“创新实验”中存在的问题及其改进对策

2015-05-15陆军

化学教学 2015年2期

摘要：“创新实验”是2014年江苏省高中化学青年教师教学基本功大赛的一个项目。虽然大赛中展示的许多“创新实验”具有科学性与实用性等特点，但是还存在着操作不规范、替代稍过度、装置太复杂、原理欠科学等问题。要改进“创新实验”的现状和提高实验教学的质量，广大青年教师应该自觉坚持实验操作规范、努力传承化学学科特色、广泛收集实验改进方案、深入思考实验设计原理，以确保化学实验的规范性、实用性和科学性。

关键词：高中化学；青年教师；教学基本功大赛；创新实验

文章编号：1005–6629（2015）2–0030–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

2014年江苏省高中化学青年教师教学基本功大赛已经落下帷幕。该项赛事自2011年起每3年1届，比赛内容包括粉笔字、即兴演讲、教学设计与课件制作、课堂教学、化学教学专业知识测试、实验设计及操作技能等6个项目。在2011年的首届比赛中，“实验设计及操作技能”的内容是现场公布的教材演示实验，“通过实验证明淀粉（蔗糖）本身没有还原性，而水解产物具有还原性”，但“有不少参赛教师的实验操作不规范、不严谨，同时失败率也较高”[1]。2014年的第二届比赛方案将“实验设计及操作技能”调整为“创新实验”，要求“基于课程标准，各自提前设计一个适合高中课堂教学的创新实验，体现创新价值与意义，具有科学性与实用性”[2]。从2014年5月公布比赛方案，到各地通过预赛推荐参赛选手，再到10月省级比赛的如期举行，选手有比较充分的时间进行“创新实验”的设计和操作训练，同时还可以借助“外力”，在一定范围文献检索的基础上进行设计，并在主动征求其他教师意见的基础上进行优化。因此，“创新实验”的展示让广大化学教师产生了许多期待，同时也成了本届比赛唯一进行网络直播（直播地址为http：//hx.jssjys.com/Html/Article/2860/）的项目。

江苏每届高中化学青年教师教学基本功大赛共有26名选手，分两组同时进行相关项目的比赛，这次“创新实验”是比赛的最后一个项目，分别标注为E组和F组。从F组13位选手的展示情况来看，其中许多“创新实验”具有科学性与实用性等特点。如有选手在过去W型弯管改进化学实验的基础上，在W型弯管后增加了一个带加料口的V型管，使其成为3个V型相连的弯管（如图1），以便深度检验反应的气体产物；再有选手按照自己通过正交实验探究得到的条件成功进行了蔗糖与浓硫酸“气室制黑面包”的实验，并有效处理了实验中可能产生的尾气；还有选手展示了有关“奇妙电池”的实验，包括由U型管底部果冻盐桥和左右两侧铜锌半电池构成的原电池，以及由两组碳棒电极电解制成的氢氧燃料电池。同时，参赛选手在“创新实验”的展示过程中也存在诸多问题。本文拟以F组13位选手的“创新实验”为例，在分析存在问题及其缘由的基础上提出相关改进对策，以供青年教师在提升自身专业素养的进程中参考。

