例谈化学实验设计的教学功能

    郑善文　齐玉和

    摘? 要 从学生主体参与、认知深化、过程探究、方法体验、综合实践和教师专业发展等六个方面对化学实验设计的教学功能进行分析研究，以期促进师生教与学方式的转变，促进化学实验教学改革。

    关键词 化学实验;实验设计;教学功能;化学学科素养;教师专业发展

    中图分类号：G633.8? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2020）15-0119-03

    1 前言

    “新课程理念在化学教学中的有效落实，离不开化学实验。”[1]而实验设计作为化学实验的规划、构思与预备环节，在学与教的过程中具有重要地位和作用。随着课程改革的深入推进和新旧理念的碰撞转换，重新审视化学实验设计承载的教学功能和价值，对于有效增强实验教学的效果、充分发挥化学实验的基础性作用十分有益。

    2 化学实验设计的教学功能

    强化主体参与，激发化学学习动机与兴趣[2]? 学生是化学实验学习的主体，只有充分发挥他们参与实验过程的主动性，才能实现实验学习的自主构建。义务教育化学课程标准要求：“能通过小组讨论，根据所要探究的具体问题设计简单的化学实验方案。”[3]作为学生动手实验前的准备阶段，根据实验目的或实验主题，先让学生独立设计，再通过学习小组合作交流优化，形成最佳方案后动手操作实践。这种实验前的特意安排——让学生自主开展设计药品、装置、收集方法等方面的活动，不但能使学生熟悉整个实验过程，而且突出强化了实验主体的参与意识，增强了学生自主学习的动机，避免了被动实验的局面，唤醒了学生的学习需要和学习期待，因而特别能激发、培养学生学习化学的兴趣。

    如二氧化碳的实验室制取实验中，教科书给出了药品、装置、步骤乃至完整的实验过程，如果“照方抓药”式地开展实验教学，仅能短暂引起学生动手的新奇感，不能深入激发学生的认知需要和自我提高的动机。在教学中，笔者增设了两个实验设计活动：寻找实验室制取二氧化碳的适合药品;利用身边的用品或化学仪器设计制取二氧化碳的装置。这种增设的化学实验设计活动是对实验过程的一种超前的体验，让实验探究不再是纸上谈兵，而是实验主体亲身参与、经历的真实体验过程，因而有助于增强实验学习的效果。另外，这种体验建立在学生所学知识的综合运用基础之上，不但强化了学生的主体参与，而且深度激发了学生学习化学的兴趣。

    深化认知理解，提高分析与解决问题能力[2]? 义务教育化学课程标准要求：“能在教师指导下或通过小组讨论，根据所要探究的具体问题设计简单的化学实验方案。”[3]因此，化学实验设计能够促使学生综合运用所学化学基础知识和基本技能，分析实验主题任务，设计过程与方法，对化学实验的全过程进行周密、合理的安排，而且涉及最佳方案的优化选择。这是一种较高层次的综合认知理解与应用实践，需要学生进行严密的思维推理与设计，必然促进学生分析问题与解决问题能力的形成与提升。

    如在“除去食盐中可溶性杂质”的实验中，鲁教版初中化学教科书给出除杂的药品与操作图示，为学生直观形象呈现了除杂的步骤及现象。笔者把这节课设计为学生学习酸、碱、盐后的一个综合实验设计活动课，让学生综合运用所学的酸碱盐知识去尋找除杂试剂，同时注意思考试剂的加入顺序。学生设计了多种方案，这时引导试错，分析错误顺序产生的后果，最后筛选出最佳方案。在达成实验方案的过程中，学生综合运用酸碱盐的性质知识，深化证据推理与模型认知思维能力，提高了分析问题、解决问题的能力。

    经历探究过程，培养求新求变的创新意识? 实验探究是化学探究活动的主要形式，是转变学生学习方式、培养学生探究能力的主渠道。义务教育化学课程标准在“发展科学探究能力”主题单元提出八个要素，即探究活动的八个环节，其中“制订计划”要求学生能够设计简单的化学实验方案，即进行化学实验设计。课标也要求“在教师指导下或通过小组讨论，提出活动方案，经历制定科学探究活动计划的过程”，即要学生从探究问题或主题开始，经历完整的探究过程设计与规划。而在化学实验设计与规划活动中，由于化学实验问题的开放性、探究性，学生必然面临多样化的选择，加之知识水平、认识理解能力和生活经验的差异，学生或学习小组可能设计不同的实验过程方案，这时教师要顺应并及时捕捉学生“求新求变”的创新思路，鼓励设计不同方案，通过讨论交流、启发思维、诱发创新，从多种方案中选择可行的、最佳的实验途径，达到殊途同归的效果。

    如在质量守恒的实验探究中，学生已有的知识经验和理解能力一般比较容易达成实验结论，因此，探究结论“一目了然”，实验过程缺乏探究性，学生容易丧失探究的意愿。日常教学一般在必要的讲解和准备之后，就让学生设计实验并动手实验。鲁教版初中化学教科书设计了三个有代表性的化学反应作为研究对象，即氢氧化钠溶液和硫酸铜溶液反应、盐酸和大理石反应、白磷在空气中燃烧[4]。后两个实验的关键是在密闭系统中进行，这一点相当一部分学生是容易猜想到的，因此，实验的探究性大为降低。

    为此，笔者在教学中直接在开放系统中做这三个实验，作为创设教学情境的素材，引发学生认知冲突，激发探究欲望和动机，然后让学生设计探究实验方案。这样引导学生把思维集中在“透过现象看本质”——追寻质量不平衡的原因，接着思考如何密闭系统、如何引燃白磷、如何保证实验结果的准确性等，激发了学生的创新冲动。有的白磷的引燃除了用加热的玻璃棒，还设计了用激光棒、凸透镜、电炉等方式，盐酸和大理石的反应也经历了仅用橡皮塞密封到单孔塞连气球的密封过程。

