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“教-研-学”:中学化学实验的优化设计与教学实践研究
文章字数：2597
一、概要
本研究聚焦化学实验教学中存在的污染风险高、实验准备复杂、成功率低、耗时长，实验教学课例存在学科间割裂等痛点，依托安徽师范大学化学与材料学院研究平台以“绿色化、简便化、跨学科化”为导向，系统优化实验设计并进行教学实践。发挥池州八中作为教育部普通高中（化学）安徽教研基地实验校和安徽省首届科学教育实验校的示范引领作用，团队历经20余年持续研究，相继开发了《氯气的制取与性质绿色化设计》《SO2制备与性质系列演示实验》《铜与硝酸反应实验的改进》等实验创新案例。自2016年起，进一步拓展开发了“盐水动力车”“补铁剂探究”等跨学科实验教学案例，整合物理、化学、生物等学科知识，引入数字化教具（如传感器），推动实验过程可视化、数据化。通过课堂重构、社团活动、跨校辐射三重路径，显著提升了学生科学探究能力与创新思维，助力教师的教学和研究能力：如曹君老师获省级精品课程，并指导张宏、胡小倩等教师获省优质课一等奖。研究获中国化学会“十四五”课题（HJ2021-0001），安徽省教育信息技术课题（AH2022127）、（ZB23049）支持，形成了可推广的“教师教、高校研、学生学”即“教-研-学”一体化化学实验教学范式。
二、解决的主要问题、解决问题的过程与方法
1.解决的主要问题：（1）实验污染与安全风险：传统实验（如氯气制取、铜与硝酸反应）试剂用量大，产生有毒副产物、污染严重；（2）实验操作复杂低效：实验准备繁琐、耗时长（如SO2系列演示需多步组装），课堂成功率不足60%（如银镜反应等）；（3）学科孤立割裂：化学实验教学课例缺乏跨学科整合，难以培养学生综合实践能力。
2.解决过程与方法：（1）绿色化技术攻关（依托高校平台）。①替代高危实验：密闭式装置设计。与安徽师大合作开发密闭式氯气制备装置，用次氯酸钠替代浓盐酸，实现“即开即停、零泄漏”（2010年）；SO2制备绿色化：一体化改进实验装置。②微量化实验改进：设计微量实验装置，试剂用量减少90%，反应时间缩短至3分钟（2021年）。（2）跨学科项目驱动（2016-2022）。①“盐水动力车”项目：本项目以生活中常见的新能源汽车为情境素材，让学生分析其工作原理，主要分为两个部分，一部分是物理学科的电动机的工作原理，一部分是化学学科的原电池的工作原理。将两个不同学科的知识融合在一起，将前沿科技简化到教学过程中，让学生先组装简易的“新能源汽车”——“盐水动力车”，再结合理论学习将生活中的废弃物变废为宝，设计出新的“动力车”。②探究生物可降解塑料的制备与应用。本项目参考《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》在选择性必修课程部分的教学提示要求:“从实际情境中引入生物大分子和合成高分子，并提出与真实情境相关的问题，是学生通过自然现象/生活生产实施的解释或实际问题的解决等活动，认识生物大分子和合成高分子的结构、性质与应用。”基于此提出本项目的总驱动性问题——如何有效利用生物可降解塑料，以减少塑料污染对环境的影响？设置了4个项目任务：1.了解生物可降解塑料；2.探究生物可降解塑料的制备过程；3.评估生物可降解塑料的环境影响；4.探索生物可降解塑料的应用领域，并设计推广方案。
3.研究创新点：（1）“绿色-简便-跨学科”三位一体实验范式：绿色化：SO2制备采用一体化密闭装置，实现零污染排放；简便化：将复杂的实验过程简化为方便的实验步骤和快速可观察到的实验现象；将新能源汽车、医药健康等前沿话题转化为易于课题实施和日常应用的实验项目；跨学科化：开发了多个跨学科实验教学案例，在市域内各校进行推广。（2）“高校引领-中学实践”双轨创新机制：依托安徽师大实验室资源，开发微型化实验装置（如微量气体发生器），实验准备时间缩短70%。（3）区域性教研辐射：以池州八中（基地校）为核心，多
次承办省、市级培训 →通过培训指导外校教师（张宏/胡小倩）→ 助力外校教师输出优质实验教学案例（获省级优质课例）。
四、研究主要成果