1 “创新实验”中存在的问题及其缘由分析

1.1 自己操作不顾受众观察

化学是一门以实验为基础的学科，实验是学生学习化学的重要中介。所以，比赛方案对“创新实验”提出了“基于课程标准”和“适合高中课堂教学”等基本要求。如果“创新实验”是课堂演示实验还应该有便于学生观察的要求，必要时允许通过一定的途径提高实验现象的能见度，保证学生准确获取实验中可能呈现的感性材料，即便是没有明显现象的实验也要让学生有真切的感受。图2是一位选手进行铁的吸氧腐蚀对比实验的装置，其中，两支试管都被置于铁夹的后方，铁夹对试管产生了一定程度的遮挡，不利于学生对试管中实验现象的全面观察；同时试管下方的一个十字夹用凹槽向下的方向夹持铁夹，还存在脱落的安全隐患。还有其他几位选手也出现类似的遮挡情况。除此之外，有两位选手出现了将用100mL小烧杯制作的氢氧燃料电池放在一排试剂瓶的后方进行电解操作的情况，这不仅不利于评委的观察，也不利于摄像的直播。对此，有老师在直播网页上留言说，“利用微型实验参加这种比赛，从评委可视性角度比较吃亏，应该安排摄像头放大”。其实，无论是进行课堂教学的实验演示操作，还是进行“基于课程标准”的实验创新设计，虽然比赛时是评委在进行评判，但到课堂教学层面时真正的受众是学生，所以应该保证学生对演示实验的能见度。青年教师在实验展示过程中出现只顾自己操作不顾受众观察的现象，除了一时紧张造成慌乱以外，还可能有另外两个方面的原因：一是教师平时课堂教学经常用视频替代演示实验[3]，从而缺乏给学生进行演示实验操作方式的训练；二是教师没有形成正确的学生观，心中没有学生，没有把为学生学习和发展服务的意识摆到正确的位置。

另外，实验展示过程中还有3位选手是戴着橡胶手套的。这些使用橡胶手套的选手，在实验中分别使用了硫酸、硝酸等试剂。但橡胶手套的使用反而会导致手指的不灵活，使得仪器的连接等操作不能顺利进行。一位戴着橡胶手套的选手在使用塑料注射器向试管中注入浓硫酸时还不慎将注射器跌落在地。如果将戴着橡胶手套的形象呈现在学生面前，还会使学生对化学产生强烈的恐惧感。所以有教师戏言：“长期这样进行中学化学教学，以后大学化学系就可能招不到学生了。”出现这些使用橡胶手套等过度自我保护的现象，也是因为教师平时缺少实验操作的训练，从而对自己的实验技能产生高度不自信的外部表现。

1.2 器材替代不顾学科韵味

充分利用身边生活中的物品，将其变“废”为宝，或替代化学实验的常规仪器和药品，是化学实验创新的重要路径之一。所以，13位选手中有4位分别选用注射器、青霉素瓶、输液管、静脉注射袋、折叠式运动水壶等器材代替化学仪器进行了实验创新设计。如果不看图注或说明，可能难以想象图3是一位选手正在静脉注射袋内进行铜与稀硝酸反应的实验。该实验的操作是：先在洁净干燥的静脉注射袋内装入少量铜粉，并保持真空状态；然后用注射器向袋内注入少量稀硝酸，并用温水加热；在观察到产生的无色气体使其慢慢胀大，溶液呈浅蓝色之后，再用注射器注入空气，这时可以观察到无色气体立即变为红棕色。这些选手实验展示的第一个环节，或是摆放用输液管连接的青霉素瓶，或把事先装有各种药品的静脉注射袋和注射器摆满桌面，或将挂满折叠式运动水壶（瓶口各插有两只注射器）的支架及若干装有各种溶液的注射器摆放到桌面，等等。实验中，他们还都能非常麻利地通过注射器向静脉注射袋或折叠式运动水壶中注射各种溶液。所有这些很容易让人联想到医院里护士配制静脉注射液的场景，而与原本化学实验中仪器的组装、药品的取用、溶液的倾倒等操作相去甚远。

从实验的效果看，利用医药等器材替代化学实验的常规仪器存在以下4个问题：（1）容易堵塞。塑料管与玻璃管相比，容易扭曲变形而堵塞。有选手在检查用输液管连接的一组青霉素瓶的气密性时，发现其堵塞只好另取一组进行实验；还有选手用两只相连的静脉注射袋制取二氧化硫时，发现导管堵塞但又没有备份只好放弃实验。（2）不便清洗。医用静脉注射袋等贮放液体的容器，袋（瓶）口一般较小，在用于铜与稀硝酸反应或氯气、二氧化硫等气体制备实验时，既难以盛装固体药品，也不容易进行清洗和干燥处理。（3）成本太大。由于一次性医疗废弃物存在传染疾病的可能，一般不允许流向社会[4]，所以选手基本都是使用崭新的医用器材。显然这样的所谓“代用”会大大提高化学实验的成本。（4）有失学科韵味。自古以来，特别是在化学成为一门独立的学科以来，化学实验主要是在晶莹剔透的玻璃器皿中进行的。使用不完全透明的塑料袋（瓶）等进行化学实验，不仅会干扰实验现象的观察，而且会淡化实验操作的基本规范，使化学实验失去原有的韵味。出现这些有失化学实验原有韵味的“替代”现象，主要是设计者没有真正理解学科本身的特点和“替代”的真谛。

