（课程与教学论专业论文）论微型化学实验的教学意义.pdf

摘要 近2 0 多年来出现了。个新的名词微型化学实验( m i c r o s c “e c h e m i s t r yo rm i c r o s c a l el a b o r a t o r y 简称m l ) 。微型化学实验是在保 证化学反应过程质量的前提下，以尽可能少的试剂，来获取所需化学 信息的实验原理与技术。它以其独特的特点( 环保、安全、试剂用量 少、创造性、探究性、自主性等等) 很快引起了广大化学界同仁的注 意，频繁出现在国际化学奥林匹克化学竞赛中，并在许多国际化学界 学术会议上成为研讨的个主题。即将在土耳其举行的第1 8 届i c c e 中把它列入第一个研讨主题，可见国际上对微型化学实验的重视程 度。本研究通过查阅文献综合分析了国内外微型化学实验研究的发展 现状，并通过调查研究、实践，结合教育理论探析了微型化学实验的 教学意义。全文由四部分组成： 第一部分借助文献研究方法，整理出微型化学实验产生的时代背 景、概念的界定及国内外微型化学实验的发展现状等，并对微型化学 实验的理念、特点给予了陈述。 第二部分着重借助教育学，心理学等理论探究了微型化学实验在 培养学生科学素质方面的教学功能。结合具体微型实验从思维科学的 角度审视了微型化学实验在培养学生创新能力方面的独特功效。并且 在建构主义理论与体验教育观的指导下，通过实践研究探讨了微型化 学实验足开展实验探究性教学良好载体。最后，结合微型化学实验的 特点，提出了微型化学实验是解决实验室污染的有效措施，开展环境 教育的理想阵地。 第三部分根据上述对微型化学实验开展现状概述以及对其在培 养学生科学素质方面教学意义的分析总结，初步探讨了微型化学实验 的研究开发、推广及应用等。 明。 第四部分是结论与结束语，主要对本文的不足及后续工作进行说 关键词：微型化学实验，教学意义，科学素质 忱州师范学院颂 ：学位论_ _ ： = a b s t r a c t m i c r o s c a l ec h e m i s t r y( o rm i c r o s c a l el a b o r a t o r y w h i c h i s a b b r e v i a t e dm l ) ，a san e wt e r r n ，h a s 印p e a r e dm o r ep o p u l a r 讯t h ef i e l d o fc h e m i s t ui nr e c e n t2 0y e a r s m li sam e t h o do fp e r f o r n l i n gc h e m i c a l p r o c e s s e su s i n gs m a l lq u a n t i t i e so fc h e m i c a l sw i t h o u tc o m p r o m i s i n gt h e q u a l 毋a n ds t a n d a r d o f c h e m i c a l a p p l i c a t i o n s b e c a u s e o fm l s d i s t i n c t i v ef b a t u r e s ，i th a sb e e np a i dg r e a ta t t e n t i o nt oi nc h e m i s 仃yf i e l d a n di t i sc o n s t a n n ya p p e a n n gi nt h ei n t e m a t i o n a lc h e m i s 仃y0 1 y m p i a d ， a n dh a sb e e nl i s t e da so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt o p i c si nm ec h e r n i s t r y a c a d e m i cc o n f e r e n c e s u c ha st h el8 t hi c c ew h i c hw i l lb eh e l dm t u r k e y t h e s es h o wt h a tt h ec h e 玎1 i s 订yc i r c l eh a st h o u 曲tm u c ho fm l s oi nt h i sp 印e r ，t h ea u t l l o rw i l la n a l y z em ed e v d o p i n go fm l sr e s e a r c h i nt h e w o r l d ，a n dp r o b e i n t om l sl e a c h i n g如n c t i o nt 1 1 r o u g h i n v e s t i g a t i o n ，p r