1.公开发表的论文：（1）Yao Wu, ChengxuHu, Yan Hu, XiLian Cao, Jiaxin Zhang, MengluWang, Jun Cao, Ronghui Que, Household Ex-periment Based on Smartphones: ChemicalEquilibrium and Acid-Base Titration Exper-iment Using Red Cabbage and Sodium Car-bonate, J. Chem. Educ. 2024, 101, 4967-4974.（2）Yiping Wang, Jun Cao, Jiaxin Zhang,Xilian Cao, Hong Yao, Ronghui Que, Macro andNano Experimental Facts Verifying the Col-loidal Process in Silver Mirror Reaction, J.Chem. Educ. 2024, 101, 4024- 4029.（3）MinHan, Jiaxin Zhang, Yiping Wang, Yan Hu, Rong-hui Que, A Simple, Safe, and Easy Demonstra-tion of the Reaction between Sodium Perox-ide and Water, J. Chem. Educ. 2024, 101,3603-3605.（4）Ronghui Que, Hongbo Wu, YalanZhao, et al. Na2CO3 Mediated Silver MirrorReaction of General Aldehyde at Room Tem-perature,J.Chem.Educ.2023,100, 880- 884.（5）Ronghui Que, Wenjie Ding, Sha Sha, A Simple,Facile Demonstration of Copper and NitricAcid Reaction, J. Chem. Educ. 2022, 99, 2762-2765.（6）Ronghui Que, Sha Sha, Liqun Shen,Yanlin Xiong, Changes of CO2 Concentrationand Heat Illustrate Why the Flame Is Extin-guished in the Candle-and-Cylinder Experi-ment, J. Chem. Educ. 2020, 97, 1195-1197.（7）阙荣辉，吴红波，赵雅兰，韩莎莎，常温下快速银镜反应条件探究，化学教育，2023,7,109-112.（8）阙荣辉，吴进，吴凤兮，熊言林，氯气的制取与性质实验绿色化设计，化学教育，2017，3，68-69.（9）熊言林，二氧化氮的制取和喷泉组合实验新设计，中学化学教学参考，2005，Z1,69.（10）熊言林，二氧化硫系列演示实验的设计，化学教育，2001,12,37-38.（11）曹君.以真实工业生产为情境的教学设计与实施——以电解池为例[J].实验教学与仪器,2025,42(04):46-49.（12）张宏,曹君,左婷. 发展核心素养的跨学科问题驱动教学——壳寡糖的抑菌性[J]. 化学教育(中英文),2024,45(17):37-43.（13）曹君.基于项目学习的跨学科主题教学设计——以“探究生物可降解塑料的制备与应用”为例[J].教学考试,2024,(23):32-36.
2.池州八中承担的课题：（1）中国化学会课题：《基于深度学习的项目式教学》（HJ2021-0001）已结题，进入推广阶段。（2）安徽省教育信息课题：《信息化教具创新设计与系统性实验教学研究》（AH2022127），已结题，进入推广阶段。（3）安徽省教育信息课题：《现代教育技术支撑下高中理科跨学科实践教学的实施研究》（ZB23049）已完成研究，申报结题中。
3.实践成效：（1）教师发展：曹君获省级精品课程，池州八中多位教师在省、市实验说课获奖。（2）学生应用与素养提升：创新实验项目在课题和社团中广泛应用，显著提升了学生的科学探究兴趣、创新思维和动手实践能力，并在学科竞赛和科技创新中取得佳绩。（3）区域影响：近三年承办市级教研活动8场，参加培训教师达500余人次，指导外校教师获省级奖项10余人次。
五、下一步打算
1.机制深化：与安徽师范大学共建“科学教育研修基地”，实施高校专家与中学骨干教师共同指导的“双导师制”项目研学；联合市电教馆进行实验创新设计相关培训与比赛。
2.评价创新：制定《化学实验优选标准》，从“环保性、创新性、迁移力”等维度量化评价。
结语：本研究以20年技术积淀为基，以解决高中化学实验教学问题为导向，以“绿色、简便、跨学科”为核心，构建了“高校研发-中学实践-区域辐射”的创新链，为县域高中实验教学改革提供了可复制的“八中范式”。
