加强实验教学 培养创新能力

立足实验探究 培养创新能力摘要：随着化学新课程标准的全面实施，科学探究在新课程的突出地位和对发展学生科学素养起到不可替代的作用。本文提出了立足化学实验探究，以培养学生创新观察能力、创新实验操作能力和创新思维能力。并在化学教学中如何进行科学探究，进行了大胆的尝试，以及为以后的进一步实践提出思考。关键词：实验 创新观察 创新实验操作 创新实验操作 科学探究 实践 化学实验在培养学生创新能力方面有着重要、不可替代的作用。在所有的自然科学中，化学涉及实验面之大内容之广博是其他学科所不能比拟的。实验以其生动、直观、新异有趣等特点，对学生具有极大的吸引力。它不仅可以培养学生的创新观察能力和创新实验操作能力，还能培养学生的创新思维能力。因此，我们必须立足实验-这个化学学科的基本特征，努力培养具有创新能力的新一代。一、敏锐观察，培养学生创新观察能力 观察作为一种有目的、有计划、较持久的知觉，是人们认识事物、获取真知、发现问题的源泉。创新观察能力是通过各种感官，捕捉事物中典型的、具有本质的外部特征的能力。对人类作出重大贡献的科学家都具有敏锐的观察力。它是任何科学研究的开端。可见，观察能力本身也是创新能力的一个重要方面。化学实验中的观察一般包括对教师演示实验的观察和学生分组实验、边讲边实验中的观察几个方面。为了使化学实验中的观察真正成为创新意义层面上的观察，进而通过实验卓有成效地培养学生的创新能力，要求观察必须具备以下特征。1、敏锐性观察的敏锐性是指在一般的观察过程中比别人更敏捷地观察出某些事物的特点，能从平凡的现象中敏锐地发现别人在一般情况下不能发现的关键问题和事物重要特征。要善于抓住化学实验中好些稍纵即逝的化学现象，尤其是那些乍看起来有些反常的现象。敏锐的观察也是科学发明的前提。例如，在探究“（氨）分子的运动”的实验中，所能观察的现象：B烧杯中的无色酚酞溶液并没有变成红色？直观的现象对于学生来说是多重要。全体同学的失望就可想而知了。这时，天空下着细雨，失望的我就只有请一位同学将B、C两烧杯的酚酞溶液给倒掉。这位同学神奇地倒在教室内装有水的桶中。被几位好奇的、“不甘心”的同学发现了一个奇观。 图一 A、B 烧杯中的“老师，我看见了红色。” 溶液会发生变化吗我急转头，也看见了一缕红，瞬间消失开去。于是，重新拟定实验方案并提出问题：“刚才的这位同学发现了红色，只可惜同学们没有看见。怎样办就可以让同学们都能看见呢？”“用烧杯装一点水试一试！”一位同学这样说道。实验步骤实验现象实验结论将实验完后仍看不见红色的B烧杯中的酚酞溶液倒在准备好的热水中酚酞溶液变红，并很快消失。分子在不停的运动。温度越低，分子的运动速率越慢；温度越高，分子的运动速率越快。通过这次实验探究得出结论，（氨）分子在处在不停的运动中，温度越高，分子的运动速率越快。还可以引导得出另外的结论：改变温度可以控制物质化学反应的速率。那么控制物质的化学反应的速率就成为课外兴趣小组活动的探究实验课题。另外这次探究实验，得感谢那几位同学，教学相长，这意外的实验现象被他敏锐地观察到，并努力思考它们怎样才能使同学们发现。对这一问题的深入研究，让学生真正成为发现的主人，同时，让他们充分体验到智力劳动的艰辛，以及科学发现的喜悦和化学美的体验，从而激起强烈的探究精神，培养学生创新观察与思维能力。2、精确性观察需要认真细致的科学态度。对一些定性的实验要求观察准确；对定量的实验则要求必须有足够的精确度。例如，19世纪90年代，稀有气体氩的发现就是最好的例子。英国物理学家雷利测定氮气的密度时，他发现从空气中分离出来的氮气每升质量为1.257 2 g。而从含氮物质中制得的氮气每升质量为1.250 5 g。经过多次测定，两者质量仍然相差几毫克。雷利没有忽视这微小的差异，分析其产生的原因，他怀疑从空气中分离出来的氮气里含有未被发现的较重的气体，又经反复实验，终于发现了一种新的气体氩气。