化学实验创新技法.pdf

爆装置。国外有人用鸡蛋壳作为容器,做氢气和 空气混合气体的爆鸣实验,笔者以为该方法存在 不安全因素。国内有人用塑料袋收集空气及氢 气,扎紧,再用燃着的木条接触塑料袋,听到巨 响,且很安全。另外氢、 氯混合气的爆鸣以及氧 炔爆鸣等实验经改进,也提高了安全性。 钠跟水反应时比较剧烈,生成的碱液易溅 出。国外的改进是:将小块钠丢入折成漏斗形的 滤纸,放入盛水的烧杯中,使金属钠刚好与水接 触,盖上铁丝网(防止液体溅出)。烧杯中冒烟, 燃烧,并听到轻微爆鸣声,水变成红色。这一改 进较好地防止碱液溅出,突出钠与水反应放热、 生成氢气和碱的现象。值得一提的是将钠块投 入盛水的培养皿中投影,能全面认识钠与水反应 “浮、 熔、 游、 消、 变” 的现象,生动、 直观又安全。 重视实验的安全性,不仅是化学实验的基 本要求,而且是培养人的社会责任感的要求。 4 发展微型实验 微型化学实验由美国Mayo博士于80年代 初提出,其特点是实验药品微量化及实验仪器 微型化。优点是减少试剂用量,降低实验费用; 降低实验排废量,减少环境污染;缩短实验时 间、 且安全可靠。80年代末,微型实验介绍到 我国,90年代分别在杭州、 上海、 郑州等地召开 了微型化学实验研讨会。近几年国内化学教师 对微型实验的兴趣有增无减。 按照中学课本演示制取溴苯的实验,可能 会有溴蒸气挥发出来。近十年来,国内中学教 师发表了十多篇该实验微型化的文章,就如何 获得清晰的实验现象、 控制反应速度、 减少污染 等方面进行了有益探索。 杭州师院周宁怀教授研制的多用滴管和井 穴板微型实验仪器,价廉实用。用该套仪器电 解水制氢氧爆鸣气,通入起泡剂产生小气泡,点 火爆鸣。实验快速、 安全,适合分组实验或投影 实验时采用。 化学教学编辑部总结了国内外微型实验的 进展,阐述了微型实验原理及设计思路,选编了 部分中学微型化学实验,并提出了进一步探索 的题目。 5 设计综合实验 将两个或两个以上不同化学反应组合在一 起,提高实验的综合性,也是近几年的特点之 一。国内把气体的制备和性质实验组合在一 起,如氯气的制取及卤素间的置换反应的组合、 乙炔的制取及跟溴水等反应的组合、 还有白磷 的制取及自燃实验、 双镜实验等。最近国外有 人将金属跟水或酸的反应、 金属间的置换反应、 酸碱中和反应(包括气相酸、 碱反应)、 分解反 应、 沉淀反应等组合在一起,称之为 “多米诺演 示” 实验。将不同反应组合,向学生提供较丰富 的感性知识,有利于学生对不同反应进行比较、 分析、 归纳、 综合,理解和巩固化学知识,培养思 维和创新能力。 国外在实验教学中十分强调处理问题的过 程和技巧。国内对实验教学模式的研究也已开 始,相信这些研究和实践对化学实验在培养学 生创新等能力方面的促进作用是十分有益的。 化学实验创新技法 钱 再,瞿 兵 (锡山高级中学,江苏锡山214154) 文章编号:1005 - 6629(2000)09 - 0005 - 04 中图分类号:G633.8 文献标识码:B 1 引 言 以实验为基础展开化学教学已成为所有化 学教学工作者的共识。只有对化学实验进行不 断改进和创新,化学实验才会充满生命和活力, 52000年,第9期 实验与创新思维 才能最大限度地发挥实验在化学教学中的作 用,使化学实验教学更切合教学改革的潮流、 适 应素质教育和创新教育的需求。近年来,我们 教研组充分发挥群体优势,借鉴创造理论,运用 创造技法来创新和改进化学实验,取得了可喜 的成绩。在 化学教学 、化学教育 等刊物发 表实验创新和改进方面的论文二十多篇,“Cu 和浓HNO3的反应 蓝色喷泉实验” 获江苏 省第三次实验调演一等奖,“多种气体喷泉实验 演示器” 获江苏省自制教具一等奖。