《中学化学实验创新设计的研究》

中期研究报告

《中学化学实验创新设计的研究》课题组

一、课题研究的背景

实验教学在理科教学中占用重要的地位，化学实验提供比较直观的现象，符合学生从感性到理性的认知规律，有助于学生掌握化学知识，可以锻炼学生的实验操作技能，能从现象到结论的分析推理中，培养学生逻辑推理能力。实验探究还能培养学生的创新意识和创新精神。通过查阅文献，现行化学实验主要存在以下几点问题：体现现代科技发展水平的实验太少；联系生产与生活实际的实验不多；验证性实验比例大，探究性实验比例小；定量化学实验甚少；一些严重污染的实验仍然存在；实验内容知识性太强，趣味性不浓。这些问题的解决需要一支勇于创新的教师团队，需要一批又推广价值的实验创新设计成果。

二、课题概念的界定

“实验”是为了解决文化、政治、经济、社会及自然问题，而在其对应的科学研究中用来检验某种新的假说、假设、原理、理论或者验证某种已经存在的假说、假设、原理、理论而进行的明确、具体、可操作、有数据、有算法、有责任的技术操作行为。本课题“化学实验”是指提供化学实验仪器、化学试剂和必要的反应条件进行科学研究的操作行为。人们利用化学实验来探究物质及其变化的奥秘，化学实验是检验某种化学理论或假设而进行某种操作或从事某种活动。

“创新”是指以现有的思维模式提出有别于常规或常人思路的见解为导向,利用现有的知识和物质,在特定的环境中,本着理想化需要或为满足社会需求,而改进或创造新的事物、方法、元素、路径、环境,并能获得一定有益效果的行为。创新是以新思维、新发明和新描述为特征的一种概念化过程。其起源于拉丁语，有三层含义:第一，更新;第二，创造新的东西;第三，改变。创新是人类特有的认识能力和实践能力，是人类主观能动性的高级表现，是推动社会进步和社会发展的不竭动力。从本质上说，创新是创新思维蓝图的外化、物化。本课题的“化学实验创新”指实验者在实施化学实验前，基于对已有的实验存在问题的认识，根据一定的化学实验目的和要求，运用化学知识与技能，按照一定的实验方法对实验的原理、仪器、装置、步骤和方法等进行合理改进或设计出全新的实验仪器、方案并组织实施的一种实践活动。

“设计”是把一种计划、规划、设想通过某种形式传达出来的活动过程。人类通过劳动改造世界，创造文明，创造物质财富和精神财富，而最基础、最主要的创造活动是造物。设计便是造物活动进行预先的计划，可以把任何造物活动的计划技术和计划过程理解为设计。设计是创意与创新的桥梁。本课题的“化学实验设计”指实验者在实施化学实验前，根据一定的化学实验目的和要求，运用化学知识与技能，按照一定的实验方法对实验的原理、仪器、装置、步骤和方法等进行合理安排与规划。

综上所述，本课题旨在利用现有的知识和物质，依据教学的目的与要求，从不同的视角对现有的课本实验进行整合、改进或创新，从而提高教师对化学学科体系的理解水平。

三、课题的研究目标

1.本课题旨在引导教师关注教材中的“实验”，研究其中的“物质、装置和步骤”，为青年教师养成质疑、改进、创新、提高课堂效益的习惯提供研究平台。   

2.通过对课本实验的整合、改进与创新，带动教师学习相关理论，为实验教学提供理论保障，拓宽教师的研究思路，提高教师的专业素养。

3.通过微型化、生活化、绿色化、探究化、定量化实验改进的研究与整理，将研究成果应用于教学实践，有助于创设生动活泼的教学情景，激发学生学习化学的兴趣，帮助学生理解和掌握化学知识和技能，启迪学生的科学思维，训练学生的科学方法，培养学生的科学态度和价值观。

4.在实践该研究的过程中，教师的教学水平与实验能力与意识得到提高，学生的化学学科素养得到发展。

四、课题的主要内容

1.中学化学教材实验的分类研究：通过查阅、收集、整理相关的资料，找出本课题的重点研究方向。对一些重点教学实验进行研究，改进为探究化、微型化、定量化、绿色化、生活化实验。

