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1、中学化学实验创新设计研究,熊 言 林,1 引言 2 化学实验教学中的问题 3 化学实验创新设计的原则 4 实验创新设计的策略和方法 5 实验创新设计时应注意的问题 讨论： 卓越中学化学教师的标准,1 引言,1.1空气中氧气体积测定实验 （1）设计1,（2）设计2 （3）设计3,红磷在密闭容器中燃烧时耗氧量的测定,可燃物燃烧三条件是必要的，但不是充分的。有时即使燃烧的三个必要条件都具备，燃烧也不一定能发生。,1.2趣味化学实验设计,（1）铜变银银变金实验。 （2）化学振荡实验,例如，化学振荡实验,化学反应原理：,在Mn2+的催化下， 5H2O2+2IO3+2H+5O2+6H2O+I2 淀粉遇I2
2、变蓝；I2+CH2(COOH)2ICH(COOH)2+I+H+I2+ICH(COOH)2I2C(COOH)2+I+H+ 丙二酸控制碘量，溶液呈亮黄色；I2+5H2O22HIO3+4H2O 溶液呈无色。,振荡实验溶液配制：,（1）无色溶液A ：在烧杯中，加入41 mL 30 %的H2O2溶液，再加入59mL自来水，用玻璃棒搅拌均匀，装试剂瓶，即为无色溶液A。 （2）无色溶液B ：称取4.3 g碘酸钾，放入到100mL烧杯中，加入约60mL的自来水，加热溶解，冷却后，再加入4 mL 2 mol/ LH2SO4溶液，用自来水稀释到100mL的标记处，用玻璃棒搅拌均匀，装试剂瓶，即为无色溶液B。,（3
3、） 无色溶液C ：称取0.03g可溶性淀粉，放入到100mL烧杯中，加入少量的自来水，加热、搅拌、煮沸2分钟后，冷却，再加入1.6g丙二酸、0.34g硫酸锰晶体，再用自来水稀释到100mL的标记处，搅拌均匀，装试剂瓶，即为无色溶液C。,1.3化学实验教育功能 (1) 感性认识的源泉; (2) 理性认识的支架; (3) 求证假设的手段; (4) 科学探究的方法; (5) 发展创新能力的途径; (6) 激发兴趣的武器以及培育情感的土壤。,2 化学实验教学中的问题,跟中学化学实验教学有关的问题主要来源于化学教育教学实践。主要有以下三个大方面：(1)化学教学需要跟实验现状的矛盾；(2)化学实验结果跟理
4、论预期的矛盾；(3)不同化学实验方案之间的差异。,具体教学中有八个方面：,（1）有理念少行动； （2）有开发少实用； （3）有情境少建构； （4）有教师少实验员； （5）有实验室少用品； （6）有活动少专题； （7）有内容少课时； （8）有考核少监督。,特别是化学教材中的实验问题,(1)实验原理的科学性 (2)实验安全性 (3)实验现象可见度 (4)实验步骤 (5)实验操作 (6)试剂用量 (7)实验装置 (8)实验装置图,例如乙烯的制取与性质实验,又如空气中氧气含量的测定,存在着一些不足：将点燃的红磷伸入集气瓶过程中不仅产生对环境有污染的五氧化二磷，而且还会因为伸入集气瓶瞬间使空气膨胀，使瓶
5、内空气逸出，导致测量结果偏大； 装置中所用的导管实验前充有空气 ，红磷火焰熄灭倒吸后这部分空气进入容器。实验后导管充满了水，而这些水本应该进入容器中。这两种因素会导致实验结果偏低；燃烧匙一般由金属铜材料制成，加热条件下磷单质与铜反应生成Cu3P，使燃烧匙受到腐蚀。,新的中学化学教材中有许多经典实验，实验方法被长期传承和运用。虽有改进，但不排除有的实验存在诸如（1）不便操作、（2）严密性差、（3）现象不稳固、（4）实验步骤不合理等瑕疵。化学教师应以科学创新的态度去审视每一个实验，勤于反思、善于琢磨、精于研究，勇于创新。使教学行为将变得更加有效，教学行动将不断有所创新。,3 化学实验创新设计的原则
