中学化学教材中培养学生实验设计能力的案例分析

霍爱新

摘要：化学教材培养学生的实验设计能力的功能成为评价教材的一项重要内容。文章以苏教版高中化学教材《化学1》和《化学2》为例，通过具体案例分析，研究苏教版高中化学教材《化学1》和《化学2》培养学生化学实验设计能力的功能。

关键词：苏教版；化学必修教材；实验设计能力

文章编号：1008-0546（2014）02-0091-03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.02.036

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。

“化学史话”栏目介绍化学家通过控制实验条件，探究化学物质及其变化的规律，获得化学科学发现的历史。从感性上激励学生自己发现改进实验条件，获得更好的实验现象与结果。endprint

“活动与探究”栏目通过具体实验条件控制的探究活动，培养学生改进实验条件的思维过程和科学方法。如《化学2》专题2第30页，“活动与探究”栏目，通过改变过氧化氢溶液的量以及所用催化剂，让学生观察氢气生成的速度，使学生认识到实验条件的重要性，初步掌握控制实验条件的科学方法。

教材完全按照学生认知特点，从初步了解实验条件，到理解实验条件的重要性，再到探究实验条件，使学生逐步掌握实验条件的控制，领悟控制实验条件的科学思维。

三、分析或处理实验数据

化学实验处理的方法包括：化学用语法、表格法、线图法[5]。

教材中所有实验都采用表格法进行实验处理，采用表格法的优点是直观、全面、易懂。另外，有些实验还采用了线图法。

在教材《化学2》专题2第32页“交流与讨论”栏目，给出合成氨反应中正逆反应速率随时间按变化曲线，引导学生通过线图法处理实验数据。该方法可以有效避免繁杂的计算，曲线往往包含丰富的信息，学生只要认真分析，就可以体会到线图法的优点，从而引导学生在设计实验过程中，开发利用线图法处理数据，优化方案。另外，教材引导学生针对不同的实验选择更有效的实验处理方法。

四、绘制和识别典型的实验仪器装置图

本教材重视培养学生改进实验装置的能力，一套好的实验装置对于实验的成败、药品利用率、结果处理等关系密切。新课标提出实验装置应该简约化、安全化、绿色化、生活化。本教材设计充分围绕这一主题展开，并且对装置的安排体现梯度性。

《化学1》专题4第2单元中“硝酸的性质”，“观察与思考”栏目中铜片分别与浓、稀硝酸在相同装置中反应，并给出具体的实验装置。学生初步掌握该实验的原理，最重要的是掌握本套装置的构成特点以及优缺点。教材在本单元“练习与实践”栏目中又安排了铜与稀硝酸反应装置改进与选择的习题。

以下为本习题的具体内容。

3. 甲同学采用如下页图2中的图Ⅰ所示装置验证铜与稀硝酸的反应，并用排水法收集NO气体。

①反应过程中的实验现象是 。

②乙同学认为虽然收集的气体是一氧化氮，但并不能说明反应中一定生成一氧化氮。你认为他的理由是 。

③丙同学采用如图Ⅱ所示装置进行实验，证明了铜与稀硝酸反应生成一氧化氮。该同学的步骤如下表所示，请回答实验中的有关问题。

④从环境保护的角度看，丙同学的实验存在什么缺陷？你认为应如何改进？

上述两图均为铜片与稀硝酸反应的装置。图1为“观察与思考”栏目铜片与稀硝酸反应的装置，图2为“练习与实践”栏目中所给铜片与稀硝酸反应的两套装置。

习题中的问题设置不仅使学生加强对基础知识的掌握，而且有利于培养学生改进装置的方法。学生在做题过程中，对比会发现各套装置的优缺点及侧重验证的性质。从而为以后改进实验装置提供参考，掌握改进思想的关键，具体问题具体分析。

