化学创意实验的功能与教学设计

摘要   在化学教学中，注重创意实验的开发和教学设计，充分发挥创意实验的功能，旨在激发学生学习化学的兴趣、帮助学生掌握科学的研究方法和提升学生的思维品质。
 关键词   化学教学；创意实验；教学设计
 
 上海市新课程改革提出“重视培养学生乐于动手、勤于实践、勇于创新的意识、习惯和能力”[[1] 上海市教育委员会.上海市中学化学课程标准（试行稿）[M].上海:上海教育出版社,2004:2.][1]，而中学化学创意实验是指对现行实验的改进和优化，或是根据教学目标有目的地进行自行设计的实验。而目前的创意实验主要体现在研究者对实验本身的创新，如实验的条件、实验装置、实验方案的设计、实验辅助手段等，而在实验教学的设计和实施方面的创新，则较少[[2] 王祖浩,王程杰.中学化学创新实验[M].广西: 广西教育出版社.2007:15～16.][2]。在近几年的化学教学中，笔者坚持对各种创意实验进行开发，将展现化学美、呈现化学真、突显化学奇的创意实验，并充分整合于教学中。旨在激发学生学习化学的兴趣、帮助学生掌握科学的研究方法和提升学生的思维品质。
1．以展现化学美的创意实验，激发学生学习化学的兴趣
 化学的生动有趣与引人入胜之处在于，化学现象的复杂多变，而又如此的贴近生活，具有很强烈的实在感；化学通过实验和图形潜移默化地、巧妙地绕过了存在于微观和宏观世界之间认识上的鸿沟，使得物质的化学结构和化学变化成为可以用简明扼要的、有严格语法规则的化学语言来描述的、具体而且富有想象力的符号组合；通过从已知到未知的联想，物质的基本性质和反应的主要特点，可以或多或少地做到“尽收眼底”。
 化学实验呈现出的物质世界的神奇变化与鲜明直观的化学现象，是学生对化学学习产生兴趣的主要源泉。在教学中，借助一些展示化学物质美、仪器美、现象美的创意实验，引起强烈的视觉效果，从而激发学生学习化学的兴趣。如在能量变化的教学中，为引导学生了解和体验化学反应中的能量变化，激发学生学习的兴趣和求知欲，笔者在教学中设计和穿插运用了一系列创意实验，进行教学。
 【案例1】  《化学变化中的能量变化》创意实验的设计与教学应用
 [演示实验] KClO3 受热刚开始熔化时没有氧气放出；将带火星的木条与熔融的KClO3接触，木条在熔融的KClO3中剧烈地燃烧起来，且发白光、发热。该实验旨在表现化学能转化成热能、光能等能量。继而打开电子音乐卡片，该旨在表现化学能转化成电能。
 [学生实验] 在此基础上，引导学生分组实验，探究得出“镁与盐酸反应要放出热量，溶液的温度升高。”
 [演示实验] Ba(OH)2·8H2O 与NH4Cl的反应要吸热，使木片上的水凝结成冰。
 由此，学生进一步明确化学反应伴有能量的变化，常常表现为热量的放出或吸收。联系能量守恒定律，引导学生总结出反应物的总能量和生成物的总能量不相同是化学反应是吸热还是放热的原因所在。又如为了使学生理解燃料充分燃烧的重要性，笔者设计了如下实验：
 [创意实验1] 在一支点燃的蜡烛上，盖一个干净的白色瓷坩埚。（黑色的烟，说明没有充分燃烧，造成燃料的浪费和空气的污染。）此时提出充分燃烧的措施。
 [创意实验2] 用针筒鼓入少量的氧气，火焰变明亮。（说明燃烧过程中要有足量的空气。）用针筒鼓入大量空气，火焰容易熄灭。（说明空气也不是越多越好。）  
 [创意实验3] 用一个装有酒精的喷雾器，喷酒于精酒精灯上，火焰非常大。（说明增大接触面积，可充分燃烧。）
 化学变化中的能量变化的学习，是学生对燃烧、能量的再认识。充分利用创意实验，让学生直观地感受到化学变化中的美妙现象，有助于激发学生学习的热情和兴趣。又如，在硫的教学引入环节中，点燃黑火药，火星四射（像放烟花），非常美。在教学中，经常展现一些能体现化学美的实验，让学生学会欣赏化学美，就会消除对化学的误解，自发的产生“为什么”的强烈求知欲，从而产生探索化学的浓厚兴趣。
 但是，如果学生对具体的化学物质并无了解，又不进行实地观察或进行实验，就会成为一种也许只对考试有用的符号游戏，失去了对化学体系的实体感，也就体会不到学习化学的兴趣。如果观察和实验只局限于验证教材上对某个问题所做的解释或理论，而忽视了对化学体系的全面观察和分析，给学生的印象也许最多像一次有趣的魔术表演罢了。化学魔术和自然界的化学现象一样，如果只停留在对表面现象做一般性的观察的阶段，还不能认为是在学习化学（指化学学科），更不能成为学习化学的一种方法，至少是一种效率很低的方法。因为学生也许会萌生新奇感，但无法启动学生的探究欲和创新欲。
