浅谈高职生化学实验设计能力的培养

□麻昌爱

浅谈高职生化学实验设计能力的培养

□麻昌爱

化学实验设计能力是化学实验能力的重要组成部分。在实践教学中开设探究性实验和综合课题研究实验，对学生进行系统的技能训练，有利于提高学生的实验设计能力和创新能力。

实验设计能力；理论与实践

高职高专教育的目标是培养高等技术应用性专门人才，毕业生应具有基础理论知识适度、技术应用能力强、知识面较宽、素质高等特点。对于化学化工类的高职教育来说，在学生走上工作岗位之前对他们进行综合实验技能训练，不仅培养他们从事实践工作的一般技能，而且还要着重培养他们的实验设计和创新能力，以适应新世纪对新型技术人才的要求。我们在教学实践中，对低年级的学生注重实验基础知识和基本技能的教学，在高年级中开设探究性实验和综合课题研究，对学生进行系统的技能训练，突出学生的实验设计能力和创新能力的培养，取得了较好的教学效果。

一、化学实验设计能力的本质特征和功能

（一）化学实验设计能力的本质特征

化学实验设计能力是化学实验能力的重要组成部分。化学实验设计是指实验者在实施化学实验之前，根据一定的化学实验目的和要求，运用有关的化学知识和技能，对实验的仪器、装置、步骤和方法所进行的一种规划和尝试。化学实验设计是化学实验准备阶段的一项十分重要的工作，具有较强的综合性、灵活性和创造性[1]。化学实验设计的综合性，是指进行化学实验设计必须以一定的知识和实验技能为基础。换句话说，它既包含着对有关知识的掌握，也包含着对有关操作技能的掌握。如果没有化学知识和实验技能的综合运用，是根本不可能进行化学实验设计的。化学实验设计的灵活性，是指对于要解决的问题，根据不同的实验条件，可以设计出不同的方案，即是在相同的条件下，也可以进行不同的设计。化学实验设计的创造性，是指通过实验设计，可以充分发挥设计者的聪明才智，让他们运用自己所学知识，创造性地构思、设计解决问题最佳的途径和方法。

（二）化学实验设计能力的功能

化学实验设计在培养学生的科学素质，促进学生的全面发展等方面具有其本身独特而重要的功能。第一，化学实验设计可以激发学生的化学学习兴趣。学生根据自己所学的化学知识，独立地或在教师启发下，设计出各种实验方案，成功地解决化学问题，从而产生成功后的喜悦，激发起更大的学习热情，成为进一步学习的强劲动力。第二，化学实验设计可以培养学生运用知识的研究能力和创造能力。设计化学实验方案需要学生灵活地和创造性地运用所学的化学基础知识和基本技能，因而可以培养他们解决化学问题的能力和创造能力。第三，化学实验设计能很好地培养学生的科学态度和科学思维，以及化学实验设计需要的各种科学方法，形成严肃认真、一丝不苟、实事求是的创新精神和创新能力。第四，化学实验设计在化学科学研究中具有极其重要的作用，它直接关系到实验效率的高低，乃至实验的成败。科学、合理、周密、巧妙的实验设计，往往能导致化学科学的重大发现[2]。

二、开设探究性实验，培养学生化学实验设计能力

探究性化学实验，简单说就是指面对现实问题或化学实验教学中出现的疑难问题，通过设计一系列的实验并付诸实践，根据实验现象或实验结果进行严密推理来分析解决问题的一种实验方法[3]。它能使学生通过自主参与类似于科学实验研究的学习活动，获得自身体验，逐步形成善于质疑、乐于探究、勤于动手、努力求知的态度，从而促进学生形成良好的实验设计习惯和创新意识，培养了学生创新精神和化学实践能力，提高了学生的科学素质。

（一）探究性化学实验的一般程序

探究性化学实验可按以下一般程序进行设计实验[3]。

图1 探究性化学实验设计程序图

（二）确定化学实验问题的一般策略

提出一个好的化学实验问题，往往比解决一个化学实验问题更重要。这主要是因为化学实验问题不仅是化学实验认知的起点，而且它还是化学实验认知探索的方向和内容；它不仅可以激起主体对实验探索的强烈愿望而且还是实现自我价值的强大动力。因此，确定化学实验问题就成了探究性化学实验的第一步。

