（课程与教学论专业论文）试验设计方法在中学化学实验研究中的应用.pdf

摘要 随着课程改革的推进，化学实验逐渐成为在课程设置、教材编写以及教学实 践中切实落实的重要内容。而有效地开展实验教学，将实验的教学功能充分地体 现出来，首先应该重视和提高广大教师的实验研究水平。然而，目前我国中学化 学教师的实验研究水平整体不高，存在较多的问题，比如选题不科学、重复研究 过多、实验手段和技术落后、实验方法单一等。 笔者对中学化学实验研究的现状进行了相关调查。调查结果显示，中学化学 教师对常用试验设计方法所知甚少，能熟练运用简单比较法进行实验研究的约9 ，能熟练运用正交设计法的仅为2 。这是造成当前中学化学实验研究科学性 不强、研究效率低下的一个重要原因。同时，笔者统计了化学教学、化学教 育两种期刊2 0 0 0 2 0 0 4 五年间所发表的有关实验研究的文章，统计结果显示， 具体实验研究的文章数量众多，其中探究实验条件的文章占相当大比例，但运用 试验设计方法来探究实验条件的文章却很少，仅为1 2 。而试验设计方法对于 实验条件的探究恰恰起着重要的指导作用，尤其在提高研究效率和科学性方面。 针对上述问题，本文对试验设计方法在中学化学实验研究中的应用进行了研 究。文章首先介绍了常用的试验设计方法，包括全面比较法、优选法、简单比较 法和正交设计法，并且针对正交设计法的结果分析计算比较繁琐的问题，笔者还 介绍了专门用于正交设计的软件“正交设计助手”的使用方法。 试验设计方法毕竟只是进行实验研究的一种工具，若要将它很好的应用于中 学化学实验研究，还必须熟知中学化学实验的特点和要求，本文总结了使用试验 设计方法研究中学化学实验应该注意的问题。同时，笔者选取两个典型的中学化 学实验作为案例进行了最佳实验条件的探究，详细介绍了试验设计方法的整个使 用过程。实验结果证明，在试验设计方法指导下进行的研究省时省力、结论科学。 希望本文的研究有助于提高中学化学教师的实验研究水平，使其在科学方法 的指导下研究实验，体会到科学试验方法的应用对于实验研究的重要性，并能将 实验研究成果应用到实际教学当中，以提高实验教学的质量，发挥实验教学的真 正价值。 关键词：实验条件 科学方法试验设计方法 a l b s t r a c t w i t ht h ef c f o m a t i o no fc u r r i c u l u m ，c h e m i c a le x p e r i m e n t sb e c o m e i m p o n a n t n t e n t sc a r r i e do u tr e s o l u t d yi nc u r r i c u l u m sd e v i c e ， t e x t b o o k sc o n l p n a t i o na n dt e a c h i n gp r a c t i c e s i no r d e rt o c a r r yo u t e x p e r i m e n t a lt e a c h i n ge f b c t i v e l y ，w e s h o u l d p a y m o r ea t t e n t i o nt 0 t e a c h e r s r e s e a r c ha b i l i t i e s h o w e v e r ，a tp r e s e n tt h e i rr e s e a r c hl e v e li s u n s a t i s f a c t o r y t h e r ea r em a n yp r o b l e m ss t i l l f o ri n s t a i l c e ，i s s u e s a r e u n s c i e n t i f i ca n d r e p e t i t i v e ， m e a n sa n ds k n l sa r eo l da n ds i n g l ea n ds oo n a s u n ，e y h a sb nm a d et ol o o ki n t ot h e p r e s e n t c h e m i c a l e x p e f i m e n tr e s e a r c ho fm i d d l es c h 0 0 1 n ef i n d 吨s h o w st h a tt e a c h e r s k n o wl i t ed b o u tm e t h o do ft e s td e s i g n t h ep e f c e n t a g eo ft h et e a c h e r s w h oe x p e r ti nm e t h o do fs i m p l ec o m p a r i s o ni s9 a n di no r h o g o n a l d e s i g ni so n l y1 2 n i sp h e n o m e n ar e s u l t s i nt h ei n e 虢c t i v e 柚d u n s d e n