刍议提升教师实验素养的四种意识

钟辉生 谢名军

摘要： 以2019年赣州市实验创新设计竞赛活动为例，对相应的创新实验进行评议。阐述了提升化学教师实验素养的四种意识： 安全意识、变量控制意识、定量意识、美学意识。安全意识要求教师关注密闭体系的压强变化带来的安全隐患及对毒性药品进行替代。变量控制意识要求教师尽量设计单一变量对实验结果的影响，确保实验结论与证据间的逻辑关系。通过定量对比或正交实验探索最佳的实验条件体现的是教师定量意识。实验时尽量将仪器的材质美、造型美、操作美、现象美等呈现出来体现的是教师的美学意识。

关键词： 实验素养; 实验创新; 安全意识; 变量控制意识; 定量意识; 美学意识

文章编号： 1005-6629（2019）12-0026-04            中图分类号： G633.8            文献标识码： B

赣州市每两年举办一次青年教师的实验创新设计竞赛活动。实验创新包括实验设计创新、实验装置创新、实验原理创新、实验内容创新等。活动要求参赛选手展示实验仪器，能够对实验原理、操作步骤、设计思路、设计优点进行详细解说，并现场演示实验。从操作规范、熟练程度、现场解说、实验创新和实验效果五个方面对参赛选手的实验创新设计活动进行评价。

笔者有幸受邀参加2019年赣州市实验创新设计活动的评委工作。本届实验创新设计活动共有22名选手参赛，分两组同时展示。从笔者所在组的11名选手展示情况来看，他们的创新实验皆以教材实验为蓝本，对教材实验的不足进行优化设计，让创新有源，服务教学。绝大多数创新实验具备了科学性和一定的实用性，实验效果显著。

人教版《化学2》实验3-3“乙醇的催化氧化”，按照教材实验进行演示，学生常有两个疑惑： （1）通过闻气味能够判断生成了乙醛吗？（2）黑色CuO是Cu作催化剂的中间产物吗？10号选手基于以上两个问题对乙醇的催化氧化实验进行创新设计（见图1）。

实验过程中可清晰地观察到铜丝表面“红—黑”交替现象，醛检测试剂（主要成分： 酚试剂、硫酸铁铵、1‰稀盐酸、纯水）由黄色变蓝色。再比如人教版《化学1》实验4-8“氨溶于水的喷泉实验”，教师一般不会演示此实验，因实验准备

图1  乙醇的催化氧化

时间长，成功率低，即使能形成喷泉，现象也不明显。有选手在文献研究的基础上，进行反复摸索改进，最终成功设计出“连环变色喷泉实验装置（见图2）”，提高了实验趣味性、探究性。

图2  连环变色喷泉实验

以实验为基础是化学学科的重要特征之一，化学实验对于全面发展学生的化学学科核心素养有着极为重要的作用。新课程标准倡导从四个方面发挥实验的教学功能： （1）引导学生通过实验探究活动学习化学。（2）重视通过典型的化学实验事实引导学生认识物质及其变化的本质和规律。（3）利用化学实验史实引导学生了解化学概念、化学原理的形成和发展，认识实验在化学科学发展中的重要作用。（4）引导学生综合运用所学的化学知识和技能，进行实验设计和实验操作，分析和解决与化学有关的实际问题[1]。化学教师的实验素养直接决定着实验在化学学习中独特价值的发挥，但是从实验的创新设计和选手对实验操作的驾驭能力看，老师们的实验素养还有待提高。赛后，笔者与选手们交流，他们说，课堂上老师们几乎不做实验，除非公开课、展示课或比赛课。因为信息技术的成熟，视频实验可以反复播放。本文拟以11位选手的实验创新设计为例谈谈提升教师实验素养的四个意识，以期与同行共勉。

1  安全意识

安全是化学实验素养的第一要素，包含实验仪器安全、实验药品安全、实验装置设计安全、实验过程安全等诸多方面。化学学科核心素养中的“科学态度与社会责任”开宗明义地强调“具有安全意识和严谨求实的科学态度”，教师要在确保安全的前提下引导学生通过实验探索未知、追求真理。

多数中学化学实验不可避免产生废气、废液等。教师在进行实验创新时，都具有“绿色化学”观念，尽可能地将开放体系设计成封闭体系，防止尾气逸散到空气中，对师生健康造成危害。实验的绿色化是实验创新设计必须关注的一个方向。如果封闭体系中有气体源源不断地生成，其安全隐患不小。1号选手对人教版《化学2》实验2-2“Ba（OH）2·8H2O晶体与NH4Cl晶体的吸热反应”进行创新设计。其创新原理为利用饱和KNO3溶液的溶解度随温度变化较大的特点来表征Ba（OH）2·8H2O晶体与NH4Cl晶体反应吸收热量。具体实验为将10g Ba（OH）2·8H2O晶体与5g NH4Cl晶体混匀于透明密封塑料喷壶（喷壶壁上粘有一张湿润的无色酚酞试纸），然后将喷壶放置于盛有饱和KNO3溶液的小烧杯中，可立即观察到溶液中析出大量晶体、无色酚酞试纸变红等现象。课本利用水结冰来表征吸热反应，其受环境温度影响较大，如果环境温度稍高，实验常以失败告终。1号选手对实验优点的自评为： 成功率高，现象明显，绿色环保。

