中学化学实验要素内涵及其蕴含的思维与方法

摘要

基于实验操作流程与功能模块的分类框架，将中学化学实验划分为12种实验要素，并详细阐释其内涵，提出基于化学实验要素视角的实验设计、分析与改进方法。在此基础上，阐释化学实验要素与科学思维的关联：首先，基于化学基本原理思维与学科特有思维方式可深入辨析各实验要素的本质与功能；其次，运用逻辑思维与创新思维可有效改进单一或部分实验要素；最后，借助发散思维与工程思维可实现多要素的整合与系统优化。从方法层次总结设计、改进、分析化学实验要素常用的12种科学方法，以氯水漂白性问题为例，展示融合上述科学方法的化学实验要素系统优化设计过程。

Graphical abstract

关键词

中学化学实验 / 实验要素 / 科学思维 / 科学方法 / 氯水 / 漂白性

化学实验是中学化学教学的重要组成部分。实验不仅是化学教学的辅助工具，其本身所蕴含的思维与方法也是培养中学生高阶思维的良好素材。为此，笔者基于中学化学实验要素视角，通过具体教学案例加以阐释。

1 中学化学实验要素内涵及应用

1.1 中学化学实验要素的内涵及其蕴含的科学思维与方法

笔者认为，中学化学实验具有一些共同的要素（以下统称为实验要素）。图1展示了中学化学实验所包含的实验要素。一个化学实验通常包含若干核心要素：首先是实验原理与目的，决定实验的方向与价值；其次是实验仪器与药品，它们需组合成特定的反应装置，并在适宜的条件（如温度、浓度、催化剂等）下，通过规范的操作促使反应发生；再次是实验现象与数据记录，它们是化学反应宏观表现的直观体现；最后是产物的获取与提纯，包括对粗产品的进一步纯化以获得实验室纯品。此外，在整个实验过程中，还需考虑实验安全与废弃物处理等要素。这些共同构成了化学实验的基本要素体系。如图1所示，每一实验要素的设计、改进、分析等都可依照某种科学方法展开。

1.2 中学化学实验要素在化学实验分析中的应用

从化学实验要素视角对中学实验进行辨析是一种行之有效的深度分析实验的方法。以中学通常使用的电石与水反应制备乙炔为例，为改进这一实验，可按表1方式展开分析并提出改进思路。包括：可使用其他碳化物替换碳酸钙；也可改成针管实验控制反应速率；还可改进产品的储存方法，如使用一次性密封袋，以便于观察和取用。

2 中学化学实验中蕴含的科学思维

中学化学实验蕴含丰富的科学思维，如原理思维、化学学科思维、发散思维、创新思维和逻辑思维等。

2.1 原理思维

化学实验的运转都基于一定的原理，实验原理主要包括化学原理、物理原理、数学原理。化学原理指实验过程中发生的物质组成、结构、性质的变化（化学变化）；物理原理指实验过程中热、功、光、电等的变化；数学原理则比较广泛，在实验过程中，实验设计、实验改进、实验分析等环节，均需用到大量数学定律和数学思维。

笔者认为，在化学实验中，以实验原理为核心依据进行实验设计与分析所体现的思维方式，可称为“原理思维”。这种思维贯穿于实验的各个环节，因为每个实验要素（如目的、方法、条件控制等）的确定与实施，都依赖于对相应科学原理的理解与应用。原理思维的本质，在于能够主动识别、理解并运用这些原理来指导实验实践。

化学实验常涉及物理原理，如喷泉实验利用压强差，电池设计利用了相应的导电机理，显色反应的解释需要运用光吸收机理。毫无疑问，定量、定性分析及模型建构需要数学原理支撑，表2列举了相关案例。

化学原理，是化学实验运转背后最重要的原理。一个实验的化学原理可从图2所示角度展开分析。首先，可从微观角度认识化学实验中物质的组成元素、组成微粒，以及分子结构、晶体结构的变化；从宏观角度分析物质的转变及其转变规律。其次，可从静态分析转向动态分析。

以钠与水反应为例，该反应原理既可以从组成元素到宏观变化依次展开分析（表3），也可以从动态角度对实验过程展开分析。

可引导学生按照表3的设计思路从微观到宏观全面认识钠与水反应的原理。首先，从微观角度预测反应物和产物的组成与结构性质对反应趋势的影响；其次，建构金属与水反应过程模型，实现动态分析；最后，将微观现象与宏观现象进行对应分析。对高三学生而言，还可借助热力学与动力学原理，分析钠与水反应的实验数据（如温度变化、反应速率等），通过实证研究进一步深化对该反应机理的理解。

