中学化学实验设计的常用方法举要

吴良根

实验设计技能从本质上讲是一种思维技能，它是指学生根据问题的需要确立研究目标，应用所学原理，选择适当的仪器、药品和材料，设计各种实验去验证或探索某一原理或现象的过程。它没有明显的外显动作，主要是在头脑中进行的一种认知活动方式。在科学实验教学中，培养学生的实验设计能力，对增强实验预见性、减少实验失误、培养实验能力以及创造思维都有很大的作用，也是提高实验教学质量的有效途径。

一、化学实验设计的意义

化学实验设计对于发展学生的科学探究能力、提高他们的科学素养具有重要意义。实验设计是运用知识和求新创造的过程。在这个过程中，不仅有旧知识的运用，而且有对新知识的探求。学生实验设计技能的发展，往往说明他们的迁移能力、创造性和思维能力有较快的发展。通过科学实验，他们能学会如何控制或改变实验条件，选择什么样的仪器来实施实验，如何运用规律来解释自然现象，如何由诸多的现象归纳出本质的结论，如何探索科学规律，等等。实验设计让学生直接接触科学研究的方法，使学生对预感、推测、试验以及独立解决问题的可能性有正确的认识。实验设计是各种科学知识的综合运用，是较高层次的实验能力。实验设计的教学意义主要有以下几点：

（一）激发学生的化学学习兴趣。学生根据自己所学的化学知识，独立或在教师启发下，设计出各种实验方案，成功地解决化学实验问题，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。

（二）获得亲身参与研究探索的体验。美国教育家波利亚曾指出：“获取知识的最佳途径是自己的体验，因为自身体验最清楚，也最容易得出其中的内在规律、性质和联系。”科学实验强调学生通过自主参与一些类似于科学家从事科学研究的学习活动，获得亲身体验和产生积极情感，逐步形成一种在日常学习和生活中喜爱质疑、乐于探究、努力求知的心理倾向，产生运用所学知识解决实际问题，并且有所发现、有所发明、有所创造的积极欲望。

（三）提高发现问题和解决问题的能力。设计化学实验方案需要学生灵活地、创造性地运用所学的化学基础知识和化学实验基本技能，可以发展他们解决化学实验问题的能力和创造能力。实验的过程围绕着一个需要解决的问题而展开，学生直接参与研究，并最终使问题得以解决。学生在实验研究过程中，会激活自身储备的知识，通过解决实际问题的探索性活动，提高自己解决问题的能力。

（四）学会分享与合作。合作的意识与能力是现代人所应具备的基本素质。在以往的课堂教学情境中，学生间的交流与合作缺乏充分的机会与条件，而实验则为学生提供一个有利于沟通与合作的良好空间，学生得以在这个过程中发展乐于合作的团队精神，学会交流和分享研究的信息、创意及成果，并在欣赏自己的同时，也学会欣赏别人。

（五）培养科学态度，增强社会责任感。学生在实验的过程中，通过认真、踏实的探究，会逐渐养成严肃认真、一丝不苟、尊重他人意见的正确实验态度，形成严谨的科学作风和克服困难的意志品质，有利于学生认识和掌握科学过程与科学方法、不满足于现状的进取精神，同时也懂得了科学知识对于自然、社会与人的意义和价值。

二、中学化学实验设计的原则

在学生具备了一定的化学基础知识、掌握了一定的化学实验操作技能的基础上，有目的的提出一些实验问题，要求学生按照实验目的要求，根据已学过的实验原理和方法，设计出新的实验方案，这是培养学生实事求是、独立思考、开拓创新精神和能力的重要途径。

（一）目的性原则。目的性原则是指在科学实验设计的整个过程中，对实验原理、用品、装置、步骤、方法以及实验结果等方面的设计，都应围绕实验的目的与要求进行。例如，一氧化碳还原氧化铜的实验中，实验的目的是说明一氧化碳具有还原性，可把氧化铜中的铜还原成单质，本身被氧化成二氧化碳。因此，实验设计的立足点就是如何将黑色的氧化铜转化为红色的铜，如何将一氧化碳转化为二氧化碳，并将其检验出来。然后据此选择实验试剂、仪器、装置、反应条件、操作步骤和方法，并组装多种有利于黑色氧化铜转化为红色铜的实验装置。

（二）科学性原则。科学性原则是指设计的实验原理、实验方法、实验装置、实验操作等必须与科学理论知识和科学实验方法相一致。例如，检验某种无色溶液中是否含有CO32-离子，就不能通过加入盐酸，看是否有使澄清石灰水变浑浊的气体产生的方法来检验。因为若有HCO3-离子、SO32-离子、HSO3-离子的存在，此实验中都可以产生相似的现象，因而有失原理、方法的科学性。

（三）可行性原则。可行性原则是指在设计科学实验时，从实验原理、实验实施到实验结果的产生，在实施时切实可行，所选用的化学实验药品、仪器、设备和方法在中学化学实验条件下能够得到满足。例如NaCl、Na2SO4的鉴别，有的学生常选用AgNO3做试剂，认为AgCl难溶、Ag2SO4微溶，从而把两者加以区分。事实上，这种方法所依据的原理在实施时是不可行的。因为硫酸银不稳定很易分解成难溶的氧化银。

（四）安全性原则。安全性原则是指在设计实验方案时必须考虑实验过程中的安全，尽量避免使用有毒药品和进行具有危险性的实验操作，如果必须使用，应在所设计的化学实验方案中详细写明注意事项，以防造成环境污染和人身伤害。

（五）简便性原则。简便性原则要求在实验设计时，要考虑到实验材料容易获得、实验装置简化、实验药品便宜、实验操作简便、实验量化简单、实验步骤少和实验时间短等问题。这样，可以避免学生在实验设计中陷入一些繁琐的过程中，而忽视科学实验中的关键问题，如对实验原理的思考，对实验现象的分析等。

（六）绿色化原则。绿色化学是二十一世纪化学科学的一个重要发展方向，也是中学化学教学中学生应树立的基本化学观念之一。绿色化学倡导从源头上就尽可能地消除或减少有毒、有害化学物质对环境的影响，要想实现这一目标，必须从化学实验设计做起。在化学实验设计中体现绿色化学思想，要求在化学反应原料的选择、化学反应条件的选择、化学反应的产物、化学实验的操作等环节都要贯彻绿色化学思想。