基础化学设计性实验教学的实施探究

［摘要］化学实验是化学教学的基础，实验教学的效果极大地影响了化学教育的质量。设计性化学实验，是一种充分发挥学生独立思考、自主学习，培养学生创新思想和实践应用能力的教学模式。要使设计性实验教学取得成功，需要建立一套完善的组织和实施机制。

［关键词］基础化学 设计性实验 教学

［作者简介］李巨超（1954- ），男，河池学院讲师，研究方向为无机及分析化学实验、教育技术。（广西 宜州 546300）

［中图分类号］G642.4［文献标识码］A［文章编号］1004-3985（2008）23-0187-02

设计性实验是由教师选定实验题目，学生运用所学的理论知识和实验技术，通过查阅文献资料，自行设计并独立完成的实验教学模式。从实验方法的优选、实验原理的分析、实验方案的设计，到实验的操作、实验数据的处理以及实验报告的撰写，在整个实验过程中，学生始终处于独立自主的地位，教师的指导和启发作为辅助。

一、开设设计性化学实验的意义

化学实验教学通常的模式，是在确定实验内容后，学生依照教材中阐述的实验原理，按照教材规定的单一的实验方法及操作程序做验证实验。学生对教材或教师设定的方案按部就班地完成实验过程，处于相对被动的学习状态，不能充分发挥主观能动性和创造力，因而其潜能发挥受到了抑制。这种教学模式不利于全面培养和提高学生的能力与素质。因此，开展让学生独立思考、自行设计实验方案并自己完成的设计性实验是十分必要的。设计性实验的显著特点就是学生可以打破教材的约束，获得更多自由选择、自由发展和张扬个性的空间，充分发挥自己的观察能力、分析判断能力、想象能力和创新能力。这种实验的结果，往往会超出常规实验教学的预期效果，学生不仅能掌握实验的原理方法，学到由于突破常规而涉及的更多的知识，增强实践应用能力，更重要的是还能够培养和提高学生的独立思考、创新意识及进取精神等综合素质，使学生更好更快地全面发展。

二、设计性实验内容的选择

（一）选题的原则

选题是设计性实验的首要和关键环节，选题的原则是根据教学大纲，结合学科发展现状与趋势，立足于学生的知识和能力基础，可适当提升高度，有利于学生将已学过的知识系统化和实用化，有利于启发学生探究学科理论，提高学生的应用能力。因此，设计性实验的内容需要精心选择，要充分考虑教学的必要性和现实条件的可行性。

（二）能适应学生的理论知识水平和实际应用能力

一般情况下，对于大学本科生不宜在大一开设实验，到了大二以后，学生已经具有相当的知识积累，并具备了一定的实验操作能力才比较可行。设计性实验一般要求学生应具备的能力包括：熟练地掌握常规仪器使用、试剂的取用和称量、配制溶液；熟悉化学实验室安全要领；会使用相关的大中型仪器；能独立查阅文献资料，能够处理和计算实验数据。基于学生的实际能力，选择的实验内容应考虑学生有能力独立完成。

（三）选择的内容应具有一定的研究性、探索性及综合性

要结合教学大纲的要求和教学实践进行选择，选题内容难度要适当，需要应用综合性的知识和技能，包含了学生已学过的多种基本操作，需要查阅较多资料；能够给学生提供思考和创造的空间，使他们能尽量发挥潜能；不要超出客观条件，能在规定时间内完成；能够激发学生的实验兴趣等。

