下载文档原格式
摘要随着科学技术的不断发展，化学实验在教育教学和科研工作中扮演着越来越重要的角色。
化学实验设计与创新是推动化学学科发展的重要手段，也是培养学生创新能力和实践能力的关键途径。
本文从化学实验设计的基本原则、创新思维方法、实验技术发展以及数字化实验应用等方面进行了探讨，旨在为化学实验设计与创新提供理论指导和实践参考。
一、引言化学实验是化学学科的基础，实验设计与创新是化学实验的灵魂。
化学实验设计与创新不仅有助于提高实验教学质量，还能激发学生的创新思维和实践能力，推动化学学科的发展。
本文将从以下几个方面对化学实验设计与创新进行探讨。
二、化学实验设计的基本原则1. 实用性原则化学实验设计应具有实用性，即实验目的明确、实验操作简便、实验现象明显、实验结果可靠。
实验设计应紧密围绕教学目标和科研任务，满足实际需求。
2. 可行性原则化学实验设计应具有可行性，即实验条件易于实现、实验材料易得、实验设备安全可靠。
实验设计应充分考虑实验条件，确保实验顺利进行。
3. 创新性原则化学实验设计应具有创新性，即在实验原理、实验方法、实验装置等方面有所突破。
创新性实验设计能够激发学生的创新思维，培养学生的实践能力。
4. 经济性原则化学实验设计应具有经济性，即实验成本较低、实验效益较高。
实验设计应尽量采用经济、环保的实验材料和方法，降低实验成本。
三、化学实验设计的创新思维方法1. 问题导向法问题导向法是以问题为核心，通过分析问题、提出解决方案，从而实现实验设计的创新。
实验设计过程中，教师应引导学生发现问题、提出问题，并鼓励学生从不同角度思考问题，寻求解决问题的创新方法。
2. 思维导图法思维导图法是一种以图形化方式展示思维过程的方法。
在化学实验设计中，教师可以引导学生运用思维导图法，梳理实验设计思路，明确实验目标、实验原理、实验方法等，提高实验设计的创新性。
3. 案例分析法案例分析法则是通过分析成功或失败的实验案例，总结经验教训，为新的实验设计提供借鉴。
化学实验设计的基本原则化学实验是化学学科的重要组成部分，通过实验，我们能够验证理论、探索未知、发现新的现象和规律。
而一个成功的化学实验离不开科学合理的设计。
在进行化学实验设计时，需要遵循一系列基本原则，以确保实验的准确性、安全性和有效性。
一、科学性原则科学性是化学实验设计的首要原则。
实验设计必须建立在科学的理论基础之上，遵循化学原理和客观规律。
实验所采用的方法、步骤和操作过程必须符合化学学科的基本理论和概念，能够准确地反映研究对象的化学性质和变化规律。
例如，在设计酸碱中和反应的实验时，必须基于酸碱中和的化学原理，选择合适的酸和碱，并控制反应条件，如温度、浓度等，以确保实验结果的准确性。
如果实验设计违背了科学原理，那么得出的结论必然是错误的，甚至可能会得出误导性的结论。
二、可行性原则可行性原则要求实验设计在现有的实验条件下能够顺利实施。
这包括实验仪器、设备、试剂的可获取性，实验技术和方法的可行性，以及实验人员的操作能力等方面。
在设计实验时，需要充分考虑实验室的实际情况，选择能够满足实验要求的仪器和试剂。
如果需要特殊的仪器设备或试剂而实验室无法提供，那么这个实验设计就不具备可行性。
同时，实验方法和操作步骤也不能过于复杂，超出实验人员的技术水平和操作能力，否则实验难以顺利进行。
三、安全性原则安全是化学实验中至关重要的一点。
实验设计必须充分考虑实验过程中可能存在的安全隐患，并采取相应的预防措施，以保障实验人员的人身安全和环境安全。
首先，要对实验中使用的化学试剂的性质有充分的了解，特别是那些具有毒性、腐蚀性、易燃易爆性的试剂。