1.3 形式创新不顾实际操作

在比赛过程中，一位选手用自称“二口管”的仪器按图4装置创新了铜与稀硝酸反应的实验。实验时，先如图组装好仪器并检查装置的气密性，之后向烧杯中加入4 mol/L的NaOH溶液，关闭医用输液管控制器，打开带尖嘴玻璃管上的止水夹，从二口管的左侧注入稀硝酸至接近左侧管口，塞上插有铜丝的橡皮塞并使橡皮塞紧贴液面，铜丝与稀硝酸立即反应产生无色气体，溶液逐渐变淡蓝色，一段时间后在左侧形成无色气柱。打开医用输液管控制器并控制流速，两侧液面同时下降，烧杯中形成蓝色沉淀，二口管左侧气体变为红棕色，并与右侧无色空气形成鲜明对比。对于铜与稀硝酸的反应，早有老师在一只注射器中安全地完成了相关绿色化实验。具体操作是：在注射器内放入一小块铜片，吸取少量稀硝酸，排尽空气，迅速用塑料帽套牢尖嘴；过一会儿，可观察到活塞缓慢外移，同时注射器内出现无色气体。为了验证注射器内的气体是一氧化氮，拔去尖嘴上的塑料帽，向外拉动活塞，吸入少量空气，注射器内的气体立刻变成红棕色[5]。在结束实验时，将注射器内的液体挤入盛有一定量氢氧化钠溶液的小烧杯中即可。图4中被称为“二口管”的仪器，其实是“克氏蒸馏”装置中的“蒸馏头”。显然在一只注射器中进行铜与稀硝酸反应的实验，要比在“蒸馏头”中的实验快捷、简便，更可贵的是大大减少了药品的用量，这不仅能降低实验的成本，而且减小了可能的环境污染。

在“创新实验”比赛中，还有两位选手运用氧气传感器和压力传感器对吸氧腐蚀过程中体系内部氧气浓度或气体压强的变化进行了演示。其实，这两个实验只能反映体系中氧气浓度或气体压强的变化，一些边远的农村中学可能还没有氧气传感器和压力传感器，而人教版教科书安排的“铁的吸氧腐蚀实验”中“导管内水柱的上升”就能说明问题。对于吸氧腐蚀的教学来说，真正的难点是对吸氧腐蚀电极反应的理解。下列实验就可以用来突破这一难点：在U型管中装入氯化钠溶液，左右两侧分别插入用导线连接的铁钉和碳棒（干燥并用砂纸打磨表面），同时在铁钉附近滴加2滴铁氰化钾溶液，碳棒附近滴加2滴酚酞试液。将检流计串联在两极之间，可以观察到检流计指针的偏转、铁钉附近形成蓝色沉淀和碳棒附近溶液显红色的现象[6]。那些不从操作的简便、难点的突破等角度考虑的所谓“创新”，其实只是追求实验仪器或装置等外在创新的“形式主义”。

1.4 解决表象不顾原理科学

比赛中有两位选手用静脉注射袋或注射器创新了氯气的制取和性质实验，由于加热条件受限，他们都选用了氯酸钾与浓盐酸反应的方法来制取氯气。从实验现象看，这两位选手所制得的气体都明显呈现黄色，而且反应混合液也呈黄色。究其原因，虽然氯酸钾与浓盐酸之间能发生反应生成氯气，但是同时会产生大量的二氧化氯气体。