1号选手在设计实验时通过制造密闭体系来解决教材实验NH3在敞开体系的扩散问题。虽然其展示过程中没有出现安全事故，但是实验的安全问题始终让评委们担忧不已。密闭体系中缺乏吸收或收集NH3的措施，这说明1号选手在设计实验时缺乏安全意识。巧合的是，在初中实验创新设计活动的展示过程中，有一位选手依据碘的升华特性来说明分子不停地运动（见图3）。当其将试管放入热水约30s后，试管的橡皮塞被强大的气流冲出，碘蒸气弥漫空中。为什么出現这种情况呢？可能是因为热水温度太高，试管中的气体受热膨胀以及碘快速升华。如果是温水，也许不会发生这类安全事故。提高化学教师的实验素养首先要求他们时刻绷紧安全这根弦，杜绝侥幸心理。

图3  分子运动

从药品的安全角度看，反应物Ba（OH）2·8H2O和产物BaCl2都含有重金属离子Ba2+，毒性不小，教材上该实验每次耗用Ba（OH）2·8H2O高达20克，污染严重，1号选手Ba（OH）2用量减半比封住氨气有价值。如果能够选择低毒、安全的药品进行吸热反应实验原理创新则更能凸显绿色理念。如5g柠檬酸固体和10g碳酸钠晶体混匀的降温幅度高达21℃[2]、 1g碳酸氢铵固体与2mL 4mol/L的盐酸混合能够使冰醋酸凝结成固体[3]。

2  变量控制意识

“证据推理”是化学学科核心素养之一，其内涵为“具有证据意识，能基于证据对物质组成、结构及其变化提出可能的假设，通过分析推理加以证实或证伪;建立观点、结论和证据之间的逻辑关系”。影响化学实验的因素除反应本身性质外，还有诸如浓度、温度、压强等外在因素。因此控制变量是化学实验必需面对的问题，只有设计单个因素的改变而导致实验结果的不同，才能在证据和结论之间建立逻辑关系，实验也更能达到预期目的，增强实验的说服力[4]。

人教版选修4《化学反应原理》实验2-1为比较不同浓度稀硫酸与锌粒反应的速率。7号选手对该实验装置进行改进（见图4）。

图4  浓度、温度对反应速率影响

改进的目的是通过观察滴水的速率来探究浓度、温度对锌与稀硫酸反应速率的影响。当选手通过注射器向试管中加水稀释硫酸时，理论上滴水速率会减慢。可实际结果滴水速率反而变快了。为什么会出现这种与预期不一致的实验现象呢？因为往密封体系中加水，虽然硫酸的浓度下降了，但是加水和反应过程中产生的热效应都会使体系压强增大。用图4探究温度对反应速率影响也存在两个变量，当选手将试管放入热水中，虽然滴水速率明显加快，但是升温还会使试管内的压强增大，也导致滴水速率加快。实验证据和实验结论之间并没有唯一的关联性，不够严谨。

3号选手同样也缺乏变量控制意识。该选手以柚子皮作为水蒸气来源对人教版《化学1》科学探究“铁粉与水蒸气”反应实验进行改进。实验现象非常明显，不到2分钟时间吹出彩色大气泡，且气泡能够被点燃。实验虽然很成功，但是细究起来，氢气一定是铁粉与水蒸气反应产生的吗？以水果皮作水蒸气源，水果皮所产生的水蒸气多少混合着有机酸。为了解决教材湿棉花可能焦化的问题，可以选择CuSO4·5H2O作水蒸气源。其优点是： （1）CuSO4·5H2O脱水温度较低，很容易产生水蒸气。（2）能够通过观察蓝色的变化来监测水蒸气的量。（3）脱水后的硫酸铜晶体吸水后可循环使用。

3  定量意识

1775年前后，拉瓦锡用定量化学实验阐述了燃烧的氧化学说，开创了定量化学时期，使化学沿着正确的轨道发展。之后原子概念和分子概念相继被提出，从原子和分子水平角度来定量研究物质及转化才使化学真正成为一门科学。化学上的很多概念、原理都是基于定量研究基础上逐渐形成和发展起来的。化学实验的定量化包含实验药品的定量化，实验条件的定量化，实验操作的定量化，等等。化学教师在开展实验教学或进行实验创新时一定要有定量意识。

人教版《化学1》实验3-9安排了“FeSO4溶液与NaOH溶液混合实验”。所观察到的现象为： 当往FeSO4溶液中滴入NaOH溶液时，生成的白色絮状沉淀[Fe（OH）2]迅速变成灰绿色，最后变成红褐色。因为白色氢氧化亚铁一闪而过，这极大地激起了教师的研究热情，不断地对白色氢氧化亚铁制备实验进行创新设计。

