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新課程背景下高中化學(xué)實驗設(shè)計與探究性實驗試題研究
新課程背景下高中化學(xué)實驗設(shè)計與探究性實驗試題研究作者/李長江 張英鋒
（秦皇島市第一中學(xué)，河北 秦皇島 066006）
[摘 要] 化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，實驗對于學(xué)生學(xué)好化學(xué)具有不可替代的作用，高中化學(xué)新課程更凸顯了化學(xué)實驗教學(xué)在化學(xué)教學(xué)中的重要地位和作用。如何更科學(xué)、更準(zhǔn)確的分析解答化學(xué)實驗設(shè)計與探究性實驗試題，是新課改背景下廣大教師費時最多的討論議題。本文旨在通過對人教社新、舊版化學(xué)教材中實驗的變化，結(jié)合實驗試題形式歸納實驗設(shè)計與探究試題的特點，初步總結(jié)出實驗設(shè)計與探究試題的解答策略。
[關(guān)鍵詞] 新課程；化學(xué)實驗設(shè)計；探究性實驗
[中圖分類號] G633.8 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1005-4634（2012）05-0109-03
化學(xué)實驗過程本身就是一個探究的過程，學(xué)生在實驗過程中能夠發(fā)現(xiàn)有探究價值的問題，通過實驗可以收集解決問題的證據(jù)，還可以運用實驗檢驗結(jié)論的合理性，并能從中體驗科學(xué)家科學(xué)探究的方法，獲得探究的樂趣和成功的喜悅。為了有效地促進(jìn)學(xué)生發(fā)展，在我國新一輪基礎(chǔ)教育課程改革中強(qiáng)調(diào)“通過以化學(xué)實驗為主的多種探究活動，使學(xué)生體驗科學(xué)研究的過程，激發(fā)學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，強(qiáng)化科學(xué)探究的意識，促進(jìn)學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力”[1]。這在一定程度上改變了原有課程實施過于強(qiáng)調(diào)接受學(xué)習(xí)、死記硬背、機(jī)械訓(xùn)練的現(xiàn)狀，特別強(qiáng)調(diào)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)。這種學(xué)習(xí)方式的改變，將科學(xué)探究引入了化學(xué)課堂，力圖通過化學(xué)實驗教學(xué)這一途徑，全面體現(xiàn)化學(xué)新課程的全新理念，探索化學(xué)實驗教學(xué)的新體系。
1 人教社新、舊版化學(xué)教材中實驗的變化
1.1 增加“探究性”實驗欄目
較舊版教材，2007年版人教社高中化學(xué)新教材增加了“科學(xué)探究”實驗欄目，并且比例較大，“科學(xué)探究”實驗占實驗總數(shù)的25%。新教材沒有嚴(yán)格區(qū)分學(xué)生分組實驗和演示實驗，在設(shè)置上，實驗內(nèi)容與化學(xué)知識緊密配合，提倡“以生為本”，采取教師指導(dǎo)下學(xué)生親自實驗、親自體驗的教學(xué)形式。教材中涌現(xiàn)出了一些新的實驗呈現(xiàn)方式，如：實驗活動陳述式、實驗情境創(chuàng)設(shè)式、激勵質(zhì)疑式、引導(dǎo)探究式、總結(jié)提煉式等，可見新教材注重對學(xué)生探究能力的培養(yǎng)。
1.2 強(qiáng)調(diào)學(xué)生要更多的參與探究性實驗
化學(xué)實驗作為研究化學(xué)的重要手段，逐漸成為學(xué)生認(rèn)識化學(xué)世界的工具，更是吸引學(xué)生主動學(xué)習(xí)化學(xué)的重要動力[2]。舊教材在每個實驗后面都有相應(yīng)的實驗現(xiàn)象和解釋，所以設(shè)置的表格非常少，而新教材中許多實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)必須在實驗過程中才能夠得到，實驗結(jié)束后由學(xué)生自己去整理填寫。這說明新教材為了發(fā)揮實驗在培養(yǎng)未來公民科學(xué)素養(yǎng)中的重要作用，采用預(yù)先設(shè)置大量過程性客觀題的方式，“強(qiáng)制性”的讓學(xué)生參與動手實驗，獲得第一手?jǐn)?shù)據(jù)。