本文主要 介绍我校教研组将创造理论运用于化学实验创 新的若干技法,供参考。 2 组合技法 组合技法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 验方案的实验创新技法。爱因斯坦曾说过:“我 认为,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, 使其具有某种新的功能,也是对原有化学实验 的一种创新。例如 “Cu和浓HNO3的反应 蓝色喷泉实验”(主体设计者:马啸波 ) : 实验装置见图1、2。 图1图2 实验步骤与现象:如图1 ,在烧瓶中滴加 4mL浓硝酸,并在靠近橡皮塞(预先将石蜡熔融 均匀涂抹在橡皮塞上)的长导管上缠上螺旋状 粗铜丝,缓缓倒置烧瓶,接上一个盛水的塑料 瓶,按图2所示装配好。铜与浓硝酸即开始反 应,红棕色气体由下而上充满烧瓶,空气被排 出,塑料瓶中有气体逸出,逸出的少量气体被收 集在气球中。当整个烧瓶充满了NO2气体时, 用手挤压塑料瓶,使少量水进入烧瓶,立即形成 美丽的蓝色喷泉。烧瓶中剩余气体的体积约占 烧瓶体积的1/ 3。 上述实验将铜与浓硝酸反应的实验、NO2 与水反应的喷泉实验巧妙地组合在一起。装置 简单、 仪器少;两个反应连贯性强,一气呵成;操 作简便、 无污染(少量从水瓶中逸出的NO被收 集在气球中 ) ; 实验现象明显,趣味性浓;既有定 性的展示,又有定量的呈现(生成的NO体积与 参加反应的NO2体积的关系)。在课堂教学中 使用该实验,不仅能激起学生强烈的学习欲望, 使学生牢固掌握相应的化学知识,而且能形成 良好的教学气氛。教师若将该实验置于探究性 的教学情境中,教学效果则更佳。 运用组合法创新化学实验应注意下列问 题 :(1) 组合并不是几个化学实验的简单联接和 共同演示,经过组合的实验应具有原先实验所 不具有的教学功能,能获得1 + 1 2的教学效 益。(2)组合应是在对原先实验进行变形的基 础上再将它们进行有机的融合,切忌将一些并 不相干的实验生搬硬套地拼凑在一起。(3)组 合的实验应易操作、 仪器装置应简单明了,现在 有一些通过组合而改进的实验有往 “高、 太、 长” 发展的趋势,组合的实验很复杂,特别是其中还 使用了一些非常规的自制仪器,分散了学生的 注意力。教学时,为讲解仪器装置的功用而花 费的时间长,以致不能保证实验教学的重点,这 种做法显然不值得提倡。 3 模拟技法 模拟技法,指用学生比较熟悉的感性实验 材料来形象地说明学生平时较难观察的生疏现 象。中学化学中有许多与生产生活实际相联系 的教学内容,设计实验来模拟这些内容,使学生 在获取鲜明直观的印象的同时,萌发强烈的探 究欲望。例如我们运用下列实验成功地模拟了 沼气池产生沼气的过程: 实验原理:废弃有机物(如植物残体)在缺 6化学教学 2000年,第9期 氧条件下被微生物发酵分解,产生的气体即为 沼气,其主要成分为甲烷。 实验装置见图3。 图3 说明:(1) C瓶应高于B瓶,以便能产生水 压;(2)A相当于农用沼气池的发酵池,B相当 于储气室,C相当于水压箱。 实验步骤:将人尿、 新鲜猪粪或牛粪、 池沼 底部或阴沟里的黑臭污泥、 米糠或麸皮按一定 比例混合置于A瓶发酵,通过漏斗向A瓶加入 适量水并使漏斗下端插入水中,将B中盛满 水,C中盛适量水,按上述装置图将各部分联接 好,夹紧弹簧夹,将装置放在温暖处。 观察方法及现象:通过观察B瓶和C瓶水位 高低来判断生成气体的多少,大约一周后,B瓶水 位明显下降,此时松开弹簧夹,在尖嘴管处点燃所 得气体,可发现气体能够燃烧,火焰为淡蓝色。 