中学化学实验设计的常用方法辨析，本文主要内容关键词为：化学实验论文,常用论文,中学论文,方法论文，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。
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性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，更有对新知识的探求。学生实验设计技能，往往说明他们的迁移能力、创造性和思维能力。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。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，有目的地提出一些实验问题，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
（三）可行性原则
（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21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。
三、中学化学实验设计方法举要
传统的中学化学实验大多以验证性为主，由此招致不少的批评，许多人主张应将验证性实验改为探索性或研究性实验。其实，验证性实验和探索性、研究性实验各有不可替代的作用，关键是如何有效地发挥它们的功效，不管哪种形式的实验都可有创新的设计。中学化学实验设计的常用方法有以下几种。
（一）缺陷改进法
缺陷改进法指通过发现现有实验的缺陷，把现有实验的缺陷进行改革或革新的方法。改进首先是发现问题，而创新就是要解决现有的问题，每发现一个缺陷、提出一个问题，也就是找到了一个创新的课题。
如空气中氧气含量的实验测定。如图1所示，利用红磷燃烧消耗空气中的氧气
，从而使容器内形成压力差，打开止水夹后，水进入容器内。进入容器中的水的体积，可粗略地认为是空气中所含氧气的体积。
该实验在设计原理上就存在不合理之处。我们知道，反应物浓度越小，反应的速率越慢。燃烧进行时，集气瓶中氧气的浓度越来越小，到一定的限度（此时还残留一定量的氧气）时，燃烧就会停止。这也是有些物质不能在空气中燃烧，但能在氧气中燃烧的原因。因此，从这个意义上说，利用燃烧试图除尽空气中的氧气，是难以达到目的的。维持红磷燃烧需要的氧气浓度相对较高，因此就更无法除尽氧气了。另外，该实验装置可能发生气体泄漏的地方也较多，加之将燃烧着的红磷伸入集气瓶中时会加热了内部的空气，使之外逸，这些都会导致实验现象达不到预期的效果。
要做好该实验，关键要注意以下几点：①用更易燃烧的可燃物代替红磷（如白磷）；②装置的气密性要好；③燃烧匙伸入集气瓶中的速度要快，并塞紧塞子（最好没有这一步骤）。
基于以上分析与思考，可将原实验进行如下改进设计。
（1）用凸透镜将太阳光聚焦到白磷，使白磷燃烧。此法可以防止燃烧匙伸入集气瓶时气体的散逸，如图2。
（2）用水浴加热的办法使白磷燃烧，也可以防止燃烧匙伸入集气瓶内气体的散逸。白磷的着火点仅40℃，水温稍高，足以使白磷着火燃烧，如图3。做此实验时，盛白磷的广口瓶不能直接放入沸水中，以免广口瓶因骤热而爆裂。可先用温水淋浴后，再将热水注入外面的大烧杯中。
（3）用钟罩代替集气瓶进行实验，如图4所示。钟罩下方敞口，气体受热膨胀时，可将水压出一部分以产生减压作用。用此法可减少气体泄漏的可能，准确性比原实验方案高。
（4）在一端封闭的粗玻璃管内放一小粒白磷，用胶塞塞住，并将其推入到玻璃管中部，记下位置。用酒精灯微微加热白磷，使之燃烧，可观察到白磷燃烧有大量白烟生成，胶塞被推向外侧（右侧）。待装置冷却，胶塞逐渐向内侧（左侧）移动，根据胶塞停止时的位置，确定空气中氧气的体积，如图5。
