中学化学教学中探索性实验的设计原则与设计举例，本文主要内容关键词为：原则论文,中学化学论文,教学中论文，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。
在中学化学实验教学改革中，我们选择以探索性实验的设计与教学为突破口，深入探讨如何通过探索性实验的教学来培养学生的创新意识和探索精神。
1 探索性实验的设计原则
探索性实验的设计与教学实践表明，要设计具有良好教学功能的探索性实验，需要用以下几项基本原则作为实验设计的指导思想。
1.1 科学性原则
科学性是探索性实验设计的首要原则，是指实验原理、实验操作程序和方法，必须与化学理论知识、科学方法和化学实验研究过程相一致，教师在设计探索性实验时，应遵循科学性原则，舍弃不能反映化学本质的假象实验。
1.2 发展性原则
发展性原则要求教师所设计的探索性实验既要符合学生的认知结构，又能促进学生的实验、思维、创新等能力的发展。维果兹基曾把学生的发展分为两种水平：一是现有的发展水平；二是最近发展区，即这时学生的思维进程正在形成，还不能独立完成任务，但在教师的启发和帮助下，经过学生自己的一番努力是能够完成任务的。所以教师设计探索性实验应在符合学生认知结构的基础上，从课堂的边讲边实验到引导学生进行局部的实验探索再到学生独立进行实验探索，由易到难，循序渐进。
脑科学研究表明，当脑获得适宜的挑战时，它能以最优的方式学习，但是当脑察觉到威胁时，则会变得功能低下。所以，教师在设计探索性实验时，必须对不同发展阶段的学生提出恰当而精巧的、既不超出学生当时的认知结构的同化能力、又能促使向更高阶段发展的富有启迪作用的“适中实验问题”，同时也充分发挥了教师的主导作用。”
1.3 可行性原则
可行性是指设计实验所运用的实验原理在实施时切实可行，学生根据现有的化学知识水平能够较顺利地去进行探索，并且能够比较容易从验证性实验转化为探索性实验。
1.4 启发性原则
探索性实验的启发性主要包括实验本身具有引导学生思维的作用和教师对实验作出一系列富有启发性的指导，使学生在探索性实验教学中能自觉、深入的思考，并能对探索的结果进行诊断和评价，培养学生思维能力和创新精神。
1.5 安全性原则
安全性是指实验设计时，应尽量避免使用有毒药品和具有一定危险性的实验操作。
1.6 趣味性原则
实验课题或实验方案要引起学生的学习兴趣和学习动机。实验的内容除课本外，也应该选用有关日常生活、环境、能源、生产等实际中的问题，通过探索来解决与人类自身紧密联系的热点问题，引起学生广泛的兴趣。
1.7 效益性原则
效益性系指在教学中，在花费较少的必要时间、必要的人力和物力的情况下，取得最佳的教学效果。探索性实验所需的仪器和药品较多，教师和实验人员的工作量较大，所以在设计实验时应讲究时间和教学效益，保证探索性实验的教学工作顺利进行。
2 探索性实验的课题选择与设计举例
探索性实验的研究课题主要来自教学中一些容易转化为运用探索性实验的教学方法来进行学习的教学内容和将已学的化学知识应用于日常生活、生产中的一些实际问题。教师可以根据不同阶段的教学内容和不同学生的学习情况，编制不同内容的探索性实验，下面从三个方面来看实验课题的选择与实验设计。
2.1
教学中的有关疑难问题—白色氢氧化亚铁制取的探索性实验设计
2.1.1 实验背景材料
高二化学课本关于氢氧化亚铁制取的演示实验（44～45页）存在如下不足：生成的白色氢氧化亚铁极易被空气中的氧气氧化，转变成灰绿色和红褐色。学生不易观察到白色氢氧化亚铁沉淀的生成。教师引导学生从以下三个方面思考和探索：（1 ）怎样制取不含铁离子的亚铁盐溶液；（2）怎样消除水中溶解氧的影响；（3）怎样使反应体系减少跟空气中的氧气接触。
2.1.2 学生探索
各小组的学生根据给定的实验仪器、药品和有关背景材料，探讨该实验的反应条件和实验装置。在小组讨论的基础之上，拟出本小组对该实验的反应条件、实验装置和实验操作步骤的方案；各小组按照设计的实验方案进行实验；教师根据学生的实验方案，进行总结和归纳，找出班级中典型的实验方案让学生进行探索。本实验的实验方案主要有以下两种：
方案一
反应条件的控制：（1 ）硫酸亚铁溶液和氢氧化钠溶液的浓度要大；（2）硫酸亚铁溶液要严格检验是否含有铁离子；（3）配置氢氧化钠溶液的蒸馏水要经加热煮沸除去氧气；（4 ）反应过程的各步操作要迅速连贯，尽量减少氧气对本实验的影响。
拟订的实验方案：
（1）制取浓度大的硫酸亚铁溶液
在锥形瓶中加入1∶4的稀硫酸，加入过量的还原性铁粉，用小火持续加热约半小时。把制得的硫酸亚铁溶液趁热过滤，并在滤液中加入铁钉，以防止硫酸亚铁被氧化，用塞子塞住瓶口。
（2）配置氢氧化钠溶液
在一只大试管中，加入15～20毫升的蒸馏水，加热煮沸2～3分钟，尽可能除尽溶解在水中的氧气。停止加热，稍冷却，迅速逐粒加入氢氧化钠，制取氢氧化钠的浓溶液，塞住管口。
（3）铁离子的检验
取少量的已制得的硫酸亚铁溶液于一支小试管中，用胶头滴管滴入硫氰化钾溶液，检验是否含有铁离子。