上述模拟沼气池产生沼气的实验适用于课 外活动或家庭小实验。 此外,我们还成功地利用实验模拟了 “温室 效应” 、“发酵法制酒精” 等与生活密切相关的化 学现象。 4 逆向技法 逆向技法是指沿着事物的相反方向,用反 向探求的思维方式对现有的实验设计进行逆向 思考,从而提出新的实验设计的创新技法。逆 向技法有以下4种常见类型: 4. 1 功能反转 从事物的相反功能,去设想和寻求解决问 题的新途径,从而获得新的实验设计。例如稀 释浓H2SO4时,强调将浓H2SO4沿器壁缓缓加 入水中,且应边加边搅拌。若将水加入浓 H2SO4中,则会造成严重后果。利用一个安全 的实验将水加入浓H2SO4中这一违规操作造成 的后果展示给学生,可以提高学生的安全意识。 (详见瞿兵发表于94年2月 天津教育“故意 错误 一种实验教学的方法” 一文) 4. 2 结构反转 从已有实验的相反结构形式上来设想和寻 求解决问题的新途径。例如在演示完用碳棒 (惰性电极)电解CuCl2溶液的实验,引导学生 弄清电解原理后,将原实验中阴阳两根电极(此 时阴极碳棒上已附着红色的铜)调换再进行电 解,一段时间后阳极的碳棒上附着的铜消失。 显然将阴阳两极调换后,可以为非惰性电极作 阳极时的电解原理的学习设置探索情境。 4. 3 因果反转 从已有事物的因果关系出发,变因为果地 去发现新的现象和规律,寻找新的实验设计。 例如很多教师在铁的钝化的教学中的做法是: 先告知学生铁在浓硝酸中可以被钝化,再用实 验来验证(由因及果的验证)。我们的做法是: 将预先放入浓硝酸中的铁取出洗净,用它来与 硫酸铜溶液反应,却置换不出铜,以此来激起学 生的认知冲突(由因及果的探究)。 4. 4 状态反转 根据事物的某一属性(如动与静)的反转来 创新化学实验。例如课本中制备溴苯的实验中 是将溴和苯先加入烧瓶,然后在烧瓶中加入铁 粉(即溴和苯静、 铁粉动 ) , 由于反应物已全部加 入烧瓶,加入催化剂后,反应剧烈无法控制,导 致溴挥发从导管溢出而达不到预期目的。我们 采取先将铁粉加入烧瓶,将溴和苯的混合液加 入分液漏斗,通过分液漏斗的活塞来控制加液 速度(即铁粉静、 溴和苯动 ) , 从而克服了原实验 的缺陷。 5 强化技法 强化技法是指增加关键的需感知部分的强 度(称正强化 ) , 或排除一些无关和次要的现象 (称负强化 ) , 以突出研究对象。例如我们在铜 锌原电池实验的导线上接入音乐贺年卡中的单 72000年,第9期 实验与创新思维 元集成片,用悦耳的音乐来强化导线上产生的 电流。再例如 “溴的挥发性实验”: 实验装置见图4。 图4 实验步骤与现象:将加入少量NaOH溶液 的大号培养皿放在一调好的投影仪的载物台 上,在其中放入一个小号培养皿,滴两滴液溴在 小号培养皿中,迅速将中号培养皿罩在小号培 养皿上,很快就可以在投影屏幕上观察到深红 棕色的液溴挥发为红棕色的溴蒸气,过一会儿 红棕色即消失。 上述实验利用投影仪将溴的挥发现象放大 强化,使学生易观察,装置用NaOH溶液液封, 无污染,该实验还为后面讲解溴与NaOH溶液 的反应作了铺垫。 6 缺点列举技法 缺点列举技法指通过发现现有实验的缺 陷,把现有实验的缺点一一列举出来,然后提出 改革或革新方法的一种技法。列举缺点就是发 现问题,而创新就是要解决问题,每发现一个缺 点、 提出一个问题,也就是找到了一个创新的课 题。世界上没有尽善尽美的东西,化学实验也 一样,化学实验在体现某些功能具有优越性的 同时,在体现另一些功能时,则可能存在某些缺 陷。对化学实验进行观察、 研究、 分析,发现其 缺陷,并在此基础上探索改进,就可以对化学实 验进行创新。