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如何培養(yǎng)學生的實驗設計能力
化學是一門以實驗為基礎(chǔ)的學科，化學實驗是化學科學的靈魂，是學生認識化學世界的窗口，是學習化學的重要手段�；瘜W實驗對培養(yǎng)學生的“觀察能力、思維能力、實驗能力、自學能力”具有不可替代的作用。在《新課程標準》中重點強調(diào)科學探究是一種重要而有效的學習方式，要進行科學探究必須要進行化學實驗，而進行化學實驗首先要求學生進行實驗設計，進行實驗設計就要求學生熟悉實驗原理，突破教材的框框，大膽設想，尋找完成實驗的最佳途徑，抓住優(yōu)化實驗原理的設計、試劑和儀器的選擇、反應條件的控制、操作過程等環(huán)節(jié)，有計劃、有目的地引導學生進行自主探究，培養(yǎng)學生的科學探究能力和創(chuàng)新能力。[2]實驗設計是學生學習化學、實現(xiàn)科學探究的重要途徑，本文就怎樣培養(yǎng)學生的實驗設計能力發(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)學生的實驗設計能力要加強學生對基礎(chǔ)知識的學習
化學學科中，任何理論（或假設）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；某些有機物之間反應機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（或假設的提出）→再實驗→理論的發(fā)展和完善，這是人類在自然科學中發(fā)現(xiàn)真理、認識真理的過程。要讓學生深刻的理解：化學家就是這樣去認識化學世界的，要讓學生明白：要進行實驗設計必須要有堅實的基礎(chǔ)知識。因而要求學生熟練掌握常見元素及其化合物的物理性質(zhì)、化學性質(zhì)的實驗事實以及單質(zhì)、化合物的制備原理和方法。中學階段的大部分化學實驗都是定性實驗，這些實驗雖然簡單，但確實可以培養(yǎng)學生透過實驗現(xiàn)象（或?qū)嶒灁?shù)據(jù)）看清反應實質(zhì)，進而推斷物質(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，在設計實驗時就能夠靈活選擇實驗原理。另外還要求學生能獨立的查閱、運用有關(guān)圖表、數(shù)據(jù)和其它資料或文獻，并能提煉出相關(guān)有用的信息加以利用，使學生具有各種信息的加工和處理能力。[3]只有學好了堅實的化學基礎(chǔ)知識，為形成初步的實驗設計能力奠定必要的基礎(chǔ)，才能靈活有序的設計好化學實驗。
二 培養(yǎng)學生的實驗設計能力要加強對學生動手動腦能力的培養(yǎng)
培養(yǎng)學生的實驗設計能力必須要求學生掌握中學化學常規(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)實驗手段是化學實驗的基礎(chǔ)，綜合實驗是常規(guī)實驗的綜合運用，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）都要盡可能地讓學生在課內(nèi)或課外一絲不茍地完成。通過動手，一方面達到對常規(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)學生的觀察、測量、記錄、處理實驗數(shù)據(jù)、分析表達實驗結(jié)果的能力。只有有了良好的動手動腦能力，才能很好的進行化學實驗設計，培養(yǎng)了學生不斷實踐的科學探究精神、持之以恒的意志品質(zhì)，讓學生深刻體會科學實驗和動手動腦能力的價值。
三、培養(yǎng)學生的實驗設計能力要加強學生化學實驗總體觀的培養(yǎng)
任何一個化學實驗都包含以下內(nèi)容：①實驗目的，②實驗原理，③實驗設計，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)容可稱為化學實驗的六要素。實驗目的是核心；實驗原理是達到實驗目的的理論根據(jù)；實驗程序是能否完成實驗的關(guān)鍵，它的設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到預期目的所進行的檢驗，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行綜合分析，最后得出具體合理的結(jié)論。[4]
例如：在學習化學反應質(zhì)量守衡時，學生設計實驗驗證在化學反應過程中質(zhì)量守衡定律：
實驗目的：在一定條件下，反應物之間發(fā)生化學變化生成新的物質(zhì)，驗證在化學反應過程中質(zhì)量守衡。
實驗原理：回憶已有知識，在化學變化中，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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實驗設計及操作過程：
設計實驗一：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，使天平達到平衡，點燃蠟燭，觀察天平的平衡情況。
設計實驗二：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，比較反應前后質(zhì)量的變化。
實驗結(jié)果的處理：學生對上述實驗，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”；
“鐵與硫酸銅的反應質(zhì)量不變，因為反應中既沒有氣體參加反應，又沒有氣體生成”；
“研究蠟燭燃燒反應的質(zhì)量變化，應將參加反應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燃，塞上塞子再稱，質(zhì)量可能就不變了”；
“在密閉容器中進行實驗，反應前后物質(zhì)質(zhì)量肯定不會發(fā)生變化”；……
在學生充分討論和分析的基礎(chǔ)上，重新設計并完成有關(guān)實驗，學生得出了“化學反應前后各物質(zhì)的質(zhì)量總和保持不變”的結(jié)論。
實驗設計方案可能有對有錯，只要在老師的指導下，在學生的多次實驗驗證下，就會逐步的完善，就可以培養(yǎng)學生的善于質(zhì)疑、勤于思考、嚴謹求實的科學精神、嚴肅認真的科學態(tài)度和克服困難的意志等優(yōu)良品質(zhì)，促進學生的全面發(fā)展。
四、激勵學生進行實驗設計，培養(yǎng)學生的思維能力