2.中学化学教材实验的改进与创新设计研究：完善现行化学教材中有不足之处的实验仪器、方案及方法；补充现行中学化学教材中没有的重要实验仪器、方案及方法；重要演示实验仪器、方案及方法进行改进创新。

3.中学化学实验的改进与创新的应用研究：研究在中学阶段如何将实验探究过程与教学实践结合起来，将研究的成果应用于化学教学，为化学教学服务。

4.中学化学实验改进与创新的方式与方法研究：研究利用教师资源与学生资源，在教学过程中更好地开展研究工作，实验的创新与改进的方式。

五、课题的研究方法

1.教育调查法：通过访谈、调查、查阅资料等方法，了解教师的实验开发意识和水平，为课题深入开展提供依据和参考。

2.文献研究法：通过查阅文献资料认真学习、了解实验创新的最新动态和改革经验，少走弯路，为课题研究服务。

3.行动研究法：在计划—行动—反思--改进—行动的研究过程中不断调整，解决研究和教学中的实际问题。

4.个案研究法：在内容开发过程中选择一些典型案例进行个案研究使其不断优化，及时发现问题，调整对策。

六、中期阶段所做的主要研究工作

1.加强理论学习

我们课题组认真学习了相关的教育教学的理论，在理论知识指导下的实验创新更加符合教学的实际需要。

建构主义学习观认为，学生的学习不是“由不知到知的过程”，而是学习者在个体原有知识经验的基础上不断生长出新知识的过程；学习不是教师将外部结论式知识强硬塞进学习者的头脑中，而是通过学习者对知识产生的过程的理解从而建构新知识意义的过程。实验教学提供了学生感性的认识，提供了科学研究所需的证据，基于证据，进行严格的推理论证，得出有关结论，化学实验是建构化学学科知识的重要手段，是实现知识的生长和发展的重要措施，是学生建构能力培养的重要途径。

布鲁纳认为，在教学过程中，学生是一个积极的探究者，教师的作用是促成一种学生能探索的情境，而不是提供现成的知识。即学生获得的知识、技能、能力不是靠教师直接提供的，而是从教师提供的教学情境中，通过自己的实践和活动，探索发现解决问题的方法。化学实验提供了学生亲历的教学情境，通过学生的实验探究，猜想、假设、设计方案、动手探究等，学生在获得学科知识的同时，也获得了学习的能力。

皮亚杰认为，知识来源于活动，没有主体对客体的活动就不可能产生反映式认识。通过活动丰富认识结构，通过儿童自身积极的活动，让儿童探索、发现知识。化学实验创新设计提供了学生学习的活动要求，学生在活动中获取的知识更直接、更深刻、更灵活，而且让学生经历了探究知识的过程，一方面能使他们学会学习知识的方法和策略，另一方面能使他们的能力、智力、精神、习惯、思维方式都得到培养，形成健全的人格。

本课题组订购《文化有根课堂有魂》、《中学化学实验研究》、《化学概念的认知研究》、《江苏省中学化学创新实验设计》等书籍分发给每位课题组成员，各位成员认真学习，积极联系课堂教学，进行实验创新研究，理论水平也有了一定的提高。

2.实践方面的活动

2.1相互研讨

教师个人对实验创新的理解是不一样的，每个人都有自己的想法和智慧。自课题组立项以来，每月一次的名师工作室活动和每二周一次的校本教研活动的时间，课题组成员交流自己对实验创新的看法和具体的实验，开阔了大家的视野，深感相互之间的研讨是非常有价值的。如课本对于碳酸氢钠的热稳定性研究，经过实验创新，操作简单，性质的对比一目了然，而且体现了对比实验中的控制变量的原则，也通过创新实验解决了化学教学的一个长久以来的误区或疑难点。在有机部分的乙酸教学中，乙酸乙酯的制备实验中碳酸钠溶液的作用，以往常常是老师告知。这个环节上，课题组进行了创新设计，再加上合理的引导，作用显而易见。研讨产生的贴近学生的实验创新，促进教学效果的提升。