t i f i cr e s e a r c ho fc h e m i c a le x p e r i m e n t so fm i d d l es c h 0 0 1 a tt h e s a m et i m e ，w em a d eas t a t i s t i c so f 国删咖彻c 咖柚d 凸删咖 e d h c 口l 如n t h es t a t i s t i c sd i s p l a y st h a tt h e r ea r cm a n ya r t i c l e sa b o u t e x p e r i m e n t sa n dt h ee x p e r i m e n tc o n d i t i o n sb u tf e wu s e dm e t h o do ft e s t d e s 塘n h o w e v e r ，t h em e t h o do ft e s td e s i g ni sv e r yi m p o r t a n to ni e a d i n g u st os e a r c hf o rt h eb e s te x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，e s p e c i a u yo ni m p r o v i r 培 e f f i c i e n c ya n ds c i e n t i f i ce l e m e n t a p p l i c a t i o no ft h em e t h o do ft e s td e s 追ni si n t r o d u c e di nt h i sa r t i d e 、 ，ei n t r o d u c et h em e t h o do ft e s t d e s i g nf t e q u e n t l y u s e d i n c l u d i n g m e t h o d so fa l l r o u n dc o m p a r i s o n ，o p t i m i z a t i o n ，s i m p l ec o m p a r i s o na n d o r h o g o n a ld e s i g n 1 1 l e r e s u l t s a n a l y s i s o fo r h o g o n a ld e s i g ni s v e r y b o t h e r s o m e ， s ow ei n t r o d u c et h e a p p l i c a t i o n o fas o f t w a r ec a l l e d o ，而d g o n 口f 胁函n p 勿p ，w h i c hc a nm a k et h er e s u l t sa n a l y s i se a s i e r b u tt h em e t h o do ft e s td e s i g ni so n l yat o o lf b re x p e r i m e n t a lr e s e a r c h w h e ni ti su s e di nc h e m i c a le x p e r i m e n tr e s e a r c ho fm i d d l es c h o o l ，i tm u s t b ec o m b i n e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fc h e m i c a le x p e r i m e n to fm i d d l e s c h 0 0 1 t h ep a p e rs u m m a r i z e ss o m ee x p e r i e n c e st h a th a v et ob ep a i d a t t e n t i o nt ow h e nw ed or e s e a r c h a tt h em o r r l c n t ，t h e r ea r e 腑oe x a m p l e s i n t h i s a r t i c l e i no r d e rt oi n t r o d l l c em ea p p l i c a t i o no fm e t h o do ft e s t d e s i g n t h er e s u l tp r i ) v e st h a tt h er e s e a r c hu n d e rt h em e t h o do ft e s t d e s i g l ls a v e su pt i m ea n dt h ec o n c l u s i o ni sm o r cs c i e n t i f i c w bh o p et h i s p a p e rw i l lh e l pi m p r o v em i d d l es c h