三、设计性实验课程教学过程实践

（一）提出实验内容和前期指导

1.布置实验内容。设计性实验的命题有两种方式：一种是提出确定的选题范围，例如以下是经教研室讨论研究拟定在大学二年级基础化学实验中选择的几组设计性实验：（1）定量分析实验：水果（蔬菜）中维生素C含量的测定；Na2CO3-NaHCO3 混合体系中各组分含量的测定。（2）提取实验：从海带（紫菜）中提取碘；从茶叶中提取咖啡因。（3）制备实验：硫酸亚铁铵的制备；碱式碳酸铜的制备；用废干电池为原料制取KMnO4。（4）合成实验：阿司匹林的合成；水杨酸甲脂（冬青油）的合成。（5）分离实验：由苯、苯胺、苯甲醇、苯甲酸组成的混合物分离各组分；水溶液中Mg2+、Ba2+、Al3+、Zn2+的分离；离子配合物的离子交换分离。可要求每个学生从中选择完成其中三项，作为该学年的课程任务。这种方式的优点是学生有更大的选择和发挥空间，学生展示能力的面更为宽广，缺点是器材和药品准备的难度较大，对实验室的工作条件要求更高。另一种是全体学生在同一时间段内统一完成教师指定的一项设计实验内容。例如，设计从茶叶中提取咖啡因的实验，要求全班学生用4～6课时独立或分组完成。这种方式的好处在于实验准备工作较为容易，学生有互相讨论共同研究的机会，也便于教师的指导与评价，具有较强的可行性。这两种方式各有优缺点。定题后，教师可布置学生写出实验预习报告，提示需要复习的内容和相关的参考资料。

2.提出实验目的、任务以及设计实验的原则。要求学生按选定的内容，设计合理优化的实验方法、简洁的仪器装置、试剂使用和废弃物处理方法、准确的数据处理方法，进而拟定一个完整的实验方案。设计的方案要符合科学原理，使方法更简便，技术更先进，装置更简单，耗材更少，成本更低，环保更好，安全性更强，实验效果更明显，结论更准确。

3.实验方案的设计与批阅。学生接受实验任务后，到图书馆、资料室、互联网查阅收集资料，可以运用多媒体技术，使用计算机模拟实验等，着手设计实验方案。在此阶段，可以用讨论的方式，指导学生设计实验，培养和提高学生的实验设计能力，同时着重抓好几个环节：（1）首先必须让学生充分理解实验原理。实验原理是化学实验的核心内容，是决定实验方法和步骤的首要因素。教师要首先讲清实验原理，认真分析实验步骤，帮助学生通过钻研理解实验原理，让学生认识到同一化学实验其原理和目的是唯一的，但可以由不同的设计思路和方案完成。（2）引导学生对比分析实验方法。例如在中教法实验中，设计用简单的化学方法鉴别乙醇、乙二醇、苯酚、乙醚。教师引导学生设计出多套方案，比较各种方案的可行性及合理性，从中筛选出符合原理、操作简便、反应迅速、现象明显、成本较低、环保性好的方案为最佳方案。（3）实验数据处理能力是实验能力的重要组成部分，在实验设计指导中要注重提高学生对实验数据处理与误差分析能力。帮助学生熟练掌握处理实验数据的常用方法如列表法和图线法等，介绍一些实用的简单的应用计算机处理实验数据的方法。（4）要培养学生探索和创新精神，鼓励学生不要受书本的限制，大胆想象，勇于创新，充分发表自己的见解。如乙酸乙酯的制备实验中，可以提出很多问题：能否用其他酸如固体强酸代替浓硫酸做催化剂；催化剂的最佳用量是多少；能否改变教材中在反应温度下边滴加、边反应、边蒸馏的操作方法为将反应物一次性加入反应器，采用加热回流再蒸馏的操作方法，这些改变对实验的现象与结果有什么影响。通过思考与讨论再做实验，能加深理解的层次，锻炼科学的思维方法。

学生通过钻研教材、阅读资料、思考与讨论，并在教师指导下，完成实验设计方案，并提出存在问题和可能遇到的困难，预期可能的实验结果。综合写成实验预习报告，按时交给教师。教师认真批阅预习报告，解答学生提出的问题，指出实验成败的关键，提出重要的（如安全）注意事项，批示实验方案的可行性。

（二）设计实验的准备

实验准备是整个实验中的一个重要环节，其中包含了化学实验必不可少的基本技能，如仪器和药品的管理、试剂的称量和量取、溶液的配制、玻璃仪器的清洗和干燥、仪器的选用与装配、电子仪器的安装调试等。实验准备工作的质量对实验结果有很大的影响，必须认真细致，操作规范。常规教学实验的准备工作一般都是由实验指导教师或实验员在课前做好，而设计性实验则要求学生自己动手完成，需要时请教师或实验员进行必要的指导或协助。