在操作过程中，要严格遵守操作规程，正确使用防护用品，如手套、护目镜等。
其次，要注意实验装置的安全性，确保其能够承受实验过程中的压力、温度等条件，防止发生爆炸、泄漏等事故。
此外，还要考虑实验废弃物的处理，避免对环境造成污染。
四、简约性原则简约性原则指的是在能够达到实验目的的前提下，实验设计应尽量简单、步骤少、仪器装置简单、实验时间短。
化学教学中创新实验设计的原则苏一飞(江苏省苏州市高新区吴县中学,２１５１５１)摘㊀要:为了培养学生的 科学探究与创新意识 素养,教师在化学教学中,要特别重视引导学生进行创新实验设计:对教材提供的或常见的实验进行改进和创新,使其材料更环保㊁操作更简单㊁现象更明显㊁结论更有说服力.化学创新实验设计对思维的灵活性㊁深刻性㊁批判性㊁求异性㊁系统性㊁联系性等都有较高的要求,需要一些念头㊁思路㊁条件㊁素材来推动.化学创新实验设计的原则有:直观化㊁绿色化㊁趣味化㊁数字化.关键词:创新实验设计㊀直观化㊀绿色化㊀趣味化㊀数字化㊀㊀«普通高中化学课程标准(２０１７年版)»提出了化学学科核心素养,其中包括 科学探究与创新意识 ,要求学生 认识科学探究是进行科学解释和发现㊁创造和应用的科学实践活动;能发现和提出有探究价值的问题;能从问题和假设出发,依据探究目的,设计探究方案,运用化学实验㊁调查等方法进行实验探究;勤于实践,善于合作,敢于质疑,勇于创新 .为此,教师在化学教学中,要特别重视引导学生进行创新实验设计:对教材提供的或常见的实验进行改进和创新,使其材料更环保㊁操作更简单㊁现象更明显㊁结论更有说服力.但是,化学创新实验设计是基于化学基本知识和实验技能的综合运用(解决新问题㊁探索新知识),对思维的灵活性㊁深刻性㊁批判性㊁求异性㊁系统性㊁联系性等都有较高的要求.为此,化学创新实验设计需要一些念头㊁思路㊁条件㊁素材来推动.据此,笔者在实践中总结出化学创新实验设计的四条原则(念头㊁思路).一㊁直观化原则创新实验设计应该是在原有实验方案基础上的继承与发展,是扬弃而非否定;具体表现为实验现象更为简洁㊁明晰㊁直观㊁凸显等.例如,教材中钠和水反应的实验是在烧杯中进行的,这个实验通常要求钠块为绿豆大小:不宜过大,否则容易爆炸;不宜过小,否则难以观察现象.但是,在实际操作过程中,钠的用量很难精确控制.那么,是否能把这个实验进行改进,做到既不危险又能轻松地观察到实验现象呢?教学时,教师可通过引导学生查资料,进行实验改进和创新设计,得到如图１所示的实验装置.而常规验证生成气体的实验是氢气的爆鸣实验:在金属尖嘴处再连接一个导管,用排水法收集一试管气体,再靠近点燃的酒精灯的火焰,若出现轻微的爆鸣声,则证明是氢气.可以进一步引导学生改进气体验证实验的可行性与趣味性:在金属尖嘴处再连接一个金属尖嘴,将其通入装有肥皂水的表面皿中,就会产生气泡;再用火柴去点燃肥皂泡,出现爆鸣声,从而证明是氢气.图１再如,在设计N a ２O ２与H ２O 反应点燃脱脂棉的实验方案时,为了验证脱脂棉燃烧的助燃气体为反应生成的O ２,将包裹有N a ２O ２的脱脂棉球用塑料皮纸包裹密封后浸入C C l ４中,在隔绝空气的条件下让N a ２O ２与H ２O 反应,点燃脱脂棉.但是,在设计后续步骤时,遇到两个问题:(１)包裹好的棉球漂浮在C C l ４上方,C C l ４无法起到隔绝空气的作用;(２)如何让水透过塑料皮纸与棉球内的N a ２O ２接触?经过多次实验,设计出了如图２所示的创新实验装置:利用注射器注水,可以很好地解决上述两个问题.图２二㊁绿色化原则«普通高中化学课程标准(２０１７年版)»要求学生 具有 绿色化学 观念和可持续发展意识 .