2.2 化学学科思维

化学作为一门学科，有其自身的思维方式。化学学科思维有多种描述方式，有学者将其称为“化学思维”。例如，吴俊明^［3］提出化学思维是属于化学领域独有的思维活动，它是学生在进行化学课程的相关学习中，逐渐养成的用物质自身性质、结构以及相关规律等来反映物质自身特点的思维活动。也有学者从思维方式角度研究化学思维^［4］。山东大学张树永等在研究中提出了“化学学科思维方式”的理念，提倡从原子及分子结构与性质、分子聚集行为、物质存在状态、过程与变化、检测与检验、应用拓展等角度认识和研究物质。笔者认为，这种思维方式也可用于中学化学实验分析。表4展示了从化学学科思维角度分析电石与水反应的案例，这是对实验发生的原理进行深入剖析的一条路径。

笔者认为，上述化学学科思维方式可运用于化学实验原理、实验药品、实验仪器、实验现象、实验产品等实验要素的分析，从而形成基于化学学科视角的独特认知。

2.3 发散思维

发散思维，是指大脑在思维时呈现的一种扩散状态的思维模式。化学实验同样具备培养学生发散思维的功能，如基于普通教室内常见物品如粉笔、纸张、金属等可以设计科学实践活动。

案例：基于粉笔的化学发散思维培养。

笔者指导学生从广度与深度两个维度分析粉笔：广度上，覆盖物理性质（密度、含水量、表面粗糙度等）、化学性质及应用特性等层面；深度上，则针对广度的每个维度，从微观视角（如分子结构、相互作用）展开解析。图3呈现了基于粉笔密度问题的思考讨论，表5展示了相关化学实验设计方案。通过将分析结论转化为实验设计并经实践验证，学生得以对粉笔等日常事物展开系统思考，最终实现思维的发散与深化。

2.4 创新思维

中学化学实验的创新可从实验要素视角展开。化学实验要素创新包括原理创新、实验仪器改造创新、实验操作（流程）创新、实验药品创新、节能减排创新等。笔者现以原理创新为例简单加以介绍。

如图4所示，Fe³⁺测定实验是中学分组实验之一。从原理角度分类，Fe³⁺的检测方法包括电化学分析法、化学分析法、光谱分析法等。中学常用化学分析法包括沉淀分析、氧化还原滴定分析、配位滴定分析等。以配位滴定分析为例，中学常用KSCN实现Fe³⁺离子定性检测。如何开发新型配体呢？可以采用类比法寻找新型配体。Fe³⁺与Ga³⁺半径相差不大，配位性质具有一定相似性。因此，与Ga³⁺结合较好的配体也有可能与Fe³⁺较好地结合。例如，DBAMF与两种离子结合的K_稳非常接近（DBAMF与Fe³⁺及Ga³⁺结合的K_稳分别为6.8×10¹²及1.2×10¹²）。也可以采用归纳总结法寻找新型配体。Fe³⁺的配体通常包括氨类、硫氰以及氰基等。因此，合成这些物质的衍生物，可能会找到良好的Fe³⁺配体。

化学实验还蕴含着逻辑思维、工程思维等，这些思维并非中学化学实验独有的思维，但是在中学化学实验中，这些思维有其独特内涵。

3 科学思维用于化学实验要素分析改进例析

原理思维（作为化学学科思维的核心）能够用于从化学视角对各实验要素进行深入辨析。例如，对于实验仪器，可以从化学学科思维角度分析其组成成分和结构，从而深入认识其功能。如图1所示，发散思维、创新思维等可用于实验要素的改进及综合运用，现举例加以介绍。

3.1 科学思维用于化学实验仪器辨析

在教学过程中引导学生对实验仪器的潜在功能进行挖掘、合理组装、升级改造以及规模改变，都有利于培养学生的科学思维。化学实验仪器的搭建需要按照一定逻辑思路进行合理组合，形成一套有效运转的实验仪器。笔者将这种依次有序完成大量物品整理过程中所运用的思维称为“有序思维”。同样，一个化学实验可以通过不同实验仪器完成，仪器的选用以及改进需要运用到“比较思维”（笔者认为，有序思维、比较思维都属于逻辑思维）。从实验室合成到工业生产需要对化学仪器进行升级（规模升级、自动化等），随着规模升级，多种实验要素相互交叉、彼此关联，需要运用到“工程思维”（工程思维是在工程的相关研究、设计及实践中形成的思维，其核心是筹划性地运用各种知识解决工程实践问题^［5-6］）。图5展示了化学实验仪器中蕴含的思维及其内在关系。简单实验装置的搭建可以用于有序思维的培养，而更高阶思维的培养需要在仪器的改进、仪器功能升级相关分析讨论中实现。

