例談化學實驗設計的教學功能

鄭善文　齊玉和

摘? 要 從學生主體參與、認知深化、過程探究、方法體驗、綜合實踐和教師專業(yè)發(fā)展等六個方面對化學實驗設計的教學功能進行分析研究，以期促進師生教與學方式的轉(zhuǎn)變，促進化學實驗教學改革。

關鍵詞 化學實驗;實驗設計;教學功能;化學學科素養(yǎng);教師專業(yè)發(fā)展

中圖分類號：G633.8? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）15-0119-03

1 前言

“新課程理念在化學教學中的有效落實，離不開化學實驗。”[1]而實驗設計作為化學實驗的規(guī)劃、構(gòu)思與預備環(huán)節(jié)，在學與教的過程中具有重要地位和作用。隨著課程改革的深入推進和新舊理念的碰撞轉(zhuǎn)換，重新審視化學實驗設計承載的教學功能和價值，對于有效增強實驗教學的效果、充分發(fā)揮化學實驗的基礎性作用十分有益。

2 化學實驗設計的教學功能

強化主體參與，激發(fā)化學學習動機與興趣[2]? 學生是化學實驗學習的主體，只有充分發(fā)揮他們參與實驗過程的主動性，才能實現(xiàn)實驗學習的自主構(gòu)建。義務教育化學課程標準要求：“能通過小組討論，根據(jù)所要探究的具體問題設計簡單的化學實驗方案?！盵3]作為學生動手實驗前的準備階段，根據(jù)實驗目的或?qū)嶒炛黝}，先讓學生獨立設計，再通過學習小組合作交流優(yōu)化，形成最佳方案后動手操作實踐。這種實驗前的特意安排——讓學生自主開展設計藥品、裝置、收集方法等方面的活動，不但能使學生熟悉整個實驗過程，而且突出強化了實驗主體的參與意識，增強了學生自主學習的動機，避免了被動實驗的局面，喚醒了學生的學習需要和學習期待，因而特別能激發(fā)、培養(yǎng)學生學習化學的興趣。

如二氧化碳的實驗室制取實驗中，教科書給出了藥品、裝置、步驟乃至完整的實驗過程，如果“照方抓藥”式地開展實驗教學，僅能短暫引起學生動手的新奇感，不能深入激發(fā)學生的認知需要和自我提高的動機。在教學中，筆者增設了兩個實驗設計活動：尋找實驗室制取二氧化碳的適合藥品;利用身邊的用品或化學儀器設計制取二氧化碳的裝置。這種增設的化學實驗設計活動是對實驗過程的一種超前的體驗，讓實驗探究不再是紙上談兵，而是實驗主體親身參與、經(jīng)歷的真實體驗過程，因而有助于增強實驗學習的效果。另外，這種體驗建立在學生所學知識的綜合運用基礎之上，不但強化了學生的主體參與，而且深度激發(fā)了學生學習化學的興趣。

深化認知理解，提高分析與解決問題能力[2]? 義務教育化學課程標準要求：“能在教師指導下或通過小組討論，根據(jù)所要探究的具體問題設計簡單的化學實驗方案?！盵3]因此，化學實驗設計能夠促使學生綜合運用所學化學基礎知識和基本技能，分析實驗主題任務，設計過程與方法，對化學實驗的全過程進行周密、合理的安排，而且涉及最佳方案的優(yōu)化選擇。這是一種較高層次的綜合認知理解與應用實踐，需要學生進行嚴密的思維推理與設計，必然促進學生分析問題與解決問題能力的形成與提升。

如在“除去食鹽中可溶性雜質(zhì)”的實驗中，魯教版初中化學教科書給出除雜的藥品與操作圖示，為學生直觀形象呈現(xiàn)了除雜的步驟及現(xiàn)象。筆者把這節(jié)課設計為學生學習酸、堿、鹽后的一個綜合實驗設計活動課，讓學生綜合運用所學的酸堿鹽知識去尋找除雜試劑，同時注意思考試劑的加入順序。學生設計了多種方案，這時引導試錯，分析錯誤順序產(chǎn)生的后果，最后篩選出最佳方案。在達成實驗方案的過程中，學生綜合運用酸堿鹽的性質(zhì)知識，深化證據(jù)推理與模型認知思維能力，提高了分析問題、解決問題的能力。

