中学化学教材中培养学生实验设计能力的案例分析
2022-06-09
从实验设计能力的培养方面来说，传统的化学教材中教师演示实验比例很大，很少出现探究实验和设计实验，并且教材实验往往侧重于化学基本原理、基本概念及元素化合物基础知识的传授，过分强调实验的验证性和培养基本操作技能，实验方法和技术落后，不利于学生综合实验能力的提高。新课改下，化学教材发生变革，更加注重培养学生的实验设计能力，发展学生设计实验的思维能力和创新能力。
分析高中化学课程标准和高考考试大纲，其中关于培养学生化学实验能力主要有四个方面的要求，具体为：①改进或设计实验方案；②了解实验条件的控制；③分析或处理实验数据和实验结果；④绘制和识别典型的实验装置图的能力。课程标准和高考考试大纲对于教材的研制和使用具有指导性作用[1]。所以本文针对考纲里对实验设计能力的四点要求，对苏教版高中化学教材进行案例分析。
一、设计实验方案
教材在"活动与探究"和"交流与讨论"两个模块直接涉及到实验设计内容。教材按照学生的认知特点安排实验，由简及繁。教材在安排设计性实验时，根据知识内容的特点，从学生的实际情况出发，先从水平较低的设计性实验开始，逐渐向水平较高的设计性实验进发，循序渐进，从而使教材中的多种多样的设计性实验呈现出不同的层次水平。从模仿设计开始，到有指导的设计，再到独立的设计，逐渐增大实验设计的程度，使实验设计在教材体系中有层次地呈现。
以下为两本教材中典型的实验设计案例（按照在教材中出现的先后顺序排列）。
案例1：设计分离或提纯的方案
①实验室中用氯化钾在二氧化锰催化下受热制取氧气。从反应后的氯化钾和二氧化锰的混合物中分离、回收这两种物质，需要用哪些分离方法？请设计实验方案。
②现有混有少量氯化钾的硝酸钾粉末，请参照两者的溶解度曲线，设计实验方案提纯硝酸钾。
案例2：
有四瓶无色溶液，分别是NaCl、NaBr、KBr、KI溶液。请根据有关物质的性质，参照第47页的"资料卡"，设计实验将它们区别开来。
案例3：
设计Fe2+与Fe3+相互转化的实验方案，进行实验并记录现象。
案例4：
①用铜片、锌片（可从废电池拆取）或铝片、纯碱溶液、白醋（或柑橘）等日常生活中的材料制作简易电池，并测试是否能产生电流。
②以小组为单位，制定实验方案，在教师指导下完成燃料电池制作实验。
案例5：
依据乙酸乙酯的分子结构特点，运用已学的有机化学知识，推测怎样从乙烯合成乙酸乙酯。
纵观上述五个案例，教材实验设计安排完全按照学生的认知特点和学生思维发展顺序，以及实验设计的梯度变化，案例1-案例5在教材中按照先后顺序出现，依次按照从获得物质的手段和方法（物质的分离和提纯）→物质的性质研究（物质性质的探究）→物质性质的应用及反应规律研究（物质的检验与鉴别电化学问题研究）→物质的合成（物质的制备与合成）这一线索来安排。这样安排更加有利于学生掌握实验设计的要领，培养实验设计的思维，提高创新能力。
同时每一个案例之前都会有一些知识储备，涉及到概念、定律、原理，实现理论分析到实验研究方法的跨越。这些概念、定律或原理都与实验原理、方案及实验步骤密切相关，不仅为学生提供设计实验的基础知识，而且使学生进一步掌握领会实验设计意图，理论联系实际，理解熟悉每一个实验操作步骤及技能，对实验现象进行合理解释，并通过讨论得出实验结果。
各个案例之间具有内在联系性，注意实验之间知识与技能的衔接。如设计提纯某物质时，必然会用到基本的分离手段，这就要求学生对前述知识完全掌握。教材正因为考虑到知识间的衔接，各个案例安排得层次分明。
教材的设计实验部分还包含了一些趣味性和生活性实验，如案例4中的简易电池实验设计，验证草木灰中含有碳酸钾。实验设计倾向于生活化、趣味化，在培养学生实验设计能力的同时，充分满足学生强烈的好奇心与求知欲，感受化学在日常生活和社会各方面的应用[2]。
另外，在每个设计实验后的"练习与实践"栏目都安排了设计型习题。教材通过专题性的实验设计习题，使学生从本质上理解实验设计的原理，培养学生独特的思维能力，提高学生的创新能力，从而从根本上使学生对实验设计的情感得到了升华，最终使实验设计的兴趣发生质的飞跃。
二、控制实验条件
"实验，实际上是条件控制下的观察"，"所有的实验，都是在条件控制下进行的。"[3]探寻、控制实验的最佳条件，可以说是化学实验的灵魂、成败的关键。不仅对学生的学习，而且对教师的实验研究、乃至化学学科的发展，都具有十分重要的意义。因此，教材有意识地安排了学生控制实验条件的探究活动，发展控制实验条件的能力[4]。
