中學化學教材中培養學生實驗設計能力的案例分析

霍愛新

摘要：化學教材培養學生的實驗設計能力的功能成為評價教材的一項重要內容。文章以蘇教版高中化學教材《化學1》和《化學2》為例，通過具體案例分析，研究蘇教版高中化學教材《化學1》和《化學2》培養學生化學實驗設計能力的功能。

關鍵詞：蘇教版；化學必修教材；實驗設計能力

文章編號：1008-0546（2014）02-0091-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.02.036

從實驗設計能力的培養方面來說，傳統的化學教材中教師演示實驗比例很大，很少出現探究實驗和設計實驗，并且教材實驗往往側重于化學基本原理、基本概念及元素化合物基礎知識的傳授，過分強調實驗的驗證性和培養基本操作技能，實驗方法和技術落后，不利于學生綜合實驗能力的提高。新課改下，化學教材發生變革，更加注重培養學生的實驗設計能力，發展學生設計實驗的思維能力和創新能力。

分析高中化學課程標準和高考考試大綱，其中關于培養學生化學實驗能力主要有四個方面的要求，具體為：①改進或設計實驗方案；②了解實驗條件的控制；③分析或處理實驗數據和實驗結果；④繪制和識別典型的實驗裝置圖的能力。課程標準和高考考試大綱對于教材的研制和使用具有指導性作用[1]。所以本文針對考綱里對實驗設計能力的四點要求，對蘇教版高中化學教材進行案例分析。

一、設計實驗方案

教材在“活動與探究”和“交流與討論”兩個模塊直接涉及到實驗設計內容。教材按照學生的認知特點安排實驗，由簡及繁。教材在安排設計性實驗時，根據知識內容的特點，從學生的實際情況出發，先從水平較低的設計性實驗開始，逐漸向水平較高的設計性實驗進發，循序漸進，從而使教材中的多種多樣的設計性實驗呈現出不同的層次水平。從模仿設計開始，到有指導的設計，再到獨立的設計，逐漸增大實驗設計的程度，使實驗設計在教材體系中有層次地呈現。

以下為兩本教材中典型的實驗設計案例（按照在教材中出現的先后順序排列）。

案例1：設計分離或提純的方案

①實驗室中用氯化鉀在二氧化錳催化下受熱制取氧氣。從反應后的氯化鉀和二氧化錳的混合物中分離、回收這兩種物質，需要用哪些分離方法？請設計實驗方案。

②現有混有少量氯化鉀的硝酸鉀粉末，請參照兩者的溶解度曲線，設計實驗方案提純硝酸鉀。

案例2：

有四瓶無色溶液，分別是NaCl、NaBr、KBr、KI溶液。請根據有關物質的性質，參照第47頁的“資料卡”，設計實驗將它們區別開來。

案例3：

設計Fe2+與Fe3+相互轉化的實驗方案，進行實驗并記錄現象。

案例4：

①用銅片、鋅片（可從廢電池拆取）或鋁片、純堿溶液、白醋（或柑橘）等日常生活中的材料制作簡易電池，并測試是否能產生電流。

②以小組為單位，制定實驗方案，在教師指導下完成燃料電池制作實驗。

案例5：

依據乙酸乙酯的分子結構特點，運用已學的有機化學知識，推測怎樣從乙烯合成乙酸乙酯。

縱觀上述五個案例，教材實驗設計安排完全按照學生的認知特點和學生思維發展順序，以及實驗設計的梯度變化，案例1—案例5在教材中按照先后順序出現，依次按照從獲得物質的手段和方法（ 物質的分離和提純） →物質的性質研究（ 物質性質的探究） →物質性質的應用及反應規律研究（ 物質的檢驗與鑒別電化學問題研究）→物質的合成（ 物質的制備與合成） 這一線索來安排。這樣安排更加有利于學生掌握實驗設計的要領，培養實驗設計的思維，提高創新能力。

同時每一個案例之前都會有一些知識儲備，涉及到概念、定律、原理，實現理論分析到實驗研究方法的跨越。這些概念、定律或原理都與實驗原理、方案及實驗步驟密切相關，不僅為學生提供設計實驗的基礎知識，而且使學生進一步掌握領會實驗設計意圖，理論聯系實際，理解熟悉每一個實驗操作步驟及技能，對實驗現象進行合理解釋， 并通過討論得出實驗結果。

