设计系列化学实验优化化学实验教学的研究和实践，本文主要内容关键词为：实验教学论文,化学实验论文,化学论文,系列论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
化学实验是化学教学的重要组成部分。在教学中，化学实验所展示信息有时不够充分，或与学生原有认知经验差异过大，学生难以有效地实现知识的意义建构，只能对教师的讲解进行机械记忆。而机械记忆难以持久，所学知识也难以迁移、运用。为弥补教学的缺失，教师就布置了大量课外练习，学生的课业负担十分繁重，学习效率、学习兴趣下降，成绩逐渐分化。
为了发挥化学实验的强大功能，使化学实验教学有效促进每个学生的学习，应以教科书为教学资源，对教科书所示实验进行必要的改进、补充、重组，提供更多的有效学习的信息，使化学实验的认知功能最大化，促进学生对教学内容的理解，形成良好的记忆，有效减轻学生过重的学业负担，追求化学实验教学过程最优化[1]。
1.设计“阶梯式”系列实验，创设有意义的连贯的教学过程
学生的原有认知经验有时与教学目标存在显著差异，这就需要通过化学实验教学设计缩小这种差异，在学生原有认知经验和教学目标之间设置必要的“阶梯”，设计系列化学实验，形成适度的学习梯度，帮助学生循序渐进地建构知识的意义。
如“原电池原理”的教学，教科书仅仅安排了经典的原电池实验，无论是与学生熟悉的干电池，还是与学生已有的氧化还原反应等相关知识都有较大的差异。为了激活学生拥有的这些认知经验，激发他们发现生活、探究生活的意识，以“干电池的拆卸”为情境，按照螺旋上升的方式，设计了如下“阶梯式”系列实验，努力构建一个有意义的连贯的教学过程。
【实验1】课前拆卸一只锌锰干电池，将锌筒、铜帽、石墨棒、少许黑色填料带回教室，以备实验之用。
【实验2】向锌筒里加入少许黑色填料，注入适量的水，用导线依次连接锌筒、灵敏电流计、石墨棒，将石墨棒悬于锌筒内，观察实验现象。
【实验3】向锌筒里注入适量稀硫酸，用导线依次连接锌筒、灵敏电流计、石墨棒，将石墨棒悬于锌筒内，观察实验现象。再将锌筒锤成片状，用导线依次连接锌片、电流计、石墨棒，将两极平行地插入盛有稀硫酸的小烧杯里，观察实验现象。
【实验4】用导线依次连接锌片、电流计、铜片，向烧杯中加入适量的稀硫酸，将两极平行地插入烧杯里，观察实验现象。用乙醇替换稀硫酸，进行实验并观察现象。
【实验5】在烧杯两侧分别插入锌片、铜片，加入适量稀硫酸，观察实验现象，并从微观粒子运动的角度提出解释。
实验1让学生重返过去时光，动手探究曾经冥思过的干电池的结构（几乎每个学生都思考过“干电池为何能供电”）。实验2让学生在“裸露”的干电池面前，猜测电流产生的原因（一个不熟悉的化学反应在两极之间形成电子转移而致）。实验3运用熟悉的化学反应，创设便利的观察条件，促使学生对实验现象提出初步的解释，形成原电池的概念。实验4是为便于观察而由师生共同设计的，其目的是引导学生在对干电池结构进行抽象思维之后，形成原电池结构的图式，并用乙醇替换稀硫酸作为该图式的反例。
教学过程中，系列实验吸引了每个学生，他们思维活跃，在提出问题、猜测、实验、观察、解释之后形成合理的结论。值得注意的是，实验5是引导学生用微观粒子运动的观念分析氧化还原反应，并将其迁移在原电池原理和电极反应的知识建构中。建构的结论有：氧化还原反应有电子转移，原电池外电路的电流是两极间电子通过导线转移所致；锌片表面的锌原子失去电子形成锌离子；溶液中的氢离子受锌离子的作用，不易直接在锌片表面获得电子的，而易于从铜片表面获得电子生成氢气，这比它们直接反应更迅速；原电池的氧化还原反应不是直接发生的，而是分别在两极表面发生的；溶液中有离子定向移动，外电路中有电子定向流动。