可见观察的准确性是创新观察必备的条件。3、全面性全面性就是要求学生在化学实验中尽可能地用各种感官（视觉、听觉、嗅觉、触觉、味觉等），从多方面（如物质及其变化、化学实验仪器、装置和操作等）进行观察。例如：测定空气中氧气的含量实验中，集气瓶内剩下的气体主要是氮气，结合本实验推测氮气的性质（初中化学教材P29的讨论）。(1)氮气的物理性质：无色；气体；密度比水小（这是一位同学在作业中得到的结论，这个结论对于是“长进短出”还是“短进长出”实验的判断尤为重要，正好体现观察的全面性）；难溶于水；(2)氮气的化学性质：不燃烧；也不支持（红磷）燃烧。再例如：由于物质构成的奥秘的内容比较抽象，难于理解，可借助多种方法或手段，以加强教学的直观性。特别是对于插图的运用。比如原子的构成示意图，可以观察到：1、原子是空心的，不是简单的、不可分割的实心球体。2、原子是由原子核和电子构成。3、原子核在原子中央，电子在原子核外，故简称核外电子。 4、通过对原子和原子核的直径的 图二 原子的构成示意图观察和计算，原子核的直径约为原子的直径的十万分之一，原子核的体积只占原子体积千亿分之一，故原子核的体积很小。（借用 2008年北京奥运会主会场“鸟巢”和蚂蚁比喻原子和原子核，加深印象。）5、原子核中，质子带正电、中子不带电，电子带负电。进一步得出原子核带正电。6、可以观察到原子核中，有3个质子、3个中子、3个电子。进一步得出质子数 = 中子数 = 电子数，于是联系质子带正电、中子不带电，电子带负电，便知原子呈电中性；还为后面的学习研究留下“败笔”；以及推敲该原子是锂原子的构成图。7、原子核相对静止，电子绕核做高速运动。当然可以联想有“调皮”的电子运动到核外，使得原子带电，变成以后学习讨论的离子。8、原子没有原子外壳，因为书上没有相应的文字印证，那么，空心球体的“外壳”是电子高速运动的区域。通过全面的观察，可以加深学生对抽象的原子内部的认识。当然，教学过程中，如何引导和探究就成为主题。总之，变讲为悟，通过学生的全面观察，进一步让他们学会在知识的思考中体验、感悟。比如可以把同学们心目中的其他原子的内部构成图给画出来，以反馈感悟的效果。二、勤于操作，培养创新实验操作能力实验培养学生各种能力、提高综合素质的大熔炉。但是，相对于化学教材比较系统和完整的理论体系而言，实验都明显的不足。多年来，由于应试教育的影响，以致使我们教材中安排的本来就不算多的实验也往往难以落到实处。例如：在探究电解水实验中，我们的一些教师习惯于黑板上画实验、讲实验，学生听实验、背实验。严重地忽视了学生对感性素材的收集。也就不符合学生的认知规律；或者说从感性到理性的过程中，并没有充分的感性基础，以及对学生实验操作能力的培养。对于该实验，我们却进行了如下改进。仪器：烧杯（为了节约药品）、试管支，直流电源、两个水分子模型（泥团）。药品：水、氢氧化钠溶液、两支试管氢气、半试管氧气（利用排水法收集，留下半试管水）。首先通过简易实验，让同学感知基本的现象:两支试管中均有气体产生；且与正极相连的试管产生的气体少，体积比约为。（归纳）现象: V正气V负气然后利用准备好的两种气体对“正气”和“负气”进行检验。这里或许就会引起争议，不过面对学生来说，在化学实验中灵活、巧妙运用“移花接木” ，则可得到很实在的效果。因为这样可以突破教学难点，加深学生对物质氢气的认识和对电解水实验的感悟。先让学生猜测，并设计实验方案，然后进行实验。实验步骤实验现象实验结论将装有少量“正气”的试管口向上，打开橡胶塞，并用带火星的木条伸入试管内。带火星的木条复燃。与正极相连的试管产生的气体是氧气。将装有少量“负气”的试管口向上，打开橡胶塞，并用带火星的木条伸入试管内。带火星的木条没有复燃；也没有其它现象。与负极相连的试管产生的气体不是氧气。将装有少量“负气”的试管口向下，打开橡胶塞，用大拇指堵住，并移近火焰。