化学实验教学改革建议之一，本文主要内容关键词为：教学改革论文,化学实验论文,建议论文，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。
一、对化学实验教学重要性的认识
化学是一门重要的基础科学，虽然和物理学、生物学、天文学等学科的视角和研究方法不尽相同，但它们之间实际上是相通的。例如，核酸化学的研究促成了分子生物学的诞生；地球、月球和其他天体化学成分中化学元素分布规律的研究及星际空间简单化合物的发现，为地球化学和宇宙化学的诞生提供了坚实的基础。这类互相渗透又互相促进的事例，不胜枚举。由此说明，为了全面培育现代公民的科学素质，化学教育不可或缺。
化学是一门实验性科学。通过在原子分子水平上对物质的组成、结构、性质和变化的研究，化学促进了人们对物质世界形成和发展的认识；基于对物质构成及稳定性等的了解，化学实现了对组成和结构极其复杂的天然产物的人工合成，使得某些源于动植物的珍贵资源，可以由简单易得的化学原料进行工业化生产，人造橡胶、胰岛素和青蒿素等的全合成仅仅是其中的个例。合成自然界原来不存在的新物质，则是化学所独有的特色。所有这些成就，都源自出于化学家的实验室工作。此外，和其他基础科学相比，化学更注重物质的个性，个性的发现、识别和鉴定已成为实验化学家的主要工作。虽然近年来理论化学方法得到了长足地进步，但是所得结论仍然需要通过精心设计的实验来验证，从而说明了化学仍然是一门实验性科学。这就确定了化学实验在化学教育和教学中不可替代的地位。
既然对理论推导或科学假设的验证，通常由科学实验来完成，那么为什么又要承认科学实验所得结论都具有不同程度的不确定性，而且把这种认识视为科学素养的最重要内涵？兹以化学为例，物质的性质，不仅决定于它固有的组成和结构，还要受到所处环境（包括物理环境和化学环境）的影响。试以大家都熟悉的水为例，水的沸点依气压而变，同时也和溶解于其中的溶质的数量和性质有关；水在通常情况下是一种灭火剂，但是在遇到赤热的炭或金属钠、镁时，反而会因为分解产生氢而助燃。这些现象说明，只有在能够影响它的众多因素可以固定或忽略不计时，对物质性质的描述才是确定的。而对某些因素的固定或忽略，就可以成为科学结论具有不确定性的原因。如果用数学语言来表述，那就是“物质体系的性质是多因素的函数。”
以上的表述可以借助初等代数中的不定方程来阐明。利用一个类似于像x+y=8的方程，就可以得到上面的结论。因为要求解这个方程中的x，只有以下几种可能，即：①y有固定值；②已知x和y之间的“关系”；③假设或已知在给定条件下，y可以忽略不计。显然，①和②意味着增加了一个方程，不定方程已经转变为正规的二元一次联立方程，只有③才是符合求解不定方程的一种情况，显然③所要求的前提条件本身就包含着不确定性。对于影响因素很多的化学反应体系，基于产物所作出的结论，是在严格控制多项条件下得到的，其中也包括若干被认为可以忽略的因素（如很多实验是在对大气开放的条件下进行的，而大气对实验的影响一般认为是可以忽略的，但是并不都有严格的实验证明），参照上面介绍的那个不定方程，读者应当很容易发现科学实验和它的相似之处。综上所述，科学实验的结论（或由此推出的理论）一定存在着不确定性，就是不言而喻的了。所以，发现实验结论或科学理论的不确定性，并设法减少或去除不确定性的探究性思维和实践，是一切科学活动的核心内容，也是科学的魅力所在！绝对正确的唯一答案，可能只存在于目前的习题、考题和竞赛题之中，它着重于已知的，其实并不完全的科学知识，因而难以起到帮助学生真正懂得什么是科学的作用。
二、化学实验体系三要素