o o l t e a c h e r s r e s e a r c hl e v e l w be x p e c tt h a tt h e yw i l lf e e lm ei m p o n 柚c eo fm e t h o d a n dd or e s e a r c hw i t ht h ed i r e c t i o no fs c i e n t i f i cm e t h o d t h e nt h e o u t c o m e sc a nb eu s e di n t ot e a c h i n gp r a c t i c et or a i s em el e v e lo f e x p e r i m e n tt e a c h i n ga n dt op l a yi t sr e a lr o l e k e yw o r d s ：e x p e r i 脚幢n t a lc o n d i t i o n s s c i e n c em e t h o d t h em e t h o do ft e s td e s i g n 学位论文独创性声明 本人所递交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：主至监日期：2 幽堑：五：垒 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名： 毛j 萃色龟 日期：丛碰：! 兰 导师繇z 税 日期：丝! ：! ! i 华东师范大学硕士学位论文 前言 2 0 0 3 与2 0 0 4 两年间，笔者曾协助导师讲授本科课程“中学化学实验研究”， 其中一个实验是比较k c l 0 3 分解制取氧气时m n 0 2 和c u o 的催化效果，两届学 生得出的结论恰恰相反。2 0 0 3 年班上共8 4 名学生，每个学生分别以m n 0 2 和c u o 作催化剂，每种催化剂平行做2 3 次实验，实验结论为m n 0 2 的催化效果更好 的有8 0 名学生，占全班总人数的9 5 。2 0 0 4 年另一个班做同样的实验，全班共 8 2 名同学，实验结论是c u o 的催化效果较好的有7 9 名同学，占全班人数的9 6 。 m n 0 2 和c u 0 相比到底哪一种物质的催化效果更好昵? 为什么“同样”的实 验条件却得出截然相反的结论呢? 除催化剂不同，其它实验条件是否一致呢? 若 其它实验条件控制在同样的水平下，那么结论即使有出入，也不应相反。因此， 只有一种可能，那就是有某个或某几个实验条件不一致。实际上，对于加热方式、 试剂用量以及药品在试管中铺放的方式等因素，我们对两届学生所作的要求是一 模一样的。到底是什么原因呢? 后来发现，两届学生所用的m n 0 2 并非同批，2 0 0 4 年的m n 0 2 是新购买的，颗粒比较大。这正是问题所在，对于圆体之间的反应， 其颗粒大小直接关系到反应物接触面积的大小，进而影响化学反应速率。正是由 于非探究因素控制得不一致，才导致实验的探究因素失去了可比性。 因此，研究不同催化剂的催化效果时，除了控制催化剂的种类外，同一催化 剂的状态、颗粒大小( 催化剂为固体时) 等因素也都应控制在同一水平，只有这 样才能得出正确的结论。但如果实验者缺乏足够的经验，对实验原理了解不深， 则实验时往往容易忽视此类因素。 再如，具有挥发性的可燃液体的爆鸣实验，汽油的爆炸极限( 1 3 6 o ) 比乙醇的( 3 3 1 9 ) 小的多，但是室温较低时( 如冬天) 选用汽油做该实验， 爆鸣的成功率很高，但若选用乙醇，成功率几乎为零。在室温较高时( 如夏天) 情况完全相反，选用汽油的成功率较低，而选用乙醇的成功率却高了。为什么会 出现这种现象呢? 为什么不是爆炸极限越大实验的成功率越高呢? 关键在于挥 发性可燃液体的爆鸣不仅与爆炸极限有关，而且与闪点有关。闪点是衡量化合物 易燃程度的物理量，当可燃性蒸汽与空气混合后，遇到电火花或明火便立即发生 “闪燃”，但随后熄灭，这种发生“闪燃”的最低温度就是闪点。乙醇的闪点是 1 1 ，而轻质汽油的闪点仅为一4 3 左右。因此，在寒冷的冬季，若室温低于乙 醇的闪点，选用它做爆鸣实验显然不能成功，汽油的闪点低，即使室温较低，也 极易形成爆鸣气。然而，当室温较高时，闪点已经不是影响该实验成败的主要因 素，爆炸极限反而成为主要因素，汽油在空气中的爆炸极限为1 3 6 0 ，极易 挥发的汽油很容易超出此上限不发生爆鸣；而乙醇的爆炸极限为3 3 1 9 ，其 范围比汽油大。且挥发性也不如汽油，所以室温较高时它的成功率反而较高。 有些教师在研究该实验时，忽视闪点对爆鸣实验的影响，仅从爆炸极限的角度考 虑，故成功率往往不高。 类似的例子还有很多，如在做蛋白质的盐析实验时，忽视p h 对该实验的影 响；做木炭还原氧化铜的实验时，只关注木炭和氧化铜的质量比等。 可见，实验研究不能盲目，只有在一定科学方法的指导下才能有效地进行。 事实表明，许多中学化学实验的操作和演示的效果都未能达到理想的状态，这些 实验的最佳实验条件都有待于研究，试验设计方法就是指导我们探究最佳实验条 件的科学方法。 