为此,创新实验设计要注重:(１)利用无污染的反应物做替代性实验.比如,氧化F e２＋可以使用双氧水代替酸性高锰酸钾溶液.(２)实验微型化㊁小型化.在定性实验中,不影响实验效果的前提下,可以减少药品的用量.(３)尾气的处理和再利用.比如,在一氧化碳还原氧化铜的实验中,可以将尾气直接用导管导入酒精喷灯的火焰中,既支持燃烧,又防止有毒物质污染环境.(４)必要时可以用计算机模拟危险实验.比如,研究氢气和氯气的反应时,镁条燃烧的强光照射会引发混合气体的爆炸,危险指数较高,可以用短片模拟实验过程.(５)废物的处理.比如,实验室制取氯气实验结束后,产物氯化锰不能随便倒入水槽,以免引起地下水污染;银镜反应中,可以用三氯化铁或者双氧水替代硝酸,使操作更加便捷,产物无毒㊁无污染.例如,传统教学中,电解质导电性实验的装置较为庞大㊁复杂,可以利用废旧医疗器材等做成溶液导电性测试器,使实验微型化.具体制作方法如下:取三节纽扣电池㊁一只发光二极管㊁一段废旧水笔芯㊁一段粗铜丝和若干导线,连接电路;将整个电路固定在一支粗细合适的透明塑料水笔壳内,套上笔帽保护电极(如图３);取６只一次性输液器皮条上的球泡管,均封堵住一端,制成６个滴瓶;另用输液器皮条剪成适当长短,熔封一端,制成６只滴瓶胶帽;在６个滴瓶内分别吸入稀盐酸㊁醋酸溶液㊁N a O H 溶液㊁N a C l 溶液㊁蔗糖溶液㊁酒精溶液,套上胶帽,贴上标签备用.图３再如,制备S O ２或C l ２后,可以利用注射器将气体注入装有品红溶液或其他试剂的青霉素药瓶(相当于密封的小型集气瓶)中,从而避免有毒气体的逸出.还可利用注射器取代分液漏斗进行C C l ４萃取碘水中的I ２实验,并进行分液操作:如图４所示,实验时多次重复②③步操作,利用空气气泡运动和两层液体的密度差上下颠倒搅拌,让I ２和C C l ４充分接触㊁萃取.三㊁趣味化原则在课堂教学中,为了调节课堂气氛,调动学生的积极性和主动性,帮助学生加深对知识的理解和记忆,消除学习中的困惑,激发创新思维,可以根据实际情况,适当设计一些趣味创新实验.例如,给高一学生上第一节化学课时,笔者先展示了 晴雨花 ,并解释其中的化学原理:此花是用二氯化钴溶液浸泡后晾干的纸折叠而成的,晴天时它是一朵蓝色的花,将要下雨时它会变成紫色,下雨时它会变成粉红色.然后,笔者补充了一组趣味实验: 滴水点灯 吹气生火 水下公园 指纹检验 等.这些神奇美丽的实验极大地激发了学生的好奇心和求知欲,为学生后续学习化学打下了良好的感情基础.再如,教学 氨与氯化氢的反应 时,除了演示教材中所给的实验外,笔者设计了趣味实验 济公扇 (或称 空中生烟 ):向桌面上滴几滴浓氨水,在蒲扇的上端边缘滴几滴浓盐酸,然后将蒲扇靠近桌前,在浓氨水处扇几下,便会出现白烟腾腾的景象.学生在惊喜的同时也深刻记忆了氨与氯化氢的反应现象.图４㊀㊀四㊁数字化原则信息技术与学科课程整合已经成为当前国际基础教育改革的趋势和潮流.在化学教学过程中,数字化传感技术作为一种新型的实验工具,使用方便快捷,而且准确度较高.这种新的探究学习模式可以让学生感受高科技的力量和神奇,增强他们探究科学问题的兴趣,培养他们科学探究的能力.数字化传感实验的探究过程可以增加学生合作交流的机会,学生利用实验得到的定量数据可以自我构建对化学理论的理解.例如,在 酸碱中和滴定 实验中,通过使用p H传感器,实时监测反应过程中混合溶液p H的变化情况,绘制出准确的酸碱中和滴定曲线,可以使学生不再是定性㊁抽象地而是定量㊁直观地判断滴定终点,计算酸或碱溶液的浓度,从而加深学生对于实验过程和结果的理解和掌握.