“新异”化学实验方案与器具的开发与设计

1、“新异新异”化学实验方案与器具的开发与设计化学实验方案与器具的开发与设计鞠东胜，王金龙，江苏扬州市扬州中学（鞠东胜，王金龙，江苏扬州市扬州中学（225009225009）。）。随着高中课程改革的广泛推进和纵深发展，作为支撑化学教学的实验教学本身已成为课程发展的瓶颈之一。一些教师有意无意地弱化实验教学，似乎动手实践可有可无；虽然有些教师认识到实验操作的重要性，但又陷入另一误区，片面强调学生的技能训练，忽视他们主动获取信息、处理信息、交流信息和评价信息能力的培养。种种现象值得我们反思：如何利用身边的宝贵资源，开发出针对性、实用性较强的实验方案呢？如何细化实验方案，将知识学习与科学教育方法及能力的养

2、成教育有机地融为一体呢？笔者认为，运用“新异”化学实验有助于解决上述问题。一、“新异”化学实验的教学地位1.概念所谓“新异”化学实验，是指有目的地选择和利用实验室之外的其他存在物及开发其新功能所开展的一系列体现自创性、体验性、趣味性、简易性和生活化的化学实验教学活动。与普通化学实验相比，它具有如下特点：一是在资源利用上，利用环境中本来不是用于实验的物质资源，包括生活易得物品、材料、器具、人体自身等，也包括自制研发的实验器具；二是在实验方式上，“新异”化学实验常常为达到某种教学目的而采取灵活与简便的方式，使实验过程体现自创性、体验性、趣味性、简易性和生活化。2.教学地位教学中，化学教师或多或少都

3、有使用生活材料、物品、器具进行“新异”化学实验的经历。我们共同的感受是，这类实验使用的器材一般是学生熟悉的，而且操作简单、效果良好，学生容易接受和理解。人们普遍认同“新异”化学实验的兴趣功能，在化学教学理论和教科书中论及实验能够激发学生学习化学的兴趣时，常以“新异”化学实验为例。随着课程改革的不断推进，“情感态度与价值观”成为重要的化学课程目标，“新异”化学实验的教学价值，已为多数教师理解和接受。我们提倡“新异”化学实验教学，不仅关注学生眼前的学习和生活，更重要的是为他们开阔思路，激发创新思维提供一些经验积累。二、“新异”化学实验方案与器具的设计程序“新异”化学实验方案与器具的设计，是为教学实

4、践做前期准备的过程，也是基于新课程化学教学理念，整体设计化学教学过程的重要组成部分。按照实施前的准备或实施过程的便利程度划分，“新异”化学实验可分为“自制器具型”、“自组物件型”、“借用器具型”和“徒手型”4 种类型。除了与现行的自制教具部分重叠外，“新异”化学实验还包括不需要或基本不需要加工制作的其他实验形式，如借用器具型和徒手型。按照设计流程原则，“新异”化学实验方案与器具设计的一般程序如图 1 所示。1.了解环境资源可利用状况生活环境中的各种材料、食品、药品和器具等，有可能成为教学资源。化学教师要以专业的眼光，有意识地了解和观察周围环境中形形色色的物品，侧重掌握物品的材料组成，食品、药品

5、的化学成分等内容。尽管这些物品的原本用途不是指向化学实验的，但可能具有隐性实验属性，这就需要我们努力发现或挖掘其蕴含的教育教学价值和意义。开发或挖掘实验资源的基本思想是源于生活、超越生活，即实验的取材来自学生的生活世界，与学生的生活经验与需求相联系。利用这些资源，并不仅仅是简单地加工、处理和使用，而是要恰当地赋予它新的意义，目的是要满足学生情感、认知方面的需求，在使学生产生情感共鸣的同时，唤起动手的欲望和积极的思维。如在铁的氧化速率探究实验中运用止痛片（主要成分是水杨酸镁，遇显石榴色）检测；1氯对细菌生长的影响中使用含氯漂白剂说明氯元素的杀菌作用；2气体的检验与除杂中探究维生素 C 泡腾片的成