试验设计方法是根据一定的实验目的，通过改变实验条件，运用各种不同的 实验比较法，来探索最佳实验条件的一种科学的操作方法和思考方法。科学地进 行试验设计是一个非常重要的问题。若试验方案设计正确，试验结果分析得当， 不仅可以减少试验的次数，缩短试验时间，克服盲目性，节省人力和物力，而且 还可以迅速得到正确的结论，事半功倍：反之，试验次数增多，试验周期延长， 不仅难以达到预期效果，而且可能导致试验失败，造成研究工作劳而无获。 选用试验设计方法进行实验研究，要具体考虑中学化学实验的特点和要求， 在符合中学化学实验特点和要求的基础上进行。 目前，中学化学实验研究普遍存在缺乏试验设计方法指导的现象，许多教师 在进行实验研究时，不能很好地使用试验设计方法，在选择实验的影响因素和水 平时往往不能很好地把握，试验时费时费力，且得不出很好的结论。因此，如何 更好地利用试验设计方法对中学化学实验进行有效地研究，是中学化学教师急需 掌握的内容，而现在有关这方面的系统研究却很少。因此，本文就试验设计方法 及其应用进行研究，以期对中学化学的实验研究效率和水平的提高起到一定的促 进作用。 兰查墅蔓生兰堡主兰堡望茎一 第一章课题综述 第一节中学化学实验研究中存在的问题 实验在化学教学中的重要地位和作用已经得到了广大化学教育工作者的共 识。自2 0 世纪舳年代初起，化学实验研究作为一项重要的教学科研活动，一直 受到，。大中学化学教师的重视。二十多年来，化学实验研究有了长足的发展，对 促进我国中学化学实验教学起了很大的作用。近几年，随着课程改革的推进新 的教学目标的确立，化学实验又“衍生”出许多新的教育功能，无论是在课程设 置还是在教学实践中，化学实验都受到了越来越多的实质性关注。然而，目前我 国中学化学实验研究仍存在不少的问题，这些问题都亟待解决。 一、重复研究过多 中学化学实验研究中存在大量的重复现象，有些实验的研究成果已多次公开 发表，却仍有众多研究者对其进行重复研究，且有些所谓的新的研究成果的价值 甚至还不如前者。 以“木炭还原氧化铜”实验为例，近年来针对该实验的研究性文章就很多， 从中国期刊网上查得有9 2 篇之多( 1 9 9 4 2 0 0 6 年) 。笔者从这些文章中选取了 1 0 篇进行研究内容的分析和比较，其中有两篇是为防止倒吸而对实验装置进行 改进的：两篇是将铜丝在酒精灯上加热使其表面上生成一层氧化铜，以此来代替 氧化铜粉末与炭粉进行反应；其余文章都是研究木炭还原氧化铜的最佳实验条 件，大部分都是从木炭与氧化铜的质量比、木炭的颗粒大小、加热的方式、反应 物的含水量( 是否干燥) 等方面入手进行研究，得出的结论也基本相同：质量比 介于1 ：4 1 ：1 2 ，木炭颗粒越小越好，用酒精喷灯、煤气灯或加防风金属罩的酒 精灯加热，反应物屉好是干燥的等。 据统计，化学教学、化学教育、中学化学教学参考三种化学期刊在 1 9 9 8 2 0 0 3 年间发表的9 7 5 篇有关化学实验的文章中关于理论研究的有2 3 篇， 经验总结或理论运用的有3 3 6 篇，具体实验设计的有6 1 6 篇，占总篇数的 经验总结或理论运用的有3 3 6 篇，具体实验设计的有6 1 6 篇，占总篇数的 第一章课题综述 6 3 1 l l 】o 有关具体实验研究的文章占总数的一半以上，并且由于具体实验研究 中存在大量的重复研究，从而导致很少有人关注更广义的实验研究课题。比如， 如何利用化学实验更好地实施素质教育，如何在化学实验教学中对学生进行科学 方法、科学态度的教育，怎样运用化学实验更好地培养学生的创新意识和创造能 力等。 重复研究意义甚小，更重要的是浪费了研究者大量的时间、精力以及物力， 得不偿失。那么，怎样才能减少重复研究呢? 爱因斯坦曾经说过：“提出一个问 题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许仅是一个数学上的或实验 上的技术而已，而提出新的问题、新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需 要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。”因此，对研究者来说确定 一个有意义、有价值的研究课题而不是单纯地去重复已被研究过多次的实验课题 是非常重要的，但也存在一定的难度。 中学化学实验研究课题众多，但课题研究的出发点大多都是源于问题。问题 是科学探索的出发点，科学研究的过程就是解决问题的过程。所以，问题，尤其 是教学实践中的新问题应成为中学化学实验研究课题的主要来源。在教学实践中 常常会发现许多值得研究的新问题。如一位中学化学教师在教学中发现固体 n a 2 s 0 3 能使品红溶液褪色，进而做了一系列研究，发现除了s 0 2 之外，还有很 多试剂都能使品红溶液褪色，如n a h s 0 3 、n a o h 、n a 2 c 0 3 等，最后通过研究提 出了这些物质使品红褪色的机理。此类实验课题就相当具有借鉴意义和研究价 值。因此，善于抓住教学实践中的新问题，对新问题进行解决可以成为避免重复 研究的有效途径。 