问题①的设置，巧妙地加强习题与前文的联系，装置Ⅰ与“观察与思考”栏目铜片与稀硝酸反应的装置有很大的相似度，引导学生对比发现装置的优缺点，同时使基础知识顺利地迁移到本题中来，初步渗透装置改进的内容和特点。

问题②从表面上看仅仅是考察一氧化氮的氧化性，其实质在于引导学生发现改进实验装置的必要性和出发点。本实验中，要证明反应生成气体是一氧化氮就必须使反应装置隔绝空气，从而引导学生选择改进实验装置的侧重点。

问题③通过及时解决问题②所提到的疑问，学生在情感上获得改进装置的奇妙感，从而激发学生在以后的学习中运用实验装置的改进解决实际问题。另外，装置Ⅱ在之前的学习中，学生从未或很少接触到，这也为学生以后改进装置提供依据，渗透装置选择和改进的思维，掌握一些实验装置改进的关键点。

本习题最后问题④要求学生自己从环保的角度改进一套装置，真正做到学以致用，同时体现实验装置的简易化、绿色化原则。

总之，教材安排突出装置改进的思维训练，不仅使学生认识到装置改进的必要性和关键点，而且更注重学生发挥自己的聪明才智，创造性地自己动手改进装置。在此过程中，学生不断体会装置选择和改进的方法，发展创造性思维，解决实际问题。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.中学考试大纲[Z].2010

[2] 王后雄，黄郁郁.新课程天地人教版化学新课标教科书新增实验的要素分析[J].化学教育， 2007，（4）：13-16

[3] 陈耀亭等编著.中学化学教学法[M].长春：吉林人民出版社，1984：16

[4] 胡红杏.高中化学实验设计教学及策略研究[D].兰州：西北师范大学，2006：29

[5] 张克龙，苏香妹.借助化学实验教学培养学生科学探究能力的策略[J].教学仪器与实验，2004，（3）：15-17endprint

“活动与探究”栏目通过具体实验条件控制的探究活动，培养学生改进实验条件的思维过程和科学方法。如《化学2》专题2第30页，“活动与探究”栏目，通过改变过氧化氢溶液的量以及所用催化剂，让学生观察氢气生成的速度，使学生认识到实验条件的重要性，初步掌握控制实验条件的科学方法。

教材完全按照学生认知特点，从初步了解实验条件，到理解实验条件的重要性，再到探究实验条件，使学生逐步掌握实验条件的控制，领悟控制实验条件的科学思维。

三、分析或处理实验数据

化学实验处理的方法包括：化学用语法、表格法、线图法[5]。

教材中所有实验都采用表格法进行实验处理，采用表格法的优点是直观、全面、易懂。另外，有些实验还采用了线图法。

在教材《化学2》专题2第32页“交流与讨论”栏目，给出合成氨反应中正逆反应速率随时间按变化曲线，引导学生通过线图法处理实验数据。该方法可以有效避免繁杂的计算，曲线往往包含丰富的信息，学生只要认真分析，就可以体会到线图法的优点，从而引导学生在设计实验过程中，开发利用线图法处理数据，优化方案。另外，教材引导学生针对不同的实验选择更有效的实验处理方法。

四、绘制和识别典型的实验仪器装置图

本教材重视培养学生改进实验装置的能力，一套好的实验装置对于实验的成败、药品利用率、结果处理等关系密切。新课标提出实验装置应该简约化、安全化、绿色化、生活化。本教材设计充分围绕这一主题展开，并且对装置的安排体现梯度性。

《化学1》专题4第2单元中“硝酸的性质”，“观察与思考”栏目中铜片分别与浓、稀硝酸在相同装置中反应，并给出具体的实验装置。学生初步掌握该实验的原理，最重要的是掌握本套装置的构成特点以及优缺点。教材在本单元“练习与实践”栏目中又安排了铜与稀硝酸反应装置改进与选择的习题。