再如,在 外界条件对化学反应速率的影响 实验中,分别用块状的大理石和粉末状的大理石与同浓度的盐酸溶液反应,学生可以从产生气体的速率观察到反应的快慢情况.而加入压强传感器来做数字化实验时,学生不但可以观察到上述现象,还能通过具体的㊁实时的数据分析得出,随着时间的推移,二者反应的速率并不是稳定不变的,也不是持续增大或持续减小的,而是有时增大㊁有时减小的.这就是反应全过程真实情况的直观映射,仅仅通过传统定性实验是不可能观察到这样的现象的.参考文献:[１]王磊．从知识解析为本到基于学生认识发展促进化学教学设计与实践向高水平跨越 北京师范大学化学教育研究所 高端备课 项目简介[J]．化学教育,２０１０(１)．[２]林崇德．２１世纪学生发展核心素养研究[M]．北京:北京师范大学出版社,２０１６．[３]核心素养研究课题组．中国学生发展核心素养[J]．中国教育学刊,２０１６(１０)．。
化学实验设计的基本原则化学实验是化学学科的重要组成部分，通过实验，我们能够验证化学理论、探索未知现象、发现新的物质和反应。
而一个成功的化学实验离不开精心的设计，在设计化学实验时，需要遵循一系列基本原则，以确保实验的科学性、安全性、可行性和有效性。
科学性原则是化学实验设计的首要原则。
这意味着实验设计必须建立在正确的化学理论和科学方法基础上。
实验所依据的原理、反应式、操作步骤等都应该有充分的科学依据，经得起推敲和验证。
例如，在设计一个制取氧气的实验时，我们选择的反应原理应该是基于已知的化学知识，能够确保产生氧气并且反应过程是合理的。
如果实验设计违背了科学原理，那么实验结果必然是错误的，甚至可能得出误导性的结论。
安全性原则在化学实验设计中至关重要。
化学实验中常常涉及到各种化学试剂和反应条件，有些可能具有毒性、腐蚀性、易燃性或爆炸性。
因此，在设计实验时，必须充分考虑到这些潜在的危险，并采取相应的安全措施。
比如，在使用强酸、强碱等腐蚀性试剂时，要佩戴防护手套和护目镜；在进行有可燃性气体产生的实验时，要确保实验环境通风良好，避免气体积聚引发爆炸。
同时，实验方案应该避免使用对环境和人体健康有严重危害的试剂和方法。
可行性原则要求实验设计在现有的实验条件下能够顺利进行。
这包括实验仪器设备的可获得性、试剂的供应情况、实验人员的技术水平等。
一个好的实验设计应该充分考虑到实际情况，不追求过于复杂或高端的技术和设备，而是能够利用现有的资源实现实验目的。
例如，如果实验室没有某种昂贵的分析仪器，那么在设计实验时就不能依赖于该仪器来获取数据。
简约性原则也是需要遵循的。
实验设计应尽量简单明了，避免不必要的复杂步骤和操作。
简单的实验设计不仅能够减少实验误差的来源，提高实验结果的准确性，还能够节省时间和资源。
然而，简约并不意味着简单粗暴地省略重要步骤，而是在保证实验科学性和有效性的前提下，优化实验流程，去除冗余的部分。
对照性原则对于许多化学实验来说是必不可少的。
化学实验设计原则由于化学实验的特殊性和危险性，合理的实验设计是确保实验安全和提高实验效果的重要因素。
本文将介绍化学实验设计的原则和注意事项。
一、目标明确在进行化学实验前，必须明确实验的目标和预期结果。
实验目标可以是验证某一化学定律，研究某一化学现象，或者探究某一化学反应的机理等。
目标的明确性有助于实验设计的合理性和实验结果的准确性。
二、安全第一化学实验设计的首要原则是确保实验的安全。
在实验过程中，必须严格遵守实验室安全操作规范。
例如，正确佩戴实验室必备的安全防护设备，如实验手套、护目镜和实验室外套等；小心操作，避免对自己和他人造成伤害；合理选择实验器材和试剂，确保其具备稳定性和不易引起爆炸、燃烧或腐蚀的性质；严禁尝试未经验证和危险性未知的实验；及时清理并正确处理实验废弃物等。
