新课程背景下高中化学实验设计与探究性实验试题研究

李长江　张英锋

摘要 化学是一门以实验为基础的学科，实验对于学生学好化学具有不可替代的作用，高中化学新课程更凸显了化学实验教学在化学教学中的重要地位和作用。如何更科学、更准确的分析解答化学实验设计与探究性实验试题，是新课改背景下广大教师费时最多的讨论议题。本文旨在通过对人教社新、旧版化学教材中实验的变化，结合实验试题形式归纳实验设计与探究试题的特点，初步总结出实验设计与探究试题的解答策略。

关键词 新课程；化学实验设计；探究性实验

中图分类号 G633.8

文献标识码 A

文章编号 1005-4634（2012）05-0109-03

化学实验过程本身就是一个探究的过程，学生在实验过程中能够发现有探究价值的问题，通过实验可以收集解决问题的证据，还可以运用实验检验结论的合理性，并能从中体验科学家科学探究的方法，获得探究的乐趣和成功的喜悦。为了有效地促进学生发展，在我国新一轮基础教育课程改革中强调“通过以化学实验为主的多种探究活动，使学生体验科学研究的过程，激发学习化学的兴趣，强化科学探究的意识，促进学习方式的转变，培养学生的创新精神和实践能力”。这在一定程度上改变了原有课程实施过于强调接受学习、死记硬背、机械训练的现状，特别强调学生在学习过程中的自主学习、探究学习、合作学习。这种学习方式的改变，将科学探究引入了化学课堂，力图通过化学实验教学这一途径，全面体现化学新课程的全新理念，探索化学实验教学的新体系。

1 人教社新、旧版化学教材中实验的变化

1.1增加“探究性”实验栏目

较旧版教材，2007年版人教社高中化学新教材增加了“科学探究”实验栏目，并且比例较大，“科学探究”实验占实验总数的25%。新教材没有严格区分学生分组实验和演示实验，在设置上，实验内容与化学知识紧密配合，提倡“以生为本”，采取教师指导下学生亲自实验、亲自体验的教学形式。教材中涌现出了一些新的实验呈现方式，如：实验活动陈述式、实验情境创设式、激励质疑式、引导探究式、总结提炼式等，可见新教材注重对学生探究能力的培养。

1.2强调学生要更多的参与探究性实验

化学实验作为研究化学的重要手段，逐渐成为学生认识化学世界的工具，更是吸引学生主动学习化学的重要动力。旧教材在每个实验后面都有相应的实验现象和解释，所以设置的表格非常少，而新教材中许多实验现象和数据必须在实验过程中才能够得到，实验结束后由学生自己去整理填写。这说明新教材为了发挥实验在培养未来公民科学素养中的重要作用，采用预先设置大量过程性客观题的方式，“强制性”的让学生参与动手实验，获得第一手数据。

1.3新教材化学实验呈现鲜明的探究性思想

新课程标准中提出“通过以化学实验为主的多种探究活动，使学生体验科学研究的过程，激发学习化学的兴趣，强化科学探究的意识，促进学习方式的转变，培养学生的创新精神和实践能力”。化学实验在中学化学教学中应当成为学生探索、发现、验证知识的重要手段。旧版本教材中有关实验探究的内容基本属于验证性实验，而新教材中的实验则更加突出了以学生为主体的教学思路，不仅做到了探究性活动内容与知识内容结合，更加注意探究能力和实践能力的培养，因此加强实验探究，发挥其重要的作用，是实现高中化学新课程标准的关键之一。例如：实验二氧化氮跟水反应（3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO），旧版教材中只是简单介绍了工业上利用该反应制硝酸时，为了提高吸收效率，同时避免污染，需要补充过量氧气，多次氧化NO、多次吸收。学生对此理解不深刻，印象肤浅。新教材将该实验更改为设计实验：提供一试管NO₂气体，其他药品和仪器自选，实验要求尽可能多地使NO₂被水吸收，通过该实验设计，对工业生产硝酸有哪些启示？通过这一实验设计，不仅使学生明确了对原料（NO₂）的充分利用、为保护环境要减少有害气体（NO）的排放等道理，还培养了学生实验设计的能力。