經(jīng)歷探究過程，培養(yǎng)求新求變的創(chuàng)新意識? 實驗探究是化學探究活動的主要形式，是轉(zhuǎn)變學生學習方式、培養(yǎng)學生探究能力的主渠道。義務教育化學課程標準在“發(fā)展科學探究能力”主題單元提出八個要素，即探究活動的八個環(huán)節(jié)，其中“制訂計劃”要求學生能夠設計簡單的化學實驗方案，即進行化學實驗設計。課標也要求“在教師指導下或通過小組討論，提出活動方案，經(jīng)歷制定科學探究活動計劃的過程”，即要學生從探究問題或主題開始，經(jīng)歷完整的探究過程設計與規(guī)劃。而在化學實驗設計與規(guī)劃活動中，由于化學實驗問題的開放性、探究性，學生必然面臨多樣化的選擇，加之知識水平、認識理解能力和生活經(jīng)驗的差異，學生或?qū)W習小組可能設計不同的實驗過程方案，這時教師要順應并及時捕捉學生“求新求變”的創(chuàng)新思路，鼓勵設計不同方案，通過討論交流、啟發(fā)思維、誘發(fā)創(chuàng)新，從多種方案中選擇可行的、最佳的實驗途徑，達到殊途同歸的效果。

如在質(zhì)量守恒的實驗探究中，學生已有的知識經(jīng)驗和理解能力一般比較容易達成實驗結(jié)論，因此，探究結(jié)論“一目了然”，實驗過程缺乏探究性，學生容易喪失探究的意愿。日常教學一般在必要的講解和準備之后，就讓學生設計實驗并動手實驗。魯教版初中化學教科書設計了三個有代表性的化學反應作為研究對象，即氫氧化鈉溶液和硫酸銅溶液反應、鹽酸和大理石反應、白磷在空氣中燃燒[4]。后兩個實驗的關鍵是在密閉系統(tǒng)中進行，這一點相當一部分學生是容易猜想到的，因此，實驗的探究性大為降低。

為此，筆者在教學中直接在開放系統(tǒng)中做這三個實驗，作為創(chuàng)設教學情境的素材，引發(fā)學生認知沖突，激發(fā)探究欲望和動機，然后讓學生設計探究實驗方案。這樣引導學生把思維集中在“透過現(xiàn)象看本質(zhì)”——追尋質(zhì)量不平衡的原因，接著思考如何密閉系統(tǒng)、如何引燃白磷、如何保證實驗結(jié)果的準確性等，激發(fā)了學生的創(chuàng)新沖動。有的白磷的引燃除了用加熱的玻璃棒，還設計了用激光棒、凸透鏡、電爐等方式，鹽酸和大理石的反應也經(jīng)歷了僅用橡皮塞密封到單孔塞連氣球的密封過程。

筆者感到在實驗中挖掘未知性、創(chuàng)設探究性過程，不但沒有偏離實驗探究的方向，而且增強了化學實驗設計的多樣性，激發(fā)了學生創(chuàng)新的愿望——求新求變，從而有助于學生的創(chuàng)新意識培養(yǎng)。

體驗科學方法，培養(yǎng)嚴謹細致的科學態(tài)度? 實驗設計讓學生運用已有知識和方法，通過思維和書面表達，提前經(jīng)歷實驗的“全”過程，即實驗前的精心預設。設計過程中經(jīng)常需要考慮觀察、測定、實驗條件控制、實驗記錄、數(shù)據(jù)處理等科學方法的運用與設計。因此，化學實驗設計不僅與化學知識與技能目標相聯(lián)系，更涉及“過程與方法”目標的達成，而設計過程中這些科學方法的恰當運用，必然有助于學生科學態(tài)度的養(yǎng)成。

如在探究“分子間間隔”實驗中，魯教版初中化學教科書設計了“10 mL水和10 mL酒精混合”[4]的定量探究實驗過程，在此基礎上，筆者進一步啟發(fā)誘導學生設計兩組對比實驗：10 mL水和10 mL水混合;10 mL酒精和10 mL酒精混合。并且每組實驗前根據(jù)日常生活的經(jīng)驗先猜想預測，再觀察列表對比實驗結(jié)果，進而追問實驗結(jié)果的微觀機理，這樣學生便能夠順理成章得出實驗結(jié)論。

這個實驗設計中運用了觀察、測定和實驗條件的控制等方法，也體現(xiàn)了對比實驗設計的方法，讓學生經(jīng)歷并深切體驗了科學實驗的探究過程以及科學方法的精準運用，客觀上加深了對實驗結(jié)論的理解，突出了宏觀辨識與微觀探析的學科思維推理過程，有助于培養(yǎng)學生實事求是、一絲不茍、嚴謹審慎的科學態(tài)度。