2.2专家讲座

我们邀请了一些在实验方面颇有研究的专家来给我们课题组的成员进行专门的讲座。其中有名师工作室的陈伟老师，市教研员吴永才、钱柳云老师。专家组的成员普遍理论功底很强，他们在听取我们课题的目标之后，给予了我们一些研究方向上的指导，来进一步促进我们的思考，效果很好。如在氧化还原的教学中，都会提到其中的电子转移，可以通过原电池的装置，将电子的转移直接转化成电流表的指针偏转，而且这一转化非常贴近学生的实际，学生理解没有难度。所以经过这一创新，在理论的教学中引入了实验加以直观的证明，对理论知识的教学起到了很好的巩固作用，教学效果非常好。这应该也是今后实验创新的一个非常务实的方向。

2.3课堂实践

自课题组立项以来，通过每月一次的名师工作室活动、校本教研时间、对外交流活动等，课题组成员开设市级公开课15节，校级研究课10节以上，所有的课堂教学都含有学生实验的内容，大多数课堂都有实验创新设计。在评课环节，对实验创新的效果进行了讨论，形成了一批实验创新设计的案例。通过教学实践，对实验创新的角度、必要性、有效性等进行了检测，对下一步进行深入的研究，积累了一些感性认识和理性思考。

2.4外出学习

我们课题组在引进资源的同时，也要积极的走出去，了解、学习别人的先进经验，并合理的改进与创新，也不失为一种有效的途径。参加了上海化学数字化实验创新设计或教学应用优秀作品展示及观摩、常州市化学数字化实验创新设计讲座（南师大马宏佳教授）。2016、2017年常州市高三化学复习教学研讨会。通过外出学习，课题组成员认识到实验创新设计的新方向、新趋势，对设计创新实验的重要性有了进一步的认识，也提高了实验创新设计的能力。

七、课题中期取得的成果

1.物化成果

期间发表的论文：

陈洁《基于深度学习的初中化学课堂教学设计——以《食盐与蔗糖哪个“强”——物质的溶解性》为例 》   科学大众(科学教育)2017年09期

周存军《高三化学复习有效教学的设计》中学课程辅导(教师教育)2016年23期

周存军《谈减少高三化学复习教学中的无用功》化学教与学2016年11期

周春美 《基于信息技术的化学自主高效课堂学习》课程教育研究 2016年25期

实验创新案例：

王菁《原电池正负极判断的探究》

王良《镁与二氧化碳的反应的探究》

周春美《铁的电化学腐蚀实验探究》

陈洁《DIS探究氢氧化钠溶液与稀盐酸反应》

汪序《氢氧化铁胶体的制备》

沈燕萍《DIS探究双氧水分解反应中不同催化剂的催化效果》

周存军《乙酸乙酯制备中碳酸钠溶液的作用探究》

周存军《甲烷与氯气反应的探究》

周存军《关于碳酸钠和盐酸的分步反应》

2.理论成果

通过对课题的深入研究，我们对几个方面有了进一步的认识。

2.1对实验创新的再认识

实验创新的目的在于更好提高教学效率，培养探究精神。但是在实际操作的过程中，我们发现课本中的一些方案或多或少的存在一些缺陷，因此相应的改进与创新是势在必行的。实验创新的本意在于完善实验本身，使之更易于操作、更易于观察等。而那些本身已经现象明显、符合绿色化学的宗旨、安全有效的实验，就不能为了创新而创新，这样的创新就是没有必要的。例如金属钠和水的反应，如果我们只要呈现反应的现象，现行的实验方法完全可以胜任，就没有必要在改进或创新。但是如果是想把验证性实验改为探究性实验——检验产生的气体是否为氢气；或者想改成定量的测定产生气体的量，那么相应的各方面的改进就是十分有必要的。所以我们的观点是①本身现象明显、操作简单，安全有效的实验，没有必要为了追求创新而创新；②如果是将验证性实验改成探究性实验；定性的实验改成定量的实验等有明确的教学价值的改进，是十分必要的。

2.2创新的途径

实验改进与创新的途径有很多角度：药品、用量、原理、仪器、装置、步骤等均可以。而在一节时间有限的课堂中，要兼顾教学任务的时候，对创新又提出了新的要求。而通过我们小组的实践证明，关于多个实验的组合、装置的组合、药品的组合等创新，对教学有实际的价值，能够有效的提高课堂效率。如，胶体实验，由原来课本上单一的验证胶体性质的实验。经过几个实验的合并，成为一个组合实验，有氢氧化钠溶液中滴加氯化铁溶液开始，逐步分离，最后成为集胶体、溶液、浊液于一体的综合实验，有个体的性质，也有三者的对比，教学效果非常明显。实验装置改进和创新有许多方面，不仅仅局限于实验室仪器和装置的简单组合和安装，还有一些源于生活的实验仪器(如针筒、塑料瓶、自封袋等)替代品的巧妙组合和应用。所以我们的观点是①关于实验组合方面的创新，在课堂上具有很大的使用价值，是一种务实的创新；②利用生活中的一些物品替代传统的化学仪器，会收到很到的效果。

