学生化学实验方案设计能力培养探索

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化学是一门以实验为基础的自然科学，实验也是化学最突出的学科特点。化学实验教学中实验方案设计能全面检测学生的化学学科素养和创新精神。近几年浙江理综高考卷中就出现过考查实验设计的题目，学生在遇到这类题时，要么一头雾水、无从下手，要么想当然、乱写一通，在原理性和科学性上存在这样或那样的问题。如何培养学生化学实验方案设计能力？笔者多年来不断思考，并进行了一些有益的尝试，现介绍如下。

一、结合课本实验，理解实验相关知识，形成实验方案设计的思维导向

化学实验方案设计能力的培养，不可能一蹴而就，所谓“冰冻三尺，非一日之寒”，必须潜移默化，由量变促成质变，应根据学生的认知规律，由浅入深，由简到繁，循序渐进。在教学实践中，笔者结合教材中的典型实验，引导学生理解实验目的、原理，掌握实验设计的基本原则和方法，加强实验设计思维的培养。

【案例1】离子检验或物质检验型实验方案的设计

《化学必修1》第21页“活动与探究”栏目：氯化铵、硫酸铵、氯化钾、硫酸钾均可用作化肥，它们都是白色可溶于水的固体，探究这几种盐中所含离子的检验方法。

教学过程：

问题1：这些物质中有哪几种离子？

问题2：■、Cl- 、■选用什么试剂检验？有什么现象？如何把实验过程用文字描述出来？

问题3：K+用什么方法检验？具体操作如何？

问题4：检验离子应从哪几个方面分析？

拓展：四种盐如何区分？请画出流程图。

[方案]

延伸：如何验证白色固体是NH4Cl？请写出实验方案。

离子检验或物质检验实验方案的设计，要根据各种离子或物质的某些特性对离子或物质进行检验，熟练把握各种离子或物质的性质，并把握实验方案设计的技巧，进而设计合理的方案。

【案例2】物质制备型实验方案的设计

《化学选修6：实验化学》硫酸亚铁铵的制备

实验方案设计流程如下：铁屑的净化制取硫酸亚铁溶液制备硫酸亚铁铵晶体计算产率。

设计这类实验的整体思路：从原料出发，通过控制反应条件，如对温度的控制，先得到目标产物，即粗产品，接着对粗产品进行分离提纯，是这类实验的重点所在。寻找分离提纯的最佳方案，使所得产品纯度高，产率大。

【案例3】原理验证型实验方案的设计

《化学选修6：实验化学》硫代硫酸钠与酸反应速率的影响因素

设计方案见表1。

这类原理验证型实验方案的设计，是在明确反应原理的基础上，通过控制一定的实验条件，控制单因子变量，最终设计可行的实验方案。

从以上这些典例中，我们不难发现，化学教材中蕴含着丰富的实验设计思想方面的素材，教师应深入挖掘，在日常教学中不断渗透实验方案设计思想。每一个成功的实验其设计思想总是包含着对已有知识的灵活应用与创造性的科学构想。

二、结合课本实验，了解化学实验方案设计的一般流程和基本原则

化学实验方案设计的流程包括：知识铺垫提出问题小组讨论形成方案方案优化规范表达。“以铝为原料制备氢氧化铝实验方案的设计”，通过小组讨论，各小组形成的方案大致可以分为以下两种类型。

第一类制备方法：酸碱法

第二类制备方案：电化学法

方案8：电解法――Al为阳极，Cu为阴极，电解氯化钠溶液。

方案9：原电池法――Al、Cu为电极，浸没在通入空气的NaCl溶液中。

各小组在个人意见的基础上，对各自的实验方案进行评价，对比方案1～7，从制备1mol氢氧化铝消耗酸碱量来看，方案7消耗酸碱量最少，从实验室操作的便利性看，通入气体的操作较为烦琐。对比方案8、方案9，从反应速率来看：方案8>方案9，从能源消耗来看，方案8>方案9。综合以上这些因素，方案7为最佳方案。

由此看出实验方案设计应该遵循以下基本原则：

三、充分挖掘课本中的实验素材，加以适当的指导和训练，提高实验设计能力

1.变验证性实验为探究性实验，提高实验设计能力

验证性实验是用以验证已学过知识的正确性，学生处于被动接受知识的状态，而探究性实验是指在实验的基础上，通过科学的分析、综合等思维来获取知识，学生处于一种主动探索知识的状态，对培养学生的创新能力十分有利。因此，教师应精心安排，积极钻研，变验证性实验为探究性实验，通过探究实验来获取新知识。

在一次优质课评比中，有位教师很巧妙地将课本中的验证性实验转变为探究性实验，收到了很好的课堂效果。当时的课题是“影响盐类水解的因素”，给我印象深刻的是这位教师在处理书本中“活动与探究”这个栏目时设计了这样一张实验报告单：

实验目的：探究影响盐类水解的因素

实验方案的设计

这位教师充分利用课本资源，很巧妙地处理了“活动与探究”这个栏目的教学。既可以有效地改变学生的学习方式，调动学生学习的积极性，又能起到提高学生科学素养，培养学生科学探究能力的作用，对学生适应新课程教学活动起到很好的引领作用，达到最佳的教学效果。

2.将课本中相关结论转化为实验，提高实验设计能力

实验是人们认识和研究物质变化规律或验证某一结论的常用科学方法。书本上的知识凡是能够通过实验来验证或探究的，都应启发学生思维，认真引导学生进行实验设计，甚至还可尝试让学生亲自动手做实验，从而提高学生的探究和设计能力。

【案例】第三周期元素性质变化规律

【实验一】Na、Mg、Al和水的反应：分别取一小段钠、镁、铝，用砂纸磨掉表面的氧化膜，放入三支小试管中，加入2～3 mL水，并滴入两滴酚酞溶液。观察现象。

过一会儿，分别用酒精灯给三支试管加热至沸腾，并移开酒精灯，再观察现象。

【实验二】 Mg、Al与稀盐酸反应比较

总结：Na、Mg、Al与水反应越来越 ，对应氧化物水化物的碱性越来越 ，金属性逐渐 。

通过这个对比实验，验证了同周期元素金属性强弱的变化规律，变被动的接受学习为主动探究学习，进一步加深对结论的理解。

培养学生设计实验方案的能力，要充分挖掘课本中的素材，时时关注并激发学生创新的欲望，启发学生多角度、多方面思考问题，组织学生对设计方案进行分析评价，寻求多种可行方案，训练学生思维的批判性、深刻性和开放性，从而提高学习效率和质量。