1.3 新教材化學(xué)實驗呈現(xiàn)鮮明的探究性思想
新課程標(biāo)準(zhǔn)中提出“通過以化學(xué)實驗為主的多種探究活動，使學(xué)生體驗科學(xué)研究的過程，激發(fā)學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，強(qiáng)化科學(xué)探究的意識，促進(jìn)學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力”�；瘜W(xué)實驗在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中應(yīng)當(dāng)成為學(xué)生探索、發(fā)現(xiàn)、驗證知識的重要手段[3]。舊版本教材中有關(guān)實驗探究的內(nèi)容基本屬于驗證性實驗，而新教材中的實驗則更加突出了以學(xué)生為主體的教學(xué)思路，不僅做到了探究性活動內(nèi)容與知識內(nèi)容結(jié)合，更加注意探究能力和實踐能力的培養(yǎng)，因此加強(qiáng)實驗探究，發(fā)揮其重要的作用，是實現(xiàn)高中化學(xué)新課程標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵之一。例如：實驗二氧化氮跟水反應(yīng)（3NO2+H2O=2HNO3+NO），舊版教材中只是簡單介紹了工業(yè)上利用該反應(yīng)制硝酸時，為了提高吸收效率，同時避免污染，需要補(bǔ)充過量氧氣，多次氧化NO、多次吸收。學(xué)生對此理解不深刻，印象膚淺。新教材將該實驗更改為設(shè)計實驗：提供一試管NO2氣體，其他藥品和儀器自選，實驗要求盡可能多地使NO2被水吸收，通過該實驗設(shè)計，對工業(yè)生產(chǎn)硝酸有哪些啟示？通過這一實驗設(shè)計，不僅使學(xué)生明確了對原料（NO2）的充分利用、為保護(hù)環(huán)境要減少有害氣體（NO）的排放等道理，還培養(yǎng)了學(xué)生實驗設(shè)計的能力。
2 實驗設(shè)計與探究試題的特點
2.1 創(chuàng)設(shè)情境、體現(xiàn)創(chuàng)新
“創(chuàng)新是一個民族進(jìn)步的靈魂，是一個國家興旺發(fā)達(dá)的不竭動力�！碑�(dāng)前教育的根本目的就是培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才[4]�？v觀新課標(biāo)高考中各省份的化學(xué)實驗試題，多數(shù)以創(chuàng)設(shè)新穎情景為出題口，主要體現(xiàn)在以下三個方面：一是多數(shù)高考試題雖然取材于教材，但在藥品使用、儀器拓展、實驗操作、實驗步驟等方面做了優(yōu)化和創(chuàng)新，有時則是對教材上多個實驗進(jìn)行“組團(tuán)”式考查（如2010年新課標(biāo)全國理綜卷實驗題）；二是關(guān)注實驗過程的創(chuàng)新。如實驗原理、實驗條件的創(chuàng)新，實驗途徑及步驟的創(chuàng)新（如2008年新課標(biāo)全國理綜卷測定鐵元素含量、2009年探究堿式碳酸銅組成的兩種方法）等；(化學(xué)教學(xué)論文 www.gymyzhishaji.com)三是大多數(shù)探究性試題的情景都是目前社會生活、科技、資源、環(huán)境等熱點問題。這就意味著學(xué)生中學(xué)化學(xué)知識考查不僅要有“知識性”、“學(xué)術(shù)性”，還要有“社會性”和“時代性”。
2.2 考查基礎(chǔ)、側(cè)重綜合
從近幾年高考實驗試題來看，所考查知識源于教材中的典型實驗，但“立足教材、高于教材”。中學(xué)最基礎(chǔ)的內(nèi)容依舊是考查的重點，但試題的綜合性更強(qiáng)�？疾橐c包括重要物質(zhì)的制備與性質(zhì)、實驗原理、基本實驗操作、重要儀器的使用等。命題經(jīng)常以元素化合物知識為載體，將實驗原理、計算、設(shè)計、評價、推斷融合在其中，把能力的考查提升到一個更高的高度。在新課標(biāo)高考中定量實驗更是高頻考點。
2.3 重視能力、提高要求
