新课程背景下高中化学实验教学的优化.doc

2008年学会论文
化学学科

新课程背景下高中化学实验教学的优化
余杭中学 徐颖
【摘要】化学是以实验为基础的科学，实验能力也是学生综合能力测试中真正最具有 “综合”意义的一种能力，这种能力的培养，在化学学科教学中担负着重要的责任。本文着重从新课程背景下化学学科教学的角度，阐述了在高中化学课程深入改革的过程中引起的对实验教学新功能的深入思考，并对某些化学实验的方法进行优化。
关键词：新课程； 高中化学实验； 优化
引言：2006年秋我省高中课程开始了新一轮的改革，高中化学新课程分为化学1、化学2两个必修模块和化学与生活、化学与技术、物质结构与性质、化学反应原理、有机化学基础和实验化学6个选修模块。新课程标准提倡学生独立进行或合作开展化学实验研究。通过化学实验能激发学生的学习兴趣，帮助学生通过实验探究形成化学概念、理解化学基础理论、掌握化学知识和技能，培养学生的科学态度和价值观，帮助学生发展思维能力和训练实验技能，从而达到全面提高学生的科学素养的目的。
一、新课程理念对实验教学的要求
化学是一门以实验为基础的学科。化学上的许多理论和定律都是从实验中发现归纳出来的。同时，化学理论的应用、评价也有赖于实验的探索和检验。虽然到了近代乃至现代，化学的飞速进步已经产生了各种新的研究方法，但是，实验方法仍然是化学不可缺少的研究手段。新课程改革将科学探究作为突破口，科学探究不但是一种重要的学习方式，同时也是中学化学课程的重要内容，它对发展学生的科学素养具有不可替代的作用。而化学实验是科学探究的重要形式。
新课程理念下，探究学习、合作学习是中学化学课程的主旋律。化学教学如何适应探究、创新的要求呢？实验是化学学科的基础，是实现化学教学目标的重要途径。实验教学应该给学生提供探究、创新的平台,应该在培养学生的观察能力、思维能力、分析问题和解决问题的能力以及动手能力等方面起到应有的作用。
二、化学教材实验内容的特点和教育功能
苏教版高中化学新教材是我省高中新课程改革实验的选用教材。该套教材很重视化学实验的改革，将实验作为新课程倡导的教学方法和学习方式的载体，精心设计实验方案，积极开发探究性实验，加强了实验在化学教学中的优势地位。
高中化学课程标准中化学实验的内容是以两种方式加以组织。一种是分散的方式，即将化学实验分散在化学1、化学2及“化学与生活”、“化学与技术”、“物质结构与性质”、“化学反应原理”、“有机化学基础”等相应的模块课程内容中。实验内容主要以观察与思考、活动与探究两类栏目体现，“活动与探究”栏目偏重于学生实验，“观察与思考”栏目偏重于演示实验。本文已对除实验模块外的其他模块的实验进行了整理〔见附表1—表7〕
化学实验内容的另一种组织方式是集中的方式，即《实验化学》模块以各个专题的形式展开。以此来强化化学学科特征，培养学生的化学实验能力，从而提高他们的科学素养。《实验化学》模块共分 “物质的分离与提纯”、“物质性质的探究”、“物质的检验与鉴别”、“化学反应条件的控制”、“电化学问题研究”、“物质的定量分析”、“物质的制备与合成”等七个专题。它的基本结构体系如下：
物质的分离与提纯
物质性质的研究
物质的检验和鉴别
化学反应条件的控制
电化学问题研究
物质的定量分析
物质的制备与合成
化学实验应用领 域
化学实验方 法
训练科学研究方法
学习化学核心知识
掌握基本操作技能
培养科学态度和环保意识
实验化学结构体系

