微型化学实验课程资源的开发和利用.pdf

第27卷第3期2007年3月课程教材教法CURRICULUM,TEACHINGMATERIALANDMETHODVol.27,No.3March,2007微型化学实验课程资源的开发和利用3刘一兵,沈戮(湛江师范学院化学科学与技术学院,广东湛江524048)摘要:微型化学实验课程资源的开发和利用就是以微型化学实验为载体,使其能够进入化学课程,与化学教育教学活动相联系,并充分挖掘已开发出来的微型化学实验在化学课程中的教育教学价值。它对于传播绿色化学理念、促进化学新课程改革、转变化学学习方式、培养创新能力有重要意义。我们可以从国家、地方、学校三个层面对微型化学实验课程资源进行开发和利用。关键词:微型化学实验；课程资源；开发和利用中图分类号:G63318文献标识码:C文章编号:100020186(2007)03200622053本文为广东省教育科学“十五”规划课题“开展微型化学实验与创新教育模式的研究”(批准号:JYA02034)的成果之一。山东曲阜师范大学化学系闫立泽先生审阅并修改了初稿,在此表示衷心的感谢。收稿日期:2006211201作者简介:刘一兵(1963),江西宜春人,湛江师范学院化学科学与技术学院讲师,主要从事化学课程与教学论研究；沈戮(1957),广东湛江人,湛江师范学院化学科学与技术学院副教授,主要从事有机分析和微型化学实验研究。一、微型化学实验课程资源的内涵及其开发和利用价值(一)微型化学实验课程资源的内涵微型化学实验,英文名称为microscalechemicalexperiment或microscalelaboratory,简写为M.L。美籍华裔化学家马祖圣教授提出微型化学实验是以尽可能少的试剂,获取所需化学信息的实验原理和技术。中国微型化学实验研究中心主任周宁怀教授认为微型化学实验是在微型化的仪器装置中进行的化学实验,其试剂用量为常规用量的1/10001/10,用量比对应的常规实验节省90%左右。这里提出微型化学实验的两个基本特征:仪器的微型化和试剂的微量化。因而,微型化学实验是指用微量的药品在微型的仪器中进行的实验。课程资源是教育教学活动中一切可资利用的人力、物力以及自然资源的总和,它具有多样性、多质性、具体性、价值潜在性等特点。1课程资源种类繁多,研究者根据不同标准把课程资源分为:素材性资源和条件性资源；自然课程资源和社会课程资源；文字资源、活动资源和信息资源；显性资源和隐性资源；思想资源、知识资源、人力资源、物力资源等几个子系统。2从化学实验的地位看,化学实验是中学化学课程内容不可缺少的组成部分,是学生认识化学科学知识的重要工具和媒体,是化学教学认识过程中一个重要的环节。3微型化学实验作为一种方法与技术,不仅是人们认识化学物质世界的结果与结晶,也是生成化学课程的强有力的工具26和推动力,是目的与手段的统一。其课程资源既是素材性资源又是条件性资源。从系统角度看,微型化学实验课程资源是由微型化学实验仪器(硬件),微型化学实验内容的设计(软件),微型化学实验的课程与教学设计(应用),掌握微型化学实验的教师和学生等多个要素组成的系统。微型化学实验课程资源的开发和利用就是以微型化学实验为载体,使其能够广泛地进入化学课程,与化学教育教学活动相联系,并充分挖掘已开发出来的微型化学实验在化学课程中的教育教学价值。其开发的价值取向是有利于学生对化学物质世界探究的学习化课程资源,把重心放在为学生学习构筑一个意义建构的生态化学习环境,为学生“学”的进程提供显性和隐性的资源支持。(二)微型化学实验课程资源开发和利用的价值1.传播绿色化学理念绿色化学可诠释为环境友好化学,其核心内涵是指在化学反应过程和生产过程中,尽量减少或彻底清除使用和产生有害物质,即不是被动地治理环境污染,而是主动地防止化学污染,将污染消灭在生产源头的化学。