在實驗教學中培養學生的創新能力

《義務教育化學課程標準（2022年版）》要求在化學教學中，重視以核心素養為導向，開展以化學實驗為主的多樣化的探究活動，從多方面發展學生的核心素養。化學實驗有演示實驗和探究實驗，演示實驗能培養觀察、描述等基本技能，更能激發培養創新能力所需的好奇心和探究欲；探究實驗能拓寬創新能力所需的廣度和深度。演示實驗和探究實驗相互補充，使實驗教學擔起培養創新能力的重任。筆者結合多年教學實踐，從演示實驗和探究實驗兩個角度，談談充分發揮化學實驗的特殊作用，實現培養學生創新能力的認識。

一、充分利用好演示實驗，激發培養創新能力所需的好奇心和探究欲

演示實驗在課堂教學中很能吸引學生的眼球，往往有著點晴之筆的妙處。演示實驗的價值不僅在演示實驗本身，還能培養學生的觀察力、描述實驗現象的能力。演示實驗的延伸價值也同樣值得我們關注和研究。演示實驗不僅能培養學生的化學興趣、創造性思維，對培養學生克服挫折等素質也具有無形的影響。

（一）利用演示實驗，激發學生對化學的好奇心

在課堂教學中，教師在演示實驗時，學生的注意力往往非常集中，熱情高漲。教師與學生間的互動較為頻繁，有經驗的教師應抓住這一良好的時機，充分調動學生的積極性，實現預定的教學目標。

筆者認為可從兩個方面來做：第一，教師善于“出招”，適時向學生發難。不能只簡單地把演示實驗理解為教師做給學生看，可以將啟發式教學作為一種常用課堂教學方法。對于演示實驗，為使啟發的效果更好，可以不拘泥于一種方法，不局限于教材，要讓學生認識到教材的實驗方案是優秀的，但不是唯一的，鼓勵他們從基礎知識出發設計出合理的方案，培養其發散性思維。如在空氣和呼出的氣體有什么不同的探究實驗中，除用教材中收集空氣樣品的方法外，學生列舉了很多其他方法，如用氣球收集、用注射器收集、用塑料瓶收集等。在探究氧氣的性質演示實驗中，木炭在空氣和氧氣中燃燒均不產生火焰，而硫黃、生活中的蠟燭、酒精燈在空氣中或氧氣中燃燒都產生火焰。當學生還沉醉在精彩紛呈的現象中，只看到了熱鬧，而沒有看到“門道\"時，教師的“發難\"立馬激發了學生的思維，學生紛紛提出假設：a.與氧氣的濃度有關；b.與可燃物的狀態有關。教師適時點撥學生又得出第三種假設：與燃燒達到的溫度和可燃物沸點有關。當然教師的“發難”是有準備的，下面筆者展示了氫氣、一氧化碳、木炭、石蠟、鈉、鐵等六種物質的狀態、沸點、燃燒達到溫度及是否產生火焰幾個方面的信息。學生經分析得出：1.可燃物的燃燒是否產生火焰與氧氣的濃度沒有關系，因為木炭在空氣和氧氣中燃燒均不產生火焰，只是燃燒的劇烈程度不同，其他可燃物也是如此；2.氣態物質燃燒都產生火焰，例如氫氣、一氧化碳均為氣體，燃燒時都產生藍色火焰，其他氣體燃燒時也都產生火焰；3.固態物質中，木炭和鐵燃燒無火焰，所以固態物質要分情況對待，但是不論可燃物是固態還是液態，只要可燃物燃燒的溫度高于可燃物自身的沸點，就會產生火焰，可燃物燃燒的溫度低于可燃物自身的沸點，則不產生火焰。

在金屬與酸反應的演示實驗中，鋁與鹽酸反應后的試管中有灰黑色沉淀。教師趁機提出問題：鋁和鹽酸反應出現的灰黑色沉淀是什么？鑒于學生的知識儲備，教師提供信息：氯化鋁固體的顏色是無色透明或白色而微帶淺黃色，溶解性為易溶于水，易溶于酒精；金屬鋁在片狀或塊狀時是銀白色，在顆粒細小時為灰黑色。學生據此提出幾種假設：a.該灰黑色沉淀只含有鋁，依據是鋁在顆粒細小時為灰黑色；b.含有鋁和氯化鋁，依據是鋁在顆粒細小時是灰黑色，含少量氯化鋁時不影響整體的顏色；c.含有難溶于酸的物質，依據是反應物中可能有酸剩余。學生設計出如下實驗方案：1.取灰黑色沉淀，加入適量稀硫酸；2.加入適量蒸餾水；3.加入適量無水乙醇。學生觀察實驗現象得出結論。由此可見，教師通過演示實驗加強對學生的啟發，能讓學生的思維更進一步發展，收獲更多。