引導綜合實踐，培養(yǎng)資源開發(fā)與利用意識? 資源的開發(fā)與利用是課程改革的新要求，也是新課程理念的重要組成部分。引導學生開展課外化學實驗設計與實踐，不但可以拓寬學生的化學視野，而且有助于培養(yǎng)學生課程資源的開發(fā)與利用意識，體現(xiàn)“從生活走進化學、從化學走向社會”的理念，從而提高學生化學實踐能力和實驗能力。

如自制汽水、探索花朵的汁液遇酸堿變色的情況、蠟燭的點燃與火焰觀察等課外實驗，要求學生先個人設計制訂實驗方案，然后小組合作交流選擇最優(yōu)設計，交教師審核后再開展課外實驗活動。這種綜合性的課外實驗設計活動，加強了學生化學知識技能與生活經(jīng)驗的整合遷移，使化學學科深入連接學生生活，從校內(nèi)走向校外，促進學生逐步樹立實驗資源開發(fā)與利用意識，為課內(nèi)化學學習提供了生動的實踐支撐，也為將來的化學學習與實踐開拓了廣闊的空間。

助推教師專業(yè)發(fā)展，提高其課程與教材駕馭能力? 實驗設計能力是化學專業(yè)能力的一個基本方面，需要化學教師深入學習內(nèi)化新課程教學理念，轉(zhuǎn)變個人教學方式，不斷提高化學實驗的探究設計能力;尤其要準確理解落實化學課程標準的理念要求與教科書的設計意圖，鉆研化學實驗探究設計的技能技巧，引導學生深度參與實驗探究過程，并有效促進學生學習方式的轉(zhuǎn)變。

如魯教版初中化學教科書中，“粗鹽提純”依托海水“曬鹽”作為常識性介紹知識的形式呈現(xiàn)。筆者分析了幾個版本化學教科書的設計，發(fā)現(xiàn)通常以驗證性實驗的方式呈現(xiàn)，實驗的主要任務是通過過濾、蒸發(fā)等操作除去粗鹽中的不溶性雜質(zhì)，實驗中教與學的時間主要放在一些基本技能操作應用上，對實驗產(chǎn)品也無定量要求。在教學中，筆者對這個實驗進行了重新設計，根據(jù)探究實驗的要素和步驟，注重提高實驗過程的探究性。

首先，利用海水曬鹽的場景創(chuàng)設真實教學情境。接著，整合學生提出的問題，提出探究問題：怎樣除去粗鹽中的不溶性雜質(zhì)而得到食鹽晶體呢？再利用兩個問題驅(qū)動學生思考設計，并做好實驗前準備：使用什么方法可將粗鹽中的泥沙除去？除去泥沙后，再怎樣操作才能得到食鹽晶體呢？然后設置學生設計實驗方案環(huán)節(jié)，讓學生體驗實驗過程并主動參與實驗。最后，稱量展示提純后的產(chǎn)品并計算產(chǎn)率。探究過程中設計了6～9個分組實驗，并要求學生把用到的29種儀器和用品統(tǒng)一規(guī)范擺放。

這種實驗教學設計，變驗證性實驗為探究式實驗，讓學生經(jīng)歷完整的實驗探究歷程，激發(fā)其主動參與實驗的熱情，增強了實驗的探究效果，同時促進了課標理念的落實，提高了教師的探究教學設計能力。

3 結(jié)語

總之，化學實驗設計是促進學生主動學習的關鍵節(jié)點，也是化學教學的重要環(huán)節(jié)，具有豐富的學與教價值。加強化學實驗設計研究和教學實踐應用，有助于促進認知性、技能性和體驗性學習目標的有效達成，也有助于師生學與教方式的轉(zhuǎn)變，是學生化學學科能力與素養(yǎng)發(fā)展的重要抓手，也是化學教師專業(yè)實踐和能力發(fā)展的有效途徑。

參考文獻

[1]鄭長龍.初中化學新課程教學法[M].長春：東北師范大學出版社，2004：237.

[2]梁慧姝，鄭長龍.化學實驗論[M].南寧：廣西教育出版社，1999：117.

[3]中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準[S].北京：北京師范大學出版社，2011：10.

[4]畢華林，盧巍.義務教育教科書（五·四學制）化學八年級全一冊[M].濟南：山東教育出版社，2016：28-103.

*項目來源：山東省教育科學“十二五”規(guī)劃2017年度教學專項課題“‘德育為先的學生化學核心素養(yǎng)發(fā)展模型構(gòu)建”（課題

批準號：XJ0085）。

作者：鄭善文，東平縣教育科學研究中心初中教研室主任，高級教師，研究方向為化學課程與教學（271500）;齊玉和，泰安市基礎教育教學研究室副主任，高級教師，研究方向為化學課程與教學（271000）。