它使用化学药品的基本原则(称为4R原则)是:(1)不用危害品(Reject)；(2)减少用量(Reduce)；(3)循环使用(Recycle)；(4)收回利用(Reuse)。微型化学实验使用了尽可能少的试剂,减少了实验的“三废”,与上述4R原则是一致的。它把预防化学污染的思想贯穿于化学教育的全过程中,有利于学生绿色化学意识的形成。2.促进化学新课程改革在化学新课程的实施过程中,我们绝不能忘记前车之鉴:布鲁纳在20世纪60年代初引导的那场结构课程改革,那些精选优编的结构课程及教材,如CBA化学教材,到20世纪60年代末已经备受冷落。“其理论价值远未得到广泛肯定,而在教学实践的检验中几乎遭到完全的失败。”4美国著名的课程论专家施瓦布认为,广大教师被排除在课程开发过程之外是其失败原因之一。5这说明教师作为重要的课程资源未能得到开发。就化学新课程改革看,我国中学班级多且规模大,常规化学实验课程资源的不足,是制约化学新课程改革深入的重要因素。推广微型化学实验,实现人手一套微型仪器,能给每个学生提供平等的学习机会,是化学课程资源开发和利用的新的生长点。3.转变化学学习方式化学新课程理念强化科学探究意识,促进学习方式的转变。这实际上是教学重心由教转向学。如果学生各自拥有一套微型实验装置和药品,那么,就有权决定何时、何地、以什么方式使用此资源,例如,学生课前预习、课中学习、课后复习都能按照自己的思维进行实验,能在实验室、教室甚至家庭做实验。它拓宽了学生科学探究的空间,让学生有更多的机会主动地体验探究过程,养成科学态度,学会科学方法。4.培养创新能力传统的化学实验教学,学生往往“照方抓药”,无需太多的思考,经常处于被动地位。这主要是受常规实验条件的限制,一组多人实验,有的学生亲自动手完成实验的机会少。如果在教学中引入微型化学实验,由于仪器的微型化和试剂的微量化,能给实验方法的重新设计、改造和组合创造一个很大的思维空间。这对活跃学生思维,激发创造欲望,培养创新能力有重要价值。二、微型化学实验课程资源开发和利用的现状分析崛起于20世纪80年代末的微型化学实验至今已成为国际化学教育发展重要趋势的一个标志。我国的微型化学实验研究在周宁怀教授的倡导与推动下,从上世纪90年代初开始进行研究至今,已经取得了重要成果。1989年微型化学实验课题研究协作组成立；1992年教育部颁布的化学教学大纲中特别指出“进行微型实验,以完成实验教学任务”；1995年国家教委已将微型化学实验仪器列入中学理科教学仪器配备目录,2000年配备目录又增加了塑料仪器；1999年正式成立全国微型化学实验中心；微型化学仪器研制开发呈现“百花齐放”、多种型号并存的局面；出版了微型有机化学实验微型无机化学实验微型化学实验设计与实践等书；举行了六届全国微型化学实验研讨会和四届中学微型化学实验学术会议。微型化学实验仪器的开发及其研究取得了一定的成就,但是,它并没有在中学化学教学中得到大面积的推广。6微型化学实验未能作为课程资源进入化学教学中,究其原因,大致有以下几点。其一,教师对微型化学实验认识的偏差。有的教师提出:微型化学实验好是好,中考、高考考不考?微型化学实验是否会影响学生掌握常规实验的操作规范?采用微型实验后,常规实验怎么办?笔者认为,随着新课程改革的推进,高考实验题在逐步发生变革。高考命题强调灵活运用所学的自然科学理论、实验方法和仪器,设计简单的实验方案并处理相关的问题。微型化学实验与此并无矛盾。事实上,近年来,高考化学试题已经出现了类似于微型化学实验设计的实验方法和仪器的试题。例如,2005年高考理科综合能力测试(北京卷)的第27、28题,2006年普通高等学校招生全国统一考试化学试卷(上海)的第11、18、26题等。同时,从第29届国际奥林匹克化学竞赛开始,以后各届奥赛的实验部分都有采用微型实验仪器的操作,这表明我国和国际化学界对微型化学实验的重视。