张灵丽 黄丹

摘要：以初中化学教学中遇到的实验案例为切入点，从实验设计的科学性、安全性、可行性和简约性原则出发，指出一些实验设计在实际操作中存在的问题，给出切实有效的实验设计方案，去除纸上谈兵的伪实验设计，切实发挥实验在教学中的重要作用。

关键词：实验设计;科学性;安全性;可行性;简约性

文章编号：1008-0546（2019）10-0085-04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.10.023

化学实验设计是指在实施化学实验之前，根据一定的化学实验目的和要求，运用有关的化学知识和技能，对实验仪器、装置、步骤和方法进行的一种规划和设想。一般来说，实验设计要满足：科学性原则、安全性原则、可行性原则、简约性原则。但在实际教学过程中，常会看到一些实验设计违背以上原则，化简为繁，背道而驰。笔者就实验设计的原则进行简单的分析和阐述。

一、实验设计的科学性原则

科学性原则是实验设计的首要原则，原理正确，方案科学，装置合理，操作方法正确。在编制实验题时，要来自于真实情境，符合科学性原则，脱离真实情境的题型都是伪科学的、无效的。比如：金属和酸反应产生氢气的图形题目很多，例：相同质量的Mg、zn、Fe、Al和足量的稀硫酸反应，产生氢气的总质量（m）随时间（t）变化的关系如图1，则图中a、b、c表示的金属分别为：a、b、c。

这种题型设计的真实情境如何呢？笔者用数字传感器多次做实验来验证，用同样形状、同样质量的铝、镁、铁、锌、铜和相同体积、相同浓度的稀盐酸反应，用压力传感器测压力的变化，实际图像变化如图2。对比两张图发现：除了镁带变化曲线有相似处之外，其它三种金属的变化曲线有较大差别，尤其铝片，一开始反应很慢，当铝片表面的氧化膜被除去后，反应速率很快增大，铁片反应速率非常缓慢，足量的酸将金属完全溶解，镁带耗时较短，铁片耗时较长，很难在同一张图上比较。

二、实验设计的安全性原则

实验设计要符合安全性原则，安全是实验的前提和保证，实验过程中应尽量避免危险性的操作，防止环境污染和人身伤害，力争实验设计的绿色化。对易发生爆炸的实验要慎做或改进。一氧化碳还原氧化铁是九年级化学教学中十分重要的演示实验，但由于该实验存在爆炸和环境污染等风险，为安全起见，许多老师用视频来代替演示实验。笔者针对实验过程中存在的问题，将一氧化碳的制备、一氧化碳与氧化铁的反应、产物的检验和尾气的处理进行了一体化设计，使多个反应置于同一个封闭体系中进行;同时，改进热源装置，利用万用瓶和设置安全线排除爆炸风险，大大提高了实验的成功率和安全系数。装置如图3。

实验操作：

（1）按照图3所示连接装置并检查装置气密性。D处的万用瓶中装满水，然后推A处的任意一支空注射器，观察到万用瓶里有水排出，则说明装置不漏气。

（2）分别装入药品。石英球形干燥管的球内平铺一药匙氧化铁，c处试管中装入稀盐酸，D处万用瓶中装满澄清石灰水，分别取5mL浓硫酸于A处试管中，2mL甲酸和6mL氢氧化钠浓溶液于两支注射器中。

（3）轻轻推动注射器，将甲酸逐滴加入浓硫酸中，当万用瓶里澄清石灰水的液面下降到安全刻度线处，点燃简易高温酒精灯，加热氧化铁，先进行均匀预热石英球形干燥管，再放置在药品处集中加热，当红棕色粉末全部变黑后，再继续加热2-3分钟，熄灭高温自制酒精灯，此时由于A处一氧化碳仍在源源不断地产生，所以c、D处液体不会出现倒吸现象，打开c处的止水夹，用磁铁将黑色粉末吸引迁移到盛有稀盐酸的试管里，黑色粉末和稀盐酸反应，多余的尾气收集在万用瓶中。

（4）实验结束时，可直接打开万用瓶的瓶塞，将收集在万用瓶里的尾气点火烧掉。然后向盛有浓硫酸的具支试管里注入氢氧化钠浓溶液，中和剩余的酸。

改进后的优点：

（1）一氧化碳随时制取，避免实验室储存一氧化碳的危险。（2）把反应过程中的所有气体全部收集起来，形成一个密闭体系，避免了一开始用酒精灯点燃尾部气体容易爆炸的危险。（3）设置的安全线，可准确地知道加热氧化铁的时间，巧妙地解决何时加热的困惑，既安全，又直观（安全刻度线设置的方法是：根据一氧化碳的爆炸极限，将具支试管、石英球形干燥管、橡皮管、乳胶管装满水，量它们盛放水的总体积记为V1，安全线的位置是3V1的位置）。（4）方便安全地处理尾气，由于尾气是从下端通人，打开橡皮塞烧掉一氧化碳时，火苗不会回火到前面的装置里，而且等实验结束点燃尾气时，可以清楚地看到一氧化碳在瓶内安静燃烧，产生蓝色火焰。

三、实验设计的可行性原则

实验设计要符合可行性原则，实验设计切实可行，所取药品、仪器在中学实验室能够实现，有灵敏性和可行性。探究白磷在水中的燃烧实验，改进实验的版本很多，如图4、图5是2017年苏州中考试题。图4是探究白磷在水中燃烧的实验装置。该装置的不足之处有：①通入氧气时，白磷易被冲散而较难与氧气接触;②逸散的五氧化二磷会造成空气污染。