各個案例之間具有內在聯系性，注意實驗之間知識與技能的銜接。如設計提純某物質時，必然會用到基本的分離手段，這就要求學生對前述知識完全掌握。教材正因為考慮到知識間的銜接，各個案例安排得層次分明。

教材的設計實驗部分還包含了一些趣味性和生活性實驗，如案例4中的簡易電池實驗設計，驗證草木灰中含有碳酸鉀。實驗設計傾向于生活化、趣味化，在培養學生實驗設計能力的同時，充分滿足學生強烈的好奇心與求知欲，感受化學在日常生活和社會各方面的應用[2]。

另外，在每個設計實驗后的“練習與實踐”欄目都安排了設計型習題。教材通過專題性的實驗設計習題， 使學生從本質上理解實驗設計的原理， 培養學生獨特的思維能力，提高學生的創新能力，從而從根本上使學生對實驗設計的情感得到了升華，最終使實驗設計的興趣發生質的飛躍。

二、控制實驗條件

“實驗，實際上是條件控制下的觀察”，“所有的實驗，都是在條件控制下進行的。”[3]探尋、控制實驗的最佳條件，可以說是化學實驗的靈魂、成敗的關鍵。不僅對學生的學習，而且對教師的實驗研究、乃至化學學科的發展，都具有十分重要的意義。因此，教材有意識地安排了學生控制實驗條件的探究活動，發展控制實驗條件的能力[4]。

《化學1》第6頁“整理與歸納”欄目要求學生說出一種金屬與另一種金屬鹽溶液發生置換反應的條件，以及復分解反應的條件。這樣，教材直接提出實驗條件的重要性，使學生初步形成重視實驗條件的意識，在以后的學習中自覺地加強對實驗條件的關注和區分。

“化學史話”欄目介紹化學家通過控制實驗條件，探究化學物質及其變化的規律，獲得化學科學發現的歷史。從感性上激勵學生自己發現改進實驗條件，獲得更好的實驗現象與結果。endprint

“活動與探究”欄目通過具體實驗條件控制的探究活動，培養學生改進實驗條件的思維過程和科學方法。如《化學2》專題2第30頁，“活動與探究”欄目，通過改變過氧化氫溶液的量以及所用催化劑，讓學生觀察氫氣生成的速度，使學生認識到實驗條件的重要性，初步掌握控制實驗條件的科學方法。

教材完全按照學生認知特點，從初步了解實驗條件，到理解實驗條件的重要性，再到探究實驗條件，使學生逐步掌握實驗條件的控制，領悟控制實驗條件的科學思維。

三、分析或處理實驗數據

化學實驗處理的方法包括：化學用語法、表格法、線圖法[5]。

教材中所有實驗都采用表格法進行實驗處理，采用表格法的優點是直觀、全面、易懂。另外，有些實驗還采用了線圖法。

在教材《化學2》專題2第32頁“交流與討論”欄目，給出合成氨反應中正逆反應速率隨時間按變化曲線，引導學生通過線圖法處理實驗數據。該方法可以有效避免繁雜的計算，曲線往往包含豐富的信息，學生只要認真分析，就可以體會到線圖法的優點，從而引導學生在設計實驗過程中，開發利用線圖法處理數據，優化方案。另外，教材引導學生針對不同的實驗選擇更有效的實驗處理方法。

四、繪制和識別典型的實驗儀器裝置圖

本教材重視培養學生改進實驗裝置的能力，一套好的實驗裝置對于實驗的成敗、藥品利用率、結果處理等關系密切。新課標提出實驗裝置應該簡約化、安全化、綠色化、生活化。本教材設計充分圍繞這一主題展開，并且對裝置的安排體現梯度性。

《化學1》專題4第2單元中“硝酸的性質”，“觀察與思考”欄目中銅片分別與濃、稀硝酸在相同裝置中反應，并給出具體的實驗裝置。學生初步掌握該實驗的原理，最重要的是掌握本套裝置的構成特點以及優缺點。教材在本單元“練習與實踐”欄目中又安排了銅與稀硝酸反應裝置改進與選擇的習題。

