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1、谈初中化学实验设计与创新能力的培养南京市浦口区教师发展中心 张尔华 15861822281 (211800)摘要：学生化学实验设计与创新能力的培养与其它化学知识的学习一样，也有一个从教会到学会，再到会用的过程，实质上也是一种思维的训练方式。化学实验的设计与创新的过程是分析与归纳、发散与聚合、联想与类比、组合、顿悟等多种创造性思维活动的结果。【关键词】化学教学；实验设计；创新能力培养化学是一门以实验为基础的科学，化学学科的显著特征和手段是实验，在当今倡导探究性学习中对学生实验设计能力的要求越来越高。因此，如何对刚接触化学的学生进行实验设计与创新能力的培养是一个具有挑战性的课题。在教学中对学生实
2、验设计与创新能力的培养要有一个系统整体规划，采用螺旋上升式的分层推进。一、实验设计与创新的目的化学实验是人们认识和研究物质的一种科学方法，是人们根据研究对象和研究目的，创造性地运用科学知识和实验手段开展探究性的实践活动。1因此，化学实验设计过程本身就是一个创造性的探究过程。1因需要而设计实验都是为了满足一定实验目的而设计的，是人们一系列思维活动的结果。如图1是人教版教科书中“空气中O2含量测定实验”装置图，其主要目的就是让空气中O2的体积显现出来，也就是围绕如何设计实验让O2的体积可见而设计的。2因完善而创新任何一个实验的设计都有其不完善之处，或出于某种特殊的需要而对原实验设计进行优化、改进与
3、创新。如图1针对图3实验时间长，汞蒸气有毒等原因而改进的；图2针对图1易产生实验误差而改进；图4针对图1仪器多而优化。其实，四个实验设计的原理是一致的，都是让不可见的O2借助于可见的液体而显现出来。总之，实验设计与创新的努力方向就是科学、安全、可行与简约。2二、实验设计与创新能力培养的方法与策略化学实验设计与创新能力的培养与化学知识一样，也有一个从“教会”到“学会”再到“会用”的过程。当然化学实验设计的类型很多，但对各实验类型的教学设计主要有三个阶段：学习、模仿、创新。如“对人体吸入空气与呼出气体的探究”、“碳酸使石蕊变红”、“可燃物燃烧条件的探究”、“铁生锈条件的探究”等几个控制变量法的实验
4、学习，就能体现这种阶段性的教学方法。每阶段随各实验的复杂情况、学生接受能力不同，也不可能有明确、清晰的界线，教师要根据学生的实际情况既要分层推进，又要交叉重叠，螺旋式上升，不可将其绝对地割裂开来。各阶段的具体要求如下表1。表1 各阶段师生活动目标与任务主要阶段学习阶段模仿尝试阶段创新与评价阶段教师指导方向通过验证性实验、习题等培养科学实验的精神与品质；通过实验设计思路与技巧的分析训练学生的思维，明确实验设计的努力方向。通过小组讨论等方式引导学生对相关实验的设计进行评价，能进行归因分析，提出自己的观点、思路及努力方向。通过创设一定的情境，提出要求，让学生设计实验方案，并组织学生展示交流，能从科学
5、、安全、可行、简约等几方面相互评价。 学生学习目标体验化学实验必须具备的科学态度与精神；掌握各仪器的使用方法；掌握常见实验设计的方法；理解主要实验设计的原理。能对已有的实验方案做出评价，提出自己的观点、思路，并能尝试改进实验方案或提出实验改进方向。能综合运用各学科知识及生活经验按要求设计实验方案，并能演示；能根据实验结果做出正确的评价与反思。1初中化学实验教学要整体设计初中化学实验看似一个个独立地分散在各课题中，只要我们从不同的角度就可以将各实验分成类，串成线，这样就可以使实验设计与创新能力的培养形成一个系统的有机整体，实验设计与创新能力的培养就可以分阶段、分层次落实。如下图5图10，好像与图
6、1没有关系，但如能换个角度，即可形成统一的整体：都是将无形的气体变化显现出来。图5图8借助于液体显现，图9借助于软的塑料瓶显现，图10借助于软的气球显现。教学中如能在图1、图5实验中具体地学习这种实验设计方法，在图6图8实验中尝试着这种方法的应用，在图9、图10探究性实验中创造性地使用这种方法。若在整个实验教学中能贯穿着“方法是可以复制的，思维是有惯性的”的思想，学生的实验设计能力的发展就在教师的预测之中了。2加强实验设计原理的分析化学实验设计是伴随着设计而进行的一系列思维活动，思维基于实验、始于问题。因此，实验设计原理与创新能力的培养就是对学生思维训练的一种形式。如图11图14实验是可用来控
