加强实验设计，发展学生创新思维能力

摘要   实验设计是根据实验课题所提供的实验目的，让学生在已有的化学知识和实验技能技巧的基础上，选择恰当的实验方案来解决问题的过程，在这个过程中，学生的各种能力得到有效培养，本文从实验设计入手，谈谈如何有效地开展实验设计教学，培养学生的创新思维能力。
关键词   实验设计   创新思维

 知识创新与创新人才的培养，已成为经济发展和民族进步的重要任务之一，也是教育工作者关注的热点，化学作为一门实验科学，实验是化学教学的主要内容，是化学教师常用的教学手段，也是学生学好化学的有效方法。化学实验以其独有的优势，在学生创新思维能力的培养上发挥着重要作用。新实施的国家课程标准在要求学生获取知识、技能的同时，更要求其通过参与教学活动，体验和感悟掌握知识、技能的一般方法和途径，同时在情感、态度、价值观等方面获得发展，由此可以认为，就课堂教学而言，其教学目标是立体多层次的，加强实验设计教学也是实现上述目标的有效途径。
 一、演示实验与实验设计的比较
 化学教材中安排的演示实验对学生形成、理解、巩固和验证所学的化学知识有很重要的的作用，但其与实验设计相比在发展学生创新思维能力上存在一定的不足，主要表现有：
 1、由于实验安排始终处于概念理论的依附地位，大多作为验证化学知识的手段，而缺乏对知识信息纵向和横向的反馈，因此可能抑制学生创造思维的发展。
 2、演示实验大多按规定流程实施，在一定程度上削弱了化学实验的复杂性和多变性，不利于学生迸发求异思维的火花，而求异思维是创造性思维的重要组成部分。例如乙醛和氢氧化铜悬浊液反应，由于条件的变化，可产生有别于红色沉淀的黑色和褐色沉淀，从而引发学生的求异思维，但按照教材编定的流程演示，同学观察到的实验现象只是红色沉淀，学生的关注点也只局限于弄明白该红色物质的成分。
 3、实验模式比较单一，即使改变为学生演示也似照方抓药，其新奇性不强的特点对学生探究兴趣的激发有影响，且偏重于学科效益，而忽视实验的社会效益和学生个性发展需要，与学生的生活及社会需求有距离。
 实验设计方法的运用是在继承和发扬演示实验作用的基础上进行改革，目的在于全面提高学生的素质。实验设计是根据命题完成的实验，其特点是“无规律可循”，需要学生自选设计实验方案，完成命题中所要求的物质的制备、检出，某种性质的验证或探索，与演示实验相比，在发展学生创新思维方面有很大的优越性：
 1、实验设计教学可以排除一般学生实验操作和结果上的局限性，更大限度地发挥实验教学所承担的特殊任务，即培养学生的观察能力、思维能力和创新能力。例如让学生设计如何制备氢氧化铁，当有的学生没有观察到稍纵即逝的白色沉淀的生成时，探究原因的主动性会提高，会积极设法设计出有利于观察出产物的实验方案。
 2、实验设计给学生创设了一个良好的学习氛围和最佳的学习动机，大大提高了学习效率。实验设计是一个有利于学生相互交流，合作学习，动手动脑的实践过程。在这一过程中，学生明确实验目的的能力、选用实验方法的能力、选择仪器和实验操作的能力、分析现象形成理性认识的能力，实验结果的表述能力都将得到发展，学生在设计实验的过程获得科学研究方法的训练，为以后的工作和学习打下一定的基础。
 3、实验方案的设计，往往伴随实验装置、方法的改进与创新，是一种创新思维的运用。例如，铜和稀硝酸的反应如何设计实验装置能同时达到检验产物和环保的效果，同学在获得学科知识的同时其创新意识、创新能力也得到发展。
 二、实验设计教学阶段的基本划分