确定的化学实验问题应有明确的目的性和指向性，要使问题具有明确的、具体的应答区域。问题的发现和提出，可以是平时实验中遇到的问题，可以是学生感兴趣的与当地经济发展有关的问题。问题既可以是学生自己提出的，也可以是教师根据需求提出的。例如我们根据广西盛产木薯淀粉，提出对木薯淀粉进行改良、深加工的研究；又如我们在食品营养与检测专业的《食品分析与检验》的实验中，发现食品中淀粉含量的测定，通常使用的国家标准第二法——酸水解法中，将淀粉在酸性条件下加热水解成单糖，单是将样品加酸后于沸水浴中回流就需2h，耗时长、效率低。我们提出是否可以采用微波辐射的方法来促进淀粉的水解，以缩短测定时间，提高工作效率。

（三）突出实验设计中的思路分析

化学实验设计一般包括实验目的和原理、实验用品、实验步骤和操作方法等。

培养学生的化学实验设计能力，首先要训练学生一种科学的思路分析，使得化学实验设计中的实验原理、实验操作程序和方法，与化学理论知识和化学实验方法论相一致，同时实验设计还要遵循科学性、可行性、安全性、简约性等原则[2]。在化学实验设计的过程中，要根据提出的实验问题，运用已具备的化学知识或实验技能，构思出解决问题的方案。然后根据实验方案进行实验设计的论证试验，经过试验，提出新的问题，进一步改进实验方案，再进行论证试验。如此往复，找出科学的、合理的的实验方案。

例如，上述提出的食品中淀粉含量测定方法的改进问题。这个实验问题的目的和指向十分明确，就是如何采用微波辐射的方法来促进淀粉的水解，将淀粉水解成单糖，然后按还原糖测定，以缩短测定的时间。实验小组通过查找相关资料，了解到近年来微波技术在现代分析化学中得到了许多的应用，主要涉及在试样干燥、试样消解、微波萃取、微波雾化等。微波加热是通过分子极化和离子导电两个效应对物质直接加热，微波技术的优点反映在高效、快速，操作控制较简单，及无化学污染等。根据微波加热的特点，可以初步判定，微波辐射应该对淀粉的水解过程有促进作用。

（四）指导学生探寻化学实验的最佳条件

设计出初步的实验方案，还要指导学生探寻化学实验的最佳条件。任何化学实验都离不开实验条件，只有对实验条件进行严格、合理、有效的控制，才能得到理想的实验结果。因此，探寻、控制实验的最佳条件是化学实验的灵魂，是实验成败的关键。

寻找最佳实验条件的方法有多种，概括来讲主要有全面比较法、优选法、简单比较法和综合比较法（或称正交实验法）[2]。在教学中，我们重点向学生介绍正交实验法。正交实验法是用正交表来安排多因素实验，并通过计算、分析来寻找最佳条件的一种方法。

1.首先是正交表的选用。正交表是一些现成的表格，按照正交表安排实验，可以使实验具有较强的代表性。通常是根据实验因素和水平数的多少来选择正交表。

2.安排实验。例如影响微波辐射淀粉酸水解程度的因素有A——微波功率火力、B——辐射时间、C——盐酸浓度。它们分别取表1所示的三种水平。

表1 影响微波辐射淀粉酸水解程度的因素和水平

为了探寻最佳实验条件，可选用L9（34）正交表来安排实验。把A，B，C对应三列的“1”、“2”、“3”换成具体的水平，如表2所示。然后按表2安排9次实验。

表2 正交试验方案

3.结果分析，探寻最佳实验条件。9次实验结果如表3所示。为了比较哪个实验水平淀粉的转化率最高，可对实验结果做相应的计算，并对计算结果进行分析，找出最佳实验条件。如把每列中所有对应于水平“1”的指标相加，然后取平均值得K1，其余水平的指标处理方法与此相同，得K2和K3，这些K值，表示跟各因素对应的几个水平的淀粉平均水解率。极差R是每列中K值分布的最大间距，即Kmax－Kmin，标志着该因素对指标影响的大小。