《化学1》第6页"整理与归纳"栏目要求学生说出一种金属与另一种金属盐溶液发生置换反应的条件，以及复分解反应的条件。这样，教材直接提出实验条件的重要性，使学生初步形成重视实验条件的意识，在以后的学习中自觉地加强对实验条件的关注和区分。
分析高中化学课程标准和高考考试大纲，其中关于培养学生化学实验能力主要有四个方面的要求，具体为：①改进或设计实验方案；②了解实验条件的控制；③分析或处理实验数据和实验结果；④绘制和识别典型的实验装置图的能力。课程标准和高考考试大纲对于教材的研制和使用具有指导性作用[1]。所以本文针对考纲里对实验设计能力的四点要求，对苏教版高中化学教材进行案例分析。
一、设计实验方案
教材在"活动与探究"和"交流与讨论"两个模块直接涉及到实验设计内容。教材按照学生的认知特点安排实验，由简及繁。教材在安排设计性实验时，根据知识内容的特点，从学生的实际情况出发，先从水平较低的设计性实验开始，逐渐向水平较高的设计性实验进发，循序渐进，从而使教材中的多种多样的设计性实验呈现出不同的层次水平。从模仿设计开始，到有指导的设计，再到独立的设计，逐渐增大实验设计的程度，使实验设计在教材体系中有层次地呈现。
以下为两本教材中典型的实验设计案例（按照在教材中出现的先后顺序排列）。
案例1：设计分离或提纯的方案
①实验室中用氯化钾在二氧化锰催化下受热制取氧气。从反应后的氯化钾和二氧化锰的混合物中分离、回收这两种物质，需要用哪些分离方法？请设计实验方案。
②现有混有少量氯化钾的硝酸钾粉末，请参照两者的溶解度曲线，设计实验方案提纯硝酸钾。
案例2：
有四瓶无色溶液，分别是NaCl、NaBr、KBr、KI溶液。请根据有关物质的性质，参照第47页的"资料卡"，设计实验将它们区别开来。
案例3：
设计Fe2+与Fe3+相互转化的实验方案，进行实验并记录现象。
案例4：
①用铜片、锌片（可从废电池拆取）或铝片、纯碱溶液、白醋（或柑橘）等日常生活中的材料制作简易电池，并测试是否能产生电流。
②以小组为单位，制定实验方案，在教师指导下完成燃料电池制作实验。
案例5：
依据乙酸乙酯的分子结构特点，运用已学的有机化学知识，推测怎样从乙烯合成乙酸乙酯。
纵观上述五个案例，教材实验设计安排完全按照学生的认知特点和学生思维发展顺序，以及实验设计的梯度变化，案例1-案例5在教材中按照先后顺序出现，依次按照从获得物质的手段和方法（物质的分离和提纯）→物质的性质研究（物质性质的探究）→物质性质的应用及反应规律研究（物质的检验与鉴别电化学问题研究）→物质的合成（物质的制备与合成）这一线索来安排。这样安排更加有利于学生掌握实验设计的要领，培养实验设计的思维，提高创新能力。
同时每一个案例之前都会有一些知识储备，涉及到概念、定律、原理，实现理论分析到实验研究方法的跨越。这些概念、定律或原理都与实验原理、方案及实验步骤密切相关，不仅为学生提供设计实验的基础知识，而且使学生进一步掌握领会实验设计意图，理论联系实际，理解熟悉每一个实验操作步骤及技能，对实验现象进行合理解释，并通过讨论得出实验结果。
各个案例之间具有内在联系性，注意实验之间知识与技能的衔接。如设计提纯某物质时，必然会用到基本的分离手段，这就要求学生对前述知识完全掌握。教材正因为考虑到知识间的衔接，各个案例安排得层次分明。
教材的设计实验部分还包含了一些趣味性和生活性实验，如案例4中的简易电池实验设计，验证草木灰中含有碳酸钾。实验设计倾向于生活化、趣味化，在培养学生实验设计能力的同时，充分满足学生强烈的好奇心与求知欲，感受化学在日常生活和社会各方面的应用[2]。
另外，在每个设计实验后的"练习与实践"栏目都安排了设计型习题。教材通过专题性的实验设计习题，使学生从本质上理解实验设计的原理，培养学生独特的思维能力，提高学生的创新能力，从而从根本上使学生对实验设计的情感得到了升华，最终使实验设计的兴趣发生质的飞跃。
二、控制实验条件
"实验，实际上是条件控制下的观察"，"所有的实验，都是在条件控制下进行的。"[3]探寻、控制实验的最佳条件，可以说是化学实验的灵魂、成败的关键。不仅对学生的学习，而且对教师的实验研究、乃至化学学科的发展，都具有十分重要的意义。因此，教材有意识地安排了学生控制实验条件的探究活动，发展控制实验条件的能力[4]。
《化学1》第6页"整理与归纳"栏目要求学生说出一种金属与另一种金属盐溶液发生置换反应的条件，以及复分解反应的条件。这样，教材直接提出实验条件的重要性，使学生初步形成重视实验条件的意识，在以后的学习中自觉地加强对实验条件的关注和区分。