2 实验设计与探究试题的特点

2.1创设情境、体现创新

“创新是一个民族进步的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力。”当前教育的根本目的就是培养具有创新能力的高素质人才。纵观新课标高考中各省份的化学实验试题，多数以创设新颖情景为出题口，主要体现在以下三个方面：一是多数高考试题虽然取材于教材，但在药品使用、仪器拓展、实验操作、实验步骤等方面做了优化和创新，有时则是对教材上多个实验进行“组团”式考查（如2010年新课标全国理综卷实验题）；二是关注实验过程的创新。如实验原理、实验条件的创新，实验途径及步骤的创新（如2008年新课标全国理综卷测定铁元素含量、2009年探究碱式碳酸铜组成的两种方法）等；三是大多数探究性试题的情景都是目前社会生活、科技、资源、环境等热点问题。这就意味着学生中学化学知识考查不仅要有“知识性”、“学术性”，还要有“社会性”和“时代性”。

2.2考查基础、侧重综合

从近几年高考实验试题来看，所考查知识源于教材中的典型实验，但“立足教材、高于教材”。中学最基础的内容依旧是考查的重点，但试题的综合性更强。考查要点包括重要物质的制备与性质、实验原理、基本实验操作、重要仪器的使用等。命题经常以元素化合物知识为载体，将实验原理、计算、设计、评价、推断融合在其中，把能力的考查提升到一个更高的高度。在新课标高考中定量实验更是高频考点。

2.3重视能力、提高要求

新课程背景下高考中的实验题着重考查学生的三种能力：（1）实验设计和评价能力。在实验设计方面重点考查实验操作、仪器的选择与连接、局部装置的优化、化学原理的验证、实验步骤的补充与设计等。在评价方面侧重考查局部实验装置的优、缺点并进行改进，实验原理的评价，实验数据误差分析等；（2）实验表达能力。命题人往往要求学生把设计目的、具体操作、实验步骤、实验现象、实验结论等用语言表达出来。在作答时一定要注意两点：一是要注意叙述的有序性，为了完成某个操作需要几步进行，观察到某些实验现象，要把每一步叙述到位，如检查气密性，一般要有构造密闭体系、改变压强、产生相关现象、得出结论四步。二是要用规范的化学语言叙述，杜绝使用口头语，如“通入二氧化硫气体”不能说成“加入二氧化硫气体”；少量二氧化碳通入澄清石灰水，现象应为“溶液变浑浊”，而不能表述成“溶液变白”；（3）计算能力。从近几年新课标高考试题来看，定量实验是考查的高频考点。考查的模式主要有两种：一是“数据的测量一数据的处理一得出结论”型；二是“给出数据一分析数据一发现规律”型。无论是哪种题型都可能会涉及数据的处理和对计算能力的考查。

3 实验设计与探究题的解题策略

3.1思考问题的顺序

1）思考实验考察的核心问题。如为达到实验目的选择的实验路线、方法是否恰当；实验原理是否科学、合理；所选用药品与仪器是否简单合理；实验现象是否直观、明显（是否有干扰）；实验过程是否安全、环保。

2）思考常规实验操作。回顾与本实验有关物质的制备、净化、吸收、存放、环保、安全等问题，还要注意实验的具体目的：是否需驱赶空气装置、需防止空气中的CO₂、H₂O进入装置等具体问题。

3）思考常规实验仪器及装置的连接顺序。一般为气体发生装置-净化装置（包括干燥、净化、除杂）-主体实验装置-尾气处理。有些实验还需要增加驱赶空气装置、防倒吸装置、防止空气中有关气体进入等装置。

4）思考实验操作的顺序以及要求注意的相关问题。实验操作顺序一般为：连接仪器-检查气密性-装药品-进行实验。仪器连接一般按照从下至上、从左到右的顺序。在整套仪器连接完毕后，应先检查装置的气密性，检查装置气密性的方法依装置的特点而定，然后装入药品进行后续操作。

