核心术语◆目的性〓◆科学性〓◆可行性〓◆安全性〓◆简约性〓◆直观性
在教学中，化学实验设计具有重要意义。首先，它可以激发学生的化学学习兴趣。学生根据自己所学的化学知识，独立地或在教师启发下，设计出各种实验方案，成功地解决化学实验问题，从而产生成功后的喜悦，激发起更大的学习热情，成为进一步学习的强劲动力。其次，设计化学实验方案需要学生灵活地和创造性地运用所学的化学基础知识和基本技能，因而可以培养他们解决化学实验问题的能力和创造能力。同时，进行化学实验设计还需要学生掌握各种科学方法（如实验、测定、实验条件的控制、假说等），具有严肃认真、一丝不苟和敢于创新的精神，因而有利于学生科学方法的训练和科学态度的培养。此外，化学实验设计还是培养化学教师实验研究能力的重要途径和方法。
一、 中学化学实验设计的类型
依据化学实验内容的不同，可以将化学实验设计分成以下三种类型。郑长龙.化学课程与教学论［M］.长春： 东北师范大学出版社，2005： 190191.
（一） 物质的制备（或合成）实验设计
将自然界中的物质用化学方法复制出来，或用化学方法创造出自然界中没有的新物质，都离不开物质的制备（或合成）实验。此类实验的设计，应尽可能提供多种制备方法，寻找多种合成路径，在对原理、装置、操作、经济和安全等方面进行较为系统的分析、比较后，从中优选出较为理想的实验方案。
（二） 物质的分离与提纯实验设计
要想得到纯净的化学物质，需要进行物质的分离和提纯实验。此类实验的设计首先需要了解所要分离与提纯的化学物质及其所在体系的特点，然后根据其特点，选择分离与提纯的具体方法。常用的分离与提纯方法主要有过滤、蒸发、结晶（重结晶）、萃取、蒸馏、升华、洗涤、干燥、色谱法等。
（三） 物质的表征实验设计
对于通过分离与提纯得到的化学物质，还需要进行“表征”。所谓物质的表征，是对构成物质的成分、含量、价态、结构等特征的描述。对物质的表征，需要运用化学分析方法和仪器分析方法。运用化学分析方法，可以对物质的成分进行检验和鉴别。此类实验的设计应先进行外观观察，然后准备试样进行试验，并根据物质的特殊性质来确定其成分，因此，此类实验也可称为性质表征实验。运用仪器分析方法可以对物质的结构进行鉴定，因此，这类实验也可称为结构表征实验。此类实验的设计首先需要了解典型离子或官能团在光、电、热、磁等方面的特征，然后根据其特点和学校的实验条件，选择恰当的仪器进行实验。
化学分析法与仪器分析法
化学分析法是以化学反应为基础的一类分析方法，包括定性分析（物质的检验、鉴别）和定量分析。在定量分析中，通过称量产物的质量来计算被测组分的含量的方法，称为“重要分析法”；通过滴定的方式将已知准确浓度的试剂定量地加到被测试液中与被测组分按化学计量关系刚好反应完全，从而计算出其含量的方法，称为“滴定分析法”（包括酸碱中和滴定、配合滴定、氧化还原滴定和沉淀滴定等）。
仪器分析法是以物质的物理或物理化学性质（光、电、热、磁）为基础的一类分析方法，这类方法一般需要使用一些实验仪器。根据测量原理和信号特点，可以将仪器分析法大致分成光学分析法、电化学分析法、色谱法和其他仪器分析法等四大类。
只有使实验方法论与化学实验方法相融合，才可以保证化学实验的科学、有效进行。高中化学课程标准中涉及了现代仪器分析的四大类仪器或方法，但并不是要求学生都掌握，要求的程度是有区别的。对于红外光谱仪、原子吸收光谱仪、核磁共振仪、质谱仪等，只要求学生知道它们是现代分析仪器，在物质的组成和结构的测定中具有重要作用即可；而对于比色法、气相色谱法、电化学分析法，则要求能在具体的化学实验中加以运用。
二、 中学化学实验设计的原则
（一） 目的性原则