6、,要设计具有良好教学功能的化学实验，需要用以下几项基本原则作为实验创新设计的指导思想。,3.1 目的性原则,目的性是实验创新设计要达到预期的化学教学目标。一般来说，其目的都是为了使化学实验教学效果更理想。 在设计实验前，首先要搞清楚实验到底要达到什么目的?,其目的可归纳3个方面：, 配合课堂讲授内容给学生提供感性认识，帮助阐明科学概念和化学原理，同时向学生示范规范的实验操作，培养学生观察和描述实验现象、发现和解决问题的能力。, 学习和巩固相关的理论知识，培养学生严谨的科学态度、良好的实验习惯和科学探究能力。 拓宽学生的知识面，激发学生学习化学的兴趣，巩固和提高学生的实验技能，锻炼学生运用化学知
7、识解决实际问题的能力，培养学生的创新意识和实践能力。,例如二氧化碳性质实验设计,先在烧杯内壁上贴上干燥的蓝色石蕊试纸和湿润的石蕊试纸各一张，在烧杯外壁贴上湿润的蓝色石蕊试纸一张。将2mL 澄清石灰水倒入烧杯底部，将集气瓶中的二氧化碳倒入烧杯中并摇晃，观察变化。再将燃着的阶梯形蜡烛缓缓地伸进烧杯内，观察变化。最后将已经变红的石蕊试纸在酒精灯上烘烤片刻，观察观察它的变化。,实验设计优点与效果：,（1）实验设计巧妙，操作简便，现象明显，成功率高，有效弥补了容易失败的不足。 （2）几个实验整合在一起进行，简化了实验操作，短时间内即可完成，节省了二氧化碳，也提高了课堂效率。 （3）实验设计过程中应用了控
8、制变量法，改变了原有的实验思维定势，激发了学生的创新精神，培养了学生的实践能力。本实验折射出二氧化碳的四种性质，实现了教学二氧化碳物理性质和化学性质的无缝对接，有利于教学目标落实。,3.2 科学性原则,科学性是化学实验创新设计的核心原则。科学性是指创新设计中的化学原理、装置原理、操作原理和方法都必须与化学理论知识、实验方法相符合。 一个优秀的化学实验创新设计，应具有严谨的科学性。简言之，就是合理性。,例如：二氧化碳的密度比空气大实验,有不少老师设计了用两个气球(或塑料保鲜袋)，分别充满二氧化碳和空气，置于同一高度在同一时刻下落，观察气球落地的先后(先落地的是二氧化碳，后落地的是空气)。实验中存
9、在许多不严密的地方气球自身的质量不完全相等；充气后气球的体积和形状不完全相同。这些因素都直接影响气球落地的先后。,又如：氨的合成实验创新设计,图1 1.重铬酸铵 2.玻璃纤维 3.酚酞溶液,验 证,图2 1.重铬酸铵 2.玻璃纤维 3.酚酞溶液 (或2%硫酸亚铁溶液),重铬酸铵热分解产物：,重铬酸铵热分解产物主要是三氧化二铬、氮气和水 (NH4)2Cr2O7Cr2O3+ N2+4H2O 另外，还有氨气、氧气。 2(NH4)2Cr2O72Cr2O3+4NH3+3O2+2H2O,3.3 安全性原则,安全性是指化学实验创新设计时应尽量避免使用有毒药品或反应生成有毒气体物质以及具有一定危险性的实验装置
10、和实验操作。 如果必须使用，应在所设计的实验方案中详细写明注意事项和防护措施，以防造成环境污染和人身伤害。,例如：二氧化碳的灭火性实验探究,教材中沿用了较为传统而又经典的二氧化碳灭烛实验：即在烧杯内点燃两支呈阶梯形的蜡烛，然后倒入一瓶二氧化碳，观察蜡烛燃烧的变化。,其实验本身存在以下的缺陷： 实验的安全性差 在倾倒二氧化碳的过程中，操作者双手被蜡烛火焰灼烤，苦痛难耐，背离了人性化的原则； 蜡烛正常燃烧的火焰较旺，在烧杯内燃烧放热使杯内气体热膨胀，二氧化碳很难倒入杯底，导致灭烛实验失败； 受烧杯自身口径的制约，倒进的二氧化碳往往会将高的火焰扑灭，从而造成实验的负效应。,又如，CO还原氧化铁实验,
11、再如，德国一实验室做实验,一学生实验需用氢氟酸，被告知需要培训讲解，因为非常危险。1个教师用PPT给学生讲解了大约1个小时，使用规则、以及急救措施等等，确实是非常具体到位，使学生学到不少东西。最后叮嘱学生：我可以和你一起做一次，然后以后你做的时候随时叫我，因为这种酸非常危险，必须要有2个人一起做，万一出了问题，有其他人急救。,3.4 可行性原则,可行性是指设计的化学实验方案中所运用的化学原理、装置原理、操作原理和实验方法在实施时切实可行，所选用的化学实验药品、仪器、设备和方法在现有的条件下能够得到满足，并在实验中能得到正确的实验现象和结论。 可行性是实验创新设计的根本原则。,例如，火焰层温度高