6、分（含碳酸氢钠）3等。2.确定“新异”化学实验内容“新异”化学实验方案与器具的设计总是针对教学主题或教学内容的，那么是不是所有的教学主题，都能够找到相应的“新异”化学实验，回答是否定的，实际上也无需做到这一点。纵观现行教材内容，大部分化学实验侧重于元素化合物的性质与制备，其实最需要实验配合理解的是那些抽象的化学基本概念和基础理论。化学学科学习特有的三重表征以各自独有的方式反映着化学知识，有些“化学用语”、“化学反应原理”的教学比较注重微观、符号的表征，过多依赖于课件、模型、练习配合课程讲授，但却淡化了宏观表征，这并不利于学生学习兴趣的提高。只有三重表征互相转换，紧密结合，才更有利于化学知识的学

7、习。4对此，我们运用“新异”化学实验将抽象的化学观念可视化，引导学生在动手操作中认识概念，从宏观情境中观察思考原理。如将 2 片大小相同的正方形薄木板，沿着相同的纹路悬空放置在 2 排砖头上，用榔头可将其击破；如将它们按纹路垂直的方向放置，用同样的方式却很难将其击破，借以模拟说明金刚石与石墨结构的宏观区别。再如选用旧版 5 分硬币 6 枚，将硬币表面蘸上水后重叠放置，用手竖直向上提上面第一枚硬币，下面的 5 枚硬币会被一起提起来，说明分子间存在相互作用力等。此外，在探究运动饮料中的电解液2的生活话题、用棉签代替铂金丝进行焰色反应5的改进实验等诸多方面，“新异”化学实验显现出无可比拟的功效。3.

8、根据实验内容选择生活资源“新异”化学实验的内容确定之后，接着需要考虑如何选择生活环境中易得材料、物品或器具。实际上，对生活环境中器材的选择，是“新异”化学实验方案与器具设计的重要组成部分，这就需要我们掌握家庭生活器具、常用药品的属性，尤其是化学成分，以满足实验设计需求。如酸可用白醋、碳酸钠可用食用碱代替，生活中的碘源有海带、碘酒和西地碘含片，淀粉来自土豆、面粉、粥汤，木炭来源于火锅炭、活性炭，还有滤纸不完全燃烧的产物6等。虽然选择丰富多彩的生活材料、物品、器具是实现教学目标、满足教学需求的物质保障，但在过程中我们必须遵循关联性原则，即在选择生活素材的过程中，注意与学生生活经验和情感方面的联系，

9、需要在生活环境中挖掘并筛选出能够满足学生需求的资源。因为一个真实的、源于学生已有生活经验和认知水平的学习情境，一方面达到让学生知道学习内容与他们自身的生活息息相关，另一方面能够让他们感受到身边事物可能蕴含着各种各样的化学原理，从而逐渐形成以化学的视角分析周围环境的能力，提高学生的科学素养。4.具体实验方案与器具设计在实际的设计过程中，通常可按照两种设计思路进行。一是在实验内容确定的情况下，发散思考生活环境中可利用的资源；二是在给定实验材料、物品、器具等资源的情况下，设想它们可能的实验用途。现分别探讨如下：（1）针对实验主题的实验方案与器具的设计针对主题的“新异”化学实验方案与器具的设计过程如图

10、 2 所示。根据实验主题或内容，发散和集中思考选择生活环境中可利用的材料、物品、器具等，解决“新异”化学实验的技术问题，大胆进行实验方案的构想。实际上，实验选材和设计一般是紧密联系在一起的。选择材料的过程分为初选和筛选两个环节，初选过程是将符合或基本符合实验属性的材料、物品、器具等列举出来，侧重从化学的角度对它们的实验价值进行审视，这是发散思维的过程；筛选过程是侧重以教学或学习理论和实验设计原则出发，分析初选出来的各种材料、物品、器具等是否符合教学目标要求，以及设计的“新异”化学实验方案与器具是否可行或便于实施，这是集中思维的过程。现以焰色反应的改进实验为例，说明“新异”化学实验方案与器具设计