以下为本习题的具体内容。

3. 甲同学采用如下页图2中的图Ⅰ所示装置验证铜与稀硝酸的反应，并用排水法收集NO气体。

①反应过程中的实验现象是 。

②乙同学认为虽然收集的气体是一氧化氮，但并不能说明反应中一定生成一氧化氮。你认为他的理由是 。

③丙同学采用如图Ⅱ所示装置进行实验，证明了铜与稀硝酸反应生成一氧化氮。该同学的步骤如下表所示，请回答实验中的有关问题。

④从环境保护的角度看，丙同学的实验存在什么缺陷？你认为应如何改进？

上述两图均为铜片与稀硝酸反应的装置。图1为“观察与思考”栏目铜片与稀硝酸反应的装置，图2为“练习与实践”栏目中所给铜片与稀硝酸反应的两套装置。

习题中的问题设置不仅使学生加强对基础知识的掌握，而且有利于培养学生改进装置的方法。学生在做题过程中，对比会发现各套装置的优缺点及侧重验证的性质。从而为以后改进实验装置提供参考，掌握改进思想的关键，具体问题具体分析。

问题①的设置，巧妙地加强习题与前文的联系，装置Ⅰ与“观察与思考”栏目铜片与稀硝酸反应的装置有很大的相似度，引导学生对比发现装置的优缺点，同时使基础知识顺利地迁移到本题中来，初步渗透装置改进的内容和特点。

问题②从表面上看仅仅是考察一氧化氮的氧化性，其实质在于引导学生发现改进实验装置的必要性和出发点。本实验中，要证明反应生成气体是一氧化氮就必须使反应装置隔绝空气，从而引导学生选择改进实验装置的侧重点。

问题③通过及时解决问题②所提到的疑问，学生在情感上获得改进装置的奇妙感，从而激发学生在以后的学习中运用实验装置的改进解决实际问题。另外，装置Ⅱ在之前的学习中，学生从未或很少接触到，这也为学生以后改进装置提供依据，渗透装置选择和改进的思维，掌握一些实验装置改进的关键点。

本习题最后问题④要求学生自己从环保的角度改进一套装置，真正做到学以致用，同时体现实验装置的简易化、绿色化原则。

总之，教材安排突出装置改进的思维训练，不仅使学生认识到装置改进的必要性和关键点，而且更注重学生发挥自己的聪明才智，创造性地自己动手改进装置。在此过程中，学生不断体会装置选择和改进的方法，发展创造性思维，解决实际问题。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.中学考试大纲[Z].2010

[2] 王后雄，黄郁郁.新课程天地人教版化学新课标教科书新增实验的要素分析[J].化学教育， 2007，（4）：13-16

[3] 陈耀亭等编著.中学化学教学法[M].长春：吉林人民出版社，1984：16

[4] 胡红杏.高中化学实验设计教学及策略研究[D].兰州：西北师范大学，2006：29

[5] 张克龙，苏香妹.借助化学实验教学培养学生科学探究能力的策略[J].教学仪器与实验，2004，（3）：15-17endprint

“活动与探究”栏目通过具体实验条件控制的探究活动，培养学生改进实验条件的思维过程和科学方法。如《化学2》专题2第30页，“活动与探究”栏目，通过改变过氧化氢溶液的量以及所用催化剂，让学生观察氢气生成的速度，使学生认识到实验条件的重要性，初步掌握控制实验条件的科学方法。

教材完全按照学生认知特点，从初步了解实验条件，到理解实验条件的重要性，再到探究实验条件，使学生逐步掌握实验条件的控制，领悟控制实验条件的科学思维。

三、分析或处理实验数据

化学实验处理的方法包括：化学用语法、表格法、线图法[5]。

教材中所有实验都采用表格法进行实验处理，采用表格法的优点是直观、全面、易懂。另外，有些实验还采用了线图法。

在教材《化学2》专题2第32页“交流与讨论”栏目，给出合成氨反应中正逆反应速率随时间按变化曲线，引导学生通过线图法处理实验数据。该方法可以有效避免繁杂的计算，曲线往往包含丰富的信息，学生只要认真分析，就可以体会到线图法的优点，从而引导学生在设计实验过程中，开发利用线图法处理数据，优化方案。另外，教材引导学生针对不同的实验选择更有效的实验处理方法。