a c t i c ea 1 1 de d u c a t j o n a l t h e o r i e s t h ep a p 钮i sd i v i d e di n t of o u rs e c “o n s f i r s ts e c t i o n ： s u m m i n gu pt h eb a c k 伊o u n do f i t s 印p e 猢c e ， d e f i n i n gi t sn o t i o na n ds t a t i n gi t sb a s i cc o n c 印t sa n dm a j o ri d e a sw i t h m el i t e r a t u r ea n a l y t i ca p p m a c h s e c a r l ds e c t i o n ： p r o b i n gi n t ot h ee d u c a t i o n “t - u n c t i o no fm li n f o s t e r i n gt h es t u d e n t s s c i e n c el i t e r a c yw i mp e d a g o g y ，p s y c h o l o g ya n ds o o n s c m t i n i z i n gt h ed i s t i n c t i v ee f f 色c to nc u l t i v a t i n gs t u d e n t si n n o v a t i o n c 印a b i l i t yw i t hc o n c r e t ee x p e r i m e n t s 抒o mm ev i e wo fm i n k i n gs c i e n c e m o r e o v e r ，u n d e r m ed i r e c t i o no fm ec o n s t r u c t i v i s m t h e o r y a n d e x p e r i e n c ee d u c a t i o nt h e o r y ，d i s c u s s i n gm a tm li sag o o dc a i e ro f t h e 杭州师范学院坝| 岸位论文 e x p e r i m e n ti n q u i r yt e a c h i n gb ym e a n so f t h ep r a c t i c er e s e a r c h f i n a l l y w i t hm l sd i s t i n g u i s h i n gf e a n l r e ，t h ea u t h o rb n n g sf o r w a r dt h a tm li s av a i i dw a yt op r e v e n tl a b o r a t o i yp 0 1 l u t i o na n da nj d e a l 矗o n tf b rt h e d e v e l o p i n ge n v i r o n m e n te d u c a t i o n t h i r ds e c t i o n ：a c c o r d i n gt o s u m m a r i z i n gt h em l sd e v e l o p m e n t s i t u a t i o na tp r e s e n ta n da n a l y z i n gt h es i g n i f i c a n c eo ft r a i n i n gs m d e n t s s c i e m m cq u a l i t y ，w h i c hi sa b o v em e n t i o n e d ，p r o b i n gi n t ot h em l s r e s e a r c h ，p o p u l 删z i n g ，a p p l i c a t i o na n ds oo n ， t h e1 a s t ：t h er e s e a r c h i n gc o n c l u s i o na b o u tt h ei 1 1 u s t r a t i o no ft h e p 印e r sd e f i c i c n c ya n df 0 1 1 0 w u pw o r k l i a n b i nw uc u r r i c u l 岫a n dt e a c h i n gt h e o r y d i r e c t e db yp r o f n i n g h u a iz h o u k e y w o r d ：m i c r o s c a l ec h e l l l i s 蚵，e d u c a t i o nf u n c t i o n ，s c i e n c el i t e r a c y 杭州帅范学院坝- 】学位论立 绪言 科学技术发展的事实，使化学工作者和化学教育者深刻 认识了实验化学对于理论化学的重要作用。