以下為本習題的具體內容。

3. 甲同學采用如下頁圖2中的圖Ⅰ所示裝置驗證銅與稀硝酸的反應，并用排水法收集NO氣體。

①反應過程中的實驗現象是 。

②乙同學認為雖然收集的氣體是一氧化氮，但并不能說明反應中一定生成一氧化氮。你認為他的理由是 。

③丙同學采用如圖Ⅱ所示裝置進行實驗，證明了銅與稀硝酸反應生成一氧化氮。該同學的步驟如下表所示，請回答實驗中的有關問題。

④從環境保護的角度看，丙同學的實驗存在什么缺陷？你認為應如何改進？

上述兩圖均為銅片與稀硝酸反應的裝置。圖1為“觀察與思考”欄目銅片與稀硝酸反應的裝置，圖2為“練習與實踐”欄目中所給銅片與稀硝酸反應的兩套裝置。

習題中的問題設置不僅使學生加強對基礎知識的掌握，而且有利于培養學生改進裝置的方法。學生在做題過程中，對比會發現各套裝置的優缺點及側重驗證的性質。從而為以后改進實驗裝置提供參考，掌握改進思想的關鍵，具體問題具體分析。

問題①的設置，巧妙地加強習題與前文的聯系，裝置Ⅰ與“觀察與思考”欄目銅片與稀硝酸反應的裝置有很大的相似度，引導學生對比發現裝置的優缺點，同時使基礎知識順利地遷移到本題中來，初步滲透裝置改進的內容和特點。

問題②從表面上看僅僅是考察一氧化氮的氧化性，其實質在于引導學生發現改進實驗裝置的必要性和出發點。本實驗中，要證明反應生成氣體是一氧化氮就必須使反應裝置隔絕空氣，從而引導學生選擇改進實驗裝置的側重點。

問題③通過及時解決問題②所提到的疑問，學生在情感上獲得改進裝置的奇妙感，從而激發學生在以后的學習中運用實驗裝置的改進解決實際問題。另外，裝置Ⅱ在之前的學習中，學生從未或很少接觸到，這也為學生以后改進裝置提供依據，滲透裝置選擇和改進的思維，掌握一些實驗裝置改進的關鍵點。

本習題最后問題④要求學生自己從環保的角度改進一套裝置，真正做到學以致用，同時體現實驗裝置的簡易化、綠色化原則。

總之，教材安排突出裝置改進的思維訓練，不僅使學生認識到裝置改進的必要性和關鍵點，而且更注重學生發揮自己的聰明才智，創造性地自己動手改進裝置。在此過程中，學生不斷體會裝置選擇和改進的方法，發展創造性思維，解決實際問題。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.中學考試大綱[Z].2010

[2] 王后雄，黃郁郁.新課程天地人教版化學新課標教科書新增實驗的要素分析[J].化學教育， 2007，（4）：13-16

[3] 陳耀亭等編著.中學化學教學法[M].長春：吉林人民出版社，1984：16

[4] 胡紅杏.高中化學實驗設計教學及策略研究[D].蘭州：西北師范大學，2006：29

[5] 張克龍，蘇香妹.借助化學實驗教學培養學生科學探究能力的策略[J].教學儀器與實驗，2004，（3）：15-17endprint

“活動與探究”欄目通過具體實驗條件控制的探究活動，培養學生改進實驗條件的思維過程和科學方法。如《化學2》專題2第30頁，“活動與探究”欄目，通過改變過氧化氫溶液的量以及所用催化劑，讓學生觀察氫氣生成的速度，使學生認識到實驗條件的重要性，初步掌握控制實驗條件的科學方法。

教材完全按照學生認知特點，從初步了解實驗條件，到理解實驗條件的重要性，再到探究實驗條件，使學生逐步掌握實驗條件的控制，領悟控制實驗條件的科學思維。

三、分析或處理實驗數據

化學實驗處理的方法包括：化學用語法、表格法、線圖法[5]。

教材中所有實驗都采用表格法進行實驗處理，采用表格法的優點是直觀、全面、易懂。另外，有些實驗還采用了線圖法。

在教材《化學2》專題2第32頁“交流與討論”欄目，給出合成氨反應中正逆反應速率隨時間按變化曲線，引導學生通過線圖法處理實驗數據。該方法可以有效避免繁雜的計算，曲線往往包含豐富的信息，學生只要認真分析，就可以體會到線圖法的優點，從而引導學生在設計實驗過程中，開發利用線圖法處理數據，優化方案。另外，教材引導學生針對不同的實驗選擇更有效的實驗處理方法。