表3 正交试验方案及实验结果

由表3中的K值可以看出，该实验的最佳实验条件为：A1B3C1，即微波功率810W，微波时间22min，盐酸浓度6mol·L-1。由极差值（R）可以看出，三因素对淀粉水解率（Y）的影响主次顺序为：C＞B＞A，即盐酸浓度＞辐射时间＞微波功率。

从实验结果分析可知，用加热方法使淀粉水解需要2h，而改用微波辐射只需22min，大大缩短了水解的时间。

（五）创设良好实验环境，强化化学实验设计训练

实验环境包括实验手段、教师引导方法、实验群体的态度和水平等。化学实验手段是构成化学科学认识活动的不可缺少的要素，也是学生认识化学实验现象和操作，建立化学实验能力不可缺少的桥梁。教学中应尽量给学生提供完备的实验仪器以增加学生动手机会、拓宽想象空间。教师的引导是学生掌握化学实验操作方法和技巧、完成实验方案设计的关键。如在选择和确定实验题目、实验设计方案的确定、资料的收集筛选等方面，教师都应给予必要的指导。实验小组成员之间分工协作，取长补短，相互鼓励，融恰的合作关系，求真严谨的作风有利于学生发挥各自的主观能动性，共同来面对困难和挑战。在实验教学中教师要注意引导学生营造严谨又充满激情的实验氛围。

三、成效与展望

加强化学实验设计研究，并不意味着忽视实验基本操作和基础实验的教学，相反，应该加强实验基础知识和基本技能的教学，因为学生只有掌握一定的基础知识、基本技能和科学方法以后，才有基础进行实验设计。实验设计偏重于培养学生的实践能力、探究能力和创新能力。在实践中，我们对化学化工类高职学生的化学实验教学课程设置进行系统的编排。一年级强化实验基础知识和基本技能的教学。二年级结合资格证考试，有针对性地对实验技能进行训练，并增开部分探究性实验，初步尝试实验设计的过程。三年级结合毕业设计，组织学生开展综合性的课题研究，对学生进行 “发现问题——提出问题——设计实验方案——实验设计验证——结果与讨论”系统的训练，强化实验设计能力和创新能力的培养，提高学生的实践能力水平，在课题研究的基础上，撰写研究论文，参加广西高校化学化工类学生论文大赛和实验技能竞赛。由于我们在实验教学中既强调基础技能的训练，又注重实验设计能力和实践能力的培养，在每年的论文大赛和实验技能竞赛中都取得相当好的成绩，这又大大地激发学生参加实验技能训练和课题研究的积极性。同时我们还十分注重学生资格证的考试，近三年来，化学化工类的毕业生100%取得一张技能资格证书，80%以上取得两张技能资格证，初步实现“一书双证”的教学目标。由于学生有较好的技能基础和较强的实践能力，每年毕业生就业率均达100%。

面对新时代对创新型人才的需求和挑战，创新教育这一新的教育形态己经成为当前世界各国教育改革的主旋律。化学实验在培养学生的创新精神和创新能力等方面有着自己独特的优势，而化学实验成败的关键又取决于化学实验设计，无论是教师，还是学生都应该灵活掌握化学实验设计的原则和方法。但目前还存在着实验教材内容陈旧、教师重视不够、实验条件不足、实验教学评价制度不完善等不利因素，这就意味着高职院校的教学改革是急迫而长期的历史重任。

[1]王克勤，马建峰，李万领.培养学生化学实验设计能力的教学策略和方法[J].中学化学教学参考，2002(03).

[2]梁慧姝，郑长龙.化学实验论[M].南宁：广西教育出版社，1996：116～129.

[3]苗深花，闫立泽.探究性化学实验的设计[J].化学教学,2003(10).

责任编辑 时红兵

麻昌爱（1957-），男，广西横县人，广西南宁地区教育学院副教授，研究方向为化学课程与教学论。

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1001-7518（2010）14-0076-02