听到轻微的爆破声；干燥的试管内壁产生水雾。与负极相连的试管产生的气体是另一种气体：氢气认识与负极相连的试管产生的气体-氢气。在第三个步骤中：试管口向下， 原因：氢气的密度小于空气（氢气的密度最小）；用大拇指堵住，原因：防止气体逸出；移近火焰，听到轻微的爆破声，说明氢气能燃烧；干燥的试管内壁产生水雾，说明氢气燃烧的生成物有水。（归纳总结）一、氢气的性质：（一）氢气的物理性质：1、（在标准状况下）无色无味的气体；2、氢气的密度最小；3、难溶于水。（二）氢气的化学性质：氢气能燃烧。二、氢气的验纯：原因：混有一定量空气或氧气的氢气遇明火会产生爆炸。方法：实验步骤实验现象实验结论用小试管口向下收集氢气，用大拇指堵住，并移近火焰。听到尖锐的爆破声氢气不纯听到轻微的爆破声氢气已纯(三)由电解水实验现象可知：1、V氧气V氢气2、正极：氧气负极：氢气 （“正养父亲，氢二氧一”）3、水在通电的条件下生成氧气和氢气。即： 水 氧气+氢气4、由电解水实验可以得到水是由氢、氧两种元素组成。通过对电解水实验的改进，明显感受和学生互动更强，实验现象更生动、直观，归纳更容易。不过，从每年的中学生实验操作能力考察上看，中学生实验操作能力的现状是触目惊心的。中学生实验操作能力考察分为单独操作（70分）和实验步骤、现象、结论的记录（30分）。实验记录达标的学生人数可达70%以上；可操作达标的学生人数不到20%。因而，看来学生实验操作能力较差的问题仍然是一个不容忽视的现实问题。要培养学生的创新实验操作能力，就必须努力加强对各种演示实验教学的改进，采取各种措施为学生提供较为充分的动手操作的实践机会。1、拓宽实验空间我们现行的中学化学课本中安排的实验课时较少，且太多为演示实验。演示实验习惯上都是由教师在讲台上做给学生看的，由此导致学生动手机会明显偏少，动手能力普遍不高。因而我们有必要想方设法将演示实验的空间由通常的讲台向学生座位乃至更大的范围扩展。具体地说，可以通过改进、改组和改造等方法。其中，改进是将一些演示实验改为师生合作实验，如对氢气混合爆炸的演示实验改为师生共同做的实验；改组是创造条件将一些演示实验改为学生分组实验或边讲边实验，如初中酸碱盐性质的演示实验可改为学生分组实验或边讲边实验；改造则是将一些演示实验在课堂正常安排的情况下，可改为课外实验。（1）、补充趣味实验，激发创新意识例1：在绪言课上，利用毛笔在宣纸上勾出梅花图，然后把无色的酚酞溶液涂在花瓣上，准备用氢氧化钠溶液喷在梅花图上，都可以看到红色的梅花。例2：有一次实验课完成后，有一个学生问我：“老师，我能把钥匙放在余下的CuSO4溶液里吗?”我说，可以。然后他兴高兴烈地把钥匙链放在CuSO4溶液中。大约2min-3min后，红色的金属铜明显被镀到钥匙链上，其他同学也要试一试。此时，我把余下的CuSO4溶液稀释成不同浓度的三份，让几位同学同时把钥匙链放在不同浓度的CuSO4溶液中，让他们观察镀层出现的快慢（速度）和镀层的薄厚等（并告诉他们要静置，不能振荡）。通过对比、观察、讨论，学生获得了感性知识，还懂得了镀层的好坏与镀层溶液的浓度有关。这便为学习高三电化学奠定了一定的基础。（2）、把实验习题搬进课堂把实验习题搬进课堂，它也是培养创新实验能力的好素材。例如，化学中“有名”的收集装置，收集时到底是“长进短出”还是“短进长出”。跟集气瓶内的物质和需要进去的物质的密度有关。安装仪器并演示，对于学生来说，可以验证他们的猜测，得出正确的结论。 图三“有名”的收集装置（3）重视家庭小实验由于家庭小实验取材方便，操作简单，每个同学都可以动手操作为大多数学生喜欢。为了证明醋酸的酸性，且能与碳酸盐发生化学反应，于是我布置了家庭小实验，即用食用醋除去热水瓶中的水埚或浸泡鸡蛋壳，鸡蛋壳会变软且溶解等实验，说明醋酸的酸性，也感知了食用醋与热水瓶中的水埚或浸泡鸡蛋壳反应中伴随的重要现象，和感受它的奇妙用途。