)實(shí)驗(yàn)有8個(gè)實(shí)驗(yàn)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(xué)儀器多數(shù)為玻璃透明儀器，造型優(yōu)雅，如中學(xué)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(shí)驗(yàn)改進(jìn)，美其名曰“廢物再利用”，其實(shí)用廢棄的醫(yī)療器械進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，不但有失化學(xué)之美，讓學(xué)生感到恐懼，而且還存在傳染疾病的風(fēng)險(xiǎn)[8]。有兩位選手進(jìn)行銅片與濃硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，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(huì)多一層色彩沖擊效果。

化學(xué)教學(xué)離不開化學(xué)實(shí)驗(yàn)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)價(jià)值實(shí)現(xiàn)離不開化學(xué)教師實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)的提高。要提高化學(xué)教師的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)，教師最好遠(yuǎn)離視頻實(shí)驗(yàn)，堅(jiān)持動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，追求實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范性、熟練性，提高實(shí)驗(yàn)安全意識(shí)，探索實(shí)驗(yàn)結(jié)論與實(shí)驗(yàn)證據(jù)的一致性，傳承化學(xué)學(xué)科特色和學(xué)科之美。

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