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如何培養(yǎng)學(xué)生的實驗設(shè)計能力
化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科,化學(xué)實驗是化學(xué)科學(xué)的靈魂,是學(xué)生認(rèn)識化學(xué)世界的窗口,是學(xué)習(xí)化學(xué)的重要手段;瘜W(xué)實驗對培養(yǎng)學(xué)生的“觀察能力、思維能力、實驗?zāi)芰Α⒆詫W(xué)能力”具有不可替代的作用。在《新課程標(biāo)準(zhǔn)》中重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)科學(xué)探究是一種重要而有效的學(xué)習(xí)方式,要進(jìn)行科學(xué)探究必須要進(jìn)行化學(xué)實驗,而進(jìn)行化學(xué)實驗首先要求學(xué)生進(jìn)行實驗設(shè)計,進(jìn)行實驗設(shè)計就要求學(xué)生熟悉實驗原理,突破教材的框框,大膽設(shè)想,尋找完成實驗的最佳途徑,抓住優(yōu)化實驗原理的設(shè)計、試劑和儀器的選擇、反應(yīng)條件的控制、操作過程等環(huán)節(jié),有計劃、有目的地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主探究,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和創(chuàng)新能力。[2]實驗設(shè)計是學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)、實現(xiàn)科學(xué)探究的重要途徑,本文就怎樣培養(yǎng)學(xué)生的實驗設(shè)計能力發(fā)表一下自己的淺見,不妥之處敬請同行們批評指正。
一 培養(yǎng)學(xué)生的實驗設(shè)計能力要加強(qiáng)學(xué)生對基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)
化學(xué)學(xué)科中,任何理論(或假設(shè))的提出、發(fā)展和完善,都有一定的實驗事實作根據(jù),而化學(xué)實驗發(fā)揮著驗證事實、解釋結(jié)論的功能,如:原子結(jié)構(gòu)理論中核外電子分層排布的實驗根據(jù)是電離能的測定;原電池原理的實驗根據(jù)是銅-鋅原電池實驗;某些有機(jī)物之間反應(yīng)機(jī)理的確定是在實驗中利用了示蹤原子等。許多類似的實例道出了以下規(guī)律:實驗事實→理論的建立(或假設(shè)的提出)→再實驗→理論的發(fā)展和完善,這是人類在自然科學(xué)中發(fā)現(xiàn)真理、認(rèn)識真理的過程。要讓學(xué)生深刻的理解:化學(xué)家就是這樣去認(rèn)識化學(xué)世界的,要讓學(xué)生明白:要進(jìn)行實驗設(shè)計必須要有堅實的基礎(chǔ)知識。因而要求學(xué)生熟練掌握常見元素及其化合物的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)的實驗事實以及單質(zhì)、化合物的制備原理和方法。中學(xué)階段的大部分化學(xué)實驗都是定性實驗,這些實驗雖然簡單,但確實可以培養(yǎng)學(xué)生透過實驗現(xiàn)象(或?qū)嶒灁?shù)據(jù))看清反應(yīng)實質(zhì),進(jìn)而推斷物質(zhì)的微觀組成、結(jié)構(gòu)與實驗結(jié)果的相互關(guān)系。物質(zhì)的制備原理是以物質(zhì)的性質(zhì)為基礎(chǔ)的,某一物質(zhì)的制備方法不止一種,但教材上采用的方法則是實驗室中最常見的最好方法,熟悉了這些實驗,在設(shè)計實驗時就能夠靈活選擇實驗原理。另外還要求學(xué)生能獨(dú)立的查閱、運(yùn)用有關(guān)圖表、數(shù)據(jù)和其它資料或文獻(xiàn),并能提煉出相關(guān)有用的信息加以利用,使學(xué)生具有各種信息的加工和處理能力。[3]只有學(xué)好了堅實的化學(xué)基礎(chǔ)知識,為形成初步的實驗設(shè)計能力奠定必要的基礎(chǔ),才能靈活有序的設(shè)計好化學(xué)實驗。