 根据化学学科的性质及其认识规律，实施实验设计，应该是学生由学习实验逐步发展到设计实验的过程。教师或学生在知识储备和心理及思维方式上，都应有充分的准备。教师在实验设计的实施中应充分体现其主导作用，平时的指导方式要以培养学生能力为前提，在日常教学中注意提出启发诱导性的问题，例如高一化学教材中氯气与钠、与铁、与铜、与氢气这四个反应设计一套装置来完成，并通过一些具体例证的分析，例如，如何测定氯气在水中的溶解度等，让学生对实验设计的难度有一定的思想准备。学生需具有较为扎实的基础知识，较准确规范的基本操作能力和较为敏锐的观察能力，不囿于传统观念和自己知识的局限性，能迅速把握事物之间的内在联系，思维开阔，兴趣广泛，而这些品质的养成，需在日常教学中遵循其认知规律，循序渐进地培养，按照知识的螺旋结构和学生的认知发展规律，将中学的实验设计教学划分为三个阶段：
    1、引导阶段。从教学阶梯来看，本阶段以初三年级及高一上学期为主，由于学生化学知识的局限，实验设计的比重不宜过大，以占整个实验内容的10－15％为宜，应选择可靠性、可行性、安全性均有保证且与学生知识基础相适应的实验。例如可考虑空气成分的测定，粉尘爆炸，氯酸钾制氧后氯化钾和二氧化锰的回收，碳粉、氧化铜、铁粉三种黑色粉末的鉴别等课题。
 2、提高阶段。本阶段从高一下学期到高二结束。学生的化学知识及技能水平都已有一定程度的提高，实验训练时间安排也比引导阶段充裕，从而给实验设计教学的开展提供了充分的条件，设计实验的比重可占30—40％左右。实验设计的命题范围和难度都可相应扩大和提高。诸如实验室制取各种气体时有关装置的选择、连接、操作（包括制取、除杂、干燥、收集、验证性质、余气处理的综合考虑等），环境保护的“三废”处理，阴、阳离子的鉴别，物质鉴定，物质的净化分离等课题都可作为实验设计的命题。在这个阶段可允许学生自由结合开展研究。
 3、独立设计阶段。高三年级学生化学知识相对丰富，在教学中可以以设计实验为主。如某些理论性问题的验证实验，饮用水中几种离子存在的鉴定，有机物的综合鉴别，亚铁离子与铁离子相互转化反应试剂的选择等等综合性较强的课题可作为命题选择。该阶段的命题由于学生学习内容的综合性强（尤其是复习阶段），综合命题的出现虽比较难或牵涉面较广，但也最能暴露学生平时学习中知识方面和能力方面的弱点，因此往往在提高学生解决问题能力上得到更为有效的收益。
 三、实验设计的实施
 1、实验设计中如何发挥教师主导作用：
 ①遵循民主开放的教学原则：对学生提出的方案不要急于评价，创设出适宜于独特见解萌生的情境。例如，设计实验室HCl尾气的吸收装置，应该鼓励学生多设计，让学生在争论中选择优化方案，不仅达到对知识的融会贯通，也促进了学生的发散性思维。
 ②遵循激励求异的教学原则：要激励学生对同一个问题从不同的角度发掘新奇思路。例如，有的同学认为浓硝酸和铜反应，产生气体的速度是先快后慢，但有同学认为是先慢后快？温度和浓度对化学反应速率的影响如何设计实验进行比较？在有思维冲突时学生探究的兴趣得到提升，容易碰撞出创新思维的火花。
 ③遵循适宜性的原则：实验设计过易，难以激发学生探究的热情，实验设计过难，学生无从下手，例如设计实验探究氯气通入溴化钠溶液中起氧化作用的是氯气还是次氯酸。因此，实验设计要源于教材，不要脱离教材，可以把演示实验改变为非常好的实验设计的素材，例如氨的催化氧化实验，按照教材演示实验的步骤操作往往看见“意料之外”的现象，学生在分析原因之后，可以引导学生对这个演示实验进行改进，而改进的过程本身就是一种创新。
 ④遵循适度启发的原则：实验设计过程中教师主要扮演四个方面的角色：信息源、媒介体、实验活动的共同设计者和参与者、活动的调控者，在这个过程中教师要特别注意启发的度的把握，太少，学生困难大，太过。则限制了学生，例如，在用氢氧化钠和硫酸亚铁溶液制备氢氧化铁时，学生第一次实验往往失败，如果此时教师在引导中强调如何排除氧气的干扰，那么学生接下来的设计就会局限在这一个方面，限制了学生思维的发散，将限制学生创造性思维的发展。