另外，在决定研究某个问题之前即课题选定前，需尽可能多地查阅相关文献 资料，通过对文献资料的分析和总结得出所要研究的课题的意义、价值以及研究 的程度，从而能够在准确地把握方向和思路的同时，避免更多的重复研究。 避免意义甚小的重复研究，提高实验研究的意义和价值，要求研究者有敏锐 的洞察力，细心、认真地对待实验，善于发现实验中的问题，并能通过查阅资料 对问题的研究意义进行分析，在确定有意义的基础上再进行研究。这样，才+ 能不 断地丌发出对中学化学实验教学有意义的研究课题，从而提高实验教学的水平。 刷青等我国h 前中学化学试验研究述评化学教育2 0 0 5 ( 1 ) ：1 4 1 6 4 华东师范大学硕士学位论文 二、研究层次不高 中学化学实验研究中存在的另一个问题是研究缺乏深度，大部分研究都是浅 尝辄止。从化学教学、化学教育等杂志上发表的文章可以看出，大部分实 验都是对教学实验进行改进，有些仅仅是对实验装置的一个小小改进，能够对实 验进行全面而深入地研究的很少。 例如，迄今为止，很多中学化学实验的反应机理还尚存争议，但对此方面进 行深入研究的却不多。如k c l 0 3 分解制取氧气的实验，针对制取的氧气往往有 臭味，生成的k c l 常带有紫红色等异常现象提出的m n 0 2 的催化机理般有三种 1 1 j ，分别如下： 1 生成m n 2 0 7 中间产物： 2 k c l 0 3 + 4 m n 0 2 k 2 k c l + 2 m “2 0 7 2 m n 2 0 7 4 m n 0 2 + 3 0 2f 总反应式：2 k c 】协+ ( 4 m n 0 2 ) ：垒：2 k a + 3 0 2f + 2 生成k m n 0 4 、k 2 m n 0 4 中间产物： 2 k c l 0 3 + 2 m n 0 2 - 垒：2 k m n 0 4 + c 1 2f + 0 2f 2 k m n 0 4 = 垒= k 2 m n 0 4 + m n 0 2 + 0 2f k 2 m n 0 4 + c 1 2 = 垒= 2 k c l + m n 0 2 + 0 2f 总反应式：2 k c l 0 3 + ( 2 m n 0 2 ) ；垒：2 k c l + 3 0 2f + 3 生成k m n 0 4 、k 2 m n 0 4 中间产物： 2 k c l 0 3 + 2 m n 0 乒垒= 2 k m n 0 4 + c 1 2f + 0 2f 4 砌咖0 4 = 垒= 2 k 2 m n 0 4 + 2 m n 0 2 + 20 2f 2 k 2 m n 0 4 + c 1 2 _ 垒= 2 k c l + 2 k m n 0 4 ( 4 m n 0 2 ) ( 2 m n 0 2 ) 总反应型c ：2 k c l 0 3 + ( 2 m n 0 2 ) ：! 妄2 k c l + 3 0 2f + ( 2 m n 0 2 ) 以上催化机理有些反映了制得的氧气有臭味，有些则反映了生成的k c l 带有 紫红色。但这些推理只是根据实验现象得出的假设，并没有得到证实，许多事实 1 】刘怀乐中学化学实验i 教学研究季庆：西南师范大学版朴1 9 9 6 ：2 2 9 2 3 0 5 第一章课题综述 使上述催化机理面临着挑战。如k c l 0 3 热分解的空白实验证明，即使没有m n 0 2 参与，生成的氧气同样有臭味。这又作何解释昵? 有人认为m n 0 2 催化下产生的 臭味气体是c 1 2 ，并以日淀粉溶液进行检验，结果溶液先变为棕色，然后变为无 色，因此认为是c 1 2 。但国外有人对分解产生的气体进行了质谱分析，发现产物 中无c 1 2 ，而是存在氯的氧化物c 1 0 2 和c 1 2 0 7 【。该反应的机理到底是什么昵? 对于此类实验，需要广大实验研究者不断地提高自身的理论水平，加强对先 进实验技术的学习，使实验研究的深度不至停留在理论的猜测和简单的定性层 面，而是利用先进的实验技术和方法，通过实践来提高实验研究的可信度和深度。 因此，研究深度停滞不前，也是中学化学实验研究现状中一个比较严重的问 题这对于研究者本身的实验水平和实际的实验条件提出了更高的要求，只要主 客观两方面都作出改进，相信实验研究的层次会有所提高，深度也会有所加强。 三、科学性不强 中学化学实验的研究过程是科学研究的过程，有其一定的规律性，若按照科 学规律进行研究，往往可以使用较少的试剂药品、花费较少的精力、在较短的时 间内，取得较理想的效果；反之，若忽略科学研究规律性而盲目试验，则往往费 时、费料、费力，且达不到预想的效果。 当前的中学化学实验研究就存在由于研究方法不科学导致研究缺乏科学性 的现象。许多实验研究者对实验研究的科学规律缺乏一定的认识，因此选题无新 意，研究计划不明确、研究手段和实验技术陈旧、研究方法简单而粗略等问题屡 见不鲜。有些研究者盲目地使用尝试一错误法寻找最佳实验条件；有些一失败就 放弃，一成功就著文发表，成败全在于个人经验，研究结论的重复性较差：有些 则在研究实验的诸多影响因素时只采用较低水平的简单比较法，有些甚至连简单 的比较也没有；有些则是实验点分布不合理，对数据的整理、分析缺乏有效的工 具和策略。 