四、繪制和識別典型的實驗儀器裝置圖

本教材重視培養學生改進實驗裝置的能力，一套好的實驗裝置對于實驗的成敗、藥品利用率、結果處理等關系密切。新課標提出實驗裝置應該簡約化、安全化、綠色化、生活化。本教材設計充分圍繞這一主題展開，并且對裝置的安排體現梯度性。

《化學1》專題4第2單元中“硝酸的性質”，“觀察與思考”欄目中銅片分別與濃、稀硝酸在相同裝置中反應，并給出具體的實驗裝置。學生初步掌握該實驗的原理，最重要的是掌握本套裝置的構成特點以及優缺點。教材在本單元“練習與實踐”欄目中又安排了銅與稀硝酸反應裝置改進與選擇的習題。

以下為本習題的具體內容。

3. 甲同學采用如下頁圖2中的圖Ⅰ所示裝置驗證銅與稀硝酸的反應，并用排水法收集NO氣體。

①反應過程中的實驗現象是 。

②乙同學認為雖然收集的氣體是一氧化氮，但并不能說明反應中一定生成一氧化氮。你認為他的理由是 。

③丙同學采用如圖Ⅱ所示裝置進行實驗，證明了銅與稀硝酸反應生成一氧化氮。該同學的步驟如下表所示，請回答實驗中的有關問題。

④從環境保護的角度看，丙同學的實驗存在什么缺陷？你認為應如何改進？

上述兩圖均為銅片與稀硝酸反應的裝置。圖1為“觀察與思考”欄目銅片與稀硝酸反應的裝置，圖2為“練習與實踐”欄目中所給銅片與稀硝酸反應的兩套裝置。

習題中的問題設置不僅使學生加強對基礎知識的掌握，而且有利于培養學生改進裝置的方法。學生在做題過程中，對比會發現各套裝置的優缺點及側重驗證的性質。從而為以后改進實驗裝置提供參考，掌握改進思想的關鍵，具體問題具體分析。

問題①的設置，巧妙地加強習題與前文的聯系，裝置Ⅰ與“觀察與思考”欄目銅片與稀硝酸反應的裝置有很大的相似度，引導學生對比發現裝置的優缺點，同時使基礎知識順利地遷移到本題中來，初步滲透裝置改進的內容和特點。

問題②從表面上看僅僅是考察一氧化氮的氧化性，其實質在于引導學生發現改進實驗裝置的必要性和出發點。本實驗中，要證明反應生成氣體是一氧化氮就必須使反應裝置隔絕空氣，從而引導學生選擇改進實驗裝置的側重點。

問題③通過及時解決問題②所提到的疑問，學生在情感上獲得改進裝置的奇妙感，從而激發學生在以后的學習中運用實驗裝置的改進解決實際問題。另外，裝置Ⅱ在之前的學習中，學生從未或很少接觸到，這也為學生以后改進裝置提供依據，滲透裝置選擇和改進的思維，掌握一些實驗裝置改進的關鍵點。

本習題最后問題④要求學生自己從環保的角度改進一套裝置，真正做到學以致用，同時體現實驗裝置的簡易化、綠色化原則。

總之，教材安排突出裝置改進的思維訓練，不僅使學生認識到裝置改進的必要性和關鍵點，而且更注重學生發揮自己的聰明才智，創造性地自己動手改進裝置。在此過程中，學生不斷體會裝置選擇和改進的方法，發展創造性思維，解決實際問題。

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“活動與探究”欄目通過具體實驗條件控制的探究活動，培養學生改進實驗條件的思維過程和科學方法。如《化學2》專題2第30頁，“活動與探究”欄目，通過改變過氧化氫溶液的量以及所用催化劑，讓學生觀察氫氣生成的速度，使學生認識到實驗條件的重要性，初步掌握控制實驗條件的科學方法。

教材完全按照學生認知特點，從初步了解實驗條件，到理解實驗條件的重要性，再到探究實驗條件，使學生逐步掌握實驗條件的控制，領悟控制實驗條件的科學思維。

三、分析或處理實驗數據

化學實驗處理的方法包括：化學用語法、表格法、線圖法[5]。

教材中所有實驗都采用表格法進行實驗處理，采用表格法的優點是直觀、全面、易懂。另外，有些實驗還采用了線圖法。

在教材《化學2》專題2第32頁“交流與討論”欄目，給出合成氨反應中正逆反應速率隨時間按變化曲線，引導學生通過線圖法處理實驗數據。該方法可以有效避免繁雜的計算，曲線往往包含豐富的信息，學生只要認真分析，就可以體會到線圖法的優點，從而引導學生在設計實驗過程中，開發利用線圖法處理數據，優化方案。另外，教材引導學生針對不同的實驗選擇更有效的實驗處理方法。