二 培養(yǎng)學(xué)生的實驗設(shè)計能力要加強(qiáng)對學(xué)生動手動腦能力的培養(yǎng)
培養(yǎng)學(xué)生的實驗設(shè)計能力必須要求學(xué)生掌握中學(xué)化學(xué)常規(guī)實驗手段,熟悉常見儀器的規(guī)格、用途及使用注意事項。常規(guī)實驗手段是化學(xué)實驗的基礎(chǔ),綜合實驗是常規(guī)實驗的綜合運(yùn)用,即使那些高、精、尖的實驗也離不開常規(guī)實驗,因而教材中所有實驗(包括教師的演示實驗)都要盡可能地讓學(xué)生在課內(nèi)或課外一絲不茍地完成。通過動手,一方面達(dá)到對常規(guī)實驗操作(加熱、蒸發(fā)、過濾、分液、稱量、滴定、儀器的組裝、氣密性的檢查等)的熟練掌握,同時熟悉常見儀器的應(yīng)用范圍和使用注意事項,能優(yōu)化和調(diào)控實驗條件,要培養(yǎng)學(xué)生的觀察、測量、記錄、處理實驗數(shù)據(jù)、分析表達(dá)實驗結(jié)果的能力。只有有了良好的動手動腦能力,才能很好的進(jìn)行化學(xué)實驗設(shè)計,培養(yǎng)了學(xué)生不斷實踐的科學(xué)探究精神、持之以恒的意志品質(zhì),讓學(xué)生深刻體會科學(xué)實驗和動手動腦能力的價值。
三、培養(yǎng)學(xué)生的實驗設(shè)計能力要加強(qiáng)學(xué)生化學(xué)實驗總體觀的培養(yǎng)
任何一個化學(xué)實驗都包含以下內(nèi)容:①實驗?zāi)康,②實驗原理,③實驗設(shè)計,④實驗藥品、儀器、裝置,⑤實驗操作及操作規(guī)程,⑥實驗結(jié)果的處理,這六個方面的內(nèi)容可稱為化學(xué)實驗的六要素。實驗?zāi)康氖呛诵;實驗原理是達(dá)到實驗?zāi)康牡睦碚摳鶕?jù);實驗程序是能否完成實驗的關(guān)鍵,它的設(shè)計以實驗原理為基礎(chǔ);藥品、儀器、裝置是物質(zhì)保證,這些物質(zhì)條件的選擇是由實驗原理和實驗程序決定的,同時對實驗程序也起著制約作用;實驗操作及注意事項是實驗得以順利、安全進(jìn)行的保證,它的制定要由實驗程序和實驗用品來決定;實驗結(jié)果的處理是對實驗是否達(dá)到預(yù)期目的所進(jìn)行的檢驗,在解釋實驗現(xiàn)象、處理所測得的數(shù)據(jù)、分析實驗誤差等項工作中必須對各要素進(jìn)行綜合分析,最后得出具體合理的結(jié)論。[4]
例如:在學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)質(zhì)量守衡時,學(xué)生設(shè)計實驗驗證在化學(xué)反應(yīng)過程中質(zhì)量守衡定律:
實驗?zāi)康模涸谝欢l件下,反應(yīng)物之間發(fā)生化學(xué)變化生成新的物質(zhì),驗證在化學(xué)反應(yīng)過程中質(zhì)量守衡。
實驗原理:回憶已有知識,在化學(xué)變化中,元素和原子的種類不變,數(shù)目不變,原子的質(zhì)量不變;查閱資料,從波義耳的失誤到拉瓦錫質(zhì)量守恒定律的發(fā)現(xiàn)。
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實驗設(shè)計及操作過程:
設(shè)計實驗一:取一小截蠟燭粘在一小塊木板上,將小木板和蠟燭一起放在托盤天平上,調(diào)節(jié)砝碼,使天平達(dá)到平衡,點(diǎn)燃蠟燭,觀察天平的平衡情況。
設(shè)計實驗二:在小燒杯中加入20ml稀硫酸銅溶液,取一根鐵釘用砂紙擦去鐵銹,將盛有硫酸銅溶液的燒杯和鐵釘一起放在托盤天平上稱量,記錄所稱的質(zhì)量w1。將鐵釘浸到硫酸銅溶液中,觀察實驗現(xiàn)象,將盛有硫酸銅溶液和鐵釘?shù)臒旁谕斜P天平上稱量,記錄所稱的質(zhì)量w2,比較反應(yīng)前后質(zhì)量的變化。