图5是探究白磷在水中燃烧的改进实验装置，由A、B、c三部分组成。这是一道纸上谈兵的实验设计，实验设计过于繁琐，大试管中套小试管，仅仅连接整套装置，就需要耗费很长时间，且氢氧化钠溶液的用量大，浪费，不适合课堂演示实验，更不适合学生分组实验，实验的可行性差。

多次实验发现，一个烧杯和一支大试管即可快速完成该实验。具体操作是：大烧杯中倒入约80。c的热水，在烧杯中放人一个粗铜圈，取一小块白磷放人大试管的铜圈内，铜圈的作用是防止白磷在热水中熔化流动，固定住白磷，将一大试管快速罩在白磷上，热水中的白磷和空试管中的氧气接触后，白磷剧烈燃烧，发出黄色的火焰，产生浓厚的白烟，出现水火相容的奇观。操作要点：白磷约取黄豆粒大小，试管粗一点更好，可以提供更多的氧气，保证白磷充分燃烧。如果还想进一步优化，防止从试管中逃逸出的少量五氧化二磷污染空气，可以在燃烧结束后，迅速向燒杯中加入氢氧化钠溶液吸收尾气。该实验不仅操作简单，而且整个过程耗时不到2min，可行性较强（图6）。

四、实验设计的简约性原则

实验设计要符合简约性原则，药品用量少，取材容易，装置简单，时间可控，操作简单。CO2与NaOH溶液反应，如不设置特定环境，学生无法从反应的现象判断二者发生化学反应。为了证实反应的发生，出现了各种版本的改进实验，常见改进实验设计如图7至图12。

这些实验设计理论上可行，但实际操作效果如何？多次重复实验发现，存在以下弊端：图7和图8对比现象不明显，图10的烧杯多余，而且会让同学造成错觉，误解成烧杯是用来盛放液体的。图10、11需要氢氧化钠溶液的量太大，不符合简约性原则。图11喷泉实验不容易成功，虽然从理论上讲，CO2与饱和NaOH溶液容易发生化学反应，烧瓶内加入饱和氢氧化钠溶液，压强减小，能形成喷泉。但实际现象是：短时间不能出现明显喷泉现象，注入烧瓶内液体表面有一层晶体出现。阅读资料发现：饱和NaOH溶液和CO2反应生成Na2CO3，受接触面的限制，液体表层生成的CO3^2-会和COs继续反应生成NaHCO3，NaHCO3再和NaOH溶液反应生成Na2CO3。室温20℃时，NaOH溶解度为109g，Na2CO3溶解度为20g，NaHCO3溶解度为9.6g。无论是生成Na2CO3，还是生成NaHCO3，它们的溶解度在20℃时都远远小于NaOH。由于HCO3-和CO3^2-扩散速率较慢，表面浓度高，因此，液体表面就形成了一层晶体层，这层晶体也阻碍了CO2与NaOH溶液反应，使烧瓶内压强减小过慢。另外，该实验耗时较长，需要10min左右，过于复杂。至于喷泉实验设计，可以理論分析，学生在学习了溶解度知识后教师可以引导分析：同温下，氢氧化钠溶解度远大于碳酸钠或碳酸氢钠，面对少量的浓氢氧化钠溶液中生成53/40倍质量的碳酸钠，或是84/40倍质量的碳酸氢钠必然析出晶体，晶体的析出是喷泉实验现象不明显的原因之一。从理性上分析比做实验给学生看，更加符合核心素养培养中的“证据推理”。气球的实验设计，如图12，实验成功的要点是：小气球要扎紧，一旦脱落，前面的一切实验准备都是前功尽弃。

另外一些改进实验，如去壳鸡蛋的实验设计（图13），需要提前准备煮熟的去壳鸡蛋，而且鸡蛋的大小和集气瓶口要吻合，实验前的准备太麻烦，实际可行性不强。u型管的实验设计，如图14，搬进教室演示该实验，需要固定u型管的铁架台或者大烧杯，实际操作不方便，且对气密性要求较高，若有任何一个连接处漏气，实验现象就不会出现。

数字化实验设计，如图15，若只是验证氢氧化钠溶液可以和二氧化碳反应，用数字化实验纯属小题大做，牵强附会，若是从定量角度分析二氧化碳和氢氧化钠溶液反应温度、压强、二氧化碳的变化，可以用数字传感器，但是，定制四孔圆底烧瓶、配套的橡皮塞麻烦，而且多种传感器同时连接在同一个数据采集器上，有些传感器之间可能会互相干扰，数据不够准确。对初学者而言，只需要定性验证氢氧化钠溶液和二氧化碳反应的发生，如图16的软塑料瓶是最简单的设计，当向盛有二氧化碳的软塑料瓶倒入氢氧化钠溶液后，振荡，软塑料瓶迅速瘪掉，效果非常明显，若想进一步验证生成物，可以在瓶塞处添加一个盛有稀盐酸的注射器，通过观察气泡产生和软塑料瓶再次鼓起，证明反应的发生。该实验耗时最多2min，操作简单，效果明显，可视化程度高，且氢氧化钠溶液的用量少，原料、仪器易得。

五、结束语

教学即研究，即创造，教师应增强对实验教学的认同、实施和创造。一个精心设计的化学实验，不仅能加深学生对实验现象的记忆，而且能进一步加深对知识的理解。正如戴维所说：化学实验的基础是观察实验和类比，通过观察，事实被清楚细致地引入心灵，通过类比，相似的事实被联系起来，通过实验，发现新事实，在知识的进步中，观察在类比的指引下走向实验，类比则由实验验证变成科学真理。可见，实验是探究科学真理的重要保证，更是推动社会科技进步的基石，而实验设计是开动实验的前提，创新、有效的实验设计务必以科学性为标准，以直观性为特色，以简约性为目的，以安全性为保障。