三、实验条件与步骤的合理性在进行化学实验时，实验条件的选择和实验步骤的设计需要合理。
实验条件包括温度、压力、浓度、PH值等。
在实验设计中，应根据具体实验要求和目标选择合适的实验条件，确保实验过程的可控性和反应的顺利进行。
实验步骤的设计要清晰简明，每个步骤之间要有明确的关联性，以确保实验结果的可重复性和准确性。
四、试剂的选择与制备在进行化学实验时，选择合适的试剂十分重要。
试剂的纯度和化学性质直接影响实验结果的准确性。
因此，应选择纯度高、质量稳定的试剂，并遵循实验方法或标准操作程序进行试剂的制备和使用。
五、数据处理与分析在化学实验完成后，必须对实验数据进行处理和分析。
通过对实验数据的整理和统计，可以得出实验结果，并与预期结果进行对比。
数据处理时应注意排除异常值和误差，并选择合适的数据处理方法，如平均值、标准差、相关分析等。
同时，对实验结果进行科学的解释和分析，提出有关结论，并探讨实验中存在的问题和改进方法。
六、实验结果的记录和报告化学实验的结果应当准确地记录并及时进行报告。
记录实验过程中的关键操作、实验条件、结果数据等信息，并尽可能利用适当的图表和图像来展示实验结果。
龙源期刊网 化学教学中创新实验设计的原则作者：苏一飞来源：《教育实践与研究·中学课程版》2018年第06期摘要：为了培养学生的“科学探究与创新意识”素养，教师在化学教学中，要特别重视引导学生进行创新实验设计：对教材提供的或常见的实验进行改进和创新，使其材料更环保、操作更简单、现象更明显、结论更有说服力。
化学创新实验设计对思维的灵活性、深刻性、批判性、求异性、系统性、联系性等都有较高的要求，需要一些念头、思路、条件、素材来推动。
化学创新实验设计的原则有：直观化、绿色化、趣味化、数字化。
关键词：创新实验设计直观化绿色化趣味化数字化《普通高中化学课程标准（2017年版）》提出了化学学科核心素养，其中包括“科学探究与创新意识”，要求学生“认识科学探究是进行科学解释和发现、创造和应用的科学实践活动；能发现和提出有探究价值的问题；能从问题和假设出发，依据探究目的，设计探究方案，运用化学实验、调查等方法进行实验探究；勤于实践，善于合作，敢于质疑，勇于创新”。
为此，教师在化学教学中，要特别重视引导学生进行创新实验设计：对教材提供的或常见的实验进行改进和创新，使其材料更环保、操作更简单、现象更明显、结论更有说服力。
但是，化学创新实验设计是基于化学基本知识和实验技能的综合运用（解决新问题、探索新知识），对思维的灵活性、深刻性、批判性、求异性、系统性、联系性等都有较高的要求。
为此，化学创新实验设计需要一些念头、思路、条件、素材来推动。
据此，笔者在实践中总结出化学创新实验设计的四条原则（念头、思路）。
一、直观化原则创新实验设计应该是在原有实验方案基础上的继承与发展，是扬弃而非否定；具体表现为实验现象更为简洁、明晰、直观、凸显等。
例如，教材中钠和水反应的实验是在烧杯中进行的，这个实验通常要求钠块为绿豆大小：不宜过大，否则容易爆炸；不宜过小，否则难以观察现象。
但是，在实际操作过程中，钠的用量很难精确控制。
那么，是否能把这个实验进行改进，做到既不危险又能轻松地观察到实验现象呢？教学时，教师可通过引导学生查资料，进行实验改进和创新设计，得到如图1所示的实验装置。
化学实验设计的基本原则化学实验是化学学科的重要组成部分，通过实验，我们可以验证理论、探索未知、发现新的现象和规律。
而一个成功的化学实验，离不开精心合理的设计。
化学实验设计需要遵循一系列基本原则，以确保实验的科学性、安全性、可行性和有效性。