第二，教師還要善于“接招”，實事求是地解決學生在演示實驗中提出的問題。如在水的凈化教學中，筆者演示了活性炭的凈水效果，后續講到硬水與軟水時，學生隨即提問：活性炭能否降低水的硬度呢？筆者心里只想對學生簡單地回答一句：“不能！”但轉念一想，覺得此時應“接招”。經過思考，我腦中已有答案。筆者又啟發同學們：假設現有硬度較大的地下水、活性炭、蒸餾水、肥皂水等，應如何設計實驗？學生經過討論，決定采用對比法：向裝有足量活性炭的燒杯中倒入 硬度較大的地下水，充分攪拌，靜正、過濾后得到濾液；再分別取 原地下水和濾液置于試管中，滴加等量肥皂水，充分振蕩，靜止后對比觀察泡沫及浮渣多少，得出結論。

教學第十單元課題1“常見的酸和堿\"時，筆者演示了飽和氫氧化鈣溶液導電性實驗，學生觀察到：燈泡發光，兩電極分別有氣泡產生，燒杯內液面下降，石墨電極附近的溶液中出現白色渾濁物，溶液溫度升高。筆者的初衷只是觀察到燈泡發光就算成功了，可是發生一連串的其他現象，使學生不停追問，如何實事求是地加以解決呢？不如變“堵”為“疏”，進一步發揮演示實驗的價值，引導學生做出猜想：a.溶液溫度升高，氫氧化鈣溶解度變小，溶質析出；b.水減少，溶質析出；c.石墨電極與生成氣體反應，產生白色渾濁物。設計實驗：1.取相同條件下的 飽和氫氧化鈣溶液于燒杯中，加熱使溶液溫度上升到與演示實驗時溶液的溫度相同，觀察有無渾濁出現；2.將相同條件下的 飽和氫氧化鈣溶液加熱蒸發掉部分水，蒸發掉水的體積與演示實驗減少水的體積相同，觀察有無渾濁出現；3.向 相同濃度飽和氫氧化鈣溶液中加入 蒸餾水攪拌，其余條件不變，重復進行演示實驗，觀察有無渾濁出現；4.使用鉑電極代替石墨電極，重復實驗。后續實驗雖然部分因條件不具備，沒有進一步演示，但教師的這種“接招”，這種實事求是的風格，是學生最好的榜樣。通過實際行動，讓演示實驗成為教師和學生思維發生碰撞、相互“發難”、相互啟發的媒介，在這種碰撞的能量場中實現雙向奔赴，共同成長。

（二）利用演示實驗，激發學生進行創新的欲望

通過演示實驗，學生能在教師的引導下分析問題，剝絲抽繭，把握問題本質。如二氧化碳氣體與氫氧化鈉溶液反應的實驗中，把二氧化碳氣體直接通入氫氧化鈉溶液時，并沒有明顯的實驗現象。怎樣設計才能有明顯現象的實驗呢？在筆者的啟發下，學生明確了這類問題解決的通常思路：一是驗證反應物的減少或消失；二是驗證產物的生成。因此可以有以下兩種方案：（1）通過反應物的減少進行證明。二氧化碳氣體和氫氧化鈉在反應中均會減少，由于二氧化碳是氣體，利用氣體的減少而導致的壓強減小來設計實驗。氣體的減少會導致壓強的改變，壓強改變本身是看不見的，此時借助U形管水位變化來顯示氣球體積增大或減小，觀測出壓強的改變，從而使實驗成功。（2）通過檢驗有新的生成物方法進行證明。選擇的試劑應能與碳酸根離子反應產生明顯的現象。方法一：加入過量的稀鹽酸，有氣泡產生，說明有碳酸根離子；方法二：加入澄清石灰水或氫氧化鋇溶液，觀察到有白色沉淀產生，說明有碳酸根離子；方法三：加入氯化鋇溶液，觀察到有白色沉淀產生，說明有碳酸根離子。還可利用數字化實驗，借助壓強傳感器測定壓強改變的圖像進行比較。取等體積的氫氧化鈉溶液和水同時注入等量的二氧化碳中，得到壓強隨時間變化的曲線。圖線顯示相同時間內二氧化碳在水中的壓強下降趨勢明顯小于在氫氧化鈉中的下降趨勢，可證明二氧化碳能與氫氧化鈉反應。在這個演示實驗中，還有學生提出可以從能量變化的角度設計實驗，也是值得肯定的。從這個例子可以看出，演示實驗是創造能力的孵化器，是創新思維孕育之地。

二、精心設計探究實驗，拓寬創新能力所需的廣度和深度

從思維的廣度和深度方面，橫向拓寬，縱向延伸，精心設計探究實驗能更好培養學生創新意識

（一）多角度設計探究實驗，拓寬思維廣度

筆者在教學過程中體會到：影響學生探究能力提高的主要因素之一是學生認識問題比較單一和片面，只見樹木不見森林，缺乏多角度認識問題的能力。因此在探究實驗教學中，應著力提高學生多角度認識問題的能力。