2.设计“精深式”系列实验，创设最大化的“最近发展区”
精深是一个心理学名词，是对所学的内容建立更多联系的增加或扩充过程[2]。教科书因篇幅所限，所述实验往往较为简洁，教学中学生对认知对象的关键细节不够清晰，难以形成相应的推论。借鉴精深的教学策略，补充相关的化学实验，构成“精深式”系列实验，增加支持学生知识建构的实验表象，使学生的“最近发展区”最大化，便于学生对所学内容的意义作精深加工。同时这些实验信息还会构成局部的信息网络，给回忆提供更多的通路，可导致良好记忆的形成。
如“有机高分子化合物的基本性质”的教学，教科书[3]编排的实验有：线型高分子材料燃烧与溶解的实验、车胎制成的橡胶颗粒在汽油中溶胀。学生以分子的热运动、物质的溶解过程为基础，能较好地理解高分子材料的热塑性和线型结构。但对高分子材料的热固性和体型结构的理解较为困难，其原因是学生缺少热固性的相关表象。同时由于车胎材料已发生变化，溶胀实验现象不够明显，需要进行改进。故将教科书所述实验、补充实验、改进实验整合起来，形成“精深式”系列实验。
【实验1】线型高分子材料的燃烧与溶解实验。
【实验2】取橡皮塞1个，用小刀将其剖成0.5cm×0.3cm×0.2cm的小方块2个，各插入一枚小针，用棉线连起。将其中的一块放入小试管，另一块悬于试管外，倒入汽油，使橡胶块浸没，用橡皮塞将试管口塞紧。1h、24h后观察现象并记录。
【实验3】取出溶胀的橡胶块，用坩埚钳轻轻夹持，点燃，观察。
实验1帮助学生理解高分子材料的热塑性和线型结构。实验2安排在授课前一天，由学生课外完成。改进后的实验，溶胀现象鲜明，橡胶块的长、宽、高均约为原来的2倍。
实验3前，要求学生预测实验现象，学生的预测有“燃烧时熔化并成滴滴下”“汽油烧尽，剩下的仍是原来的橡胶块，但可能会变形”。而点燃溶胀的橡胶块后，火焰熊熊，有黑烟，橡胶块保持固体状态。即便是最后的白色灰烬仍保持原来外形，用手捻动，成粉末状。实验后学生极为惊讶，陷入了沉思，意识到热固性塑料不是线型结构。此时，需要教师帮助学生建构体型结构的表象，可将橡胶块类比为钢结构的房子。在形成一定的感性认识后，学生很快就给出解释：钢结构的房子是一个整体，这样的巨型分子是不能分散在汽油中。但这些“钢块”是弯曲的，汽油分子钻进“房子”，将这些“钢块”拉成直线状，橡胶块胀大。燃烧时这些“钢块”仍然牢固地连接在一起，可与其单体一样能燃烧，但表现出热固性。
3.设计“激趣式”系列实验，创设有意义学习的过程
化学实验具有一定的趣味性，但因化学实验的“学术化”倾向，使其远离学生的学习实际，学生对化学实验的兴趣逐步减弱[4]。一些发达国家为了降低“学术化”倾向，采用“玩中学”的教育理念设计了一些科学实验，其目的是引起学生对科学课程的关注，如美国的中学生科学实验活动。现将其中的实验“气味和‘扇嗅’的奥秘[5]”简介如下：实验前请成年人把一只新鲜洋葱切碎，装入塑料袋并密封。几分钟后打开封口，将塑料袋凑近你的脸，快速挥动一下，轻轻吸入一些气体。袋子敞口放置一会，将鼻子凑近袋口做一次深呼吸，这时实验者往往会咳嗽，眼睛也会流下眼泪。学生在玩中学习“扇嗅”气体气味的方法，感受深刻，记忆持久，能避免日后犯“凑嗅”的错误。
我国学界早就反对中学化学实验“学术化”的倾向，但因片面追求升学率，未能落实在具体的教学中。借鉴“玩中学”的理念，将趣味实验与“学术化”实验相结合，用趣味实验作为学术化实验的教学情境，设计成“激趣式”系列实验。如乙烯的实验室制备，其反应是一个脱水过程，可设计与脱水反应相关的趣味实验，帮助学生学习“学术化”实验。
【实验1】用玻璃棒蘸取浓硫酸在纸上写字，用小火烘烤，观察现象。