四、繪制和識別典型的實驗儀器裝置圖

本教材重視培養學生改進實驗裝置的能力，一套好的實驗裝置對于實驗的成敗、藥品利用率、結果處理等關系密切。新課標提出實驗裝置應該簡約化、安全化、綠色化、生活化。本教材設計充分圍繞這一主題展開，并且對裝置的安排體現梯度性。

《化學1》專題4第2單元中“硝酸的性質”，“觀察與思考”欄目中銅片分別與濃、稀硝酸在相同裝置中反應，并給出具體的實驗裝置。學生初步掌握該實驗的原理，最重要的是掌握本套裝置的構成特點以及優缺點。教材在本單元“練習與實踐”欄目中又安排了銅與稀硝酸反應裝置改進與選擇的習題。

以下為本習題的具體內容。

3. 甲同學采用如下頁圖2中的圖Ⅰ所示裝置驗證銅與稀硝酸的反應，并用排水法收集NO氣體。

①反應過程中的實驗現象是 。

②乙同學認為雖然收集的氣體是一氧化氮，但并不能說明反應中一定生成一氧化氮。你認為他的理由是 。

③丙同學采用如圖Ⅱ所示裝置進行實驗，證明了銅與稀硝酸反應生成一氧化氮。該同學的步驟如下表所示，請回答實驗中的有關問題。

④從環境保護的角度看，丙同學的實驗存在什么缺陷？你認為應如何改進？

上述兩圖均為銅片與稀硝酸反應的裝置。圖1為“觀察與思考”欄目銅片與稀硝酸反應的裝置，圖2為“練習與實踐”欄目中所給銅片與稀硝酸反應的兩套裝置。

習題中的問題設置不僅使學生加強對基礎知識的掌握，而且有利于培養學生改進裝置的方法。學生在做題過程中，對比會發現各套裝置的優缺點及側重驗證的性質。從而為以后改進實驗裝置提供參考，掌握改進思想的關鍵，具體問題具體分析。

問題①的設置，巧妙地加強習題與前文的聯系，裝置Ⅰ與“觀察與思考”欄目銅片與稀硝酸反應的裝置有很大的相似度，引導學生對比發現裝置的優缺點，同時使基礎知識順利地遷移到本題中來，初步滲透裝置改進的內容和特點。

問題②從表面上看僅僅是考察一氧化氮的氧化性，其實質在于引導學生發現改進實驗裝置的必要性和出發點。本實驗中，要證明反應生成氣體是一氧化氮就必須使反應裝置隔絕空氣，從而引導學生選擇改進實驗裝置的側重點。

問題③通過及時解決問題②所提到的疑問，學生在情感上獲得改進裝置的奇妙感，從而激發學生在以后的學習中運用實驗裝置的改進解決實際問題。另外，裝置Ⅱ在之前的學習中，學生從未或很少接觸到，這也為學生以后改進裝置提供依據，滲透裝置選擇和改進的思維，掌握一些實驗裝置改進的關鍵點。

本習題最后問題④要求學生自己從環保的角度改進一套裝置，真正做到學以致用，同時體現實驗裝置的簡易化、綠色化原則。

總之，教材安排突出裝置改進的思維訓練，不僅使學生認識到裝置改進的必要性和關鍵點，而且更注重學生發揮自己的聰明才智，創造性地自己動手改進裝置。在此過程中，學生不斷體會裝置選擇和改進的方法，發展創造性思維，解決實際問題。

參考文獻

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[2] 王后雄，黃郁郁.新課程天地人教版化學新課標教科書新增實驗的要素分析[J].化學教育， 2007，（4）：13-16

[3] 陳耀亭等編著.中學化學教學法[M].長春：吉林人民出版社，1984：16

[4] 胡紅杏.高中化學實驗設計教學及策略研究[D].蘭州：西北師范大學，2006：29

[5] 張克龍，蘇香妹.借助化學實驗教學培養學生科學探究能力的策略[J].教學儀器與實驗，2004，（3）：15-17endprint