早在1811年，英国科学家戴维就在实验室通过氯酸钾与盐酸的作用，首次成功制备了二氧化氯气体[7]。由于常温下二氧化氯是黄色气体，极易溶于水，所以，选手们通过氯酸钾与浓盐酸反应制得的氯气明显呈现黄色，反应混合液也呈黄色。而用夹着大量二氧化氯的氯气进行氯气的性质实验，显然是不科学也不严谨的。

还有选手用在表面均匀涂抹凡士林的锌片进行了简易铜锌原电池的实验，由于锌片与稀硫酸接触受阻，大大降低了原电池中的电流强度，同时也使锌片表面产生气泡的现象变得很不明显。在解释简易铜锌原电池中锌片表面产生气泡的原因时，该选手认为是由于锌片不纯形成局部原电池所导致的。而且还介绍说，过去人们往往通过形成锌汞齐的方法来减小锌片与稀硫酸的接触面。其实，锌片表面有氢气产生是由于动力学原因，锌片失去的电子只有一部分经过导线传递到铜片表面被H+离子结合，而更多的电子由锌片直接传递给了H+离子。所以相对于铜片，锌片是原电池的负极，同时也有局部锌片是另一个局部锌片的正极，也就是说，锌片表现着“二重电极”的角色。而且锌汞齐的形成使锌片表面变得更为不纯，形成锌汞齐后锌片表面氢气减少，主要不是锌汞齐减小了锌片与稀硫酸的接触面，而是因为氢气在汞表面有着很大的析出过电势的缘故。要控制锌片表面产生氢气的现象，只有用带盐桥的原电池。盐桥的使用不仅能完全控制锌片表面的气泡问题，同时会大大提高原电池的供电效率[8]。以上创新实验之所以会出现原理欠妥的现象，主要是由于一些青年教师只注意实验的表面现象而对原理却不求甚解所导致的。

2 改进“创新实验”现状和提高实验教学质量的对策

2.1 自觉坚持实验操作规范

科学规范的实验操作是完成有关实验获取相应感性材料的基本保障。因此，在化学教学活动中，教师除了对学生进行实验规范指导以外，更应该以身作则，自觉追求自身实验操作的规范性，确保学生从演示或分组实验中获得相应的感性材料和正确的操作方法。

2.2 努力传承化学学科特色

任何学科都有自身的学科特色。学生从九年级学习化学开始，就对拉瓦锡在玻璃曲颈甑、汞槽和钟罩中所进行的经典著名的空气成分测定等实验留下了深刻的印象。化学实验也离不开仪器的组装、药品的取用等一系列基本操作。所以化学实验的创新要传承学科特色，巩固学生对学科特色的认识。

2.3 广泛收集实验改进方案

创新实验都是为教学服务的。为了发挥化学实验所具有的激发学习兴趣、呈现物质性质、揭示反应原理、解决化学问题等功能，教师应该在做好教科书安排的有关实验的基础上，广泛收集他人的实验改进方案，从中汲取成功经验，使其成为自身实验创新的起点，或直接为实验教学提供有益的参考。

2.4 深入思考实验设计原理

科学性是包括化学实验在内的一切教学活动的生命线。每个化学实验都有相应的教育功能，要全面实现化学实验的教育功能，首先要深入思考实验中的有关问题，保证设计原理的科学准确，并使其与所要呈现的物质性质、揭示的反应原理或解决的化学问题相对应，从而使其更好地为化学教学服务。

总之，“实验设计及操作技能”是化学教师的一项基本功，无论是经典实验还是“创新实验”，都应该有规范、实用、科学以及蕴含学科传统韵味的基本要求。广大化学教师特别是青年化学教师，要结合实践苦练教学基本功，以全面提升自己的专业素养，为提高化学教学质量和培养化学学科的栋梁之才，做出自己应有的贡献。

参考文献：

[1]刘学明.青年教师专业发展初探——参加江苏省基础教育青年教师高中化学基本功大赛有感[J].化学教与学，2012，（9）：61～62.