各个专题之间有由浅入深的内在序列，从研究化学现象所必须的基本操作和方法开始入门，逐渐上升到对化学反应规律、化学反应条件的控制的研究，从定性研究上升到定量研究，从单一物质的性质研究实验过渡到集多种实验方法和手段的物质制备的综合实验。
基于以上教材特点，新的教学理念下化学实验教育功能具有以下突出表现：培养学生的创新精神和实践能力；提供形成科学概念、验证和理解学科基础理论的感性材料；转变学生学习方式和发展科学探究能力的重要途径；落实“情感态度与价值观”目标的重要手段；培养和发展学生的观察能力、思维能力以及科学的方法。
在各课程模块的教学中，都结合模块的特点强化化学实验。在必修课程模块中，重视培养学生“初步学会物质的检验、分离、提纯和溶液配制等实验技能；树立安全意识，能识别化学品安全使用标识，初步形成良好的实验工作习惯；能够独立或与同学合作完成实验，记录实验现象和数据，完成实验报告，并能主动进行交流；初步认识实验方案设计、实验条件控制、数据处理等方法在化学学习和科学研究中的应用”。在 “实验化学”课程模块中，增加了定量实验和化学实验设计的内容，除了上述这些功能外，还介绍了现代化学实验技术、绿色化学的基本思想，并十分注意培养学生的环境保护意识。
三、中学化学实验的优化
现教材中化学实验主要分为以下几类：
1、教师演示实验：紧密配合课堂教学内容，由教师通过实验演示显示现象，学生在教师的指导下进行观察、记录、整理、思考和概括结论。教师的模范行为对学生进行科学精神、科学态度和良好习惯、情操的熏陶。
2、实验室学生实验：结合一章或一节教学内容的单个大型实验或小型实验组合，由学生单独完成或由学生实验小组完成。
3、学生选做实验：实验内容不完全受教材教学内容限制，具有较强的趣味性，实用性，和探索性，有利于学生拓宽知识面，加深对某一问题的深入研究，有利于发展学生个性特长。
4、实验习题：教材中不提供现成的实验方案，只提出实验解答习题的任务，要求学生综合运用所学知识和技能设计出实验方案，经过交流、讨论和教师咨询、指导后，由学生在实验室中进行实验，运用实验结果来解答问题。
5、图示叙述实验：教材中仅叙述了实验的过程或结果，而并未要求学生或教师亲自动手完成的实验。此类实验大多是装置较为复杂，或实验的定量要求较高，重在对实验所得数据的处理、分析，得出正确的结论。
新一轮课程改革的基本理念，促进学生积极主动的开展科学探究是新一轮课程改革的重要特征。为了更好的体现化学实验的功能，我们可以对一些化学实验进行优化，比如有些实验可以用微型实验来代替，有些可以引入传感器，有些实验可以用多媒体技术来代替等等。本文对教材中的某些实验进行了优化。
㈠、将一些实验转化成微型实验，在实验操作过程中节省药品和时间，降低经济成本，减少污染或废弃物，从而真正做到绿色化学。
案例：铜与硝酸的实验改进：
不同浓度的HNO3与Cu 的反应,是验证不同浓度的HNO3氧化性不同的典型实验. 实验中,浓烈的有刺激气味的NO2毒气,弥漫在实验场所,严重地影响着师生的身体健康. 为了能保留这一典型实验,又不污染环境,我们进行了无毒气污染的Cu 与HNO3反应实验研究,并在教学实践中进行了检验。
　 实验过程：
(1)、仪器：微型化学实验操作台(120mm ×200mm、10mL) 、双颈烧瓶、小胖肚滴管(每毫升约20 滴) 、连接管、U 形管反应器。
（2）、试剂：浓HNO3 (0.15mL) 、细铜屑(芝麻大小的约6 粒) 。
（3）、材料：PH 试纸
（4）、步骤：
向双颈烧瓶内放入4 粒左右的铜屑；将吸入了浓HNO3 的小胖肚滴管紧塞在双颈烧瓶的左颈上；把2 粒铜屑放入U 形管反应器的弯管处，并向弯管处滴入约6 滴蒸馏水(水刚好封住弯管) ；
把润湿的pH 试纸放在U 形管反应器的右管口(只留约012mm 的缝)。向双颈烧瓶内先滴入约4 滴浓HNO3，Cu 与浓HNO3反应,双颈烧瓶内立即充满了红棕色的NO2气体： Cu + 4HNO3 (浓) = Cu (NO3 ) 2 + 2NO2 ↑+ 2H2O
NO2气体经连接管进入U 形管弯管处的水里,并与水反应,生成HNO3和NO；当双颈烧瓶内的反应减缓时，可以再逐滴滴入4 滴浓HNO3，使不断产生的少量NO2 气体，能缓缓通入U 形管中的水里，充分与水反应,生成稀HNO3。
在这过程中,我们可以观察到:起初放入U 型管内水中的铜屑，没有与水反应，但当NO2通入水中后，慢慢地发现铜的表面产生了气泡，生成的气体也是无色的NO 气体；NO 气体升到U 形管管口,被空气中的氧气氧化；
NO2与试纸上的水反应生成HNO3 ，HNO3 使PH 试纸变红。 当PH 试纸变红后，可以把用水或碱液润湿的小棉花球放在U 形管管口上,把产生的剩余NO2吸收掉。为了验证是NO2与水生成HNO3使PH 试纸变红，而不是NO 与水反应使PH 试纸变红(NO 几乎不溶于水)，所做的印证实验如下：
把稀硝酸与铜反应生成的无色NO，直接通入水中，结果,经过较长时间不能使水中的PH 试纸变红，而洗气头出口处的NO 气体与空气中O2 反应生成NO2 后，与管口润湿的PH 试纸里的水反应生成HNO3使PH 试纸变红。
㈡、引入传感器，让学生能够更加直观，更加明显的看到实验现象，借助数字实验室来完成，如引入温度传感器来测定化学，在电脑屏幕上显示更为直观。
案例：硫代硫酸钠与酸反应速率的影响因素