应该看到,操作的规范性是相对的,实验操作是否规范取决于实验的安全、科36学、简洁和方便以及实验现象明显和实验误差降低到最小。从这个意义上说,微型实验和常规实验操作,形式上可能有所不同,但本质上是一致的。例如,用胶头滴管向试管内滴加液体与用多用滴管向点滴板中滴加液体,其本质是相通的。至于微型化学实验和常规化学实验的关系应是有机结合,是实验教学的“一体两翼”。这是因为微型化学实验不能完全代替常规化学实验。如分离和提纯的方法和技术,微型实验难以实现。其二,微型化学实验课程资源开发的缺陷。(1)微型化学实验仪器和实验设计的不足。例如,微型塑料型仪器不能加热,塑料本身能与一些化学试剂起反应而使其应用受到了影响。微型化学实验的不足,有微型实验本身固有的缺陷,有开发微型化学实验的方法与技术存在的局限性等。(2)微型化学实验研究的单一。从已发表的微型化学实验研究的论文看,研究集中于微型实验装置的设计和仪器的改进方面,很少涉及教师和学生如何运用微型化学实验的教与学,没有形成系统的整体的微型化学实验改革方案,微型化学实验的教学功能和教学效果未能得到科学的论证。有关微型化学实验的课程与教学设计的资源相对较少。三、微型化学实验课程资源开发与利用的基本途径(一)国家层面的微型化学实验课程资源的开发和利用1.国家化学课程标准要明确微型化学实验的内涵对于微型化学实验的定义,目前国内外尚无统一的说法,由此,人们在一定程度上对微型化学实验存在着认识偏差。例如,有人把“用量为5mL的浓硫酸和细铜丝、用量为10mL30%的H2O2溶液与生锈的铁丝,分别在具支试管里的反应”说成是微型实验,7这是明显不妥的。所以,有必要明确“仪器的微型化和试剂的微量化”的相对标准。教育部2003年制订的普通高中化学课程标准(实验)中提出的“课程资源的开发与利用建议”中,却未能明确提出微型化学实验课程资源的开发,这不能不说是一种遗憾。笔者认为,鉴于微型化学实验已经成为20世纪80年代以来的化学领域引人瞩目的重大变革之一,国家化学课程标准理应明确阐明微型化学实验的内涵。2.国家化学新教材中要渗透微型化学实验目前,依据初、高中化学课程标准编写的多部化学教科书已陆续出版发行。对于有关化学实验的教学和习题设计,教材多采用常规化学实验装置,很少涉及微型实验装置。人教版选修模块教材实验化学中,在“化学实验的绿色追求”课题中,提出了实验小型化、微型化的建议,并安排了用微型实验仪器和代用品进行的实验,这也是在我国首次把微型实验引入到教科书中。教材是最主要的课程资源。为此,笔者建议:在教师教学参考书中介绍微型化学实验的特点、历史背景,国内外微型化学实验发展的历程以及微型化学实验仪器开发的现状；在化学教科书有关“拓展视野”的部分,精选少量的微型化学实验素材编入其中；在化学实验习题的设计中,引入用微型化学实验解决化学问题的方法与技巧；在学生课外实验中,引导学生用诸如大头针、铅笔芯、多用塑料滴管和电池设计水的电解和爆鸣微型实验等。3.国家对主流微型化学实验课程资源的确立现行国内开发的微型化学实验仪器种类较多,每种都有其优势和不完善之处。因此,笔者认为,国家教育主管部门,有必要对微型化学实验课程资源进行筛选和鉴定,初步分析出具有开发价值的微型化学实验课程资源来,以建立中国的微型化学实验品牌。笔者认为,当前,使用已开发成套的微型化学实验,完全替代常规化学实验是不适合的。但是,整合当前的微型化学实验仪器,开发占主流地位的、适合大学和中学通用的微型化学实验仪器,使其作为课程资源进入化学新课程中,具有重要的意义。(二)地方层面的微型化学实验课程资源的开发和利用1.加强对微型化学实验课程资源开发的领导对微型化学实验课程资源的领导主要是指在省一级或地一级教育行政主管部门的领导下,成立有关微型化学实验研究中心的相关组织,定期组织召开微型化学实验研究会议,开展中学微型化学实验的课题研究,举办中青年教师微型化学实验竞赛,搭建对话、交流的平台。