    笔者感到在实验中挖掘未知性、创设探究性过程，不但没有偏离实验探究的方向，而且增强了化学实验设计的多样性，激发了学生创新的愿望——求新求变，从而有助于学生的创新意识培养。

    体验科学方法，培养严谨细致的科学态度? 实验设计让学生运用已有知识和方法，通过思维和书面表达，提前经历实验的“全”过程，即实验前的精心预设。设计过程中经常需要考虑观察、测定、实验条件控制、实验记录、数据处理等科学方法的运用与设计。因此，化学实验设计不仅与化学知识与技能目标相联系，更涉及“过程与方法”目标的达成，而设计过程中这些科学方法的恰当运用，必然有助于学生科学态度的养成。

    如在探究“分子间间隔”实验中，鲁教版初中化学教科书设计了“10 mL水和10 mL酒精混合”[4]的定量探究实验过程，在此基础上，笔者进一步启发诱导学生设计两组对比实验：10 mL水和10 mL水混合;10 mL酒精和10 mL酒精混合。并且每组实验前根据日常生活的经验先猜想预测，再观察列表对比实验结果，进而追问实验结果的微观机理，这样学生便能够顺理成章得出实验结论。

    这个实验设计中运用了观察、测定和实验条件的控制等方法，也体现了对比实验设计的方法，让学生经历并深切体验了科学实验的探究过程以及科学方法的精准运用，客观上加深了对实验结论的理解，突出了宏观辨识与微观探析的学科思维推理过程，有助于培养学生实事求是、一丝不苟、严谨审慎的科学态度。

    引导综合实践，培养资源开发与利用意识? 资源的开发与利用是课程改革的新要求，也是新课程理念的重要组成部分。引导学生开展课外化学实验设计与实践，不但可以拓宽学生的化学视野，而且有助于培养学生课程资源的开发与利用意识，体现“从生活走进化学、从化学走向社会”的理念，从而提高学生化学实践能力和实验能力。

    如自制汽水、探索花朵的汁液遇酸碱变色的情况、蜡烛的点燃与火焰观察等课外实验，要求学生先个人设计制订实验方案，然后小组合作交流选择最优设计，交教师审核后再开展课外实验活动。这种综合性的课外实验设计活动，加强了学生化学知识技能与生活经验的整合迁移，使化学学科深入连接学生生活，从校内走向校外，促进学生逐步树立实验资源开发与利用意识，为课内化学学习提供了生动的实践支撑，也为将来的化学学习与实践开拓了广阔的空间。

    助推教师专业发展，提高其课程与教材驾驭能力? 实验设计能力是化学专业能力的一个基本方面，需要化学教师深入学习内化新课程教学理念，转变个人教学方式，不断提高化学实验的探究设计能力;尤其要准确理解落实化学课程标准的理念要求与教科书的设计意图，钻研化学实验探究设计的技能技巧，引导学生深度参与实验探究过程，并有效促进学生学习方式的转变。

    如鲁教版初中化学教科书中，“粗盐提纯”依托海水“晒盐”作为常识性介绍知识的形式呈现。笔者分析了几个版本化学教科书的设计，发现通常以验证性实验的方式呈现，实验的主要任务是通过过滤、蒸发等操作除去粗盐中的不溶性杂质，实验中教与学的时间主要放在一些基本技能操作应用上，对实验产品也无定量要求。在教学中，笔者对这个实验进行了重新設计，根据探究实验的要素和步骤，注重提高实验过程的探究性。

    首先，利用海水晒盐的场景创设真实教学情境。接着，整合学生提出的问题，提出探究问题：怎样除去粗盐中的不溶性杂质而得到食盐晶体呢？再利用两个问题驱动学生思考设计，并做好实验前准备：使用什么方法可将粗盐中的泥沙除去？除去泥沙后，再怎样操作才能得到食盐晶体呢？然后设置学生设计实验方案环节，让学生体验实验过程并主动参与实验。最后，称量展示提纯后的产品并计算产率。探究过程中设计了6～9个分组实验，并要求学生把用到的29种仪器和用品统一规范摆放。

    这种实验教学设计，变验证性实验为探究式实验，让学生经历完整的实验探究历程，激发其主动参与实验的热情，增强了实验的探究效果，同时促进了课标理念的落实，提高了教师的探究教学设计能力。

    3 结语

    总之，化学实验设计是促进学生主动学习的关键节点，也是化学教学的重要环节，具有丰富的学与教价值。加强化学实验设计研究和教学实践应用，有助于促进认知性、技能性和体验性学习目标的有效达成，也有助于师生学与教方式的转变，是学生化学学科能力与素养发展的重要抓手，也是化学教师专业实践和能力发展的有效途径。

    参考文献

    [1]郑长龙.初中化学新课程教学法[M].长春：东北师范大学出版社，2004：237.

    [2]梁慧姝，郑长龙.化学实验论[M].南宁：广西教育出版社，1999：117.

    [3]中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准[S].北京：北京师范大学出版社，2011：10.

    [4]毕华林，卢巍.义务教育教科书（五·四学制）化学八年级全一册[M].济南：山东教育出版社，2016：28-103.

    *项目来源：山东省教育科学“十二五”规划2017年度教学专项课题“‘德育为先的学生化学核心素养发展模型构建”（课题

    批准号：XJ0085）。

    作者：郑善文，东平县教育科学研究中心初中教研室主任，高级教师，研究方向为化学课程与教学（271500）;齐玉和，泰安市基础教育教学研究室副主任，高级教师，研究方向为化学课程与教学（271000）。