新课程选修6《实验化学》课题1 硫代硫酸钠与酸反应速率的影响因素，在课题方案设计中，为了比较实验中溶液出现浑浊的快慢，我们往往是先在一张白纸上用黑色记号笔在合适的位置画上粗细、深浅一致的“十”字，衬在反应容器（锥形瓶）的底部。实验以Na2S2O3和 H2SO4两溶液相混合时开始计时，到溶液出现的浑浊将锥形瓶底部的“十”字完全遮盖时结束。通过比较记录的反应所需时间，可以判断反应速率的大小。该实验存在问题：用观察法判断“出现的浑浊将锥形瓶底部的‘十’字完全遮盖”这个标准很难精确鉴定，实验的误差性很大，对于化学实验科学严谨的态度培养并不十分和谐。
探究浓度对反应速率的影响实验改进方案：取两个针桶，编号为1、2号。用1号针桶中抽取2毫升0.1mol·L-1 Na2S2O3溶液，用2号针桶抽取2毫升0.1mol·L-1H2SO4溶液。将分光光度计调零，在放置比色皿的孔口上用泡沫塑料板覆盖。然后将两针桶插入泡沫塑料板，针口对准比色皿内槽，同时将针桶内的溶液注射到比色皿内（如下图），并记录时间。待传感器上透光率显示为30%时，记录反应所需的时间。
调节旋钮
橡胶盖
比色皿
滤光片
光源
光电二极管
透射光（I）
入射光（I0）
将上述两针桶洗净润洗后，用1号针桶中抽取1毫升0.1mol·L-1 Na2S2O3溶液和1毫升蒸馏水，用2号针桶抽取2毫升0.1mol·L-1H2SO4溶液。同上操作，记录反应所需的时间。