【实验2】取饱和蔗糖溶液2mL，沿试管内壁加入2mL浓硫酸，观察现象。振荡试管，再观察现象。
【实验3】乙烯的实验室制备。
实验1帮助学生认识升高温度浓硫酸的脱水更显著。实验2现象鲜明，饱和蔗糖溶液在浓硫酸的作用下，溶液由无色变成黄色，再由黄色变成棕黄色，最后液体呈现黑色。有趣的现象引起每个学生的积极关注，促使他们得出浓硫酸能使一些有机物脱水的结论。在教师提出“乙醇脱水的产物是什么”的问题后，学生很快就能做出正确的猜测，有些学生还强调乙醇脱水需要加热。
“激趣式”系列实验的设计不能一味强调趣味性，更要全面考虑中学化学实验的联系，使之形成一个完整的化学实验教学系统。上述系列实验中，趣味实验帮助学生建构了乙烯制备的反应原理和控制条件的相关知识，同时浓硫酸使蔗糖溶液脱水碳化还可以很好地与以后的学习内容——蔗糖的水解（使用稀硫酸）相联系，有利于知识的迁移、应用，创设了一种使用思维和推理策略进行意义学习的过程。
4.设计“创新式”系列实验，创设创造性学习的过程
《国家中长期教育改革和发展规划纲要》明确提出，要探索贯穿各级各类教育的创新人才培养途径，包括高中阶段。在化学教学中，关注学生的问题意识，激发学生的创新思维，促使学生积极投身创造性活动之中，是培养学生创造性的重要途径之一。当学生对教科书提出合理质疑时，要鼓励学生大胆突破教科书的描述，通过化学实验为主的多种探究活动，体验创新思维的过程[6]。
在“氨气溶解性”教学中，“喷泉”实验现象鲜明，能引起全体学生对学习内容的高度关注，促进学生对实验的观察与思考，帮助学生认识氨气的溶解性。但在实验情景之后，学生分析实验现象形成的结论不是“氨极易溶解于水且溶解得快。在常温下，1体积水大约可溶解700体积氨气[7]”。而是“氨气快速溶解，导致烧瓶内气体压强明显下降，产生一个较大的压力差，烧杯里的水被大气快速压入烧瓶中而出现喷泉，最终1体积水大约溶解1体积氨气（压强与大气压略有差异）”。
图1
在学生得出与教科书不同结论的情况下，及时组织学生开展辩论，辩论后学生又明确提出“氨在水中的溶解速率”和“氨极易溶解于水”是两个不同的概念。为了探究这两者之间是否有关联，设计实验进行探究如图1。在注射器中收集50mL氨气、二氧化硫，用单孔橡皮塞（未打通）堵住注射器（不带针头）的下管口，在小注射器（皮试用）内吸入0.2mL水，将小注射器通过橡皮塞插入大注射器的下管口内，推动小注射器，用力振动，测定溶解结束的时间和溶解气体的体积。
实验数据表明气体的溶解速率（时间）与气体的溶解度（气体溶解量）是正相关的。结合引发喷泉的水是少量的，且烧杯里的水快速喷入烧瓶，学生能理解教科书的结论是采用间接认知方式得出的。但实验测定1体积水仅溶解约200体积氨气，引导学生仔细观察注射器，观察到大量的水残存在注射器针筒与推杆间隙内，而用水量很少，从而造成实验误差过大。再向学生提供饱和氨水的有关数据，很快就计算出氨气在水中的溶解度，并认识到气体在水中的溶解度还可间接测量。
教科书的结论只是各种现象较为可靠的假设[8]，学生以自己的认知方式理解实验现象，就会对教科书提出质疑，教师要尽力为学生提供有效的学习支持，搭建创造性学习的平台，及时组织学生讨论，引领他们开展实验探究，在“创新式”系列实验中，创造性地建构知识的意义。
系列实验使学生在原有知识基础上建构知识的意义，有效降低学习的难度，减轻学习的负担。系列实验增强了化学实验的趣味性和探究性，引领学生在不断验证、甚至是重复和走弯路的科学过程中，提升他们的化学实验设计能力，形成合理解释的能力。系列实验协调了各教学要素之间的联系，引领学生在连贯的化学实验中，有效地建构知识的意义，使学生的学习环境和学习成效最优化[9]。