學生的一切學習活動都離不開思維�；瘜W實驗的設計過程實質(zhì)上是一個探索、創(chuàng)造的過程，對學生思維能力的要求層次較高，因而我們要充分的激勵學生敢于沖破舊的條條框框，應積極引導學生多方位、多角度、多途徑去思考問題，從引導學生對思維發(fā)散過程中所獲取的各種信息進行分析、評價，集中主攻方向，從中找到最佳的設計方案，再通過實驗去驗證，并形成科學的概念或規(guī)律，如果碰到問題及時分析、及時更正，充分發(fā)揮實驗的認識功能，啟迪學生的思維，讓學生掌握科學的實驗設計方法，培養(yǎng)學生的思維能力。
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、b兩燒杯溶液罩在一起。過幾分鐘，同學們看到了小燒杯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：
學生對上述現(xiàn)象的看法不一，可能提出如下的假設：
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，有些微粒進入了燒杯a中的溶液，使溶液成分
改變，顏色變紅。
學生通過自己思考設計的實驗，不但鞏固強化了學生的基礎(chǔ)知識，而且還要求學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，并自己設計組裝。正是這些過程，學生們既動了腦，又動了手，開闊了學生的視野，拓展了學生的思維層面，培養(yǎng)了學生分析問題、解決問題的能力和創(chuàng)新能力，同時又激發(fā)了學生的創(chuàng)新意識，鍛煉了學生的動手能力，培養(yǎng)了學生的科學思維能力。[5]
五、進行實驗設計，重點培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力
學生在實驗設計時，首先是通過模仿、移植現(xiàn)有的實驗方案，然后通過獨立思考、探索，逐漸在設計中體現(xiàn)自己的個性，具有一定的創(chuàng)造性。教師在組織學生進行實驗設計時，可引導學生閱讀、查找一些實驗小竅門、實驗藥品及儀器的代用品、實驗裝置的改進等有關(guān)資料，以開闊學生的視野，啟迪學生進行創(chuàng)造性思維。同時也應經(jīng)常提出一些能激發(fā)學生創(chuàng)造欲望和創(chuàng)造興趣的問題，盡量給學生一些動手的機會，讓學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。
實驗設計：學生們共設計出了十幾種方案，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。
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。
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。
4、在一個裝飲料的塑料瓶中裝滿二氧化碳氣體，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氣體的燒瓶上，
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氣體的錐形瓶的雙孔膠
塞上，然后用分液漏斗往錐形瓶中滴入氫氧化鈉溶液，看到燒杯中的導管里有水上升。
通過以上學生自己思考設計的實驗，不但鞏固強化了學生的基礎(chǔ)知識，而且還要求學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，并自己設計組裝，滿足了學生的設計欲望，學生的創(chuàng)新動機與興趣倍增，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，學生們既動了腦，又動了手，開闊了學生的視野，同時又激發(fā)了學生的創(chuàng)新意識，鍛煉了學生的動手能力，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力。[6]
總之，通過對化學實驗的設計的實踐活動既可以促進學生理解化學實驗的的科學價值、培養(yǎng)和提高學生的化學實驗素養(yǎng)，逐步提高學生運用實驗知識、設計化學實驗去解決實際問題，養(yǎng)成科學的實驗態(tài)度和勇于創(chuàng)新的科學精神，充分培養(yǎng)學生的實驗設計能力，這些不但是新課程改革的重要出發(fā)點，也是化學教學的新要求。
如何培養(yǎng)學生的實驗設計能力 [篇2]
一、在篩選猜想中設計實驗
根據(jù)生活經(jīng)驗或創(chuàng)設物理情景中，引發(fā)學生提出問題后；學生會從不同角度、不同認知、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，還是依猜想設計實驗。比如，探究摩擦力大小與什么因素有關(guān)？學生猜想除了與壓力、接觸面粗糙程度有關(guān)外；還涉及壓力的作用點、運動方向、運動速度、接觸面面積等等，可以做實驗給學生看，并不占有教學時間。
二、 在明確實驗原理中設計實驗
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計實驗。測運動物體的平均速度，只要測運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)所測物理量設計表格。設計思路清晰，給學生程序性知識，學生設計實驗能力就會在
潛移默化中提高。
三、在比較實驗方案中設計試驗
在探究歐姆定律實驗中，我讓學生根據(jù)實驗原理上臺板畫設計電路圖。甲同學畫設計電路圖沒帶滑動變阻器元件符號；乙同學畫設計電路圖帶滑動變阻器元件符號。針對這種情況，
讓全班同學展開討論取得共識：甲同學畫設計電路圖只能測一組電流和電壓值，乙同學畫設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時，但在以后設計測電功率電路費時較少，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？讓學生進行比較，從而培養(yǎng)學生改進實驗的意識，到達提高
設計實驗能力。
四、在明確實驗方法中設計實驗
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)合教學實際恰當選擇研究方法，可以幫助學生理清探究思路，增強實驗設計能力。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行設計實驗，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廣口玻璃瓶，用橡皮塞塞緊瓶口，再用細玻璃管插進橡皮塞中間并伸進廣口玻璃瓶里，此時用手捏緊廣口玻璃瓶，觀察細玻璃管液面變化，就可以看出廣口玻璃瓶形變。這個方法就是轉(zhuǎn)換法！可見，實驗設計能力強弱與理解、明確實驗方法有關(guān)。
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