本次比赛活动，有两位选手基于“除氧、隔氧”思路對制备白色氢氧化亚铁实验进行创新设计。一位选手利用注射器完成实验，另外一位选手利用注射器在溶胶中让FeSO4溶液和NaOH溶液混合。从展示效果看，都能观察到稍白色的沉淀，慢慢地白色都会变成灰色。

白色氢氧化亚铁制备是中学化学实验的难点，该实验对药品的用量、反应条件、药品滴加顺序等要求较高，即使得到白色氢氧化亚铁也会缓慢地变成灰绿色。这就要求教师在进行实验设计时要有定量意识。遗憾的是，两位选手在展示时都没有说明所用药品的浓度。查阅文献，王思佳采用正交实验法，探究了NaOH溶液和FeSO4溶液浓度对生成白色氢氧化亚铁的影响[5]： 新配制的硫酸亚铁溶液以1.0mol/L为宜，而氢氧化钠溶液浓度以20%最佳。李玉炫论证将少量的1.0mol/L硫酸亚铁溶液挤入过量的4mol/L氢氧化钠溶液中可以制得白色氢氧化亚铁沉淀[6]。白色氢氧化亚铁之所以难以制备，除其易转化为晶型绿色氢氧化亚铁外，制备过程中，还存在氢氧化亚铁甚至微量氢氧化铁吸附Fe2+而使沉淀显灰绿色。徐建飞等老师摸索出将少量0.1mol/L硫酸亚铁溶液极为缓慢在8mol/L NaOH溶液底部与之反应制备白色氢氧化亚铁的实验方案[7]。

可喜的是，6号选手在进行实验创新时具有很强的定量意识。该选手对人教版选修5《有机化学基础》实验2-1“乙炔的实验室制取”进行改进。教材为了减缓电石与水的反应速率，用饱和食盐水代替水，但是反应依然很剧烈，电石易呈糊状。6号选手通过对比实验找到了平稳生成乙炔气体的最佳试剂： 电石和体积比为3∶1的乙醇水溶液。

4  美学意识

生活中从不缺少美，而是缺少发现美的眼睛（罗丹语）。化学之美美在物质的几何外形、物质的微观结构、物质的色彩斑斓;化学之美美在仪器材质的晶莹剔透、仪器造型的行云流水;化学之美美在化学变化的绚丽多姿、化学原理的简约和谐、化学用语的抽象朴素。化学是一门具有独特美的学科，作为一名化学教师理应将化学之美呈现给学生，用化学之美吸引学生，激励学生。

教师进行实验教学或实验创新设计时，要尽量将化学实验之美展示出来。化学实验之美主要体现在实验仪器选材美、实验装置设计美、实验操作的娴熟美、实验现象的层次美。6号选手的乙炔实验改进装置（见图5）简洁实用，11号选手的萃取分液一体化循环装置（见图6）美纯粹有韵味。

图5  乙炔实验改进装置

图6  萃取分液一体化循环装置

但是多数选手的实验创新缺乏美学意识，突出表现在实验器材的选择和装置的组装方面。11个实验有8个实验使用到了医用注射器，少则1支，多则6支，而且所选用的注射器为白色半透明塑料制品。一般化学仪器多数为玻璃透明仪器，造型优雅，如中学常见的分液漏斗、冷凝管、滴定管、酒精灯等给人以美的享受。选手们将废弃的医疗器械用于实验改进，美其名曰“废物再利用”，其實用废弃的医疗器械进行实验改进，不但有失化学之美，让学生感到恐惧，而且还存在传染疾病的风险[8]。有两位选手进行铜片与浓硝酸反应的实验改进，都选择红色不透明气球来收集多余的红棕色NO2，如果换成透明的气球可能会多一层色彩冲击效果。

化学教学离不开化学实验，化学实验价值实现离不开化学教师实验素养的提高。要提高化学教师的实验素养，教师最好远离视频实验，坚持动手实验，追求实验操作的规范性、熟练性，提高实验安全意识，探索实验结论与实验证据的一致性，传承化学学科特色和学科之美。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育制定. 普通高中化学课程标准（2017版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 72.

[2]李静雯， 陈懿. 吸热反应实验创新设计[J]. 化学教学， 2015， （4）： 53～55.

[3]董银萍， 汪洁， 张雷. 吸热反应实验的绿色化改进[J]. 教育现代化， 2018， （10）： 295～296.

[4]钟辉生， 严康华， 艾亮亮. 基于变量控制的证据意识[J]. 中学化学教学参考， 2018， （9）： 29～31.

[5]王思佳. 正交实验法探究氢氧化亚铁的制备[J]. 中学教育， 2018， （3）： 176～178.

[6]李玉炫. 化学实验题的评析与实证——以NO  -3在酸性条件下的氧化性及Fe（OH）2的制备为例[J]. 化学教学， 2016， （2）： 54～57.

[7]徐建飞， 张平， 杜淑贤. 制备氢氧化亚铁实验方案再探究[J]. 化学教学， 2015， （7）： 54～56.

[8]魏明， 李月玲. 一次医用输液器、注射器废弃物的处理[J]. 中华医院感染学杂志， 2008， （7）： 1048～1050.