2．以呈现化学真的创意实验，帮助学生掌握科学的研究方法
 实验是科学研究过程的一个缩影，是科学方法得以应用的一种体现，在实验教学中渗透科学方法是科学教育的一种重要途径。一个完整的实验过程，包含提出问题、设计和完善实验方案、进行实验、实验结果的分析和理论解释。实验起始于问题，以确定实验的方向和目标；接着选择实验方法，优化实验方案，按设计程序进行操作与观察；然后对实验所得资料和数据进行分析处理，并进行理论上的解释和概括，使实验上升到理论的高度。整个实验过程是有序的、符合规律的，是一种科学认识的过程，蕴含着丰富的科学方法。而创意实验的开发本身就是科学研究的过程，在教师指导下，学生设计实验，体验科学方法的应用，这有利于他们理解科学研究的本质。
 在目前的教学中，对于课堂很难演示的实验，老师往往借助媒体播放录像或者是多媒体动画演示，有的甚至忽略。事实上，研究者对一些课堂上较难进行的实验进行了开发，研究出了极具创意的实验。笔者认为在教学中，借助创意实验，关注实验设计思路的引导，从而帮助学生初步掌握科学的研究方法。如在元素周期律教学中，以往的实验只能说明钾与水的反应更剧烈些且具有一定的危险性，并没有证明有氢气产生。而目前有关于钾与水反应的实验较具有创意，在教学中可以成为引导学生设计实验装置的素材。
 【案例2】    钾与水反应的创意实验应用的教学片断
 问题：钾与水的反应要比钠与水的反应更剧烈，会爆炸，有危险性。如何设计实验，让金属钾与水较安全的反应且证实生成的气体为氢气？
 提示：金属保存在煤油中，钾的密度是0.86g/cm3，介于水和煤油之间。
 思路：可以借用煤油。当钾与水反应产生气体时，把钾推进煤油中，当气体释放完后，钾又回到邻接面继续反应，从而降低了实验的危险性。因此只要把钾置于有煤油的水中即可。而如何证实产生的气体是氢气呢？则需要收集该气体，用爆鸣的方法验证。因此，不要置于开口很大的容器中，否则不易收集。故需要在类似试管口大小的装置中，如U形管或J形管中。
 结论：装置设计如上图1。                                 
 通过对实验设计思路的引导，让学生讨论、思考并设计实验装置，再对多种方案进行优化，初步体验科学研究的过程，逐步掌握科学的研究方法。又如在原电池的教学中，教材中安排的演示实验不能让学生直观的感知锌片的溶解。针对这一难以观察到的现象，笔者在教学环节中引入了一个创意实验。
 【案例3】  铜锌原电池创意实验应用的教学片断
 教师：如何证明锌片溶解了？
 学生：锌片前后质量有无变化。
 教师：有无直接的方法，一眼就能看出来？
 学生：直接观察到一小块锌没有了。
 教师：要使这一小块锌在短时间溶解掉，有什么要求？
 学生：薄一点，小一点。
 师述：我们可以把锌片的下端剪成底边和高都约为0.5cm的三角形，并用锉刀将该三角形尖端锉薄。
 现象：锌片（用硝酸汞溶液处理后的锌片）上无气泡产生而铜片上有气泡。3～5分钟后，锌片尖端完全溶解。
 上述实验中一个小小的环节的改进，极富创意！让学生亲眼看到了锌溶解了，深刻理解了锌失去电子的原理。引入一些创意实验，不仅可以让学生感知到实验现象，理解化学知识。重要的是，将创意实验的成果进行适当分解，引导学生思考和探讨问题，体验创新的过程，逐步掌握科学的研究方法。
 当然，在化学教学中，如何帮助学生掌握科学方法，首先不应当理解为化学课程中的所有内容，至少是主要内容，都应当由学生亲手通过化学实验做一遍。也不是一定要求与研究人员通过研究工作来认识客观事物的途径和方法完全相同。而是在教学中通过教师的组织和引导，学生可以在有限的时间内，受到科学家们从人类几千年的文化中精心挑选和精心组织过的文化遗产和科学技术的教育与熏陶，提高学生们对客观事物的认识水平。
3．以突显化学奇的创意实验，提升学生的思维品质