同时,与企业联姻,设立微型化学实验专项基金,资助各地微型化学实验研究和微型化学实验室的建设。并且,制定向各中学配备一些微型化学实验仪器的有关条例。例如,被教育主管部门认可的一些微型化学实验仪器,诸如多用滴管、点滴板、微型试管和微型酒精灯等微型仪器,可以作为学生化学实验的仪器直接向各中学推广。2.发挥地方高等院校对微型化学实验课程资源开发的优势高等院校科研力量比较集中,是开发微型化学实验课程资源的重要力量。高校要根据绿色化学实验的要求,力求开发价格低廉的微型仪器,做到规范化、标准化、系列化、通用化,同时具有多功能、易封闭、较强的实用性和时代感。其次,通过地方教研室加强与开展微型化学实验的学校联系,及时了解仪器使用的情况,听取第一线教育工作者的意见,及时弥补不足或欠缺之处,研究并生产出质量更高的仪器,并出版相应的微型化学实验手册。再次,培养熟练掌握微型化学实验的优秀师资。46(三)学校层面的微型化学实验课程资源的开发和利用1.实验仪器的微型化教师和学生在化学新课程的教与学中,可以对常规化学实验仪器进行改进,尽可能使仪器微型化。因为只有仪器微型化了,才能减少试剂在器皿上的附着量。为此,师生可对教科书的常规化学实验进行二次开发。如在对“氧气的性质”教学中,常规化学实验是用燃烧匙盛硫或红磷进行实验,存在的问题是燃烧匙凹陷太深,可燃物与O2接触受阻,燃烧时间长,燃烧不完全,不易熄灭,因而产生大量的SO2、P2O5等物质污染环境。对这个实验可将燃烧匙进行改进,取一细玻璃棒的一端烧至半熔后用镊子压出一个小凹槽,微型燃烧匙就制成了。用青霉素瓶作微型反应容器,该燃烧实验现象明显。2.尽可能小剂量实验尽可能小剂量实验指实验者为达到一定的实验目的,在可能的实验条件下采用尽可能少的化学试剂进行的实验。“尽可能小剂量”是没有终止的,是动态发展的。它要求教师和学生在化学教与学的过程中,为了保护环境,只要能达到实验目的,尽可能少用一点试剂。由此,师生就成为微型实验课程资源的开发和利用者。例如,在学习氯、溴、碘性质递变规律时,一位教师引导学生进行如下微型实验设计:(1)在1张滤纸的中心处,滴上1滴饱和NaBr溶液,待其润湿之后,再滴上1滴氯水,滤纸呈现黄色的斑点；(2)在呈黄色的斑点处,再滴上1滴饱和NaI溶液,滤纸上的斑点颜色又变成浅褐色；(3)浅褐色的斑点处,再滴上1滴淀粉溶液,滤纸上的斑点再变为蓝色。该系列微型实验用滤纸代替常规的试管,变常规间断式实验为连续微型实验,节约药品和时间,实验现象明显而又有趣,令人叫绝,耐人寻味。3.进行教育行动研究中学化学的一线教师开发和利用微型化学实验课程资源,可以和高校的化学课程与教学论的研究者通力合作,特别是利用高校研制的成套微型化学实验仪器,深入开展中学微型化学实验的课题研究,走行动研究之路。例如,研究微型化学实验在探究性实验教学、研究性学习、非智力因素、元认知、科学精神、创新思维等方面的作用；与绿色化学、绿色实验、常规实验的关系；探索在中学化学不同层次课程中常规与微型实验理想结合的方法,等等。四、微型化学实验课程资源开发与利用示例湛江师范学院化学系承担了广东省教育科学“十五”规划课题“开展微型化学实验与创新教育模式的研究”,研制了一套造价低廉,易于推广的微型化学实验仪器,并作为课程资源在广东省部分中学得到了推广。(一)研制微型仪器,设计微型实验课题组着重研制和开发了符合科学原理,具有多功能性、实用性强、能满足中学化学教学的简易标准接口(非磨口)配套微型仪器,已获得三项国家专利。8每套微型化学实验仪器有12种共18件,设计的便携式微型仪器箱,只有相当于饭盒的大小,仪器组装简单、方便、易行,能完成绝大部分中学化学实验,尤其适合气体的制备与性质一体化实验。9例如,Cl2的制备与性质一体化微型实验设计(见图1),实验只需6分时间就能完成,实验现象明显,且对环境污染小。该U形气体发生器(含内套管)可以完成液体固体反应制气体、液体液体反应制气体和固体固体反应制气体的微型实验。