同时让学生知道，生活中无处没有化学，化学就在我们身边。这样学生的创新能力在生活中得以实现，得到了锻炼。2、增加实验时间即将实验时间由通常的课内向课外延伸。延伸的办法主要包括课外兴趣小组活动和开放实验室等。由于课外活动具有时间上比较充裕，形式上灵活多样，并可照顾到学生的兴趣爱好等特点，因而也便于有针对性地通过实验操作，加强动手能力的培养。例如：我们把拓展性实验最轻的气体，就放在开放实验室当中，通过学生的自主探究，可以让他们了解到氢气是最轻的气体；氢气能燃烧；混有一定量空气或氧气的氢气遇明火会产生爆炸；所以点燃氢气前要验纯，以及如何验纯等等。三、善于思维，培养创新思维能力化学实验教学不仅要给学生提供生动、丰富的直观景象，还要使学生得到观察和操作能力方面的规范有素的训练，更重要的是要通过观察与思考的结合、动手和动脑的结合，实现由现象到本质、由感性到理性的认识阶段上的飞跃。实验教学不仅可以培养学生的创新观察能力和创新实验操作能力，还可以培养学生的创新思维能力。结合化学实验教学的实际，可采取如下措施：1、加强设计训练实践表明，指导学生进行设计性实验的训练是调动学生动手和动脑积极性的一项有效措施。设计性实验要力求使学生感到有探索价值和设计必要，能引起学生兴趣，能培养学生的动手动脑能力。例如：运用过氧化氢溶液制取氧气时，实验设计是较难的。难点一：制取氧气的主要物质（反应物）是什么？难点二：制取氧气时，二氧化锰起到催化作用（反应条件）。难点三：用过氧化氢制取氧气，生成物有哪些？以及如何检验？难点四：质量分数为10%的过氧化氢溶液是混合物，那么制取氧气的主要物质是质量分数为10%的过氧化氢呢；还是质量分数为90%的水？难点五：装置的自发选择。在运用过氧化氢溶液制取氧气探究试验中，设计并增加对比实验。因为对比不仅仅是为了求同，更重要的是求异过程。通过对比，可以优化学生的创新意识。设计如下：a、二氧化锰 无氧气放出b、过氧化氢 氧气 + 水（较慢）c、过氧化氢 氧气 + 水（较快）通过以上三个实验不难看出：1、制取氧气的主要物质不是二氧化锰，而是过氧化氢；2、物质二氧化锰在实验中，起到了积极的作用，那就是加快了过氧化氢分解的速率，起到催化作用，是催化剂，是化学反应条件。就向反应条件点燃和加热一样，写在横线上。（补充）d、过氧化氢 氧气 + 水（急快）（运用质量分数30%的过氧化氢溶液）实验步骤实验现象实验结论运用质量分数30%的过氧化氢溶液，并加入少量的二氧化锰迅速产生白雾（柱），并放出大量的热量。木条没有复燃不是说明没有氧气，而是同时生成的水蒸气的原因。用带火星的木条伸在试管口带火星的木条没有复燃通过上面的补充实验又不难看出：1、用过氧化氢制取氧气的生成物中，不仅有能使带火星的木条复燃的氧气，还有水的生成。2、反应物的质量分数同样可以改变物质的化学反应速率。（补充）e、为了验证制取氧气的主要物质不是二氧化锰，而是过氧化氢，拿出第c步实验停止的试管，针对所剩下的物质提出问题：“是二氧化锰反应完了，还是过氧化氢反应完了？如何补充实验？”把剩下的物质分成两等份。其中的一份加入二氧化锰；另一份加入加入过氧化氢。实验步骤实验现象实验结论加入二氧化锰没有气体放出参加反应的（没有的）是过氧化氢加入过氧化氢有气体放出二氧化锰有，并仍然起催化作用通过上面的补充实验又不难看出：1、催化剂改变了物质的化学反应速率；同时化学性质不变；质量也不变。即：“一变两不变”。2、与催化剂比较，从质量上分析，参加反应的物质（反应物）的质量一定会减少，甚至耗尽；催化剂的质量不变；生成物的质量一定会增加。（补充）f、为了验证制取氧气的主要物质是质量分数为10%的过氧化氢；还是质量分数为90%的水？可以如何设计实验呢？学生甲：可以向剩下的试管中加入水。如果没有气体放出，就说明与水无关。（我顺便演示，并验证学生的设计。）学生乙：没有必要设计实验，因为生成物本来就有水。太棒了！