 实验是一个培养学生技能和智能的过程。通过对创新实验活动的参与，学生的主动性和能动作用得到发挥，在接触创意实验和开发创意实验的过程中，学生体会到了创新所带来的新鲜感，激起了极大的好奇心，求知欲也随之增强。创新实验类型的多样化和表现形式的活泼性，也大大激起了学生的创新热情，提升了学生的思维品质。思维品质是在化学实验过程中逐步养成和发展的，它反映了思维结果的质量，体现了个体思维水平的高低，是衡量个体化学实验思维发展水平的主要指标，主要包括化学实验思维的深刻性、灵活性、批判性、独创性[ [3] 林崇德.学习与发展──中小学生心理能力发展与培养[M].北京:XX师范大学出版社:1999.147～148.][3]。
 利用创意实验，设置认知冲突，更容易使学生进入学习情境。通过对问题的思考、讨论和分析，利用已有的知识解决问题。在此过程中，学生掌握了知识，其思维品质也得到了进一步的提升。如在盐溶液的酸碱性的教学中，笔者设计了如下实验，进行教学。
 【案例4】  《盐溶液的酸碱性》创意实验的设计与教学片断
 [创意实验] 取三支洁净的试管，都加入镁粉和水，观察现象。在试管1中加入少量浓盐酸，在试管2中加入少量固体AlCl3试管3作对比。（此时，可观察到试管1、2内均产生大量气泡）。
 教师：针对这个实验，你有什么困惑的地方吗？
 学生认知冲突：为什么镁粉和水在AlCl3的存在下，迅速反应生成氢气？纯水呈中性，纯水中加酸，呈酸性，加入AlCl3怎么也会呈酸性呢？水中的氢离子浓度增大的原因是什么？                                  
 笔者将AlCl3代替了教学中通常使用的FeCl3或铵盐，因为FeCl3容易水解，试管中溶液颜色较深，影响气泡的观察；而形成氢气的氢离子是由水提供，若使用含有氢元素的铵盐（NH4+）则会产生干扰，故选择AlCl3。又如在学习了铝的性质后，为深化铝及原电池的有关知识，在教学中可以运用如下创意实验。
 【案例5】    铝与原电池的创意实验设计与教学片断
 问题1：由镁、铝与稀硫酸所构成的原电池，请判断此装置的正、负极？（旨在活化“活泼的金属做负极，不活泼的金属做正极”的知识。）
 问题2：若用较浓的氢氧化钠溶液代替将上述原电池中的稀硫酸，请判断此装置的正、负极？（旨在引起“镁比铝活泼，但镁作正极“的认知冲突）
 问题3：常温下，Cu-Al作为电极插到浓硝酸中，正、负极又如何判断呢？
 在由问题2所得结论的基础上，笔者又提出问题3，旨在深化电极与电解质溶液的关系，为拓展其它电池做铺垫。又如在高三复习钠、镁、铝单质及其化合物性质时，笔者设计了“钠与75%的乙醇的水溶液和95%的乙醇水溶液反应的实验”，结果反应速率反而是与95%的乙醇水溶液慢。这与学生学过的浓度对反应速率的影响规律矛盾，认知冲突由此产生。通过这种体现化学奇的创意实验的教学，充分暴露学生头脑中纠缠的新、旧化学知识，通过对问题的分析和理解，运用科学的研究方法，既理顺了交织的知识，又提高了思维能力。
 在化学教学中，利用创意实验，更要注重思维的灵活性（表现为善于从不同角度、不同侧面、不同思考方向，运用不同的知识与方法思考和解决化学实验问题，并往往得到多样化的思维结果）、批判性（表现为能发现实验的原理、操作、装置、结果、结论，他人或自己的实验思维过程或方法，做出评价，理解错误的原因，并能加以改正；对他人或自己设计的实验方案做出评价，并从多种方案中选出最好的方案）和创新性（表现为善于独立地提出新的实验问题，善于用新的方法、手段、方案解决实验问题和善于总结适合自己或实验课题的思维方法）的渗透。
 在化学教学中实施创新教育，不仅是培养创新人才的需要，也是科学的本质要求。[[4] 叶佩玉.创新教育对化学教师的挑战和要求.教改实践与探索,2004(第1～2期):3～4
[5] http://chem.wzu.edu.cn/uploadfile
[6] 邓永财.试论中学化学实验思维能力的结构与构建.课程·教材·教法,2004.10][4]总之，在教学中要重视创意实验的设计和成果的应用，充分发挥实验的功能。随着创意实验开发能力的提高和创意实验在课堂教学中的广泛运用，在教师创新精神和创新能力的熏陶下，学生能逐步形成富于思考和敢于创新的科学品质。正如笔者的一位学生在所寄的贺卡中感叹道：“也许我们已习惯了传统的教学方式，但这个年龄特有的好奇心使我们更热衷于、更易于接受新事物、新方法，枯燥、乏味的化学知识因为老师您的传授方法和新颖的实验而变得生动有趣，学起来也特别带劲”。