笔者采用报刊检索法( 即从报刊中搜集相关信息，进行分类统计以获取调查 结果) 对国内两种中等化学教育类期刊化学教学、化学教育2 0 0 0 2 0 0 4 年五年间发表的7 5 0 篇有关化学实验及化学实验教学研究的文章进行了分析( 采 e gr o c h o w ，j m g a i d i sj c h e m e d u ，f j 】1 9 6 3 ，4 0 ( 2 ) ：7 8 8 1 6 华东师范大学硕士学位论文 用系统查阅年度总表与原始杂志相结合的方法) 。统计结果见表1 1 。 表1 12 0 2 0 年两种期刊化学实验研究文章的分类统计 、研究类型 实验实验设计具体实涉及简单比较其他 期刊 研究理论研究验研究法、正交设计法 化学教育 2 9 91 01 5 321 3 4 化学教学 4 5 12 0 2 7 2 7 1 5 2 总数7 5 03 04 2 592 8 6 百分比 1 0 04 o5 6 71 2 3 8 1 注：1 实验设计理论研究：有关实验设计理论方面的文章。 2 具体实验研究：是对某个具体实验的研究，比如改进、设计等。 3 涉及简单比较法、正交设计法：指使用简单比较法或正交设计法研究实验的文章。 4 其它：指除上述几种以外的关于实验的文章，包括实验在教学中的作用( 如“在实验教学中培养学 生的创新能力的尝试”化学教学2 0 0 1 4 ) 、实验问题( 如“石蜡裂化实验成功的关键究竟在哪里? ” 化学教学2 0 0 1 4 ) 、有关实验的软件介绍( 如“在电脑上做化学实验”化学教学2 0 0 1 2 ) 等。 化学教学、化学教育 都是国内化学教育类核心期 刊，对它们进行分类研究大体 可以反映出我国中学化学实验 研究存在的问题及现状。将表 1 1 制作成饼图( 如图1 1 ) ，可 以明显看出，实验设计理论研 ， 图1 1 实验文章分类饼图 究的文章很少，仅占4 0 ，涉 及或使用试验设计方法的文章更是凤毛麟角，仅为1 2 ，而具体实验研究却占 有相当大的比例为5 6 7 ，且具体实验研究大部分是对实验条件的改进。在这种 情况下，我们就很难对研究者在研究这些具体实验时是否使用了科学的研究方法 作出准确地判断，因此这样的研究所得出的结论难免会有不科学、不合理的成分。 从发表的文章来看，大部分研究者是根据自己的认知方式和相关文献资料来研究 实验的，对研究所采用的研究方法并不作重点介绍( 大部分未提及) ，而是直接 给出结论，这样的结论可信度有多大我们便无从知晓。 以上统计结果显示，使用试验设计方法进行实验研究的文章非常少。在7 5 0 塑二兰堡里堡垄 篇有关实验的文章中仅有9 篇使用了试验设计方法。虽然有些文章的研究目的不 是寻求最佳实验条件，研究时不需要用试验设计方法，但是研究实验影响因素的 文章还是占很大比例的，那么那些没有使用试验设计方法的文章用什么方法来研 究和确定实验的最佳实验条件的呢? 他们所给出的最佳实验条件的科学性是否 存在问题呢? 一些研究者对中学化学试验设计方法并不是十分了解，对于试验设计方法的 实施步骤以及试验因素的选择方法、水平的确定原则等问题始终处于一种似懂非 懂、模模糊糊的状态。因此，这对于他们运用此工具来研究化学实验造成了一定 的困难，从而影响了研究的科学性。 笔者就中学化学实验研究及试验设计方法作了相关调查( 问卷见附录) 。调 查活动是在虹口区一次初、高中化学教师的实验评展交流活动中进行的，调查对 象为中学化学教师，共发放问卷1 0 5 份，回收有效问卷9 7 份，回收问卷的回答 率为1 0 0 。调查的目的有以下几点：了解中学化学教师对待中学化学实验研究 及实验条件控制的态度( 1 、2 题) ；遇到实验问题时的解决办法( 7 、8 题) ；对 试验设计方法的熟悉程度( 3 6 题) ；试验设计方法的使用情况( 9 、l o 题) ；对 自身试验设计能力的评价及期望( 1 1 1 3 题) 。调查结果如表1 2 。 表1 2关于试验设计方法调查问卷的统计结果 丛如项 a百分比b百分比c百分比 d 百分比 赢孪、迭 ， 1 22 14 24 3 35 35 4 6 222 14 44 5 45 15 2 8 32 22 2 72 82 8 93 73 8 11 01 0 - 3 4 5 4 22 42 4 7 3 8 3 9 2 3 03 0 9 533 1 2 02 0 6 3 73 8 1 3 7 3 8 1 62 42 4 72 72 7 83 94 0 277 2 766 24 84 9 52 32 3 72 02 0 6 81 51 5 56 06 1 9 2 22 2 7 96 8 7 0 1 2 02 0 69 9 3 1 08 89 0 777 222 1 1 166 24 84 9 54 34 4 3 1 22 52 5 84 04 1 23 23 3 0 1 3 44 1 3 94 0 22 92 9 92 52 5 8 注：a 、b 、c 、d 表1 选项，“一”表永无此选项。 