目的性原则是化学实验设计的目标原则，是指化学实验设计的整个过程中，对实验原理、用品、装置、步骤、方法以及实验结果等各方面的设计，都应围绕实验的目的与要求进行。如一氧化碳（CO）还原氧化铜（CuO）的实验，实验目的是说明CO具有还原性，可把CuO中的铜（Cu）还原出来，本身被氧化成二氧化碳（CO2）。因此，实验设计的立足点就是如何将黑色的氧化铜转化为红色的铜，如何将CO转化为CO2并能体现出来。并依此选择实验试剂、仪器、装置、反应条件、操作步骤和方法，并可组装成多种有利黑色CuO转化为红色Cu的实验装置。
（二） 科学性原则
科学性是化学实验设计的核心首要原则。所谓科学性是指实验原理、实验操作程序和方法必须与化学理论知识和化学实验方法相一致。例如Na2S和Na2SO3的鉴别，在试剂的选择上就不宜选用硝酸等具有氧化性的酸；在操作程序的设计上，应先溶解、取少量，然后加试剂，而不能溶解后就加入试剂。
（三） 可行性原则
可行性是指设计化学实验时所运用的实验原理在实施时切实可行，所选用的化学实验药品、仪器、设备和方法在中学的条件下能够得到满足。例如NaCl、Na2SO4的鉴别，有的学生常选用AgNO3做试剂，认为AgCl难溶、Ag2SO4微溶，从而把两者加以区分。事实上，这种方法所依据的原理在实施时是不可行的。因为硫酸银不稳定很易分解成难溶的氧化银。再如，用化学方法鉴别N2和Cl2，就不能用它们跟氢气的反应来进行区别。因为N2跟H2的反应条件在中学很难得到满足，Cl2跟H2的反应如控制不好，有一定危险性。
（四） 安全性原则
安全性是指实验设计时应尽量避免使用有毒药品和具有一定危险性的实验操作。如果必须使用，应在所设计的化学实验方案中详细写明注意事项，尽量设计绿色化的实验，以防造成环境污染和人身伤害。
化学实验的绿色化设计
从实验设计来看，化学实验的绿色化，就是选取绿色化的原料、采用“原子经济性”的化学反应，使所获得的产物绿色化，如图31所示。闵恩泽，傅军.绿色化学的进展［J］.化学通报，1999（1）： 1015.
图31〓化学实验的绿色化设计示意图
所谓“原子经济性”，是指化学反应应该最大限度地利用原料分子中的每一个原子，使它们都结合到目标分子（产物）中去，从而达到零排放（即没有副反应、不生成副产物、不产生废弃物）。一个化学反应的原子经济性程度可以用“原子利用率”来衡量。
原子利用率=被利用的原子总物质的量使用的所有反应物的原子总物质的量×100%朱文祥.绿色化学与绿色化学教育［J］.化学教育，2001（1）： 2.
（五） 简约性原则
简约性是指要尽可能采用简单的实验装置，用较少的实验步骤和实验药品，在较短的时间内来完成实验。例如AgNO3、NaBr、HCl和Na2CO3四种溶液的鉴别。有的学生采用常规的组合实验方案列出四组平行实验共计12个操作步骤；有的学生运用分析推理只用6个操作步骤就完成了鉴别。相比之下，后一种设计简约了实验程序，减少了药品用量和工作量，在较短的时间内完成了鉴别，符合简约性原则。
（六） 直观性原则
直观性原则就是设计的实验现象要直观、鲜明。因为直观、鲜明的实验现象才能对感官的刺激达到一定程度和强度，才能使人们更好地感知。例如，设计氢氧化亚铁制备的实验，就应考虑生成的氢氧化亚铁的性质，应采取实验措施，尽量排尽硫酸亚铁溶液和氢氧化钠溶液中溶有的氧气，并使二者的反应在隔绝空气的条件下进行，使生成的氢氧化亚铁能直观、鲜明地展现，这样来体现实验设计的直观性。文庆城.化学实验教学研究［M］.北京： 科学出版社，2005： 3839.
三、 中学化学实验设计方案的内容
中学化学实验设计方案虽无固定的格式、内容，但一个完整的实验方案应包括如下几个方面的结构及内容： （1） 实验名称；（2） 实验目的；（3） 实验原理；（4） 实验用品；（5） 实验内容和实验步骤；（6） 说明。
四、 中学化学实验方案的优选
同一个实验问题，可以设计出多种实验方案，从中选取最好的方案进行实验，这就是实验方案的优选。
根据化学实验设计的原则和中学化学实验教学的要求，可确定如下优选标准： 文庆城.化学实验教学研究［M］.北京： 科学出版社，2005： 3940.