實驗結(jié)果的處理:學(xué)生對上述實驗,可能產(chǎn)生如下的想法:
“蠟燭燃燒后質(zhì)量減少,是由于生成的氣體沒有被稱量所造成的”;
“鐵與硫酸銅的反應(yīng)質(zhì)量不變,因為反應(yīng)中既沒有氣體參加反應(yīng),又沒有氣體生成”;
“研究蠟燭燃燒反應(yīng)的質(zhì)量變化,應(yīng)將參加反應(yīng)的氧氣和生成的二氧化碳、水一起稱量”;
“如果把蠟燭放在一個集氣瓶中點(diǎn)燃,塞上塞子再稱,質(zhì)量可能就不變了”;
“在密閉容器中進(jìn)行實驗,反應(yīng)前后物質(zhì)質(zhì)量肯定不會發(fā)生變化”;……
在學(xué)生充分討論和分析的基礎(chǔ)上,重新設(shè)計并完成有關(guān)實驗,學(xué)生得出了“化學(xué)反應(yīng)前后各物質(zhì)的質(zhì)量總和保持不變”的結(jié)論。
實驗設(shè)計方案可能有對有錯,只要在老師的指導(dǎo)下,在學(xué)生的多次實驗驗證下,就會逐步的完善,就可以培養(yǎng)學(xué)生的善于質(zhì)疑、勤于思考、嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)精神、嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度和克服困難的意志等優(yōu)良品質(zhì),促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。
四、激勵學(xué)生進(jìn)行實驗設(shè)計,培養(yǎng)學(xué)生的思維能力
學(xué)生的一切學(xué)習(xí)活動都離不開思維;瘜W(xué)實驗的設(shè)計過程實質(zhì)上是一個探索、創(chuàng)造的過程,對學(xué)生思維能力的要求層次較高,因而我們要充分的激勵學(xué)生敢于沖破舊的條條框框,應(yīng)積極引導(dǎo)學(xué)生多方位、多角度、多途徑去思考問題,從引導(dǎo)學(xué)生對思維發(fā)散過程中所獲取的各種信息進(jìn)行分析、評價,集中主攻方向,從中找到最佳的設(shè)計方案,再通過實驗去驗證,并形成科學(xué)的概念或規(guī)律,如果碰到問題及時分析、及時更正,充分發(fā)揮實驗的認(rèn)識功能,啟迪學(xué)生的思維,讓學(xué)生掌握科學(xué)的實驗設(shè)計方法,培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。
例如:燒杯中的溶液為什么會變紅?
實驗情景:教師在課堂上演示了一個有趣的實驗:
在燒杯a中裝入20ml蒸餾水,滴入2~3滴酚酞試劑。讓每個同學(xué)都看到,得到的溶液是無色的。在燒杯b中裝入10ml濃氨水。用一只大燒杯把a(bǔ)、b兩燒杯溶液罩在一起。過幾分鐘,同學(xué)們看到了小燒杯a中裝的溶液變成紅色。
上述現(xiàn)象說明了什么?請用簡單的實驗證明自己的解釋。
提出假設(shè):
學(xué)生對上述現(xiàn)象的看法不一,可能提出如下的假設(shè):
1.a燒杯內(nèi)滴入的酚酞要過一會兒才能變色,與b燒杯無關(guān);
2.大燒杯壁上沾有某種物質(zhì),散發(fā)出的肉眼看不見的微粒與a燒杯中的溶液接觸,使其變紅;
3.燒杯b中的濃氨水散發(fā)出一種肉眼看不見的微粒,慢慢溶解到燒杯a的溶液中,使a溶液
變成紅色!
實驗設(shè)計:
1.在潔凈燒杯c中加入20ml蒸餾水,滴入2~3滴酚酞試劑。靜置,觀察現(xiàn)象;將其單獨(dú)罩在大燒杯里,觀察現(xiàn)象。
2.另取兩只燒杯替代a和b。一只中的溶液與a相同,另一只蒸餾水代替濃氨水,如上圖放好,觀察現(xiàn)象。
3.小心聞燒杯b的濃氨水,嗅到刺激性氣味。取出少量濃氨水注入試管中,滴入酞試劑,觀察現(xiàn)象。
4.把燒杯b中的濃氨水滴入燒杯c中,觀察現(xiàn)象!