㈢、将一些验证性实验转换为探究性实验，设置实验问题选择实验时机，引导学生观察和分析实验现象。例如，先让学生联想一下日常生活中的一些金属能否与水反应，比如铁、铜等。将他们投到水中会观察到什么现象。金属钠投入到水中的情况又是怎么样呢？学生带着问题进行钠与水反应的探究实验。实验完毕，分析实验现象，总结金属钠在反应过程中所表现的物理化学特征。同时在实验过程中很多同学通过实验现象推倒出是气体，但是到底是什么气体呢？对课本中钠与水反应的实验装置进行改进，要求所改经的实验装置在进行钠与水的实验时能够将气体富集后用于检验（点燃）。
㈣、借助多媒体技术。
由于中学化学实验技术的局限，很多实验我们看到的都只是宏观的现象，那么微观变化只能由教师理论分析，并引导学生进行推测和想象，但是这往往很难在学生肉脑中建立起对微观变化的正确理解。这时，我们如果借助计算机多媒体技术，把微观运动形象化，把微观现象以生动的画面、鲜明的色彩逼真地表现出来,有利于学生将宏观现象和微观变化有机地统一起来。例如,常规的电解饱和食盐水实验,只能通过对阴极和阳极的电解产物的检验来推测和想像电解过程中各种离子的移动情况。为了形象地展示电解过程中的微观变化,我们可以利用多媒体技术,设计三维动画模拟电解饱和食盐水时溶液中Na+、Cl-、H+、OH-离子的运动情况,从微观本质上加深对电解过程的理解。另外,像分子结构、晶体结构以及化学反应历程等一些不能用真实实验来表现的微观概念和理论,利用计算机的三维图像与动画模拟功能,直观、形象、生动地加以展现,把难以想像的微观世界形象化,能达到其他教学技术无法达到的效果。
有些化学实验中涉及的试剂有毒、易燃、易爆,实际做起来危险性较大。对于这样的实验则可以利用计算机进行模拟,不但让学生观察到了实验现象,而且还节省了药品和时间。另外,化学实验中的一些危险操作,只能由教师口头讲述其错误的原因和可能造成的后果,却不能通过真实的实验来演示。而利用计算机的动画模拟可以让学生“亲自感受”错误操作带来的危害,给学生以深刻的印象。例如,氯化氢气体制备的学习,教师可以让学生根据实验原理首先在电脑实验室中模拟HCl的制备,由于学生没有想到HCl在水中的溶解性很大,因此在吸收多余的HCl时,将导管直接插入水中。这时教师不必立即指出他的错误,而是“将错就错”让计算机模拟进行实验。这时,学生亲眼观察到烧杯中的水由导管流到集气瓶进而进入圆底烧瓶,引起圆底烧瓶炸裂的现象,给学生以深刻的感性认识。这不但有利于学生理解在水面倒扣一个漏斗防止倒吸的原理,而且强化了学生规范操作的意识。但是必须明确,各种媒体呈现给学生的现象只是物质运动变化的“影像”或模拟,它不能代替真实可信的具体实验,让学生亲自做实验,观察实验,研究实验,是学生获得化学知识,全面提高科学素养的最重要的途径。
总的来说，在化学学科发展的不同时期,化学实验的作用是不相同的,化学实验研究的方向也有所不同。让学生关注环境问题从学习化学开始,从实验室开始现代化学进入到高速发展及普遍应用阶段,作为为基础化学教学服务的化学实验研究,我认为有以下发展方向：(1)中学化学实验的简约化； (2)实验的改进与创新；(3)微型实验；(4)绿色化学与实验的研究；(5)引入传感技术等。

参考文献：
[1] 王祖浩.化学课程标准解读[M].湖北教育出版社,2002
[2] 王秋生.以新课程理念指导中学化学实验教学.《教学仪器与实验》[J]，2005-2
[3] 钟有泽.谈新课程理念下的中学化学实验教学.《四川教育学院学报》[J]，2005-4
[4] 常 坤.多媒体技术在中学化学实验中的应用.《中国电脑教育报》[J],2005-3-21
[5] 李远军.化学实验的研究方向.绵阳师范学院学报[J]，2006-10
[6] 孙丹儿 占小红.塑教版高中《实验化学》模块教材解析.化学教学[M],2007-09
附 表1《化学1》中的化学实验

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出现栏目
实验名称
实验功能
14
活动与探究
胶体的性质实验
了解物质的有关性质
19
观察与思考
萃取
获得化学实验的基本技能
20
观察与思考
蒸馏（蒸馏水的制取）
获得化学实验的基本技能
21
活动与探究
常见离子检验
获得化学实验的基本技能
24
活动与探究
配制一定物质的量浓度的溶液
获得化学实验的基本技能
40
观察与思考
电解饱和食盐水
培养创新精神和实践能力
42
观察与思考
氯气的性质实验
了解物质的有关性质
42
活动与探究
氯水的性质实验
了解物质的有关性质
49
观察与思考
钠的性质实验
了解物质的有关性质
51
活动与探究
碳酸钠的性质实验
了解物质的有关性质
52
活动与探究
碳酸钠和碳酸氢钠的性质比较
了解物质的有关性质
53
活动与探究
电解质溶液的导电性实验
培养创新精神和实践能力
56
观察与思考
镁的性质实验
了解物质的有关性质
66
活动与探究
氢氧化铝的两性实验
了解物质的有关性质
68
活动与探究
铝的性质实验
了解物质的有关性质
75
活动与探究
铁离子和亚铁离子的转化实验
了解物质的有关性质
76
活动与探究
铁离子与铜的反应
了解物质的有关性质
88
观察与思考
二氧化硫的性质实验
了解物质的有关性质
91
观察与思考
浓硫酸的性质实验
了解物质的有关性质
98
观察与思考
氨的性质实验
了解物质的有关性质
99
活动与探究
铵盐的性质实验
了解物质的有关性质
100
观察与思考
硝酸的性质实验
了解物质的有关性质

