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　　摘要：实验是化学学科的基础，也是化学学习的重要方法。中学化学教材编写如何体现化学的学科特色，实现实验的教学功能，美国高中化学教材 《化学：物质与变化》的实验编排独具匠心，凸显了实验地位，使之对化学学习起到引领作用，通过优化实验题材，拓展了化学学习的范围，展示了实验的各种功能，改进着学生的学习方式。

　　关键词：高中化学教材 化学实验 化学学习 发现实验 家庭实验 微型实验

　　《普通高中化学课程标准 （实验）[1]强调 “通过以化学实验为主的多种探究活动，使学生体验科学研究的过程，激发学习化学的兴趣，强化科学探究意识，促进学习方式的转变，在实践中培养学生的创新精神和实践能力”;“从学生已有的经验和将要经历的社会生活实际出发，帮助学生认识化学与人类生活的密切关系，关注人类面临的与化学相关的社会问题，培养学生的社会责任感、参与意识和决策能力”.这些理念标志着我国高中化学教学开始与国际科学教育接轨。然而在实际的教材编写和教学中，仍与世界先进水平存在一定差距。本文选取美国教材 《化学：物质与变化》，对其中颇具特色的化学实验编排和设计进行研究，以期为我国化学教材的编写提供借鉴。

　　1 教材中实验的编排

　　《化学：物质与变化》 （Chemistry:Matterand Change）[2]是 由Laurel Dingrando等 主 编，McGraw-Hill（美）图书公司2005年出版的美国普通高中化学教材。该教材共有26章，各章主要由 “你会学到什么？”、“它为什么重要？”、“实验室实验”、“微型实验”、 “解决问题实验”、 “发现实验”、“家庭实验”、 “链接”、 “化学在职业中的应用”、“如何工作”、“化学与科技”、“化学与社会”、“每日化学”、例题、练习题和标准测试练习等栏目组成，内容广泛涉及化学的基础知识和基本技能，注重学科知识的结构性和逻辑性的统一；注重化学与社会、化学与技术的联系，强调化学知识的实用性和趣味性的统一；关注化学已有知识的价值和新知识的变化，体现了化学知识继承性和发展性的统一。其中实验的编排和设计 （见表1）一脉相承，独具匠心，值得关注。

　　2 教材中实验的类型

　　本教材共有130个实验，设计为5种不同的类型。不同类型的实验对化学学习有不同的作用。

　　2.1发现实验

　　【发现实验】位于每一章的开篇，由引言、步骤、分析3部分构成。这类实验的药品、仪器、操作比较简单，但趣味性强，有的有令人兴奋的现象，有的有与预想完全不同的结果，还有的揭示了一些习以为常的物质不为所知的性质，目的是利用实验的过程或结果，通过 “分析”设置问题，引发学生对课题的兴趣，或引导学生学习探究课题的方法，为进一步的学习奠定基础。

　　【案例】原子里面是怎样的？

　　引言：生日时每个人都会收到很多包装好的礼物，大家都乐于在拆礼物前猜测包装内是什么物品。科学家研究原子结构的过程也与此类似。那么大家的观察和演绎能力怎样呢？

　　步骤：不打开包装盒，运用一切手段猜测盒内所装的是什么，并记录观察过程。

　　分析：你是怎样确定盒内物品的大小、形状、数量和组成？运用了哪些手段去确定这些？思考为什么这种观察会很困难？

　　这是第5章 “核外电子”的 【发现实验】。案例中学生需要通过观察、试探、猜测等方法推断包装中的物品，通过他们亲身的动手和体验的过程，从宏观的角度帮助学生了解科学家认识微观事物的方法，从而为学习核外电子的运动奠定方法基础。