对化学实验进行观察、研究、分析，发现其缺陷，并在此基础上探索改进，就可以对化学实验进行创新。缺陷改进法创新化学实验的一般步骤为：①选定化学实验；②找出实验的缺陷；③针对缺陷研究改进方案。
（二）整合法
就是将一些相关的化学实验按某些内在联系或特征进行新的整合，设计新的实验方案的实验创新方法。爱因斯坦曾说过：“为了满足人类的需要而找出已知装置的新的组合的人就是发明家。”同样，将已有的化学实验按一些共同特征或功能进行合理整合，使其具有某种新的功能也是对原有化学实验的一种创新。
例如验证“二氧化碳与水的反应”的化学性质，一般教材上都是将二氧化碳气体通入到滴加了紫色课程石蕊试液的蒸馏水的试管里，振荡，观察到紫色石蕊变成红色的现象。因此作出判断，二氧化碳与水发生了反应，反应后生成了一种酸。这对于学习化学不久的初三学生来说，会存在很大的困惑，首先是第一次接触到酸碱指示剂，对酸能使紫色石蕊变红色的事实不知道；其次，干燥的二氧化碳能不能使石蕊也变成红色呢？为了能更好地解释清楚这些问题，可以将这个实验设计成如下图所示方案。
用吸水性较好且有一度强度的纸折四朵小花，将其完全浸入石蕊试液中，取出晾干后，再浸入石蕊试液中，取出晾干。直至纸花变成明显的紫色为止。
向第一朵小花喷稀醋酸（或稀盐酸等），纸花变红色。说明石蕊试液遇酸变红色。
向第二朵小花喷水，纸花不变色。说明水不能使石蕊变红色。
将第三朵纸花放入集满二氧化碳的集气瓶中。纸花也不变色，说明二氧化碳不能使石蕊变色。
第四朵纸花先喷水湿润，再放入集满二氧化碳的集气瓶中。纸花变红色。说明此时有酸存在，是二氧化碳与水反应的产物碳酸。
取出第一朵和第四朵变色的纸花，分别放在酒精灯火焰上加热。第一朵纸花不变色，第四朵纸花变紫色。由此说明碳酸不稳定，遇热分解。
这个实验设计将酸使酸碱指示剂（石蕊）变色实验、二氧化碳与水反应生成酸、碳酸不稳定等实验巧妙地整合在一起。装置简单，操作简便，无污染，实验现象明显，趣味性浓，学生容易接受。
运用整合法创新化学实验时应注意：①整合实验应是在对原先实验进行变形的基础上再将它们进行有机融合，并不是简单的拼凑在一起；②整合后的实验应易于操作，仪器装置应简明；③要有新的实验效果。
（三）反向思维法
对于某一化学实验，其仪器装置都有特定的要求和用途，但并非绝对不可改变。同样，完成某一实验也绝非只能用某一种仪器装置。进行化学实验设计，涉及仪器装置应遵循“一装（置）多用”或“一用多装（置）”的原则，做到“变式思考”，达到科学合理、简单易行、便于操作。反向思维法是沿着事物的相反方向，用反方向探求的思维方式对现有的实验设计进行思考，从而提出新的实验设计的一种实验创新方法。如从实验的相反功能或性质，去设想和寻求解决问题的新途径，从而获得新的实验设计。例如，在演示完用碳棒（惰性电极）电解
溶液的实验后，引导学生弄清电解原理后，将原实验中阴阳两根电极（此时阴极碳棒上已附着红色的铜）调换再进行电解，可观察到一段时间后已改成阳极的碳棒上附着的铜消失了。显然，将阴阳两极调换后，可以为非惰性电极作阳极时的电解原理的学习打下基础。又如，课本中制备溴苯的实验中是将溴和苯先加入烧瓶，然后向烧瓶中再加入铁粉（即溴和苯静、铁粉动），由于反应物已全部加入烧瓶，加入催化剂后，反应剧烈无法控制，导制溴挥发并从导管溢出而达不到预期目的。基于这个考虑，可将实验操作改为先将铁粉加入烧瓶，将溴和苯的混合液加入分液漏斗，通过分液漏斗的活塞来控制滴加液体的速度，从而克服原实验的不足。
化学实验设计的方法很多，在实际设计过程中，所使用的方法也并不是单一的，往往是多种方法的综合应用。化学实验设计的创新永无止境，各种现代化媒体与化学实验的结合也为实验创新提供了广阔的领域，只要勇于探索，一定会有更多更好的创新实验设计方案涌现出来。