5）思考实验现象，得出合理结论。为了答题全面，回答实验现象时一般也是按照实验装置从下至上、从左到右的顺序进行观察，根据实验中观察到的现象推导出实验结论。

3.2结合具体类型科学作答

1）物质制备型。单纯从应试角度来看，所见到的制备类实验，从左到右，一般会出现下列几部分装置：气体（物质）制备-除杂-干燥-主体实验-（尾气处理）-（收集）-（净化）。括号中的装置不同的实验会有所取舍。遇到具体实验问题时，只要对照上述装置路线进行适当的取舍，就可以理清命题人的目的了。就近几年的高考实验试题看，制备实验中实验装置除了上面这几部分基本装置外，为了使实验更加科学、合理、完美，经常出现改进、优化类装置，如水浴加热装置、防倒吸的装置、平衡压强的装置、不同气体充分混合装置、冷凝回流的装置、冷却收集的装置等。应该扎实地记住上面这几部分装置，当题中给出装置时，可以对照上述顺序把整套装置划分为几个模块，便于理清思路。当需要自己设计制备装置时，可以把它作为路线图，便于设计最佳的制备方案。物质的制备中往往涉及到多个物质之间的相互转化，从起始物质到最终产物的实现可能存在多种途径，如何从这几种途径中选择最佳方案？关键是对制备原理的选择，此选择以原料和产物的性质为基础，以操作过程的简捷与可操作性为前提，以原料的利用率和产物的产出率为终极目标。

2）性质验证型。此类问题一般解题思路为：分析物质的结构确定所属类型-典型代表物的性质-推测其可能具有的性质-推测可能发生的化学反应-利用反应产生的现象证明是否具备这样的性质。此类题型主要有两种：一种是条件限制型的，即对实验试剂、检验方法、实验装置做了限定，需要根据命题人的思路进行探究并作答。作为应试题目，限制型的题目是考查的重点；另一种是开放型的，即不论哪种实验方法只要能达到验证目的即可。解决限制型的试题首先要根据题设条件综合分析命题人的意图，弄清整体思路，然后再具体作答，切忌自己主观臆断，否则得到的答案往往与标准答案相差甚远。其次要注意验证某性质一般应通过某个具体化学反应的实验现象来达到验证目的，因此做这类题目时要排除其他干扰因素对验证的影响。如探究二氧化硫与过氧化钠的反应：二氧化硫与二氧化碳在组成上具有相似性，于是可以推测二氧化硫可能与过氧化钠反应生成亚硫酸钠，但考虑到二氧化硫具有还原性，所以与过氧化钠反应时还可能生成硫酸钠，因此，就可以根据亚硫酸钠与硫酸钠的性质，设计合适的化学反应，从而验证二氧化硫和过氧化钠可能发生的反应。

3）定量探究型。定量实验的核心是“定量”，因而实验的设计应围绕定什么量、如何定量、如何精确定量等一系列问题设计简单定量实验方案。高中定量实验教学可分为定量验证和定量分析。如一定物质的量浓度溶液的配制和气体摩尔体积的测定，这类实验可深化对概念的理解，属于定量验证类实验。其实验原理是已有的概念和相关的定义式，因此需要测定的目标量是十分明确的。硫酸铜晶体中结晶水含量的测定和酸碱中和滴定实验等属于定量分析类实验，实验中实验原理的设计需要先找到合适的相关反应并确定计量关系，然后围绕实现实验原理、准确测量展开关于操作原理和仪器原理的讨论，完成实验设计。定量探究实验的重点是对数据的分析和处理。对数据的分析要注意不仅要看数据是否在误差允许范围内，还要就数据的测定环境进行分析，尤其是气体体积数据，在多个反应共存时，往往用守恒法或关系式法处理数据。

4）假设探究型。这类题一般由两部分组成，一部分是提出若干假设（猜想部分），另一部分是对其中的某种假设做出验证（实验设计部分）。这类题集基本仪器的使用、物质的检验、实验设计等于一身，综合考查考生的实验能力。解决这类问题需要明确科学探究的一般步骤：主要有“提出问题-猜想假设-科学探究-得出结论”4个步骤，一般情况下提出问题主要由试题本身在题干中提出，而“猜想假设-科学探究-得出结论”3个步骤是学生作答的关键所在。

总之，开展化学实验教改一个关键点就是要实现实验教学模式的转变，从传统的注入式向以探究式为主的教学式的转变。新课改教科书中的化学实验为学生创设了亲身参与实践的情境，具有获知、激趣、求真、循理、育德等教育功能。教师在进行化学实验设计与探究性实验试题教学设计时，应突出以学生为本，突出学生在课堂上的主动性、探究性、创造性和差异性，在特定的课堂环境中根据学生的认知和情感需要，因势利导地组织学生参与到自主创新的探究性学习环境中来，只有这样，才能让课堂真正成为唤醒学生潜能、促进学生自我发展的舞台。