四、绘制和识别典型的实验仪器装置图

本教材重视培养学生改进实验装置的能力，一套好的实验装置对于实验的成败、药品利用率、结果处理等关系密切。新课标提出实验装置应该简约化、安全化、绿色化、生活化。本教材设计充分围绕这一主题展开，并且对装置的安排体现梯度性。

《化学1》专题4第2单元中“硝酸的性质”，“观察与思考”栏目中铜片分别与浓、稀硝酸在相同装置中反应，并给出具体的实验装置。学生初步掌握该实验的原理，最重要的是掌握本套装置的构成特点以及优缺点。教材在本单元“练习与实践”栏目中又安排了铜与稀硝酸反应装置改进与选择的习题。

以下为本习题的具体内容。

3. 甲同学采用如下页图2中的图Ⅰ所示装置验证铜与稀硝酸的反应，并用排水法收集NO气体。

①反应过程中的实验现象是 。

②乙同学认为虽然收集的气体是一氧化氮，但并不能说明反应中一定生成一氧化氮。你认为他的理由是 。

③丙同学采用如图Ⅱ所示装置进行实验，证明了铜与稀硝酸反应生成一氧化氮。该同学的步骤如下表所示，请回答实验中的有关问题。

④从环境保护的角度看，丙同学的实验存在什么缺陷？你认为应如何改进？

上述两图均为铜片与稀硝酸反应的装置。图1为“观察与思考”栏目铜片与稀硝酸反应的装置，图2为“练习与实践”栏目中所给铜片与稀硝酸反应的两套装置。

习题中的问题设置不仅使学生加强对基础知识的掌握，而且有利于培养学生改进装置的方法。学生在做题过程中，对比会发现各套装置的优缺点及侧重验证的性质。从而为以后改进实验装置提供参考，掌握改进思想的关键，具体问题具体分析。

问题①的设置，巧妙地加强习题与前文的联系，装置Ⅰ与“观察与思考”栏目铜片与稀硝酸反应的装置有很大的相似度，引导学生对比发现装置的优缺点，同时使基础知识顺利地迁移到本题中来，初步渗透装置改进的内容和特点。

问题②从表面上看仅仅是考察一氧化氮的氧化性，其实质在于引导学生发现改进实验装置的必要性和出发点。本实验中，要证明反应生成气体是一氧化氮就必须使反应装置隔绝空气，从而引导学生选择改进实验装置的侧重点。

问题③通过及时解决问题②所提到的疑问，学生在情感上获得改进装置的奇妙感，从而激发学生在以后的学习中运用实验装置的改进解决实际问题。另外，装置Ⅱ在之前的学习中，学生从未或很少接触到，这也为学生以后改进装置提供依据，渗透装置选择和改进的思维，掌握一些实验装置改进的关键点。

本习题最后问题④要求学生自己从环保的角度改进一套装置，真正做到学以致用，同时体现实验装置的简易化、绿色化原则。

总之，教材安排突出装置改进的思维训练，不仅使学生认识到装置改进的必要性和关键点，而且更注重学生发挥自己的聪明才智，创造性地自己动手改进装置。在此过程中，学生不断体会装置选择和改进的方法，发展创造性思维，解决实际问题。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.中学考试大纲[Z].2010

[2] 王后雄，黄郁郁.新课程天地人教版化学新课标教科书新增实验的要素分析[J].化学教育， 2007，（4）：13-16

[3] 陈耀亭等编著.中学化学教学法[M].长春：吉林人民出版社，1984：16

[4] 胡红杏.高中化学实验设计教学及策略研究[D].兰州：西北师范大学，2006：29

[5] 张克龙，苏香妹.借助化学实验教学培养学生科学探究能力的策略[J].教学仪器与实验，2004，（3）：15-17endprint