一个化学实验，不论是演示实验还是教学实验，都可以归纳为：作为实验对象的物质体系（若目的在于探究化学变化过程，也可以称作化学体系）；适当的仪器装置和必要的安全措施；合理的实验步骤和规范的操作技术等三个方面。虽然三者不可或缺，但是从学科教育的角度来看，它们的重要性并不是等同的，而是依次递减的。只要认真分析一下，就可以认同这个看法。既然化学的研究对象是化学物质，学习或探究的目标决定了化学体系的选定（如考虑试剂易得且反应具有典型性；影响反应过程的因素较少或容易控制等。对于中学化学实验来说，还要着重考虑实验者安全和是否具备处理废液等所需条件等）；化学体系选定之后，使用什么样的仪器装置也就大致确定了；实验步骤决定于所选定的化学体系和仪器装置，如何安全地、有序地完成实验，决定了实验者操作技术的规范程度。只有这样来认识化学教学实验，才能真正体现出为什么化学仍然是一门实验性科学，和为什么学习化学一定离不开实验。也才能够做到通过化学实验（包括演示和教学实验、探究性实验活动）培养学生的科学精神和科学作风。不必讳言的是，现在的化学实验教学中，因为实验体系来自教材或教参，使得实施时往往把注意力放在第二、第三两个方面，化学体系的选择反而成为次要的甚至被忽略，于是除去通过实验能够加深对某个实验现象的印象外，学生受到的教育仅仅侧重于某种仪器装置的认识和基本操作训练带来的科学作风培育。化学学科本身教育的缺位，是很多老师认为黑板上“做实验”也并无不可的原因之一，也是中考高考试题中出现花样翻新的种种实验装置设计的诱因之一。
三、实验教学改革要从实验预习开始
对实验在化学教学中作用的评价虽然未必相同，化学实验的重要性在化学教育界却早已达成共识，可是近年来化学实验教学质量不高已成为一个毋庸讳言的问题。虽然课程内容变化和应试压力的影响、化学实验学时较少、实验经费不足以及缺少实验室辅助人员等问题确系客观存在，但是实验教学改进方向不明、教学价值模糊，以至于师生对化学实验的学习热情明显衰退，则是一个更为基本的原因。为此，新颁布的初中化学课程标准中，不仅明确规定了8个必须完成的基础化学实验，并且把化学实验定为进行科学探究的重要方式。这是我们思考并实践化学实验教学改革的依据。
在研究物质世界时，化学学科着重于物质的个性，通常以物质的组成结构和性质为切入点。因此探索现有物质和设想中的新物质的合成方法（包括分离、提纯和鉴定）便成为化学所独有的研究课题。特定物质合成与分析方法的积累和不断更新，使得化学合成与分析方法成为化学中最重要的基本文献。化学教学中的实验（包括演示实验和学生实验），无不来源于此。这种情况和中医验方汇编对中医教学的作用非常相似。一般情况下，医者在设计和制定处方时，验方通常起着基本框架的作用。但是在实际用于诊治时，通常要求根据患者的症状、体质、甚至当地当时的气候等，对验方内药剂及其配比进行适当地增减，亦即力求更加符合患者的“个性”。能否做到恰如其分，和医者对每味中药以及组合成方剂后综合药性的了解程度密切相关。所以只会照方抓药和只能熟记大量验方的人，不可能视为合格的医生。与此相似，只会按照实验讲义按部就班地进行实验，没有明确的探究目标，不能主动地把观察到的实验现象和化学基本概念相联系，从而使自己对化学的理解得到深化（即通过实验学习化学和化学是一门实验性科学等理念的落实），即使操作很规范，实验过程很顺利，也不能认为是一次高质量的科学实验活动。因为仅仅按照实验讲义规定的方法和步骤完成的实验活动，如果只能落实于所谓“动手能力”（即使对科学习惯的养成有利，也需要进行有针对性地提示和指导）的训练，就不是一次完整的化学教学实验活动，在化学学科教育方面存在着明显的疏漏。这种疏漏将使得化学教学实验的教学效果难以达到预期的目标。那种类似于操作工或实验员的训练方式和目标，用于培育科学素养为主要任务的中学生，并不能够真正引发学生对科学的兴趣和有助于提高他们的探究性学习的能力。