华东师范大学硕士学位论文 根据上表数据制作的条形图( 图1 2 ) 如下： 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 1234567891 01 11 21 3 题号 图1 2 各选项人数分布条形图 从上表中的数据可见( 从统计图可以更直观的看出) ：大部分教师认为中学 化学实验研究比较重要( 5 4 6 ) ，实验条件的控制也十分关键( 5 2 8 ) ；在遇 到实验问题时基本上是向有经验的老师讨教( 4 9 5 ) ，也有一部分自己查文献 解决( 2 3 7 ) ，对实验问题不管不问的不多( 6 2 ) ；但是大部分老师都是只听 说过或稍微了解一些有关试验设计方法方面的知识，从未使用的人占相当大比 例，未使用过简单比较法的占7 0 1 ，未使用过正交设计法的高达9 0 7 ；有相 当一部分人非常希望了解有关试验设计方法应用方面的知识( 4 0 2 ，是四个选 项中比例最大的) ，2 9 9 人认为自己在理论和应用两方面都应加强。事实表明， 介绍试验设计方法及其应用是十分必要的，是教师和教学的双重需要。 第二节本课题的研究意义 如前所述，目前中学化学实验研究中存在不少问题，尤其是缺乏科学方法的 指导。本文将对中学化学实验研究中经常用到的试验设计方法进行系统地介绍， 并重点分析试验设计方法在中学化学实验研究中的使用方法。同时，结合具体的 实践研究来说明运用试验设计方法时应怎样全面分析影响实验的因素，如何选择 主要因素作为探究因素，如何保持非探究因素的一致等问题。 本文的研究对于广大中学化学教师采用科学合理的方法进行化学实验研究 9 籁、r 第一章课题综述 具有一定的指导作用，使教师的科研水平有所提升，同时能够提高实验教学的质 量，特别是发挥实验对学生的科学态度培养和科学方法形成的功能，从而提高学 生的科学素养。 一、有助于提升教师的科研水平 科学方法是人们在认识和改造客观世界的实践活动中总结出来的正确的思 维方法和行为方式，在学习和研究中，科学方法被视为产生知识的“知识”【1 1 。 它在科学研究中起着重要的作用，是知识转化为创新能力的桥梁。 可以说，化学实验研究是一项需要研究者利用自身经验和环境资源进行创造 性劳动的科学活动。因此，化学实验研究作为一项科学活动，其选题、方案设计、 实验实施、结论分析等过程都需要利用科学方法进行操作。而试验设计方法作为 探究最佳实验条件的科学方法，在该类实验中占据着重要的地位。 造成中学化学教师的实验研究水平不高的一个重要原因就是他们不了解试 验设计方法，不会运用试验设计方法。如果他们理解和掌握了试验设计方法的使 用原则，并在实验研究中不断进行实践，不但可以深刻体会到掌握试验设计方法 的重要性和必要性，并且可以大大提高实验研究的效率和科学性，减少了盲目性 和不科学性。若将该类方法进行推广，则中学化学实验的整体科研水平会得到较 大程度的提高。 二、有助于提高实验教学的质量 实验是实验教学的核心内容，实验效果的好坏直接影响实验教学的质量。而 实验教学是由教师来完成的，因此教师的实验研究水平直接关系到实验教学质量 的高低。若教师能熟练掌握实验研究的方法和策略，并在实践中不断用新方法进 行尝试，将这种尝试所得的成果应用于实验教学，则可以使实验教学的质量得到 极大的改善。这种改善不仅在于实验的演示效果的改善，还在于实验条件的改进 对于学生的固定思维的冲击，使他们意识到教材中的知识并不是权威的，很多实 验都可以通过自身的所学进行有效的改进，并使他们初步意识到科学研究方法的 后雄化学方法论睦沙：中南大学版扎2 0 0 3 ：l 1 0 华东师范大学硕士学位论文 重要性。 介绍试验设计方法的使用方法，对提升教师的科研水平有直接的指导作用， 从而进一步提高实验教学的质量，使实验教学的教育价值得到较大程度地体现。 有助于培养学生的科学素养 科学方法以知识为基础，并包含有心智的技能因素。科学方法反映了科学 知识的发生和发展的过程，是理解科学知识的纲领，也是应用科学知识解决实 际问题的桥梁【”。在学科教学中注重科学方法的教学，可使学生的思路变得更开 阔、更敏捷，解决问题的手段也变得更多、更灵活。长期坚持科学方法的灌输、 熏陶，坚持在教学中把科学知识的学习与科学方法、科学思想、科学精神的教 学融合在一起，能使学生形成一种心理的定势，以最快的速度、最有效的途径 去获取知识，并能够产生一种对问题的敏感性。这种心理定势一旦形成，它就 是一种能力的表现。科学方法与科学知识的学习相辅相成，互为促进，科学方 法的教学与科学精神、科学态度的培养也能互相配合、相得益彰。 然而，我国传统的化学实验教学的目的是让学生学会、学懂相关的知识和 技能。如通过实验教学使学生学会实验的操作、记住仪器的名称、学会观察和 记录、学懂相关的化学基础知识。学生全都学会、学懂、记住了，教学任 务也就完成了。至于化学学科中的科学方法似乎很少引起师生的共同关注，这 种现象在中学化学实验教学中是普遍存在的。在这种教学方式下，对学生而言 由于他们还没有掌握这门学科的科学方法，所以最多只能说他学过了这门学科， 而不能说已掌握了这门学科。 因此，必须加强学生科学方法的教育。对学生进行科学方法的灌输、熏陶 的前提是教师必须具备一定的科学素养，熟知科学方法论。本文介绍的是试验 设计方法的应用，能提高教师的科研水平。若教师具备一定的科研水平，必然 会对学生产生影响。在化学教学过程中，教师可以将科学方法和化学实验融合 在一起。