新課程背景下高考中的實驗題著重考查學(xué)生的三種能力：（1）實驗設(shè)計和評價能力。在實驗設(shè)計方面重點考查實驗操作、儀器的選擇與連接、局部裝置的優(yōu)化、化學(xué)原理的驗證、實驗步驟的補(bǔ)充與設(shè)計等。在評價方面?zhèn)戎乜疾榫植繉嶒炑b置的優(yōu)、缺點并進(jìn)行改進(jìn)，實驗原理的評價，實驗數(shù)據(jù)誤差分析等；（2）實驗表達(dá)能力。命題人往往要求學(xué)生把設(shè)計目的、具體操作、實驗步驟、實驗現(xiàn)象、實驗結(jié)論等用語言表達(dá)出來。在作答時一定要注意兩點：一是要注意敘述的有序性，為了完成某個操作需要幾步進(jìn)行，觀察到某些實驗現(xiàn)象，要把每一步敘述到位，如檢查氣密性，一般要有構(gòu)造密閉體系、改變壓強(qiáng)、產(chǎn)生相關(guān)現(xiàn)象、得出結(jié)論四步。二是要用規(guī)范的化學(xué)語言敘述，杜絕使用口頭語，如“通入二氧化硫氣體”不能說成“加入二氧化硫氣體”；少量二氧化碳通入澄清石灰水，現(xiàn)象應(yīng)為“溶液變渾濁”，而不能表述成“溶液變白”；（3）計算能力。從近幾年新課標(biāo)高考試題來看，定量實驗是考查的高頻考點。考查的模式主要有兩種：一是“數(shù)據(jù)的測量→數(shù)據(jù)的處理→得出結(jié)論”型；二是“給出數(shù)據(jù)→分析數(shù)據(jù)→發(fā)現(xiàn)規(guī)律”型。無論是哪種題型都可能會涉及數(shù)據(jù)的處理和對計算能力的考查。
3 實驗設(shè)計與探究題的解題策略
3.1 思考問題的順序
1）思考實驗考察的核心問題。如為達(dá)到實驗?zāi)康倪x擇的實驗路線、方法是否恰當(dāng)；實驗原理是否科學(xué)、合理；所選用藥品與儀器是否簡單合理；實驗現(xiàn)象是否直觀、明顯（是否有干擾）；實驗過程是否安全、環(huán)保。
2）思考常規(guī)實驗操作。回顧與本實驗有關(guān)物質(zhì)的制備、凈化、吸收、存放、環(huán)保、安全等問題，還要注意實驗的具體目的：是否需驅(qū)趕空氣裝置、需防止空氣中的CO2、H2O進(jìn)入裝置等具體問題。
3）思考常規(guī)實驗儀器及裝置的連接順序。一般為氣體發(fā)生裝置→凈化裝置（包括干燥、凈化、除雜）→主體實驗裝置→尾氣處理。有些實驗還需要增加驅(qū)趕空氣裝置、防倒吸裝置、防止空氣中有關(guān)氣體進(jìn)入等裝置。
4）思考實驗操作的順序以及要求注意的相關(guān)問題。實驗操作順序一般為：連接儀器→檢查氣密性→裝藥品→進(jìn)行實驗。儀器連接一般按照從下至上、從左到右的順序。在整套儀器連接完畢后，應(yīng)先檢查裝置的氣密性，檢查裝置氣密性的方法依裝置的特點而定，然后裝入藥品進(jìn)行后續(xù)操作。
5）思考實驗現(xiàn)象，得出合理結(jié)論。為了答題全面，回答實驗現(xiàn)象時一般也是按照實驗裝置從下至上、從左到右的順序進(jìn)行觀察，根據(jù)實驗中觀察到的現(xiàn)象推導(dǎo)出實驗結(jié)論。
3.2 結(jié)合具體類型科學(xué)作答
1）物質(zhì)制備型。單純從應(yīng)試角度來看，所見到的制備類實驗，從左到右，一般會出現(xiàn)下列幾部分裝置：氣體（物質(zhì)）制備→除雜→干燥→主體實驗→（尾氣處理）→（收集）→（凈化）。括號中的裝置不同的實驗會有所取舍。遇到具體實驗問題時，只要對照上述裝置路線進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜∩�，就可以理清命題人的目的了。就近幾年的高考實驗試題看，制備實驗中實驗裝置除了上面這幾部分基本裝置外，為了使實驗更加科學(xué)、合理、完美，經(jīng)常出現(xiàn)改進(jìn)、優(yōu)化類裝置，如水浴加熱裝置、防倒吸的裝置、平衡壓強(qiáng)的裝置、不同氣體充分混合裝置、冷凝回流的裝置、冷卻收集的裝置等。應(yīng)該扎實地記住上面這幾部分裝置，當(dāng)題中給出裝置時，可以對照上述順序把整套裝置劃分為幾個模塊，便于理清思路。當(dāng)需要自己設(shè)計制備裝置時，可以把它作為路線圖，便于設(shè)計最佳的制備方案。物質(zhì)的制備中往往涉及到多個物質(zhì)之間的相互轉(zhuǎn)化，從起始物質(zhì)到最終產(chǎn)物的實現(xiàn)可能存在多種途徑，如何從這幾種途徑中選擇最佳方案？關(guān)鍵是對制備原理的選擇，此選擇以原料和產(chǎn)物的性質(zhì)為基礎(chǔ)，以操作過程的簡捷與可操作性為前提，以原料的利用率和產(chǎn)物的產(chǎn)出率為終極目標(biāo)。