作者单位：1安徽师范大学；2池州市第八中学；3贵池区教育体育局
本研究聚焦化学实验教学中存在的污染风险高、实验准备复杂、成功率低、耗时长，实验教学课例存在学科间割裂等痛点，依托安徽师范大学化学与材料学院研究平台以“绿色化、简便化、跨学科化”为导向，系统优化实验设计并进行教学实践。发挥池州八中作为教育部普通高中（化学）安徽教研基地实验校和安徽省首届科学教育实验校的示范引领作用，团队历经20余年持续研究，相继开发了《氯气的制取与性质绿色化设计》《SO2制备与性质系列演示实验》《铜与硝酸反应实验的改进》等实验创新案例。自2016年起，进一步拓展开发了“盐水动力车”“补铁剂探究”等跨学科实验教学案例，整合物理、化学、生物等学科知识，引入数字化教具（如传感器），推动实验过程可视化、数据化。通过课堂重构、社团活动、跨校辐射三重路径，显著提升了学生科学探究能力与创新思维，助力教师的教学和研究能力：如曹君老师获省级精品课程，并指导张宏、胡小倩等教师获省优质课一等奖。研究获中国化学会“十四五”课题（HJ2021-0001），安徽省教育信息技术课题（AH2022127）、（ZB23049）支持，形成了可推广的“教师教、高校研、学生学”即“教-研-学”一体化化学实验教学范式。
二、解决的主要问题、解决问题的过程与方法
1.解决的主要问题：（1）实验污染与安全风险：传统实验（如氯气制取、铜与硝酸反应）试剂用量大，产生有毒副产物、污染严重；（2）实验操作复杂低效：实验准备繁琐、耗时长（如SO2系列演示需多步组装），课堂成功率不足60%（如银镜反应等）；（3）学科孤立割裂：化学实验教学课例缺乏跨学科整合，难以培养学生综合实践能力。
2.解决过程与方法：（1）绿色化技术攻关（依托高校平台）。①替代高危实验：密闭式装置设计。与安徽师大合作开发密闭式氯气制备装置，用次氯酸钠替代浓盐酸，实现“即开即停、零泄漏”（2010年）；SO2制备绿色化：一体化改进实验装置。②微量化实验改进：设计微量实验装置，试剂用量减少90%，反应时间缩短至3分钟（2021年）。（2）跨学科项目驱动（2016-2022）。①“盐水动力车”项目：本项目以生活中常见的新能源汽车为情境素材，让学生分析其工作原理，主要分为两个部分，一部分是物理学科的电动机的工作原理，一部分是化学学科的原电池的工作原理。将两个不同学科的知识融合在一起，将前沿科技简化到教学过程中，让学生先组装简易的“新能源汽车”——“盐水动力车”，再结合理论学习将生活中的废弃物变废为宝，设计出新的“动力车”。②探究生物可降解塑料的制备与应用。本项目参考《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》在选择性必修课程部分的教学提示要求:“从实际情境中引入生物大分子和合成高分子，并提出与真实情境相关的问题，是学生通过自然现象/生活生产实施的解释或实际问题的解决等活动，认识生物大分子和合成高分子的结构、性质与应用。”基于此提出本项目的总驱动性问题——如何有效利用生物可降解塑料，以减少塑料污染对环境的影响？设置了4个项目任务：1.了解生物可降解塑料；2.探究生物可降解塑料的制备过程；3.评估生物可降解塑料的环境影响；4.探索生物可降解塑料的应用领域，并设计推广方案。
3.研究创新点：（1）“绿色-简便-跨学科”三位一体实验范式：绿色化：SO2制备采用一体化密闭装置，实现零污染排放；简便化：将复杂的实验过程简化为方便的实验步骤和快速可观察到的实验现象；将新能源汽车、医药健康等前沿话题转化为易于课题实施和日常应用的实验项目；跨学科化：开发了多个跨学科实验教学案例，在市域内各校进行推广。（2）“高校引领-中学实践”双轨创新机制：依托安徽师大实验室资源，开发微型化实验装置（如微量气体发生器），实验准备时间缩短70%。（3）区域性教研辐射：以池州八中（基地校）为核心，多
次承办省、市级培训 →通过培训指导外校教师（张宏/胡小倩）→ 助力外校教师输出优质实验教学案例（获省级优质课例）。
四、研究主要成果