 2、实验设计中如何体现学生主体作用：
 ①在提出实验设计方案的过程中发现问题，提出问题：发展学生的问题意识是体现学生主体作用的基础，动口、动手是学生参与教学活动的外在体现，但学生有没有深层次地参与到教学活动中来，要看他动脑的程度，如果学生积极动脑了，那么他在课堂上的主体作用就得到了真正的体现 。鼓励学生积极提出实验设计的方案有助于发展学生的问题意识，因为实验设计本身提供的化学情景会让学生自发地产生“为什么”“怎么办”“涉及的化学原理是什么”“有没有新的解决方法”等一连串的想法，学生有了问题意识，就会积极动脑，在参与问题解决的过程中获得知识，发展思维。
 ②在实验设计优化的过程提高思维能力：思维能力的锻炼是体现学生主体作用的根本，自然科学的学习不仅是掌握科学知识，更重要的是获得分析问题，解决问题的思维能力，学生在不断完善实验设计的过程中其思维能力的批判性、策略性、全面性、创新性都得以训练。
 ③在思考实验设计的过程中体验知识获得的过程：检验硫酸根离子的方法，如果让学生自行设计不同的方案，然后实施，他们会对这个检验的方法掌握的很透彻，如果是教师演示，则学生往往屡做屡错，原因很简单，前者的学习过程，学生是主体，后者学生是被动接受。
 ④在交流实验设计中体验成功的喜悦：教师鼓励的语言和肯定的评价，会使学生感到鼓舞，同学之间的赞成也一样使同学获得成就感，记得在设计实验证明醋酸是弱电解质时，同学们提出了很多方案，其中有一个同学说只要测定NaAc溶液的PH值大于7就可以证明了，当时其他同学发出的赞叹声一定让他获得了极大的满足。因此教师鼓励学生在实验设计中相互交流评价。
3、实验设计的原则：
 ①科学性原则：科学性原则是化学实验设计的首要原则。所谓科学性是指实验原理，实验操作程序和方法，必须与化学理论知识和化学实验方法论相一致。
 ②可行性原则：可行性是指设计化学实验时秘运用的实验原理在实施时切实可行，选用的化学实验药品、仪器、设备和方法在中学的条件下能够得到满足。
 ③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。如果必须使用，应在所设计的化学实验方案中详细写明注意事项，以防造成环境污染和人身伤害。
 ④简约性原则。简约性是指要尽可能彩简单的实验装置，用较少的实验步骤和实验药品，在较短的时间内完成。
 4、实验设计的一般程序：

5、实验设计示例(见表一)    表一：实验设计示例

 四、教学体会
 1、从系统论的观点看，要将教师、学生、实验设计三个要素有机地结合在一起，发挥各自的
作用，才能达到培养学生创新思维能力这个整体目标。实验设计教学中在注意有效利用学生的最近发展区，充分调动学生的积极性。
 2、从信息论的观点看，实验设计教学中教师要充分了解学生的知识和能力结构，要研究如何将教学信息转化为易于学生识别和加工的信息，特别是选择命题时应从学生的具体情况出发，应遵循学生的认知发展规律。
 3、从控制论的观点看，教师在实验设计教学中处于主导地位，从命题到教学过程中的信息反馈，从启发诱导到设计教学的评价，教师都起着不可替代的作用，故在教学实践中，教师要树立创新意识，转变教育观念，树立正确的实验教学观，引导学生克服对“创新”的畏难情绪。教学中要注意创新意识的思维导向，注重给学生提供更多的思维机会和思维空间。
 
参考文献
1、王忠林著，化学实验教学探索，人民教育出版社，2005年版。
2、文庆城主编，化学实验教学研究，科学出版社，2003年版。
3、郑长龙著，化学实验教学新视野论，高等教育出版社，2004年版。