　　2.2解决问题实验

　　【解决问题实验】一般安排在知识学习之后，由任务、分析、批判性思考3部分构成。 “任务”有不同的类型，或是对科学的某些成就做出合理的解释，或是要求学生为解决一个生产或生活的问题设计实验方案，或是要求学生利用科学家实验得出的数据表和图进行物质性质的预测，还有要求根据物质的结构进行模型的构建。这些任务是科学家利用实验进行科学研究的某一个环节，但不是平常所说的利用仪器、设备、药品进行实际操作的环节，可谓 “头脑实验”,目的是培养除操作能力之外的实验能力。“分析”环节是回忆解决问题所需的化学知识，利用知识解决问题。 “批判性思考”是要求学生解释实验事实产生的原因或给出解决实际问题的方法，培养学生在真实情境中利用化学知识分析和解决问题的能力。

　　【案例】速率、能量和碰撞设计实验：每个人在生活中都要去控制反应速率。如你会用冰箱减慢反应速率使食物得以更好地保存，会用烤箱加快反应速率使你迅速获得美味食品，而开车时是使汽油瞬间点燃发动汽车。设计一个实验证明反应速率、分子能量和碰撞次数的关系。

　　分析原因：根据反应碰撞理论，反应的发生是由于足够能量的分子发生碰撞而形成的，分子的碰撞频率与分子的浓度、运动速率有关。

　　批判性思考：如何利用少量的大理石颗粒和一个盒子模拟在给定温度下粒子群运动速率的变化？

　　如何利用该模型模拟温度的升高，以体现温度、粒子运动速率和粒子间碰撞能量之间的关系呢？

　　这是第17章 “化学反应速率”的 【解决问题实验】。案例首先以冰箱和烤箱等为例，使学生利用生活经验在头脑中形成 “温度是化学反应速率的一个影响因素”的感性认识，为 “头脑实验”的顺利进行创设环境。 “分析”部分帮助回忆解决该问题的反应碰撞理论。最后要求学生设计模拟实验：

　　通过大理石颗粒的碰撞次数随盒子晃动频率的加快而增多，理解随温度升高、粒子运动速率加快、碰撞次数增多，反应速率加快。在设计该 “模拟实验”的过程中，学生需将学过的知识综合运用，利用宏观模型模拟微观粒子运动，体验了化学建模过程。

　　2.3微型实验

　　【微型实验】是用小型仪器、装置和极少量的试剂进行的一类化学实验。出于对环境保护和实验安全的考虑，美国最早提出并在教学中实施微型实验，如今它已成为美国中学化学实验的主要方式之一。在本教材中，大部分实验并没有用到正规的微型实验仪器，但仪器简单，药品易得，操作方便，现象明显，使学生小中见大，领悟实验的真谛。实验包括引入、材料、步骤、分析几部分。

　　【案例】墨水中染料的分离引入：色谱对化学家而言是一种重要的诊断工具。许多物质可以用该技术分离并分析。在这个实验中，您将使用纸色谱分离水溶性黑墨水中的染料。

　　材料：广口瓶、滤纸、墨水笔、剪刀步骤：在滤纸上用笔尖点出一个圆形墨斑，在墨斑中心剪出一个笔尖大小的洞。用另一张滤纸卷成芯，将一端置于上一张滤纸的中心空洞处，另一端没入水中，当水移至距离滤纸边缘约1cm的位置时 （约20分钟），小心将滤纸从装水的瓶子移到空瓶子上方。
　　
　　分析：
　　
　　（1）对滤纸上的每一条色带绘制标记。你能得到多少条不同的色带？

　　（2）为什么你可以在滤纸的不同位置看到不同的颜色？

　　（3）将你的色谱与那些使用其他颜色墨水做实验的同学所得的色谱比较有什么不同？试着解释这种不同。

　　这是第3章 “物质：性质与变化”的 【微型实验】。用实验室最常见的材料对水溶性黑色墨水染料进行分离，在滤纸上得到明显的色谱带。实验药品生活化，操作安全简单，实验结果直观，非常适合于学生亲自动手实验。