獲得結(jié)論:
學(xué)生在討論、交流基礎(chǔ)上獲得共識:
1.氨水能使酚酞溶液變紅;
2.b燒杯濃氨水中有肉眼見不到的微粒逸出,有些微粒進(jìn)入了燒杯a中的溶液,使溶液成分
改變,顏色變紅。
學(xué)生通過自己思考設(shè)計的實驗,不但鞏固強(qiáng)化了學(xué)生的基礎(chǔ)知識,而且還要求學(xué)生自己去閱讀和查找一些實驗用的相關(guān)資料,自己動手找一些代用藥品和儀器,并自己設(shè)計組裝。正是這些過程,學(xué)生們既動了腦,又動了手,開闊了學(xué)生的視野,拓展了學(xué)生的思維層面,培養(yǎng)了學(xué)生分析問題、解決問題的能力和創(chuàng)新能力,同時又激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識,鍛煉了學(xué)生的動手能力,培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維能力。[5]
五、進(jìn)行實驗設(shè)計,重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力
學(xué)生在實驗設(shè)計時,首先是通過模仿、移植現(xiàn)有的實驗方案,然后通過獨(dú)立思考、探索,逐漸在設(shè)計中體現(xiàn)自己的個性,具有一定的創(chuàng)造性。教師在組織學(xué)生進(jìn)行實驗設(shè)計時,可引導(dǎo)學(xué)生閱讀、查找一些實驗小竅門、實驗藥品及儀器的代用品、實驗裝置的改進(jìn)等有關(guān)資料,以開闊學(xué)生的視野,啟迪學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)造性思維。同時也應(yīng)經(jīng)常提出一些能激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造欲望和創(chuàng)造興趣的問題,盡量給學(xué)生一些動手的機(jī)會,讓學(xué)生在手腦并用的活動中迸發(fā)出創(chuàng)造的火花。
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例如:證明氫氧化鈉和二氧化碳確實發(fā)生了反應(yīng)。
實驗設(shè)計:學(xué)生們共設(shè)計出了十幾種方案,其中主要的有以下六種:
1、在裝有氫氧化鈉溶液的試管中,通入二氧化碳,再加入稀鹽酸或稀硫酸,若有氣泡產(chǎn)生,證明
氫氧化鈉和二氧化碳發(fā)生了反應(yīng)。
2、在裝有氫氧化鈉溶液的試管中,通入二氧化碳,再加入氫氧化鈣溶液,若有白色沉淀產(chǎn)生,
證明兩者的反應(yīng)。
3、把充滿二氧化碳的試管倒插在裝有氫氧化鈉溶液的燒杯中,即可看到溶液上升到試管中,證明
兩者已發(fā)生反應(yīng)。
4、在一個裝飲料的塑料瓶中裝滿二氧化碳?xì)怏w,然后,往其中滴入氫氧化鈉溶液,蓋好瓶塞,
用力震蕩,塑料瓶癟了。
5、拿一個玻璃管,在其一端套上一癟氣球,并將有氣球一端插如充滿二氧化碳?xì)怏w的燒瓶上,
然后,往燒瓶中倒入氫氧化鈉溶液,蓋好瓶塞,用力震蕩,燒瓶中的氣球膨脹起來。
6、用一根玻璃彎管,一端放入裝有水的燒杯中,另一端插在充滿二氧化碳?xì)怏w的錐形瓶的雙孔膠
塞上,然后用分液漏斗往錐形瓶中滴入氫氧化鈉溶液,看到燒杯中的導(dǎo)管里有水上升。
通過以上學(xué)生自己思考設(shè)計的實驗,不但鞏固強(qiáng)化了學(xué)生的基礎(chǔ)知識,而且還要求學(xué)生自己去閱讀和查找一些實驗用的相關(guān)資料,自己動手找一些代用藥品和儀器,并自己設(shè)計組裝,滿足了學(xué)生的設(shè)計欲望,學(xué)生的創(chuàng)新動機(jī)與興趣倍增,創(chuàng)新意識得到體現(xiàn),創(chuàng)新精神得到升華。正是這些過程,學(xué)生們既動了腦,又動了手,開闊了學(xué)生的視野,同時又激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識,鍛煉了學(xué)生的動手能力,培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。[6]
總之,通過對化學(xué)實驗的設(shè)計的實踐活動既可以促進(jìn)學(xué)生理解化學(xué)實驗的的科學(xué)價值、培養(yǎng)和提高學(xué)生的化學(xué)實驗素養(yǎng),逐步提高學(xué)生運(yùn)用實驗知識、設(shè)計化學(xué)實驗去解決實際問題,養(yǎng)成科學(xué)的實驗態(tài)度和勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神,充分培養(yǎng)學(xué)生的實驗設(shè)計能力,這些不但是新課程改革的重要出發(fā)點(diǎn),也是化學(xué)教學(xué)的新要求。