（三）设计实验组织实施

1.实验时间和场地。如何实施设计性实验的操作，首先要解决的是时间和场地问题。如果按照计划教学课时，在常规化学实验室内进行，时间不好安排。设计性实验比同一内容的常规实验肯定需要更多时间，尤其是萃取和有机合成实验，需要的时间更长，通常在一段实验课时（2～4小时）甚至在一两天内都难以完成，而且实验中有些环节是不允许间断的，因此这种安排方式只能做一些简单的耗时少的实验。

设计性实验应尽量安排在开放实验室进行，学生可以根据实验的需要自由安排时间，时间长的实验可以利用休假日或晚上进行，因为有足够的时间才能保证学生充分实现自己的设计意图。因此，设立具备一定容量的开放实验室是开展设计性实验的基本条件之一。要根据设计性、综合性以及研究性实验的要求加强对开放实验室的全面建设。

2.设计性实验的操作。学生在做好了实验准备以后，按照自己设计的实验方案，选取所需器材，开始实验的实际操作。这是实验方案的实现过程，学生的实验基本应用技能在这里得到全面的锻炼。老师应从以下方面加以指导：（1）安全保障，对易燃、易爆及剧毒药品的使用以及环境的危险因素严格监督并向学生讲解，防止发生事故。（2）实验仪器装置的正确安装。（3）药品的配制和取用的正确方法。（4）先进仪器设备的使用，如IR、液相、气相色谱仪、荧光和紫外分光光度计、X射线仪等，指导正确的使用方法，基本谱图分析，读取实验数据的方法。（5）反应条件的控制。（6）实验数据的记录与处理。（7）实验废弃物的无害化处理。严格的实验操作是搞好科学研究的要素，要特别注重对学生基本操作技能和实验技术综合能力的培养。在学生自主完成实验的过程中，培养他们严格认真、实事求是的科学态度，深入细致地观察和分析实验现象，树立良好的工作作风。

四、设计性实验的评价及总结交流

在完成设计实验后，由学生根据实验结果，整理实验数据，通过验证和计算做出实验结论，按一定的格式写出实验报告，并进行自我总结。

通过对学生实验设计和操作的考查，教师要着重分析和评价学生的独立思考能力、分析问题和解决问题的能力、理论联系实际的能力等要素。注意发现学生的个性及创新发明意识的典型，既对每个学生给予中肯的评价，也对全体学生归纳评价。在此基础上，以实验室现场的形式，进行总结交流。赞扬创新意识比较突出的典型，让他们介绍自己的设计思路，展示设计过程，教师现场点评，既肯定成功经验，又引导学生提出不同观点，通过讨论完善实验方案，促进自主学习风气，进一步激励学生的创新精神，推动化学实验教学的深入改革，全面提高教育教学质量。

设计性实验是培养学生综合应用知识和动手能力的一种效果良好的教学方法，是培养创新型人才的有效途径。要使这种教学模式持久化、规范化并不断完善，首先要建设一支专业水平高、综合素质好、教学能力强的实验教师队伍。同时必须加强开放实验室的建设。要大胆进行课程改革，加大内容新颖、综合性强的设计性实验课的分量，减少一些内容陈旧落后的验证性实验，还应推广运用计算机技术和信息网络以及微型化学实验等先进的教学方法和技术。

［参考文献］

［1］张小林，周美华. 综合性、设计性实验教改革探索与实践［J］.实验技术与管理，2007（7）.

［2］苗深花，闫立泽.探究性化学实验的设计［J］.化学教学，2003（10）.

［3］范杰.化学实验论［M］.太原：山西科学技术出版社，2001.

［4］李俊杰.在有机化学实验教学中培养学生的创新能力［J］.高校实验室工作研究，2007（3）.

［5］张捷莉.开设设计性化学实验的探索与实践［J］.鞍山师范学院学报，2002（4）.