科学性原则是化学实验设计的首要原则。
这意味着实验设计必须建立在科学的理论基础之上，符合化学原理和客观规律。
例如，在设计实验探究化学反应速率的影响因素时，我们需要依据化学反应速率的理论，选择合适的变量，如反应物浓度、温度、催化剂等，并通过合理的实验方法来准确测量反应速率的变化。
如果实验设计违背了科学原理，那么实验结果将毫无意义，甚至可能得出错误的结论。
安全性原则也是至关重要的。
在进行化学实验设计时，必须充分考虑实验过程中可能存在的安全隐患，采取有效的防范措施，保障实验人员的安全。
比如，在使用有毒、有害的化学试剂时，要确保在通风良好的环境中操作，并佩戴适当的防护装备，如手套、护目镜等。
对于可能发生爆炸、燃烧等危险的实验，要严格控制实验条件，遵循相关的安全操作规程。
此外，还要对实验产生的废弃物进行妥善处理，防止对环境造成污染。
可行性原则要求实验设计在实际操作中是可行的，包括实验条件的具备、实验方法的可操作性以及实验材料的易得性等方面。
首先，实验所需的仪器设备、试剂药品等应能够在实验室或市场上容易获得。
其次，实验方法不能过于复杂，应在实验人员的技术能力范围内，能够顺利完成。
例如，要研究某种物质的性质，如果需要使用极其昂贵或难以操作的仪器，或者实验步骤繁琐到难以实现，那么这样的设计就是不可行的。
简约性原则主张在能够达到实验目的的前提下，尽量简化实验装置和步骤，以减少实验误差和提高实验效率。
过于复杂的实验设计不仅增加了操作的难度，还容易引入更多的误差因素。
例如，在进行酸碱中和滴定实验时，没有必要使用过于复杂的滴定装置，简单而准确的滴定管和锥形瓶组合就能够满足实验要求。
对照性原则在化学实验设计中常常被应用。
化学实验设计遵循的原则化学实验设计是科学研究中的重要环节之一，它的设计应遵循以下原则：1. 安全性原则化学实验设计的首要原则是安全性。
在设计实验时，必须充分考虑实验过程中可能产生的危险因素，并采取相应的安全措施。
例如，使用具有毒性或腐蚀性的化学品时，应佩戴防护眼镜、手套等个人防护装备，并在通风良好的实验室中进行。
2. 可重复性原则科学研究的一个重要特点是可重复性。
因此，在化学实验设计中，应尽量确保实验过程和结果的可重复性。
为此，实验步骤和条件应详细记录，并尽量采用标准化的实验方法和设备。
3. 精确性原则化学实验设计要追求结果的精确性。
为达到这一目标，实验中需使用准确的仪器和试剂，并控制实验条件的稳定性。
此外，在实验过程中应注意仪器的校准和试剂的储存条件，以确保实验结果的准确性。
4. 经济性原则化学实验设计应尽量考虑成本因素。
实验所需的仪器和试剂应选择性价比较高的，并尽量减少浪费。
同时，实验步骤和条件应简洁明了，以节省实验时间和成本。
5. 创新性原则化学实验设计应具有一定的创新性。
在设计实验时，可以结合已有研究成果，提出新的实验假设和思路，并尝试探索未知领域。
创新性的实验设计不仅能够推动科学研究的进展，还能够激发学生的科学兴趣和创造力。
6. 可行性原则化学实验设计应具有可行性。
在设计实验时，需要考虑实验条件和设备的可行性，以及实验过程中可能遇到的困难和问题。
同时，实验设计应合理安排实验步骤，确保实验能够成功完成。
7. 可扩展性原则化学实验设计应具有一定的可扩展性。
即实验结果能够为进一步的研究提供参考和基础。
在实验设计中，可以留下适当的扩展空间，以便进行更深入的研究和探索。
化学实验设计应遵循安全性、可重复性、精确性、经济性、创新性、可行性和可扩展性等原则。
只有在遵循这些原则的基础上，才能设计出高质量的化学实验，并取得准确可靠的实验结果，推动科学研究的进展。