如在“金屬與酸反應快慢可能受哪些因素影響'探究實驗中，可以設計如下兩個任務。任務1：探究影響金屬與酸反應的外因。同學們經討論后認為金屬的形狀、酸的濃度都會對金屬與酸反應產生影響，為驗證猜想做如下四個實驗： 片狀鐵與 5 % 鹽酸反應； 片狀鐵與 10 % 鹽酸反應； 粉末狀鐵與 40m L 鹽酸反應； 粉末狀鐵與40m L鹽酸反應；均測定收集 氫氣所需要的時間。任務2：探究影響金屬與酸反應的內因。金屬本身的性質是影響其反應速率的關鍵因素，小組同學在常溫下用足量的顆粒大小相同的銅、鋅、鐵分別與等體積、等濃度的稀鹽酸反應，用數字化傳感器記錄實驗過程中壓強變化，借助直觀的圖像探究內因。通過一系列實驗、觀察，學生在思考和對比中完成了對所學內容的理解。從外因和內因兩大方面整體把握探究，高屋建瓴，思維廣度得以提升。教師在課堂教學中若能經常想辦法拓寬學生的思維，就一定能增強學生的探究能力，從而實現對學科核心素養的培養，提高學生思維的廣度。

（二）于無疑處疑之，拓寬思維深度

化學課堂實驗教學過程中，要勇于培養學生善于反思、敢于質疑的能力，使學生敢于對操作過程或方法做出自已的評價，要對習以為常、司空見慣的實驗做出自己的思考。于無疑處，深度思考結論是在什么條件、方法等要素下得出的，如果條件、方法等要素改變，原結論是否依然成立，從而提高思維的深度。

如在驗證質量守恒定律時，有這樣兩個實驗：一是用紅磷固體與空氣中的氧氣反應驗證質量守恒定律，因有氣態物質參加反應，故采用密閉裝置。二是用光亮的鐵釘和硫酸銅溶液反應驗證質量守恒定律，反應物和生成物都沒有氣體，為什么也要用錐形瓶加橡膠塞的密閉裝置呢？借助 傳感器測定錐形瓶內溶液 ，溶液pH由4.0逐漸降至3.2后略微上升，導致這一現象的原因又是什么？明確問題：鐵和硫酸銅溶液露在空氣中會使 發生改變，本質是鐵、硫酸銅、空氣相互間部分或全部反應的結果。提出假設：1.硫酸銅溶液和鐵作用所致；2.硫酸銅溶液和空氣作用所致；3.硫酸銅溶液、鐵及空氣共同作用所致。驗證假設：為驗證上述猜想，用煮沸（根據氣體的溶解度隨溫度的升高而減小來去除氧氣）并迅速冷卻（防止氧氣重新溶解在水中）的蒸餾水配成 4 % 的硫酸銅溶液、潔凈的鐵釘、 傳感器等進行探究。在三支試管中分別裝有 5m L的硫酸銅溶液，第一支試管放入一枚鐵釘，并把試管用橡膠塞密封；第二支試管放入一枚鐵釘后，用植物油密封；第三支試管不放人鐵釘，但用植物油密封。得出結論：采取控制變量法設計不同的實驗驗證假設，通過觀察實驗現象，獲取相關證據并進行推理，得出結論。因為錐形瓶內有氣體參加反應，密封可以防止外界空氣進入瓶內。交流應用：老師與學生共同交流在實驗設計、變量控制、判斷推理等環節的體會，反思實驗設計、實施等過程可能存在的問題，并優化實驗方案。

在教學中，經常引導學生用懷疑的眼光審視熟悉的實驗。如，酒精燈是不是外焰溫度最高？教材中通過將一根小木條平放入火焰中約1秒取出，觀察小木條灼燒后炭化的程度來判斷，此方法雖然簡單易行，但精確度不高，因為小木條放的位置不能固定在外焰或內焰，而且炭化程度也不很清晰。據此我們可以用溫度傳感器來測定，溫度傳感器的探針能準確地放在火焰不同層中，且數字化顯示溫度更精確。經溫度傳感器測定并不總是外焰溫度最高，其受酒精燈燈芯長短、環境溫度等因素影響。再如，能使帶火星木條復燃的是不是一定是純氧？氧氣驗滿時，將帶火星的小木條放在集氣瓶口，木條復燃，此時氧氣的濃度達 100 % 的可能性不大。因此可以在集氣瓶中加入占集氣瓶體積不同百分比的水，用排水法收集，水占集氣瓶體積分數即是純氧的體積分數，再加上集氣瓶內空氣中所含的氧氣體積分數，可以收集到不同純度的氧氣，將帶火星的木條伸入，發現能使帶火星的木條復燃的可以不是純氧。在實際教學中，隨著學生學習的深人、知識的增長，探究也要隨著加深，這樣學生思維的深度必定會得以拓展，認識問題會更加深人，體會到還有很多未知的領域需要我們去不斷探索。

重視開展“以素養為本\"的教學，是新課程的基本理念。在化學實驗教學中，不能為了演示而演示，為了探究而探究，更不能過多地束縛學生的思維，打壓他們的好奇心。應把實驗作為教學手段，著眼于創新能力的培養。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準（2022版）S].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2]陳薇.初中化學實驗教學中培養學生科學素養的研究[D].南京：北京師范大學出版社，2008.

責任編輯：黃大燦