7、制实验室制取CO2气体的发生与停止装置。其实验设计的本质是依据大理石与盐酸反应的条件“接触”来进行实验设计的，即A与B接触反应，分离停止。但停止的方式有几种：A离开B、B离开A、或二者同时分离。依此原理可设计成多种装置，此处仅列举出其中的四种，但为这类实验设计指明了一个努力的方向。由此还可以对制取O2实验做如下设计：通过“间歇式”加热的方式控制实验室用高锰酸钾制取O2的反应速率；可以用分液漏斗控制滴加到MnO2固体上H2O2溶液的量来获得平稳的O2气流。同理，如何证明打开汽水瓶瓶盖时冒出的气体是CO2？可以设计成图15、图16两个实验，让CO2主动与石灰水反应，或让石灰水主动来与CO2反应。由
8、上例可知，这些实验设计的原理相同，思维相似，但应用的环境却不同。因此加强实验设计原理的分析有利于实验创新能力的培养，教学中要将实验设计与创新能力培养落在对学生思维训练这个层面上。3加强实验设计方案的交流，灵活应用实验设计方法和技术34尽管实验设计原理相同，但选用不同的实验仪器或实验技术设计出的实验方案也各不相同，课堂上要增加学生实验设计方案的展示机会，加强相互间的交流与评价，取长补短，相互学习，相互启发。初中化学实验中主要设计方法有：(1) 显现法：借助于液体使无形气体显现出来，如气密性检查方法；借助于反应的特征现象显现出来，如用石灰水检验CO2、用CuSO4粉末检验水、用pH试纸检测溶液酸碱
9、度、用酸碱指示剂检测溶液的酸碱性等等；(2) 转化法：如测量液体的体积推知气体的体积；通过气体体积的变化表示容器内压强或温度的变化；通过喷泉实验表示容器内压强的减小等等；(3) 控制变量法：如可燃物燃烧条件的探究、铁生锈条件的探究等；(4) 实验现象的放大法：通过缩小横截面放大等体积的高度(温度计原理)等； (5) 现代实验技术：如压力传感器、温度传感器、pH计及声光检测设备等等。如图1可以通过压力传感技术测量集气瓶中压强变化从而推知体积的变化，测量出O2的含量。只要我们依据实验设计要求，正确理解实验设计的原理，综合应用各学科实验设计方法、技术及实践活动中的技巧，就可创造性地设计多种实验方案。
10、4加强实验设计中思维训练，回归教科书中的核心实验实验设计与创新能力的培养实际上是一种思维训练方式。实验设计与创新的过程是分析与归纳、发散与聚合、联想与类比、组合、顿悟等多种创造性思维活动的结果。如图17蜡烛燃烧实验，可设置如下问题：为什么一开始时要用火柴点燃，而点燃后却不需要火柴？火苗为什么会向上？如学生能对前一问题理解，则图18中铁丝为什么要绕成螺旋状就迎刃而解了。如能对“火苗为什么会向上”理解，则图1中的实验“为什么实验时要立即塞紧瓶塞？否则对实验会造成什么样的误差？”之类的问题就不那么难了。在教学中要结合实验习题的解答，加强学生的思维训练，也有利于学生对相关实验设计原理的理解。如图19，
11、将一燃着的蜡烛伸入盛有H2的集气瓶中，蜡烛熄灭，当取出后蜡烛又燃烧，则通过此实验可得到哪些结论？虽是通过实验学习化学知识，但也可通过反思评价实验设计的科学性、可行性、安全性和简约性，从而提高学生的实验设计能力。如图23，甲、乙两同学中，哪个能收集到一试管H2？看似装置简单，其实是对图20、图21、图22实验的一个发展与提升，教师在教学过程中要能从本质上认识到几者的统一性，不能另立山头，使知识碎片化，使实验设计复杂化。教学中要将实验设计与创新的原理、方法及时回归教科书中核心实验中来，以提高教科书中实验设计原理、方法的统领性与概括性。其实，化学实验设计也并非那么复杂，那么难，还是有规律可循。总之，教师应充分挖掘教材，通过引导学生的化学实验设计，充分激活学生的探究及创新意识，为学生提供更多的学习实践机会，让学生在探索性、开放性、设计性、研究性实验中不断提高思维能力和实验设计能力，为今后进行创造性学习和创新思维的发展不断积累经验。参考文献：1熊言林化学实验研究与设计M合肥：安徽人民出版社，20092潘国荣，刘俊初中化学实验设计与创新问题概论J中国现代教育装备，2014，(24)：55-583王祖浩，王程杰中学化学创新实验M南宁：广西教育出版社，20074文庆诚化学实验教学研究M北京：科学出版社，20034