（1） 实验效果好。实验效果好，这是选择化学实验方案的首要标准。实验效果好，意味着实验成功率高，实验现象明显，能很好地实现实验的目标。
（2） 实验操作安全、卫生。实验操作危险性小，对人身不造成伤害，不污染环境。
（3） 实验装置简单，用药少。
（4） 实验步骤少、易操作。
（5） 实验时间短。
（6） 教育价值高。在保证上述5项标准的前提下，创新性好，能启迪学生的创造性思维，培养学生的创新精神和创新能力。
五、 中学化学实验设计的步骤
化学实验设计一般包括实验目的、实验原理、实验物质、实验条件、实验装置、实验操作、实验结果等要素的设计。各要素之间相互联系，互相影响，具有一定的规律。因此，化学实验设计应遵循各要素间的影响规律，按一定的步骤和方法进行。文庆城.化学实验教学研究［M］.北京： 科学出版社，2005： 4042.
（一） 明确实验目的
任何实验活动都有其实验的目的。化学实验设计中明确实验目的，就是要明确设计的实验要解决什么问题，为什么要设计此实验。因此，这是化学实验设计者首先应弄清的问题。例如，设计Cu与稀硝酸（HNO3）反应的实验，就应明确该实验是要说明稀HNO3的氧化性，说明Cu与稀HNO3的反应原理，尤其是要说明一氧化氮（NO）气体的生成，明确由于NO有毒，该实验装置应该具有环保的要求。
（二） 弄清实验原理
从化学实验主要内容因素来看，化学实验是由实验原理、实验物质（试剂）、实验条件、实验装置、实验操作、实验结果等要素组成的有机整体。其中化学实验原理处于诸要素的核心地位，对其他要素起着支配和影响的作用。因此，只有弄清实验原理，才能合理设计实验。例如，设计一个简易启普发生器用来制备氢气。该实验设计应该明确两个方面的原理： ① 较活泼金属跟稀硫酸发生置换反应可制取氢气，且含有杂质的金属可同时发生原电池反应，能加快氢气的制取；② 启普发生器的工作原理。在弄清上述两个实验原理的基础上，就可以合理地选择实验试剂（锌、稀硫酸、少量硫酸铜）、实验仪器（如长颈漏斗、大试管、胶垫、单孔胶塞、止水夹等），并制定出合理的实验操作步骤等。
（三） 精心设计实验
构思实验设计，离不开实验原理，因为化学变化的发生及其结果的实现、实验物质（试剂）的选择、条件的确定、控制的方法、装置的构成和操作的设计，莫不受一定的原理支配。实验原理对其他实验要素起着支配和影响的作用，其他各要素之间也存在一定的相互制约与影响的作用，如图32所示。
图32〓化学实验要素及其相互关系
（1） 据实验原理选择实验物质和实验条件。例如，制备氯气的实验，依据： MnO2+4HCl（浓）△MnCl2+Cl2↑+2H2O，选择MnO2和浓盐酸作实验试剂，酒精灯加热为实验条件。
（2） 依据实验原理、试剂、条件选择实验仪器，设计实验装置。如上例依据两种反应物的性状和条件，即固体与液体进行加热反应，选择分液漏斗和圆底烧瓶、酒精灯、铁架台等组成气体发生装置。依据产物Cl2的状态、毒性及性质，选择和设计气体收集装置（或前面设计除杂、干燥装置）、尾气吸收装置。
（3） 依据实验原理、装置、试剂设计实验操作及其程序。
设计实验操作及程序： ① 要考虑实验的整个过程，符合实验原理、实验过程的变化规律；② 要考虑各种试剂及仪器的特点，进行规范操作，并提出实验过程中的注意事项；③ 要预测实验对象正常的和可能出现的现象；④ 要考虑实验的安全及环保因素等。如上例Cl2的制备的总操作程序为： 氯气的制取→氯气的收集（或前面再加氯气的净化）→尾气的吸收。
具体操作为： 按实验装置图装置实验装置→检查气密性→装入试剂（在烧瓶里加入少量MnO2粉末，在分液漏斗里加入适量密度为1.19g/cm3的浓盐酸，在尾气吸收装置的烧杯里加入适量氢氧化钠溶液）→操作控制（通过分液漏斗加入适量浓盐酸与MnO2混合，并缓慢加热圆底烧瓶，排空）→向上排空气法收集氯气→吸收尾气。
操作注意事项： ① 缓慢加热；② 有效的尾气吸收。