表2 《化学2》中的化学实验

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出现栏目
实验名称
实验功能
5
活动与探究
探究金属性非金属性的强弱
了解物质的有关性质
30
活动与探究
影响过氧化钠分解反应速率的因素
培养创新精神和实践能力
32
活动与探究
化学反应的限度
了解物质的有关性质
40
活动与探究
化学能转化为电能
培养创新精神和实践能力
42
活动与探究
化学电源
培养创新精神和实践能力
44
观察与思考
电解氯化铜溶液
培养创新精神和实践能力
59
观察与思考
甲烷燃烧，收集甲烷、氯气
了解物质的有关性质
61
观察与思考
蒸馏石油
培养创新精神和实践能力
63
活动与探究
乙烯的性质实验
了解物质的有关性质
66
观察与思考
苯的性质
了解物质的有关性质
69
观察与思考
乙醇的催化氧化
了解物质的有关性质
71
活动与探究
乙酸的性质实验
了解物质的有关性质
72
活动与探究
油脂的水解
了解物质的有关性质
75
活动与探究
葡萄糖的银镜反应
了解物质的有关性质
77
观察与思考
蛋白质的性质实验
了解物质的有关性质

表3 《有机化学基础》中的化学实验

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出现栏目
实验名称
实验功能
8
观察与思考
乙醇分子结构的思考
培养和发展学生的观察能力、思维能力以及科学方法
24
活动与探究
同分异构体现象
培养和发展学生的观察能力、思维能力以及科学方法
50
观察与思考
苯的硝化、溴化实验
了解物质的有关性质
52
观察与思考
苯的同系物的性质
了解物质的有关性质
62
观察与思考
溴乙烷的性质实验
了解物质的有关性质
68
观察与思考
乙醇与氢卤酸反应
了解物质的有关性质，根据实验内容，设计课题方案
69
活动与探究
乙醇脱水实验
了解物质的有关性质，根据实验内容，设计课题方案
72
活动与探究
苯酚的物理性质
了解物质的有关性质
72
活动与探究
苯酚的性质实验
了解物质的有关性质
73
活动与探究
苯酚的性质实验
了解物质的有关性质，根据实验内容，设计课题方案
74
活动与探究
处理含酚废水
树立环境保护和绿色化学的意识
76
观察与思考
比较苯和苯酚的溴代反应
了解物质的有关性质
79
活动与探究
乙醛的性质实验
了解物质的有关性质
80
观察与思考
酚醛树脂的制备
激发学生学习化学的兴趣
93
活动与探究
蔗糖的化学性质
了解物质的有关性质
93
活动与探究
多糖的水解
了解物质的有关性质，根据实验内容，设计课题方案
94
观察与思考
纤维素的性质
激发学生学习化学的兴趣，了解物质的有关性质
102
活动与探究
检验氨基酸的方法
获得化学实验的基本技能
103
活动探究
蛋白质的性质实验
了解物质的有关性质
104
活动与探究
检验蛋白质的方法
了解物质的有关性质，根据实验内容，设计课题方案
108
活动与探究
酶的催化作用
根据实验内容，设计课题方案，记录实验现象，得出实验结果