笔者认为实验教学改革要从实验预习开始。首先应当明确该实验的目的和采用的处理方法和步骤，以及事后检查是否达到预期目标的方法。要求的方面和程度应当根据所选择的化学实验体系、实验方法和步骤来确定，更要依据学生的实际水平（包括学科知识和从事科学实验活动的经验两个方面）来制定，这点在化学启蒙阶段尤为重要，不可要求过高。但是如果只要求粗读一遍实验讲义及所附报告格式，学生便会把注意力集中于如何从书本或课堂笔记中寻找将要填入报告空栏中的“答案”，而不会结合实验的目的和步骤进行思考和设定自己关注的重点（即希望通过实验探究的某个方面，包括化学学科内容、操作方式或步骤等）。虽然验证某些原理或化学现象的实验依然是初等化学实验选材时的重点，可是从实验教学来说，实验过程中对化学现象的观察、思考、推理和联想则更为重要。后者对学习兴趣的萌发、探究能力的提高和科学精神的培育，远比结论的再次被证明和相关知识点记忆牢固程度的加深来得重要。如果不能认识到这一点，或者仍然不能摆脱历年的中考高考试题可能产生的困扰，化学实验教学改革就不能顺利地推进。黑板上“做实验”、纸上画仪器装置图，以及着力于某些基本操作的训练和竞赛来代替化学实验的做法，仍然会大行其道。
应当怎样进行实验的预习？试从初中课程标准中规定的8个必做实验中首先选择“粗盐中难溶性杂质的去除”为例阐明笔者的想法。
“粗盐提纯”是一个传统的基础化学实验，新发布的初中化学课程标准推荐的必做实验（粗盐中难溶性杂质的去除）只相当于原来的“粗盐提纯”实验的前半部（可能考虑到目前有些学校实验设备较差和学生实验操作熟练程度较低的实际情况）。如果只要求除去难溶性杂质，而不要求得到纯“盐”，可以选择的体系很多，只要组分中同时包含可溶性物质和不溶性物质就可以入选，未必一定要用粗盐。当实验条件具备时，我认为还是完成粗盐提纯实验的全过程为好，因为通过实验可以学到更多的东西。
实验原理简介：粗盐提纯实验的物质体系为同时混有难溶性和可溶性杂质（此处的杂质并非一定指废弃物，系针对纯粹氯化钠而言）的固体氯化钠。实验目的在于依据氯化钠和杂质在水中溶解度的差别使之分离并获得纯净的氯化钠晶体。虽然难溶性和可溶性杂质的去除都以溶解度差别为依据，但是前者基于可溶和难溶；后者基于温度对氯化钠在水中溶解度的影响远低于粗盐中所含可溶性杂质（如钙、镁、钾、铁等的氯化物；硫酸盐及硝酸盐等）所体现的差别，二者并不相同。为了简便实用，通常采用两次分离操作。难溶性杂质的分离采用简单的过滤分离法方案[此外还有离心分离法、抽滤分离法、倾析（decantation）法，以及类似于化工厂常用的压滤法（filter press）可供选择]，易溶性杂质的分离则采用结晶分离方案来完成。
第一次过滤除去的是粒径大于滤纸孔的难溶性杂质，而不是溶于水中的分子和离子（也包括能够穿过滤纸孔的胶体微粒）。水并不是唯一可用的溶剂，对目标物质和杂质具有不同的溶解性才是选择的依据。第二次过滤是为了把滤液蒸发后得到的氯化钠晶体从残余的母液中分离出来。结晶法分离基于在同一温度下，溶液中所含物质到达饱和浓度的先后次序的不同。以温度对溶解度影响的不同为依据的体系，只有少数的特例，其中以氯化钠最为典型。当溶液中氯化钠的含量远高于其他可溶性物质时，过程则更容易控制。以至于工艺条件相当粗放的海水晒盐法已经成为海盐生产的主要途径。