11、的工作思路。焰色反应教学主题课程认知目标是：通过观察实验，使学生形成灼烧不同金属离子盐发出不同焰色的认识，掌握探究物质成分的简单方法。为了达到这一认识目标，需要营造真实的学习情境，让全体学生能清楚地观察现象或亲自动手实验，我们作如下分析：第一，选择实验载体。用铂金丝蘸取盐溶液进行实验，也可用细铁丝替代。在此基础之上，我们推断凡是能附着少量盐溶液的器具，如粉笔、棉签等都值得尝试。第二，选择药品状态。焰色反应温度越高，现象越明显。将灼烧盐溶液与固体进行比较，后者能达到较高温度，且反应药品的量也较多，持续时间更长。经过多次尝试，我们将焰色反应实验改为：棉签用酒精湿润，蘸取少量含金属元素的固体盐粉末，

12、点燃后把棉签竖直并转动，观察焰色5，这种实验设计深受学生的喜爱。（2）针对环境中具体实物的实验方案与器具的设计这是根据给定生活环境中的某一具体实物，通过进行发散和集中思维，设想其实验用途的设计思路。它是发展教师的创造性、培养学生创新意识和能力的有效途径，其工作流程如图 3 所示。生活中的材料、物品、器具等物质资源，除了生活用途之外，均具有某些化学和物理特性，如化学成分、外观形状等，全面分析和列举这些资源的化学和物理特性，是设计“新异”化学实验方案与器具的基础。环境中某种实物的化学和物理特性或者可以直接用来呈现某些化学教学主题的相关原理；或者通过人为控制或干预，创造出特定的实验条件；或者通过人为

13、改变结构，与他物组合，形成某种实验器具以呈现预期的实验现象等。例如，粉笔是我们教学中常用的书写工具，学生熟悉，容易获得，用其进行简单的“新异”化学实验教学，教学活动具有很大的便利性。粉笔的物理特性是质地脆、易折断、吸附性好。它的主要化学成分是石膏（硫酸钙）和石灰石（碳酸钙）。根据这些特性，联系化学教学主题，可以设计以下“新异”化学实验方案。演示键长与键能的关系7我们知道，键长越短键能一般越高，但是在解释这一原理时往往比较困难。我们安排学生将粉笔从中间折断，再把剩余的一半粉笔折断，比较一下用力的大小。学生非常容易体会到粉笔越短，将它折断用力越大，从而把这种感性认识迁移至键长越短键能一般越大的理性

14、认识上去。二氧化硫性质实验用粉笔蘸取少量品红溶液，将其插入盛有二氧化硫的试管中，发现品红褪色；对粉笔进行加热，观察到粉笔又变为红色。快速分解石灰石如图 4 所示，用家用缝纫针将已用尽的圆珠笔芯内的小球顶出，制成可以吹气的导管；将导管的金属头对准酒精灯火焰的中下部，用嘴吹气，可以形成一束高温火焰；用镊子夹取 1 小块粉笔放在高温火焰上灼烧 15s，看到粉笔表面发出明亮的白光；再将粉笔投入盛有滴加酚酞试液的试管中，酚酞试液立刻变成深红色。采用大理石、鸡蛋壳和贝壳等物质重复上述操作，会出现相同的实验现象。8三、“新异”化学实验方案与器具的常见形式1.自制器具型实验自制器具型化学实验的器具，需要花费一

15、些精力和时间进行制作，但它的优点是：制作出来的器具一般可以重复使用，下一次开展相关内容的实验教学就不需要再制作，如微型化学实验中加液管的开发及应用中的自制加液管、9微型气体实验仪器的应用中的微型仪器10等。2.自组物件型实验自组物件型化学实验，是对普通仪器与物品进行简约、组合或变式，设计出具有兼容、多用、整合等特点的实验装置，来达到某项实验目的，在课堂教学中呈现出易用、好用、活用等特征。相关实验案例介绍，可参阅组合式气体实验装置的特点及设计策略。113.借用器具型实验借用器具型化学实验，主要是选择和利用生活环境中具有所需要化学属性的物品或器具来开展的实验教学活动，这类实验实施方便、快捷、形象直观，有利于学生将化学知识向生活中迁移。如使用音乐贺卡取代电流计用做燃料电池的用电器、12采用皮筋的热缩冷胀现象阐述焓变、熵变决定化学反应自发性的热力学原理13等。4.