　　2.4实验室实验

　　【实验室实验】安排在每一章的最后，大多数是定量实验，相对于其他4类实验有完整的探究过程。通过这样一个实验过程，学生可以有机会利用之前学习的化学知识和科学研究方法去研究和解决问题，在提高实验技能的同时，增强分析问题和解决问题的能力，加深对知识和方法的理解，体验化学探究过程。实验一般分实验前准备、实验过程、清理和处置、分析和计算等几步。

　　【案例】电池电动势的测定实验前准备：阅读实验手册，对实验中的理论问题进行回顾，思考实验中一些具体的操作方法。

　　准备安全手册、预习册及观察记录表等相关材料。

　　实验过程：

　　（1）准备掌上电脑读取电位差。将电压探针插入通道1,打开电脑，按下模式按钮，启动电压表功能。

　　（2）将滤纸条浸泡在2mL的硝酸钾溶液中，作为后面实验的盐桥。

　　（3）根据实验规划，分别利用4种金属和不同溶液组成不同的电池。把金属放入盛有相应溶液的微孔板孔中 （如把锌放入硝酸锌溶液中）。每个电池使用不同的盐桥。

　　（4）将每个电池的阳极金属和阴极金属及电位差填入数据表。

　　清理和处置：冲洗金属片上的溶液，用砂纸打磨干净收回。冲洗微孔板。

　　分析和计算：

　　应用概念：写出每一个电池阳极和阴极的电极反应。查标准电极电势表中各种电极的电势，在数据表中记录。

　　使用数据：计算每一个电池的理论电势并记录。

　　预测：利用数据，将你使用过的金属按活泼性排列顺序。

　　使用模型：计算每一个电池电动势的百分比误差。

　　误差分析：为什么通过第4步计算出的误差对于一些电池来说是偏大的，而对于另一些电池却是偏小的呢？

　　这是第21章 “电化学”的 【实验室实验】，该章主要介绍的是电化学的相关知识，因此在全章最后设计了一个测定不同金属所组成的伏打电池的电动势的实验。该案例从实验前的准备到最后的分析计算，步骤类似真实的化学研究过程。当学生经历了这样一个完整的实验探究过程后，不仅了解了不同的金属可组成不同的原电池，掌握伏打电池的组成，而且要利用前人制得的数据表分析和处理自己实验中获得的数据。通过实验误差的分析，引导学生积极思考，了解书本化学知识的局限性和真实化学研究的复杂性，学会创新思维。

　　2.5家庭实验

　　【家庭实验】是教材为学生课外学习而设计的拓展活动，主要是将学过的化学知识运用到日常生活中或利用日常生活中的物品进行化学实验。这类实验简单、安全，有一定的趣味性。如第3章实验“比较各种冷冻液体”,是将水、橘汁、醋、饮料、食用油等装入塑料瓶，放到冷冻室中，每隔半小时，观察各种液体冷冻的情况；第4章实验是 “比较原子大小”,用直尺、白纸、塑料牛奶箱、透明胶带、黑色记号笔，要求学生以圆按比例、大小剪出常见原子，做好记号，并按一定方式进行排列，这可为后面元素周期律的学习做好准备。

　　3 对我国中学化学实验教学的启示

　　3.1凸显实验地位，加强对化学学习的引领

　　实验是化学学科赖以形成和发展的基础，是化学教学中学生获取化学知识和检验化学知识的重要方法，是培养学生科学素养的重要途径。教材中的实验类型丰富，所占比重大，但编排十分合理，按不同类型穿插其中，每一种类型的实验功能明确，引领学生对化学的学习。 “发现实验”的功能是引发学生对将要学习内容的兴趣， “解决问题实验”让学生了解化学用实验解决问题的各种方法， “微型实验”通常用于帮助学生形成抽象的原理或概念，“实验室实验”让学生体验化学探究的完整过程，而 “家庭实验”是学生课外学习的拓展，帮助学生了解化学与生活的联系。综观教材的编写，将知识的传授和实验相结合，从实验引出知识，利用实验探究化学问题，通过实验解决生产或生活的实际问题。这样的安排符合学生的认知特点，也符合化学学科的特点，使学生在轻松的氛围中学会化学的探究方法。