利用缺点列举技法创新化学实验 的一般步骤为 : (1) 选定化学实验(可以是整体 也可以是局部) ; (2)确定与实验有关的信息种 类如材料、 功能、 结构等 ;(3) 根据确定的信息一 一列出缺点 ;(4) 针对缺点(可以是全部也可以 是其中的一个或几个)研究改进方案。例如课 本中的铜与稀硝酸反应的实验是在试管中进行 的,其缺陷有:生成的气体会外逸对环境有污 染;生成的无色NO气体不易观察;无色气体变 为棕色的界限不清。针对上述缺陷,我们确定 改进的实验必须达到以下目的:装置应密封,气 体不能外逸;生成的气体应能够富集,便于学生 观察NO为无色气体;NO的生成与NO的转化 (即生成NO2)分阶段进行。通过多次研究和实 践,我们得出下列两种方法 :( )反应在注射器 内进行:先取下注射器活塞,在注射器内放入一 团铜丝,塞上活塞后,吸入适量的稀硝酸,将注 射器细管端用橡皮塞密封。反应即开始,生成 的气体被富集在筒内,让学生观察气体为无色 后,取下橡皮塞,拉动活塞吸入空气,无色气体 即变为棕色气体。振荡注射器,棕色气体又变 为无色气体 (NO 2与稀硝酸中的水反应生成了 NO) ,若再吸入空气,无色又变成棕色。本实验 若采用投影仪放大强化,效果则更佳。()反 应在分液漏斗和U形管中进行。 图5 实验步骤与现象:如图5在分液漏斗下端 缠上螺旋状铜丝,U形管中加入稀硝酸,将U形 管向左倾斜,塞上带分液漏斗的橡皮塞时,尽可 能使管内不留空气。铜与稀硝酸即开始反应, 生成的NO气体被富集在U形管内,让学生观 察后,打开分液漏斗活塞,无色气体被压入分液 漏斗中,与分液漏斗中的空气反应即生成棕色 气体(上口玻璃塞无需打开)。 7 希望点列举技法 在创造发明中,希望是灵感的源泉。希望 点列举技法就是通过列举对课题的希望和理 想,使问题的本来目的聚焦。人类很早就希望 有顺风耳、 千里眼,经过一代又一代人的努力, 现在终于如愿以偿,雷达、 收音机、 电视机就是 顺风耳、 千里眼。人类的很多创造发明都源于 8化学教学 2000年,第9期 改造世界、 发展自身的希望。化学实验的创新 也一样,很多在实验创新方面有成就的化学教 师,在设计教材中未设置的化学实验时,无一不 是抱有将抽象的知识转化为形象的实验以使学 生能够获得鲜明的感性材料的希望。希望点列 举技法的一般步骤为 :(1) 定课题 ;(2) 列出希望 点 ;(3) 制定具体实施方案。例如 “铁与水蒸气 反应的实验”(设计者:瞿兵,发表于 化学教学 94年3月 ) , 设计者考虑课本中强调该反应应 用 “炽热的铁” 、 且需在 “高温” 下进行,列出希望 点为:能够在实验室条件下进行该反应;生成的 氢气应有足够的量供检验和收集;仪器和装置 应尽可能简单、 操作尽可能简便。经过在实验 室里的多次试验,酒精喷灯换成了酒精灯,普通 铁粉换成了还原铁粉,将提供水蒸气的装置与 反应装置分离(这种情况水蒸气经过导管时易 冷藏)换为合而为一(在一支大试管的底部放入 一团浸有水的棉花,中部放置适量铁粉,通过加 了浸有水的棉花来提供水蒸气,因距离短,水蒸 气不易冷凝 ) , 从而实现了在实验条件下完成铁 与水蒸气反应的希望,且产气量足以检验和收 集。 希望点列举技法不同于缺点列举技法,缺 点列举技法是围绕现有实验的缺点提出的各种 改进设想,显然,这些设想不会离开原型。因此 它是一种被动型的创新方法。希望点列举技法 是从创新者的意愿出发提出的各种新的设想, 可以不受原型实验的束缚,因此它是一种积极 的主动的创新方法。 化学实验的创新技法远不止上文提到的这 些,且实验的创新过程中,所使用的技法并不是 单一的,往往是多种技法交融并串的综合应用。 化学实验的创新永无止