如何培養(yǎng)學(xué)生的實驗設(shè)計能力 [篇2]
一、在篩選猜想中設(shè)計實驗
根據(jù)生活經(jīng)驗或創(chuàng)設(shè)物理情景中,引發(fā)學(xué)生提出問題后;學(xué)生會從不同角度、不同認(rèn)知、不同經(jīng)歷,提出種種猜想;這是一個發(fā)散思維過程。我們不可能對所有猜想都一一用實驗驗證。例如;探究電阻大小與什么因素有關(guān);學(xué)生猜想有長度、密度、體積、橫截面積、質(zhì)量、材料等有關(guān)。那么,我就與學(xué)生一起分析考慮長度、橫截面積,實際上考慮了體積;考慮材料實際上考慮了密度;考慮了體積、密度,實際上考慮了質(zhì)量。經(jīng)過分析,學(xué)生才明白為何只考慮材料、長度、橫截面積以及溫度。這樣也大大節(jié)省進(jìn)行實驗時間。但這不能走向極端;有時探究某些物理量難以分析而試驗又容易做,還是依猜想設(shè)計實驗。比如,探究摩擦力大小與什么因素有關(guān)?學(xué)生猜想除了與壓力、接觸面粗糙程度有關(guān)外;還涉及壓力的作用點(diǎn)、運(yùn)動方向、運(yùn)動速度、接觸面面積等等,可以做實驗給學(xué)生看,并不占有教學(xué)時間。
二、 在明確實驗原理中設(shè)計實驗
物理教材中涉及物理量之間的定量關(guān)系常常用公式表示。例如:v=s/t、ρ= 、i=u/r
等等;往往將這些公式作為原理設(shè)計實驗。測運(yùn)動物體的平均速度,只要測運(yùn)動物體的路程以及通過這段路程的時間,圍饒測這兩個物理量,選用器材和儀器設(shè)計實驗。有時為了減小誤差,還要考慮先測什么,后測什么,選用器材和儀器的規(guī)格。在測定電功率實驗中,實驗
設(shè)計思路是:根據(jù)實驗原理,明確要測物理量是電流和電壓;根據(jù)所測物理量設(shè)計電路圖,從電路圖中體現(xiàn)選用器材和儀器的規(guī)格,然后連接實物電路(提醒注意事項、實驗步驟),根據(jù)所測物理量設(shè)計表格。設(shè)計思路清晰,給學(xué)生程序性知識,學(xué)生設(shè)計實驗?zāi)芰蜁?/p>
潛移默化中提高。
三、在比較實驗方案中設(shè)計試驗
在探究歐姆定律實驗中,我讓學(xué)生根據(jù)實驗原理上臺板畫設(shè)計電路圖。甲同學(xué)畫設(shè)計電路圖沒帶滑動變阻器元件符號;乙同學(xué)畫設(shè)計電路圖帶滑動變阻器元件符號。針對這種情況,
讓全班同學(xué)展開討論取得共識:甲同學(xué)畫設(shè)計電路圖只能測一組電流和電壓值,乙同學(xué)畫設(shè)計電路圖能測多組電流和電壓值,可做到保持r兩端的電壓不變,且操作方便。比較實驗方案雖然費(fèi)時,但在以后設(shè)計測電功率電路費(fèi)時較少,非常值得。比如在測液體密度時,
是直接測量法還是用剩余法好?讓學(xué)生進(jìn)行比較,從而培養(yǎng)學(xué)生改進(jìn)實驗的意識,到達(dá)提高
設(shè)計實驗?zāi)芰Α?/p>
四、在明確實驗方法中設(shè)計實驗
初中物理研究方法常有:控制變量法、等效替代法、轉(zhuǎn)換法、類比法、圖象法、模型法以及逆向思維法等.根據(jù)研究對象,結(jié)合教學(xué)實際恰當(dāng)選擇研究方法,可以幫助學(xué)生理清探究思路,增強(qiáng)實驗設(shè)計能力。比如,研究物理量同影響它的多個因素中的一個因素的關(guān)系,可將除了這個因素以外的其它因素人為地控制起來,使其保持不變;單獨(dú)研究物理量與這個因素的關(guān)系,得出結(jié)論。然后再逐一研究綜合起來得出規(guī)律。當(dāng)我們研究電阻大小與什么因素有關(guān)、凸透鏡成像規(guī)律等問題時,為什么沒有實驗原理照樣可以進(jìn)行設(shè)計實驗,其原因就是明確實驗方法。
明確實驗方法不但可以解決沒有實驗原理情況下設(shè)計實驗,而且可以突破器材和儀器及研究者的某些限制。在演示力作用效果時,用手捏緊廣口玻璃瓶,廣口玻璃瓶形變幾乎肉眼看不出。如果我們將紅色的水裝進(jìn)廣口玻璃瓶,用橡皮塞塞緊瓶口,再用細(xì)玻璃管插進(jìn)橡皮塞中間并伸進(jìn)廣口玻璃瓶里,此時用手捏緊廣口玻璃瓶,觀察細(xì)玻璃管液面變化,就可以看出廣口玻璃瓶形變。這個方法就是轉(zhuǎn)換法!可見,實驗設(shè)計能力強(qiáng)弱與理解、明確實驗方法有關(guān)。
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