3.2 科学思维用于化学实验药品的科学使用

化学实验药品的开发、生产、运输、保存等需要按照国家规定的行业标准开展，学生学习相关知识有利于标准化思维的培养。化学实验药品的使用环节涉及许多问题。例如药品的合理选用（从微观组成结构、宏观性质选用药品）、药品用量（依据化学定量关系和模型分析法分析反应过程并确定用量）、浓度的设置、药品添加顺序（从微观视角动态分析反应的过程）的设计以及废弃药品的规范处理等都需要运用到大量科学思维，因此，也可用于高中生各类思维的培养。表6列举了一些化学实验药品使用环节所蕴含的思维的案例。

3.3 科学思维用于化学实验操作的改进教学

化学实验涉及大量操作，如溶解、搅拌、结晶、过滤以及各种分离提纯（升华、电解、色谱法等）操作。在每一种实验操作中，都蕴含大量科学思维与方法。以过滤操作为例，在教学过程中，教师可以让学生先通过实践（例如，使用普通过滤、抽滤、膜过滤处理鸡蛋黄浑浊液等操作）认识不同过滤方法，再归纳过滤操作的微观原理及比较不同过滤方法（图6）并得出结论：自然状态下被过滤物质的颗粒大小决定其是否能通过特定孔径大小的滤纸（滤膜等）。

还可进一步引导学生跳出常规，分析直径更大的微粒如何穿过小孔，从而从推动力改变角度介绍抽滤以及工业上的反渗透膜。然后，教师再引导学生思考如果不断缩小滤纸的孔径会得到什么产品，从而引出微滤膜、纳滤膜，并可结合家用净水器的净水原理，让学生深刻理解过滤的多重价值。这些实践操作能够有效培养学生的原理思维、创新思维和批判性思维，从而提高学生的逻辑思辨能力。

在每个实验要素的深入辨析、改进以及综合运用过程中，都蕴含着丰富的思维，如化学实验废弃物的减量化、化学产品的标准化检测等。笔者重点介绍了实验仪器、药品、操作等3种常见实验要素中的科学思维。

4 中学化学实验要素中蕴含的科学方法例析

4.1 中学化学实验要素中蕴含的科学方法

化学实验的设计与改进、实验结果分析可以从实验要素视角展开，各实验要素的优化、组合需要用到大量科学方法，具体见表7。

科学方法是开展科学实验设计、提高实验的成功率和得出科学结论的前提。对比法是最常用的实验设计方法。科学设计对照组是得出正确结论的前提。类比推理法常用于未知物质的研究，通过类比，合理推测物质的性质，从而找到实验设计的方向。转化法即将难以观察到的现象转化为可被直接看到或感受到的现象。等效替代法包括过程等效、作用等效、本质等效替代等。假设验证法即通过一定思路进行合理假设，并通过实验设计进行验证。控制变量法是中学化学实验中最常用的实验设计方法，开展合理的归因是控制变量法的前提。

归纳演绎法是最常用的实验分析方法之一。归纳是通过特例分析得出普遍结论的一种方法；演绎则相反，它是从既有的普遍性结论推导出个别结论的方法。定性定量分析及深度广度分析是开展实验分析的不同维度。模型分析法是一种借实体或虚拟表现来阐释物质形态、结构的方法。系统分析法是一种以系统为中心的科学分析方法，从系统角度开展问题分析能够“按部就班”发现、解决问题。思想实验法是一种在脑中运行实验的方法。

4.2 科学方法用于中学化学实验深度分析案例

一次实验过程是多种实验方法综合运用的结果。表8以氯水的漂白问题研究为例展开实验设计。

5 结语

阐释中学化学实验要素的内涵，并结合案例分析如何从实验要素视角深度解析实验；梳理各实验要素蕴含的主要思维，归纳中学化学实验涉及的12种科学方法，同时提供对应案例。化学实验中的思维与方法并非相互独立——同一实验中常综合运用多种思维与方法。学生对每一种思维与方法的熟练掌握，是其开展综合运用与创新应用的前提。因此，中学化学实验教学需持续渗透科学思维与方法，帮助学生深入理解其内涵，逐步实现融会贯通。此外，化学实验还蕴含跨学科思维、批判性思维等其他思维，笔者仅重点探讨其中几种核心思维，希望今后进一步展开相关论述。

参考文献

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基金资助

教育部福建师范大学基础教育课程研究中心2024年度开放课题“科学思维视域下系统化学实践活动开发与实施”(KCA2024120)