2）性質(zhì)驗證型。此類問題一般解題思路為：分析物質(zhì)的結(jié)構(gòu)確定所屬類型→典型代表物的性質(zhì)→推測其可能具有的性質(zhì)→推測可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)→利用反應(yīng)產(chǎn)生的現(xiàn)象證明是否具備這樣的性質(zhì)。此類題型主要有兩種：一種是條件限制型的，即對實驗試劑、檢驗方法、實驗裝置做了限定，需要根據(jù)命題人的思路進(jìn)行探究并作答。作為應(yīng)試題目，限制型的題目是考查的重點；另一種是開放型的，即不論哪種實驗方法只要能達(dá)到驗證目的即可。解決限制型的試題首先要根據(jù)題設(shè)條件綜合分析命題人的意圖，弄清整體思路，然后再具體作答，切忌自己主觀臆斷，否則得到的答案往往與標(biāo)準(zhǔn)答案相差甚遠(yuǎn)。其次要注意驗證某性質(zhì)一般應(yīng)通過某個具體化學(xué)反應(yīng)的實驗現(xiàn)象來達(dá)到驗證目的，因此做這類題目時要排除其他干擾因素對驗證的影響。如探究二氧化硫與過氧化鈉的反應(yīng)：二氧化硫與二氧化碳在組成上具有相似性，于是可以推測二氧化硫可能與過氧化鈉反應(yīng)生成亞硫酸鈉，但考慮到二氧化硫具有還原性，所以與過氧化鈉反應(yīng)時還可能生成硫酸鈉，因此，就可以根據(jù)亞硫酸鈉與硫酸鈉的性質(zhì)，設(shè)計合適的化學(xué)反應(yīng)，從而驗證二氧化硫和過氧化鈉可能發(fā)生的反應(yīng)。
3）定量探究型。定量實驗的核心是“定量”，因而實驗的設(shè)計應(yīng)圍繞定什么量、如何定量、如何精確定量等一系列問題設(shè)計簡單定量實驗方案。高中定量實驗教學(xué)可分為定量驗證和定量分析。如一定物質(zhì)的量濃度溶液的配制和氣體摩爾體積的測定，這類實驗可深化對概念的理解，屬于定量驗證類實驗。其實驗原理是已有的概念和相關(guān)的定義式，因此需要測定的目標(biāo)量是十分明確的。硫酸銅晶體中結(jié)晶水含量的測定和酸堿中和滴定實驗等屬于定量分析類實驗，實驗中實驗原理的設(shè)計需要先找到合適的相關(guān)反應(yīng)并確定計量關(guān)系，然后圍繞實現(xiàn)實驗原理、準(zhǔn)確測量展開關(guān)于操作原理和儀器原理的討論，完成實驗設(shè)計。定量探究實驗的重點是對數(shù)據(jù)的分析和處理。對數(shù)據(jù)的分析要注意不僅要看數(shù)據(jù)是否在誤差允許范圍內(nèi)，還要就數(shù)據(jù)的測定環(huán)境進(jìn)行分析，尤其是氣體體積數(shù)據(jù)，在多個反應(yīng)共存時，往往用守恒法或關(guān)系式法處理數(shù)據(jù)。
4）假設(shè)探究型。這類題一般由兩部分組成，一部分是提出若干假設(shè)（猜想部分），另一部分是對其中的某種假設(shè)做出驗證（實驗設(shè)計部分）。這類題集基本儀器的使用、物質(zhì)的檢驗、實驗設(shè)計等于一身，綜合考查考生的實驗?zāi)芰�。解決這類問題需要明確科學(xué)探究的一般步驟：主要有“提出問題→猜想假設(shè)→科學(xué)探究→得出結(jié)論”4個步驟，一般情況下提出問題主要由試題本身在題干中提出，而“猜想假設(shè)→科學(xué)探究→得出結(jié)論”3個步驟是學(xué)生作答的關(guān)鍵所在。
總之，開展化學(xué)實驗教改一個關(guān)鍵點就是要實現(xiàn)實驗教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)的注入式向以探究式為主的教學(xué)式的轉(zhuǎn)變[5]。新課改教科書中的化學(xué)實驗為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了親身參與實踐的情境，具有獲知、激趣、求真、循理、育德等教育功能。教師在進(jìn)行化學(xué)實驗設(shè)計與探究性實驗試題教學(xué)設(shè)計時，應(yīng)突出以學(xué)生為本，突出學(xué)生在課堂上的主動性、探究性、創(chuàng)造性和差異性，在特定的課堂環(huán)境中根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知和情感需要，因勢利導(dǎo)地組織學(xué)生參與到自主創(chuàng)新的探究性學(xué)習(xí)環(huán)境中來，只有這樣，才能讓課堂真正成為喚醒學(xué)生潛能、促進(jìn)學(xué)生自我發(fā)展的舞臺。
參考文獻(xiàn)
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