（4）氢氧化亚铁的制取
把制得的氢氧化钠溶液迅速倒入经检验无铁离子的硫酸亚铁溶液中，并尽快塞紧管口。
方案二
反应条件的控制：（1）确保硫酸亚铁溶液中不含铁离子， 可以加入还原性铁粉控制；（2）尽量控制氢氧化钠溶液中溶解的氧气；（3）整个实验过程应该减小氧气的影响，使整个反应最好能在密闭的体系中进行。
拟订实验方案：
（1）实验装置如图所示
（2）硫酸亚铁溶液的制取
在具支试管A中加入还原性铁粉和稀硫酸，打开活塞a，使产生的氢气排尽小试管B中的空气。
（3）除去氢氧化钠溶液中的氧气
迅速倒转小试管（保持不断通入氢气），向其中加入5 毫升经过煮沸后冷却的氢氧化钠溶液。
（4）氢氧化亚铁沉淀的生成
关闭活塞a，使A中溶液经导管压入B中。
2.1.3 实验的实施
各小组根据本小组拟订的实施方案，进行实验，观察和记录实施现象，得出本组的实验结论。
按照方案一实施的小组的实施现象是：能够得到白色的氢氧化亚铁沉淀，但是，约5～6分钟后，白色沉淀逐渐转变成灰绿色，再转变成红褐色。
按照方案二实施的小组的实验现象是：生成的白色沉淀保存的时间较长，实验的效果比较好
2.1.4 学生诊断
学生详细解释各自小组的实验过程和实验现象，并能够分析本组实施的成功和不足，借鉴其它小组的优点。（如实施方案一的学生认为实验的过程简洁，但是白色沉淀存在的时间仍然较短，实验方案仍需改进；对实验方案二在密闭的体系中进行本实验比较赞同。实施方案二的同学也认为实验过程可以进一步改进，以达到更好的实验效果。
2.1.5 教师评价
教师根据学生的实验情况和分析情况，对本次实验作出总的评价。方案二构思比较巧妙，实验设计比较严谨，能够自觉联系和运用物理学科中的压强知识和所学的氢气作为还原性保护气的知识，思考容量比较大，值得学习和借鉴；方案一操作比较简单，学生容易构思，但是，实验所需的时间较长（制取硫酸亚铁的浓溶液需要教长的时间），而且也未能说明用两种浓溶液的作用，对于浓度的大小是否影响该实验现象，仍然可以设计实验进行探索。
2.2 扩展性和迁移性实验，氨气还原氧化铜
2.2.1 实验背景材料
NH[,3]中N元素的化合价为－3价，根据氧化还原反应的原理来判断其是否具有还原性；学生曾经学习过氢气和一氧化碳还原氧化铜的实验，通过相似和类比联想，学生能够通过实验探索得出氨气具有还原性这一重要的化学性质。
2.2.2 学生探索
学生根据氧化还原反应的原理和氨气中氮元素的化合价为负三价，能够初步判断出氨气具有还原性。但是在拟订实验方案时，各组围绕实验装置进行争论：（1）有小组认为氨气的密度比空气小， 主张用氢气还原氧化铜的实验装置和实验步骤；（2 ）另外的小组则认为氨气是具有刺激性气体，为了防止氨气被排放到空气中，主张采用一氧化碳的实验装置和实验步骤，但尾气用稀硫酸去吸收。最后，教师总结了各小组的实验方案，主要是以下两种：
方案一 拟订的实验步骤：
（1）用氢氧化钙和氯化铵来制取一定量的氨气；
（2 ）将少量的氧化铜装入硬质大试管中（实验装置同氢气还原氧化铜）；
（3）加热氢氧化钙和氯化铵的混合物将氨气通入大试管中， 排尽试管中空气；
（4）继续通入氨气，同时加热大试管，使反应进行；
（5）反应结束后，停止加热，观察实验现象。
方案二 拟订的实验步骤：
（1）用氢氧化钙和氯化铵加热制取一定量的氨气；
（2）将少量的氧化铜装入玻璃管中（两端放一小段细铜丝）。 并且且一导管通至小烧杯的稀硫酸的液面之上，以便将尾气吸收；
（3）加热氢氧化钙和氯化铵的混合物将氨气通入玻璃管中， 排尽管中空气；
（4）继续通入氨气，同时加热玻璃管，使反应进行；
（5）反应结束后，停止加热，观察实验现象。
2.2.3 实验的实施
小组内的学生根据自己拟订的实验步骤，进行实验，观察和记录实验现象，作出实验结论。
2.2.4 实验诊断与评价
各小组汇报实验过程和实验现象，总结和归纳此类实验的实施过程：
按照方案一进行实验的学生观察到氧化铜由黑色转变为光亮的红色，管口有水生成，同时也闻到氨气的刺激性气味；按照方案二进行的学生不仅可以观察到与方案一相同的实验现象，而且实验时间比较短，剩余的氨气被吸收，防止氨气对空气的污染。
2.2.5 教师的评价
通过对氨气还原氧化铜的实验探索，学生能够根据氧化还原反应原理判断出氨气的还原性，并能够将氢气和一氧化碳还原氧化铜的实验与氨气还原氧化铜联系起来，既复习了前面所学的知识，又通过实验探索出氨气的还原性。按照方案二实验的小组同时也注意到在实验中如何有效防止实验的尾气对空气的污染，但是，也应该在玻璃管口放上石棉绒，防止氧化铜被氨气流冲走。
根据QIRD—CL实验教学模式，我们设计了有关探索性实验，于1999年4～12月在南京市第三中学（江苏省重点中学）高一、 二年级进行了高一第五章“氮、磷”和高二第二章“镁、铝”共12个探索性实验的教学实践。实验结果表明探索性实验对于提高学生的观察能力、协作精神、信息处理能力和评价能力具有比较明显的效果。