简单的验纯方法：结晶分离法的实现，取决于一个基本原理，那就是在形成结晶时，晶体中不包含母液中的其他成分和溶剂分子（水合物中的水应计入水合离子，少数因离子半径相近晶格相同的物质可以形成类似于固溶体的晶体除外），这种性质和晶体结构的规整性和组成微粒的密堆积特性有关。因此结晶法不仅用于分离，而且广泛地用于提纯（并发展为重结晶法和分级结晶法等）。所以可以把晶体中是否含有溶剂（此处为水），作为初步验纯的方法之一。晶态物质因晶格不同，外形随之有所不同，但是同一纯净物的晶体，大小可以各异，基本形状却大致相同。水晶是最为常见的一例（此外还有大家熟悉的五水硫酸铜和钾铝明矾等）。用放大镜或显微镜观察食盐晶体就可以见到同样的情形（例如面角不变），所以观察和比较晶体外形也可以作为一种简单的验纯方法。
实验体系的特点：这是学生初次接触到的化学实验，选择大家所熟悉的食盐（粗盐）作为实验体系，不仅因为价廉易得，提纯过程比较简单，而且效果明显。有助于学生对所涉及的提纯方法、步骤和用到的基本操作留下比较深刻的印象。对于化学中所要求的“纯”，也能够有所体验和认识。
此处的“纯”包括两重含义，即外观和内涵两个方面。由混有有色杂质的粗盐到晶莹剔透的氯化钠晶体；由和多种无色物质共存，到组成单一的纯物质。实验者可以观察到氯化钠的“真面目”，从而对它作出精确地描述。其次，因为氯化钠的溶解度和温度关系不大，通过控制结晶条件，分离效率很高，一般不需要进行重结晶，对于初学者的实验技巧和操作熟练程度要求较低。
对实验目标完成情况的自我检查：既然实验的目的是粗盐提纯，那么最后应当从产物纯净情况和收率两个方面进行自我检查和评价。基于初等化学的要求，建议增加验纯和观察所得氯化钠晶体（外形和晶体内是否含有水）两个方面的探究内容，并引导学生思考有关物理变化与化学变化、物理性质与化学性质、纯净物等概念在这个实验中的应用。
实验后可供思考的问题：请根据学生情况进行选择，可以采用学生自行研讨和探究的方式，也可以采取教师边提问边讲解的方式，还可以选择直接讲解的方式。
（1）本实验要想除去的杂质具有什么特点，实验中建议采用的方法依据了什么原理？
（2）在实验过程中，要经过两次过滤，一次是为了除去不溶性杂质，另一次是为了把纯净氯化钠固体从母液中分离出来。完成两次过滤时，都要对滤纸上的滤出物用少量蒸馏水淋洗。这是为什么？它们的目的相同吗？（一次是为了除去滤出物上黏附的食盐溶液；一次是为了除去食盐晶体上黏附的可溶性杂质。）
（3）去除粗盐中所含不溶性杂质的方法，除了这个实验用的过滤法外，还有其他方法可用吗？（还可以用离心法和倾析法，这些在化学实验中都是常见的方法。）
（4）所得氯化钠晶体中会有水存在吗？如何证明你的结论？（加热前后保持恒重；加热时上方的玻璃上无水汽；碾碎后无水迹等，也都是实验中常用的方法。）
（5）假如粗盐中含有可溶性有色物质，现在用的方法也一定有效吗？（建议由学生自己探究，实验方法基本相同，更能体现化学的特点和科学精神的教育。）
（6）残液是否一定是废弃物？（进行化学和环保、资源相关联的教育。）
四、实验实施方案建议
方案1：把这个实验放在学习过溶液和溶解度的有关知识之后进行。可以更好地巩固所学的知识，使得溶解度概念在实验中得到切实地应用，而且还可以扩展到对结晶过程、提纯过程中的缜密思考及采取的有效步骤（如对滤出物的淋洗）的初步认识以及对产物的检验等方面，都是在课堂上和书本上很难直接学到或体验到的，有助于三维教育目标的落实。
预习要求除阅读实验讲义中的基本操作与实验步骤外，还要求对溶液和溶解度概念、溶解度与温度的关系图进行复习。并尝试回答教师事先设定的几个问题（由教师根据学生情况自己拟定，应包括实验目的和大致步骤，每个步骤希望达到的目的，氯化钠的溶解度和温度的关系有何特点等）
建议在学生的实验报告中增加以下项目：验纯结果；氯化钠的收率；实验过程中得失之处的反思。
方案2：把这个实验分成两个，一个以学习过滤操作为主，可以放在学期之初。另一个放在学习了溶液和溶解度有关课程之后，着重于探究如何从溶有粗盐的混浊液的滤液获取纯净的氯化钠晶体。其他建议请参照方案1，不再赘述。