通过教师的熏陶，使学生了解实验研究中常用的一些试验设计方法， 增强他们进行实验探究的自信心，培养他们参与实验探究的兴趣，增强学生实 验设计的能力，从而提高他们的科学素养和创新能力。 张良江中学化学教学技术指导1 。海： 海教育 n 版社2 0 0 5 ：1 5 6 1 1 第二章化学实验条件控制与试验设计方法 第二章化学实验条件的控制与试验设计方法 实验，实际上是条件控制下的观察，所有的实验都是在条件控制下进行的“3 。 控制实验条件是实验活动中最突出的特点。反映在实验中包括反应物的状态( 气 态、液态或固态) 、形态( 块状、颗粒状、粉末状等) 、用量、纯度、浓度、反应 温度、酸碱度、催化剂以及实验装置等反应条件，这些实验条件的选择和控制是 决定实验成败的关键。 试验设计方法是研究如何科学地控制实验条件，在最短的时间内，做最少的 实验，找到最佳的实验条件。 第一节中学化学实验条件的控制 对于实验条件的有效控制是一个实验成功与否的关键。例如，制取氢气时只 能用稀硫酸而不能用浓硫酸；氢氯爆鸦实验则需要在控制好气体的纯度、混合均 匀度的前提下，选择合适的光照强度才能取得好的实验效果；硝酸银的浓度、水 浴温度等条件的控制则是银镜反应成功的关键；而用双氧水制氧气的关键是催化 剂的选择。因此，实验条件的控制是中学化学实验教学中一个至关重要的问题。 一、实验条件 影响化学变化的因素包括内因和外因，物质的本质属性和内部结构是内因， 内因一般是无法改变的；实验条件是物质发生变化的外因，通常通过改变实验条 件使变化朝我们希望的方向进行。 1 实验条件的涵义 所谓实验条件是指同特定实验对象相联系，并对其状态、性质和变化发生影 响的诸因素的总和。例如，稀硫酸与锌反应制取氢气的实验，实验装置、稀硫酸 的浓度和体积、锌的加入量等，都是影响氢气产量的实验条件。 任何一个化学实验都必须在一定的条件下才能进行，实验条件不同，物质的 状态、性质和变化也会不同。例如，温度是化学实验的重要条件，水在1 0 时 陈埔亭等中学化学教学法睦春古林人民m 版社1 9 8 4 ：1 6 7 1 2 华东师范大学硕士学位论文 是液态，在1 2 0 时就是气态；乙醇跟浓硫酸在1 3 0 1 4 0 时反应生成乙醚，在 1 6 0 1 7 0 时则生成乙烯。 实验条件是物质发生变化的外因，它通过物质的本质属性或内部结构起作 用。乙醇在不同的温度下生成不同的物质，是由其结构决定的，它既可以分子间 脱水生成乙醚，也可以分子内脱水生成乙烯。如果乙醇分子不具有这样的结构， 无论怎样改变温度，也绝不会生成这两种物质。因此，只有在熟知反应原理的前 提下才能更好地控制实验条件。 2 实验条件的类型 ( 1 ) 从构成化学实验的物质条件来看，中学化学实验条件主要有以下三类： 化学药品 这类实验条件主要包括化学药品的种类、纯度、状态、形状、质量、体积和 浓度等。在化学实验中，经常要对这类实验条件进行控制。例如，药品用量就是 影响化学实验的重要条件，在做白磷、红磷着火点比较的实验时，两种磷的用量 是要严格控制的，用量只需火柴头大小即可，如果用量偏大，由于磷的燃烧很剧 烈。往往会造成反应的产物一下子冲出容器，使得教室的空气受到严重的污染； 在做有关钠的性质实验时，若取用的钠颗粒过大，严重的则会引起爆炸，因此， 只需取黄豆粒大小即可，或进一步通过改变实验装置增强其安全性；而做钾的实 验时则只需绿豆般大小。 化学实验仪器和装置 这类实验条件主要是指不同规格的化学实验仪器及其不同的组装方法。就以 最简单的实验仪器试管来说，不同的实验、不同的要求，就应做不同的选择。 如检查氢气的纯度一定要用小号试管，而在演示实验中类似沉淀、变色反应 则宜取大号试管以增加可见度，同样的内容如改为学生实验，则从节约、环保的 角度考虑应选择小号试管，需要加热、灼烧的实验，则应选择硬质试管，银镜反 应则要求试管格外干净且需要水浴，所以应选择薄壁的新试管，以减少操作时间， 提高银镜质量；在做爆鸣实验时，教材上选用了壁较厚的广口集气瓶，因此教师 在准备时切不可随意用烧瓶、锥形瓶、烧杯等长径、细口、薄壁的器皿来代替， 为了让实验更安全，可选用一定容量的透明塑料广口瓶代科“。 心- l ：程杰主编中学化学实验研究i 海：仁东帅范人学m 版礼2 0 0 5 ：1 0 6 1 0 7 1 3 第二章化学实验条件控制与试验设计方法 化学实验操作 这类实验条件包括点燃、加热、冷却、振荡、溶解、洗涤、过滤、蒸发、蒸 馏等化学实验操作，以及对电压、电流、时间和压强的控制等。这也是化学实验 中经常需要控制的一类实验条件。例如，铁钉镀锌实验，需要控制电压的大小， 电压太大，容易使z n 2 + 的沉积速度太快，导致镀层不光亮、不致密；电压太小， 则造成电镀时间较长，不符合中学化学实验的要求。 ( 2 ) 从影响实验的因素的主次关系来看，可以分为以下两种： 一种是探究因素，即针对影响实验的不同条件，选取一个或一个以上的实验 条件进行研究，被研究的实验条件称为探究因素。例如双氧水的分解实验，影响 双氧水分解速率的实验条件( 即因素) 有双氧水的浓度、催化剂的种类、性状、 温度、酸碱度等，若探究不同催化剂对该实验的影响，则催化剂即为探究因素。 探究因素是由研究者人为确定的，但一般选择影响实验效果的主要条件作为探究 因素。 另一种是非探究