表4 《化学反应原理》中的化学实验

页码
出现栏目
实验名称
实验功能
6
活动与探究
用简易量热计测定盐酸与氢氧化钠溶液反应的反应热
培养创新精神和实践能力
12
活动与探究
锌与硫酸铜溶液反应发生的能量转化
培养创新精神和实践能力
13
活动与探究
铁铜原电池
培养创新精神和实践能力
18
活动与探究
电解氯化铜溶液
培养创新精神和实践能力
19
观察与思考
电镀银
培养创新精神和实践能力
22
活动与探究
铁的腐蚀实验
培养创新精神和实践能力
30
观察与思考
过氧化氢分解反应中过氧化氢物质的量浓度与时间关系
培养创新精神和实践能力
32
活动与探究
测定盐酸与碳酸钙反应的速率
培养创新精神和实践能力
33
活动与探究
碳酸氢纳与不同浓度盐酸的反应速率
培养创新精神和实践能力
35
活动与探究
温度对反应速率的影响，高锰酸钾溶液与草酸反应
培养创新精神和实践能力
36
活动与探究
催化剂对反应速率的影响，过氧化氢分解反应
培养创新精神和实践能力
40
观察与思考
消石灰与氯化铵的反应
培养创新精神和实践能力
50
活动与探究
铬酸根与重铬酸根离子间的平衡
培养创新精神和实践能力
51
活动与探究
温度变化对化学平衡的影响
培养创新精神和实践能力
58
活动与探究
镁条与醋酸、盐酸的反应
培养创新精神和实践能力
70
活动与探究
氢氧化纳溶液滴定盐酸
培养创新精神和实践能力
71
活动与探究
测定氢氧化纳溶液浓度
培养创新精神和实践能力
74
活动与探究
测定部分盐溶液的酸碱性
培养创新精神和实践能力
76
活动与探究
测定次氯酸纳、醋酸纳、亚硝酸纳溶液的PH值
培养创新精神和实践能力
78
活动与探究
氯化铁的水解实验
培养创新精神和实践能力
81
活动与探究
沉淀溶解平衡
培养创新精神和实践能力
84
活动与探究
沉淀转化
培养创新精神和实践能力

表5 《化学与生活》中的化学实验

页码
出现栏目
实验名称
实验功能
4
观察与思考
温室效应实验
树立环境保护和绿色化学的意识
16
活动与探究
测定水体的pH
激发学生学习化学的兴趣，获得化学实验的基本技能
24
活动与探究
废弃塑料裂解的实验
树立环境保护和绿色化学的意识
31
活动与探究
过氧乙酸和乙酸的性质差异
了解物质的有关性质
44
活动与探究
测定碘盐中碘的含量
对物质进行定量分析，树立量的概念
50
活动与探究
淀粉水解液与氢氧化铜反应
了解物质的有关性质
57
活动与探究
了解维生素A1和维生素C的性质
了解物质的有关性质
61
活动与探究
纸层析法分析色素
获得化学实验的基本技能
68
活动与探究
“胃舒平”中主要成分的检验
了解物质的有关性质
85
活动与探究
铝的性质实验
获得化学实验的基本技能。
了解物质的有关性质。
96
活动与探究
银镜反应
获得化学实验的基本技能
102
活动与探究
塑料制品的修补与黏结
培养创新精神和实践能力

表6 《化学与技术》中的化学实验

页码
出现栏目
实验名称
实验功能
10
活动与探究
测定水的硬度
培养创新精神和实践能力
52
观察与思考
银氨溶液
了解物质的有关性质
54
观察与思考
纤维素硝酸酯的制备
培养创新精神和实践能力
60
活动与探究
不同条件下高吸水性树脂的吸水量
培养创新精神和实践能力
67
活动与探究
铝的阳极氧化
培养创新精神和实践能力
68
活动与探究
简易电镀
培养创新精神和实践能力
70
活动与探究
氢氟酸蚀刻玻璃
培养创新精神和实践能力
70
活动与探究
电路板的制作
培养创新精神和实践能力
75
活动与探究
影响玻璃的颜色
培养创新精神和实践能力
78
活动与探究
草酸亚铁性质实验
了解物质的有关性质
86
活动与探究
测定土壤的pH
获得化学实验的基本技能
93
活动与探究
土壤酸化的原因
培养创新精神和实践能力
95
活动与探究
营养液配制与无土栽培实验
培养创新精神和实践能力
109
活动与探究
聚苯乙烯解聚实验
培养创新精神和实践能力

表7 《物质结构与性质》中的化学实验

页码
出现栏目
实验名称
实验功能
31
活动与探究
微粒在平面的排列方式
培养学生的创新精神和实践能力
64
活动与探究
制作分子的立体模型
培养学生的创新精神和实践能力
65
活动与探究
分子的极性
培养创新精神和实践能力，了解物质有关性质
68
活动与探究
配合物的性质实验
了解物质的有关性质
72
活动与探究
配合物的应用
培养创新精神和实践能力，了解物质有关性质