1.公开发表的论文：（1）Yao Wu, ChengxuHu, Yan Hu, XiLian Cao, Jiaxin Zhang, MengluWang, Jun Cao, Ronghui Que, Household Ex-periment Based on Smartphones: ChemicalEquilibrium and Acid-Base Titration Exper-iment Using Red Cabbage and Sodium Car-bonate, J. Chem. Educ. 2024, 101, 4967-4974.（2）Yiping Wang, Jun Cao, Jiaxin Zhang,Xilian Cao, Hong Yao, Ronghui Que, Macro andNano Experimental Facts Verifying the Col-loidal Process in Silver Mirror Reaction, J.Chem. Educ. 2024, 101, 4024- 4029.（3）MinHan, Jiaxin Zhang, Yiping Wang, Yan Hu, Rong-hui Que, A Simple, Safe, and Easy Demonstra-tion of the Reaction between Sodium Perox-ide and Water, J. Chem. Educ. 2024, 101,3603-3605.（4）Ronghui Que, Hongbo Wu, YalanZhao, et al. Na2CO3 Mediated Silver MirrorReaction of General Aldehyde at Room Tem-perature,J.Chem.Educ.2023,100, 880- 884.（5）Ronghui Que, Wenjie Ding, Sha Sha, A Simple,Facile Demonstration of Copper and NitricAcid Reaction, J. Chem. Educ. 2022, 99, 2762-2765.（6）Ronghui Que, Sha Sha, Liqun Shen,Yanlin Xiong, Changes of CO2 Concentrationand Heat Illustrate Why the Flame Is Extin-guished in the Candle-and-Cylinder Experi-ment, J. Chem. Educ. 2020, 97, 1195-1197.（7）阙荣辉，吴红波，赵雅兰，韩莎莎，常温下快速银镜反应条件探究，化学教育，2023,7,109-112.（8）阙荣辉，吴进，吴凤兮，熊言林，氯气的制取与性质实验绿色化设计，化学教育，2017，3，68-69.（9）熊言林，二氧化氮的制取和喷泉组合实验新设计，中学化学教学参考，2005，Z1,69.（10）熊言林，二氧化硫系列演示实验的设计，化学教育，2001,12,37-38.（11）曹君.以真实工业生产为情境的教学设计与实施——以电解池为例[J].实验教学与仪器,2025,42(04):46-49.（12）张宏,曹君,左婷. 发展核心素养的跨学科问题驱动教学——壳寡糖的抑菌性[J]. 化学教育(中英文),2024,45(17):37-43.（13）曹君.基于项目学习的跨学科主题教学设计——以“探究生物可降解塑料的制备与应用”为例[J].教学考试,2024,(23):32-36.
2.池州八中承担的课题：（1）中国化学会课题：《基于深度学习的项目式教学》（HJ2021-0001）已结题，进入推广阶段。（2）安徽省教育信息课题：《信息化教具创新设计与系统性实验教学研究》（AH2022127），已结题，进入推广阶段。（3）安徽省教育信息课题：《现代教育技术支撑下高中理科跨学科实践教学的实施研究》（ZB23049）已完成研究，申报结题中。
3.实践成效：（1）教师发展：曹君获省级精品课程，池州八中多位教师在省、市实验说课获奖。（2）学生应用与素养提升：创新实验项目在课题和社团中广泛应用，显著提升了学生的科学探究兴趣、创新思维和动手实践能力，并在学科竞赛和科技创新中取得佳绩。（3）区域影响：近三年承办市级教研活动8场，参加培训教师达500余人次，指导外校教师获省级奖项10余人次。
五、下一步打算
1.机制深化：与安徽师范大学共建“科学教育研修基地”，实施高校专家与中学骨干教师共同指导的“双导师制”项目研学；联合市电教馆进行实验创新设计相关培训与比赛。
2.评价创新：制定《化学实验优选标准》，从“环保性、创新性、迁移力”等维度量化评价。
结语：本研究以20年技术积淀为基，以解决高中化学实验教学问题为导向，以“绿色、简便、跨学科”为核心，构建了“高校研发-中学实践-区域辐射”的创新链，为县域高中实验教学改革提供了可复制的“八中范式”。
作者单位：1安徽师范大学；2池州市第八中学；3贵池区教育体育局