2.3实验创新后的教学设计

实验创新的目的最终在于落实于课堂教学，服务于课堂教学。所以有一个不可回避的话题，实验创新之后的课堂教学，其设计肯定与原来的情况是不同的，否则就失去了非常重要的教学素材。特别是在流程题的考察中，经常涉及的误差分析，原因分析等，一直是困扰学生的难点，为何不在实验创新后的教学中适当加入呢。如硝酸的性质这一节课中，涉及一氧化氮和二氧化氮的转化，在针筒实验中，可以通过用橡皮管和针头抽取溶液，因为粗细的不同，导致混入的氧气不同，这种人为设置的意外，稍加引导就会引起学生强烈的共鸣。可以让学生展开讨论，分析产生差异的原因，教师引导学生充分利用自己的学科知识和掌握的科学实验方法，借助细致的观察和较强的推理判断能力，来找到合理的解释。借助这中素材我们教师在充当了引导者的角色，将实验分析的主动权交给学生，这样才能给予学生适时的科学的指导，以提高整体的实验分析水平。可见，即使一个看似极为普通的实验，给教师和学生的挖掘空间还是挺大的，教师更要在教学中注意引导和发挥学生的主观能动性，将实验对于学生学习学科知识和培养能力方面的作用尽量发挥到最大限度。所以我们的观点是：①实验创新之后的教学设计必须要配套改变，否则创新的价值就丢失了一半；②创新之后的教学设计中可以认为的预设“异常现象”并由此引发的教学活动，是有价值的，有助于提高学生的观察和分析的能力。

2.4课外时间的利用

实验的创新，不能仅仅停留在教师层面，也不能仅仅停留在课堂上。现在由于信息和互联网，消息十分通畅，我们的学生在某些方面了解的其实并不比老师少。所以在创新层面我们要充分利用课外的时间、课外的资源、学生的创造力。这样既可以丰富学生的课外生活，也可以提高其学习能力，是一个双赢的局面。为此我们课题组利用学校的研究性学习的平台，专门开设了“化学创新实验”的研究性学习，以小组的形式专门在课外对一些实验加以改进或创新，取得了很好的效果。例如：小组成员对喷泉实验进行了拓展，进行了药品的创新和组合，传统的是利用气体被溶液溶解或吸收，造成压强差，形成喷泉。现在通过创新，进行反向创新设计，利用雪碧和碳酸氢钠的混合，其中的柠檬酸和碳酸氢钠反应，产生大量的二氧化碳，利用压强，把液体压出瓶外，和原来的倒吸原理完全不一样。而且可喜的是学生通过反复试验，发现用碳酸钠固体就不成功，因为碳酸钠和二氧化碳会相互大量反应，不能把液体压出瓶外。所以我们的观点是①课外的研究性学习非常必要，可以拓展学生的知识与能力；②学生的创新能力不容小觑，需要教师合理的加以指导与释放。

八、课题研究中存在的问题或不足

1.理论学习主要围绕教育教学方面的，而在学科教学理论和实验创新方面的理论学习不足。

2.课题的物化的成果不够丰富，主要是课例研究较多，大多是公开课或者是工作室的活动，相关的论文不是很多。

3.学生活动主要是在课堂，课后的活动主要是研究性学习，活动形式相对单一。

九、下阶段研究计划

1.加强课题组成员在实验创新方面的理论学习和学科理论方面的学习。除阅读相关书籍外，还继续走出去，引进来，增加实验创新的交流学习机会。

2.经过课堂教学检验后的实验创新，经过全组成员的讨论，形成成熟的实验方案，注意收集组员的课例，争取汇编成册并加入相关的反思，供大家学习参考和改进。

3.实验创新中增加学生活动的形式，争取开展实验创新的社团活动，进一步丰富学生的课外知识。

4.加强实验创新方面论文的撰写，加强教学后的反思，形成物化成果。