两位同学都不错。通过学生的思考与设计，实验与观察，验证并总结了过氧化氢在二氧化锰做催化剂的条件下生成氧气和水。即：过氧化氢 氧气 + 水。同时，让学生充分认识到过氧化氢溶液是混合物。总之，设计实验要从学生及实验的具体情况出发，通过启发引导、点拨指导，达到控制实验难度，降低思维台阶，逐渐提高设计水平，进而达到培养学生的创新思维能力的目的。2、引导探索发现虽然化学实验中的现象和规律通常都是前人已经发现的，但对学生来说却依然是未知的。因此，在实验教学中，教师应当努力把发现的任务交给学生，让学生成为发现的主人。例如，有一次在做白磷与红磷着火点高低的实验中，我先用镊子夹取一块白磷，并放在有水存在的表面皿上切割（因白磷易自燃），并告诉学生切割后小刀、镊子及表面皿均要用滤纸擦干净，而滤纸不能乱扔，否则会引起火灾。我把它放在桌边，准备稍后处理。谁知，正在讲课中，滤纸忽然着火燃了起来，学生顿时惊叫起来，唏嘘声一片。经过分析讨论，学生明白了其中原因，一颗好奇心才安稳下来。这时由无意注意引起的记忆更深刻，更牢固。适时对学生点拨，利用实验课的“败笔”激发学生的探索发现，更能激发学生的创新灵感优化创新意识。再例如：在探究利用高锰酸钾制取氧气并用排水法收集氧气时，是先将导气管移出水面；还是先熄灭酒精灯。前人已经发现的，但对学生来说却依然是未知的。探究讨论得出两个猜想，就是运用先熄灭酒精灯，再将导气管移出水面进行实验探究。几分钟之后，实验现象告诉同学：试管中进入了大量的水，同时请一位同学感知试管的末端的温度，依然烫手，同学们疾呼：“危险。”故作慌乱的我及时提问：“怎么办？”“将导气管移出水面。”这可是同学们的集体智慧与结晶。鼓励同学们同时，得出结论：否认前一种猜想；而肯定后者。即先将导气管移出水面；后熄灭酒精灯。在实验教学中，把发现的任务交给学生，在让学生成为发现的主人的同时，让他们充分体验到智力劳动的艰辛以及科学发现的喜悦，从而激起强烈的探究精神，同时培养创新思维能力。3、激发独立思考独立思考是形成创新思维能力的前提和条件。学生的独立思考能力只有通过经常的独立思考活动的“洗礼”才能逐步形成，而化学实验本身就是独立思考活动的一种有效形式。因此，在实验教学中，教师要将学生推上思考问题、解决问题的主体地位。例如：在水的净化过程中，过滤的原理的理解以及过滤的实际运用，可以先联想生活实际，与过滤有关的情景。从“油炸花生米”、“打豆腐”、“茶杯中的过滤器”等等感悟过滤的原理。然后运用于实验室，将加热氯酸钾和二氧化锰的剩余混合物分离，应该采取哪些步骤。教师不应先把结论简单地告诉学生，而是让学生通过实验和思考，自己去弄清其中的缘由。促进学生独立思考要立足学生认知和思维发展水平，要让学生“跳一跳”能摘到“果子”。必要时，还要帮助学生向上“撮一撮”，至少要让他们能摘到“果子”。要加强对学生获得知识的过程技能（包括观察、操作及推理）的训练。这是由于过程技能及其相关能力是独立思考的核心，也是独立思考发挥主体作用的桥梁。要加强基本科学思维方法的训练，使学生思考的主体性得以真正发挥。需要强调指出的是，必须改变目前实际存在的实验教学过程过于程式化的倾向，在实验中要给学生留有较充分的使学生独立思考的余地。现在普遍使用的与教材配套的实验练习册是详尽有余，“余地”不足，在客观上为学生“照方抓药”提供了方便，而学生跟着实验册亦步亦趋，势必对整个实验心中无数，又谈何进行深入广泛的思考？而离开了学生的独立思考，实验能力的培养就会成为空中楼阁，当然也不能奢谈什么创新能力的培养了。初中化学教学，应该立足于实验，并把实验落到实处。重视化学实验过程中的实验的设计，现象的观察，通过对比、联想、想像、归纳、总结、反馈与反思，以达到培养学生的创新观察能力和创新实验操作能力，还能培养学生的创新思维能力。不过，只有在实验中探究的思路是狭义的，我们同样应该在化学理论课上，把科学探究思维落到实处。