12、低探究,蜡烛燃烧的实验探究中，把火柴棒放入火焰中，看哪一层最先变黑。教师有没有发现由于火柴棒表面很粗糙、易燃、易碳化，导致实验现象不是很明显。能不能改进？改用表面相对光滑的竹质牙签代替火柴棒，或用润湿的白纸，结果怎样？,3.5 简约性原则,对于同一实验，实验越简单越好，简单就是美。 所谓简约性是指要尽量采用简单的实验方法和实验装置，用较少的实验步骤和实验用品，在较短的时间内可完成效果明显的实验。,例如，混有空气的氢气遇火可能会爆炸,恰当的实验创新设计既突出重点，又没有冗长的实验步骤，充分体现出简约性。 一位大家说：“一个科学家最大的本领就是在于化复杂为简单，用简单的方法去解决复杂的问题。”,3
13、.6 创新性原则,创新程度的高低，是衡量一个创新实验价值大小的重要标准。所谓创新性，是指实验设计要敢于突破陈规，独到于新颖、独特、巧妙之处，能反映新事物、新观点、新理论、新方法和新思路等。一个优秀的化学实验创新设计必须反映出实验设计者独出心裁的构思。,例如二氧化碳熄灭烛火的实验,缺口向下插入细沙中的凹形三合板,细沙子,NO2制备与喷泉实验设计,3.7 趣味性原则,化学实验常令学生兴趣盎然、终生不忘的原因，是化学实验现象具有趣味性。 所谓趣味性是指设计的实验所得出的现象和结果能够激发学生的好奇心和求知欲，从而引起学生学习化学的兴趣和动机。,例如氨的彩色喷泉实验设计,又如，化学彩虹实验,化学彩虹实
14、验是采用互不相溶的不同溶剂构建异相、多层、不同颜色的化学彩虹，或者是采用浓度不同且具有密度差的相同溶剂构建同相、多层、不同颜色的化学彩虹等等。相同溶剂化学彩虹实验：配制体积分数为0%、30%、50%、65%、85%、100%的乙醇水溶液。,首先将实验所需的药品和仪器准备好。药品：无水乙醇（或灯用酒精），自来水，水彩笔；仪器：10mL量筒，试管，胶头滴管，烧杯，试管塞。,彩虹颜色由下至上分别是绿、紫、红、蓝、黄、橙色,3.8 启发性原则,所谓启发性是指实验创新设计本身具有启迪学生思维的作用以及教师对实验作出一系列富有启发性的指导，使学生在实验或实验观察中能自觉、深入地思考，并对实验的结果进行论断
15、和评价，从而培养学生思维能力和创新精神。,例如溶解度教学实验设计,（1）把蔗糖逐步加入一杯冷水, 把食盐加入一杯等量的热水中, 直到二者不能再溶解为止。（记下蔗糖、食盐用量。下同） （2）常温下, 将蔗糖逐步加入半杯水中, 把食盐逐步加入一杯水中, 直到二者不能再溶解为止。 （3）常温下, 在相同的两杯水中, 分别加入1g蔗糖和1g食盐, 都能完全溶解。根据实验结果学生去思考分析、判断、归纳，获得什么结论？,例如，铁与氧气反应实验,学生也看到铁丝在氧气中燃烧，发出耀眼的白光，并有黑色的物质落在集气瓶中的水面下。 但教师在实验前后没有引导学生思考“红热的铁丝为什么在瓶外不燃烧而在瓶内燃烧？瓶外也
16、有氧气吗？”而教师又不解释，这样的实验教学怎能激发学生求知探究的欲望呢？,例如，铁与硫粉反应实验新设计,图6,4 实验创新设计的策略和方法,由于中学化学实验创新设计的具体对象、内容、目的和方法的不同，因此其创新设计没有固定的模式和方法可循。但是，通过对众多创新实验案例的分析，可以发现已有不少行之有效、可借鉴的策略和方法。,4.1 组合策略,组合策略就是将一些相关的化学实验按某种关联因素或特征进行新的组合，构成新的实验方案的实验创新方式。 爱因斯坦曾说过：“为了满足人类的需要而找出已知装置的新的组合的人就是发明家。” 同样，将已有的化学实验按一些共同特征或功能进行合理组合，使其具有某种新的教育功能也是对原有化学实验的一种创新。,例如，CO2密度和化性组合实验,取一只烧杯，注入少量澄清的石灰水，振荡、观察 (看到什么？ )；然后向烧杯内倾倒一瓶二氧化碳(约6s)，盖上毛玻片，振荡 (又看到什么？) 。后者观察到澄清的石灰水变浑浊。 此现象表明二氧化碳的密度比空气大；接着顺势揭示二氧化碳能和氢氧化钙起反应的化学性质。 该实验的最大创新之处在于，彻底排除了传统实验中的诸多不确定因素，稳固性、可操作性以及可见性极强。,
