高中化學開放性實驗課題設計研究實例

周軼曄

摘 要：實驗是化學學科發展的基礎。在高中化學教學中，常規實驗有助于學生把知識理論應用于操作實踐，從而深化對知識的理解。與此同時，教師也應在可能的條件下給學生營造一個研究性的學習氛圍，引導和培養學生的實驗探究精神和研究能力。

關鍵詞：實驗設計；自變量；因變量；控制變量

筆者在日常教學中，通過學習和研究國內外的化學教學實驗大綱和評價標準，嘗試在日常化學教學中引導和啟發學生設計簡單的實驗來研究一對變量的關系，并把實驗設計付諸動手實驗。本文就實驗設計的理念、要求、評價標準做了介紹，并以某個開放性實驗課題為實例展示了高中生學習和實踐化學實驗設計的過程和結果，以及在整個過程中所表現出來的活躍開放的思維和嚴謹求實的態度。

一、化學實驗設計要求

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

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

2.實驗設計是否能有效控制變量。學生要說明如何調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.實驗設計是否能收集到足夠且可信的實驗數據。在設計方案中足夠的實驗操作次數能避免實驗結果的偶然性，以及足夠的數據和合理的數據分布能使結果呈現一個較準確的趨勢圖。

二、教學實驗設計實例

1.實驗設計課題和具體要求

筆者首先對學生進行了有關化學實驗設計的教學和指導，明確了實驗設計的要求和評價標準，并給學生布置了一個開放性的課題——“研究液體的某種物理性質”。學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造成的變化。具體要求如下：

（1）提出明確的實驗目的，包含自變量、可定量測量的因變量，以及可能影響到因變量結果的可控變量。

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

（3）列出具體的實驗試劑、設備和儀器。

（4）列出相關的實驗安全提醒。

（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據。

（6）設計記錄實驗數據的表格。

2.實驗設計過程

學生的實驗設計初稿在限定的一周時間內完成。筆者收集到五花八門的實驗設計方案，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）對自變量的設定和調整不合理。

（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。

（4）所選實驗儀器的量程、精度不合適。

筆者對學生的初稿做了第一遍批改，并進行了一對一的交流和探討，指出問題并啟發學生對自己的方案進行進一步的思考和修改。之后學生根據自己的修改方案動手實驗操作和測量。在實踐過程中學生會進一步發現實驗設計中的問題以及在設計細節上的缺陷，并在實驗進程中記錄需要改進的地方。例如：發現新的可能影響結果的可控變量；增減或替換實驗試劑和設備；完善實驗步驟……甚至推翻整個實驗方案，進行重新設計。最終的實驗設計方案更嚴謹翔實，更具可操作性。

三、教學體會和總結

“研究液體的某種物理性質”，是一個簡單卻又寬泛的命題，學生可以基于現有的科學知識充分展開自己的思維設計如何研究一對有關液體物理性質的變量。在現實的科學研究中，定量測量和數據分析是任何研究結論的事實依據。因此，對實驗設計很重要的一點要求就是對所研究的因變量進行定量測量。而為了保證實驗中因變量的結果變化僅僅是由自變量的變化引起的，學生必須思考和發現任何會對因變量結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。

此次實驗方案設計的教學實踐旨在引導和啟發學生的科學實驗思維，實踐科學研究方法，培養嚴謹誠實的實驗態度。整個過程經過教師指導，學生設計，教師點評，學生修改，學生實驗，學生反思再修改一系列遞進的階段，學生對實驗設計有了一定的掌握和領悟，筆者也收獲了好多份新穎的設計方案，有感于學生活躍開放的思維。

學生通過實驗設計嘗試，初步掌握了科學研究的思維和方法。即在科學實驗中，必須有明確的研究目的，能合理調控自變量，定量測量因變量，控制其他可控變量，為將來進一步提高科學實驗能力打下一定的基礎。

編輯 謝尾合