又如,初中化学“CO的化学性质”的教学,由于CO的毒性,许多教师做演示实验感到很为难,有畏惧心理。我们设计的微型实验,由于试剂的用量少,较为安全,学生也可以完成此实验,实验设计如图2。(二)开发微型化学实验研究型课程,培养微型化学实验优秀师资以课题组研制的成套微型化学实验仪器为依托,在师范生中,我们开设了微型化学实验研究型课程。首先,安排学生完成一系列典型的微型化学实验及其拓展56性实验,帮助他们获得微型化学实验的基本技能。其次,让学生选择自己想要研究的微型化学实验,设计新的实验。学生综合运用微型化学实验技能和其他研究技能,自己设计研究实验方案并实践,开创出崭新的实验内容,体验了微型实验课程资源开发和利用的过程。毕业生走上教学岗位后,能够自觉地运用我们开发的微型实验进行化学教学,取得了显著的教学效果,促进了微型化学实验课程资源的开发与利用。(三)开展教学实验,构建了基于微型化学实验的探究教学模式该模式围绕“自主、合作、探究学习”这个主题而揭示其内容并达到目标。模式实施的教学原理是启发学习动机,以微型实验为载体,分组讨论设计,实验问题探究,实验分析报告,学习感受交流。从2003年10月开始,课题组在广东信宜二中等多所学校进行了等组单点实验、多点实验、扩大实验、推广应用性实验。教学实验提高了中学生实验操作技能,激活了实验创新思维,培养了实验探究精神。知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观得到了全面的落实。此外,课题组中的大学教师、师范生、中学一线教师共同编辑出版了与三种版本高中化学新教科书配套的微型化学实验指导书,同时建立了湛江师范学院微型化学实验网站(1/wxhxsy)。我们开发的微型化学实验课程资源在广东粤西地区中学得到了广大师生的认可,为基础教育课程改革提供了有效的课程资源。参考文献:1徐继存,段兆兵,陈琼.论课程资源及其开发与利用J.学科教育,2002,(2):15.2段兆兵.课程资源的内涵与有效开发J.课程教材教法,2003,23(3):2630.3郑长龙.化学实验教学论M.北京:高等教育出版社,2002.4杨爱程.评学科结构派的课程改革J.外国教育资料,1988,(6):2529.5张华.课程与教学论M.上海:上海教育出版社,2000.6刘宜树.微型实验在安徽省中学的推广状况调查分析J.化学教育,2005,(4):4143.7华东师范大学化学教学编辑部.化学活动课及微型实验设计与实践M.北京:民主与建设出版社,1999.8刘一兵,沈戮.一套值得推广的多功能微型化学实验仪器J.化学教学,2005,(6):1617.9沈戮,马超平,卢旭晓,等.气体制备与性质一体化微型实验的研究J.内蒙古民族大学学报,2004,(5):5153.(责任编辑:刘大同)TheDevelopmentandUsageofCurriculumResourcesofMicroScaleChemicalExperimentsLIUYi2bing,SHENLu(SchoolofChemistryScienceandTechnology,ZhanJiangNormalCollege,ZhanJiangGuangdong524048,China)Abstract:Thedevelopmentanduseofcurriculumresourcesinmicroscalechemicalexperimentistostudymicroscalechemicalexperimentandmakethembecomepartofthechemicalcurriculumandcloselyrelatedwithchemicaleducationandinstruction,andalsotoexplorethevalueofth