　　3.2优化实验题材，拓展化学学习的范围

　　实验内容的生活化、现代化和趣味化，是该教材实验的显着特点。生活化是指教材把许多实验与生活、生产实际相联系。如第19章的 “发现实验”是用酸碱指示剂调查家庭碗橱里的调料、洗涤剂的酸碱性，第20章的 “微型实验”是利用氧化还原的原理解决家庭中银质物品的锈蚀问题等。当然教材也利用生活中的物品进行实验，如第4章的 “微型实验”就是利用1982年前后的硬币组成成分的差异构建一个测定同位素的模型，计算每一种同位素的丰度。现代化是指教材在内容的选择上介绍了许多化学研究的新成果，追踪着现代科技的发展，关注了最新的社会问题。如第20章中 “问题解决实验”涉及航天飞船的推进器；第1章的 “微型实验”是关于放射性衰变模型的构建，第4章的“解决问题实验”是介绍如何运用扫描隧道显微镜所做的图像测量原子之间的距离以及原子核之间的距离，很多 “实验室实验”用到了手持技术。趣味化是指教材在实验内容设计时注意增强实验对激发学生兴趣的作用。如第4章的 “发现实验”设计了利用胶带的瞬间剥离起电观察电荷，第21章的“发现实验”设计了自制柠檬电池，第26章的 “微型实验”为了让学生在课堂中直观感受酸雨的危害，设计将滴有溴甲酚绿指示剂、亚硝酸钾和硫酸混合液的培养皿置于封闭的包中，以鲜艳的颜色变化形成酸雨包，可谓独具匠心。

　　3.3展示实验功能，改进学生的学习方式

　　本教材在第一章用图解的形式介绍了科学探究的过程 （见图1）。从图1可以看出，化学实验贯穿于整个化学的科学探究过程。在观察事实阶段，实验是获得定性资料和定量数据的最重要方法，在形成假说阶段，实验是修正假说的重要方法，在理论形成过程中，需要大量的实验证实。因此实验在化学探究中可以显示不同的功能。也正因为这样，教材特别重视定量实验。在 “实验室实验”中，涉及许多数据的测定、处理和误差分析，广泛使用了手持技术，包括pH、温度、电势差、电导率、色谱等的测定。当然也有些定量实验非常简单，如第2章的 “实验室实验”就是通过电子天平称量铜丝的质量，借助尺子测量铜丝的长度，利用铜的密度测定铜丝的直径。在 “解决问题实验”中，有一些是给出科学家测定的数据，由学生找规律，确定这些数值测定的价值。如第10章的 “解决问题实验”就是通过对科学家测定的卤素的原子半径、电离能、电负性等数据的分析，预测某些卤素的性质。认识实验在科学探究中全面的功能，可以使学生更好地利用化学实验改进学习方式。

　　我国课改后新的化学教材中实验的面貌发生了一些变化，如数量有所增加，通过栏目进行了分类，改变以往实验单纯的验证功能；实验的内容有所改善，增加介绍一些先进的实验仪器和方法。但相比而言，仍显新意不足，特别是启发性、趣味性和探究性不强，导致学生做和不做一个样。特别是实验的功能不明确，地位还不是十分突出，缺乏对化学学习的引领作用。如何在实验题材的选择上更加新颖，内容设计更加精巧，实验操作更显灵活，实验的功能更加明确，是值得思考的。

　　参考文献
　　
　　[1] 中华人民共和国教育部制订。普通高中化学课程标准 （实验）。北京：人民教育出版社，2003
　　[2]Laurel Dingrando. Chemistry:Matter and change.McGraw-Hill,2005

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