它不仅能把抽象 的化学原理以生动的化学反应现象加以证明，而且能提供新 发现，将理论加以说明和解释，从而推动理论化学的发展和 新理论的建立，同时更是化学科研成果转化为生产力的必经 之路。在化学教学改革的大潮中，人们尤其重视化学实验教 学的改革，加强化学实验教学成了人们的共识。正如著名化 学家、中科院资深院士戴安邦教授所说：“化学实验课是实施 全面化学教育的一种最有效的形式，因为学生在实验室中是 学习主体，在教师指导下，自己动手进行实验，学习解决化 学问题，各项智力因素同时得到发展”。 微型化学实验是近二十多年来国内外迅速发展起来的一 种化学实验的新理念、新方法。微型化学实验首先始于美国。 8 0 年代美国化学家m a y o 等人首先着眼于环境保护和实验安 全的需要，在大学有机实验教学中，进行有机实验微型化的 探索，取得了可喜的成果，从而推动了美国有机化学实验微 型化的热潮，并带动了无机化学、普通化学和中学化学微型 实验的研究和应用。近2 0 年来，微型化学实验在世界范围上 得到了普遍重视，中国、英国、荷兰、南非、加拿大、德国、 瑞士、日本、澳大利亚、印度、泰国、新加坡等5 0 多个国家 不同程度地开展了微型实验的研究与应用。从19 9 7 年起，国 际奥林匹克化学竞赛中也频频出现微型化学实验试题比1 。 迄今为止，对微型化学实验的研究主要是涉及微型化学 实验的设计、微型实验仪器的研制和它们在教学上的应用等 方面。如：周宁怀编著微型无机化学实验、微型有机化 学实验科学出版社，师范教育研究( 微型化学实验卷) 辽宁师范大学出版社，吴俊明等编写化学活动课及微型 杭州炸袍学院碳 ：学位论文 实验设计与实践民主与建设出版社，d w m a y o ，r m p i k e e t c f ? c r o s c 订，gd r g 矗托i c 盘6 0 厂盘f 口r y ， 3 o e d w i l e y l9 9 4n e w y o r k ，k l w i l l i a m s o n ， ，i c ，o s c 日，gd r g 以，2 f ce p g ，i 已，2z19 8 7 l a n c a s t e r u n i v e r s i t y ， s w b r e u e r ，m i c r o s c 以，e p r 以c f j c 口， o r g 口n f cc _ f l e m s f r y ，1 9 8 1 ，l a n c a s t e ru n i v e r s i t y ， z v is z a f r a n r o n a l dm p i k e ，j u d i t hc f o s t e r ， 彳f c ，d j c 甜f p c a 已，”j j f 砂 口6 d r 口f d 厂，p u b l i ci nt h eu n i t e ds t a t e so fa m e r i c ay 等等， 但涉及探讨微型化学实验与教学实践的理论问题，即从教育 学、心理学的层面来剖析微型化学实验教学意义方面的研究 较少。但随着微型化学实验的推广及研究的不断深入，微型 实验的价值取向已不仅仅局限于环境保护、实验安全、节约 等初衷。微型化学实验在培养学生科学探究精神、创新意识， 环保意识等方面的特殊功能也逐渐引起了广大教育工作者的 重视。从教育学与心理学等理论的角度，研究与探析微型化 学实验的各种教学功能，必将能够使微型化学实验更好地服 务于化学教育，服务于素质教育。 第2 负 杭州师范学院硕j 学位论文 第一章微型化学实验的发展 1 1 微型化学实验的产生 1 1 1 微型化学实验崛起的历史背景 自人类进入工业文明时代以来，化学与其它科学的发展 及其生产技术的迅猛发展为人类创造了巨大的、无与伦比的 物质财富。化学及其制品已逐渐渗透到人类生活、生产和国 民经济的各个领域，达到人人、事事、处处都离不开化学及 其制品的程度。2 0 世纪的化学科学及其生产技术的发展， 为新世纪科学发展起来的其它领域科学如生命科学、材料科 学、环境科学、医学、能源科学和电子技术打下了坚实的基 础，但是同时大量的化学制品及其副产品对人类和人类赖以 生存的自然环境也造成了严重的破坏。如何按照可持续发展 战略使科技与社会、人与自然和谐的发展成了人类面i 临的重 要任务。随着人们环境意识的逐步增强，科学技术的发展， 实验仪器精确程度的提高，化学实验的试剂和样品用量也随 着逐渐减少，从16 世纪中叶冶金工业中化学分析的样品数公 斤，发展到了现在毫克级样品的合成与分析。与此同时，在 化学教学实验中也存在着逐渐减少试剂用量的趋势。早在 18 3 5 年，爱尔兰教师d r r e i d 就提倡实验小型化 ( s m a l l s c a l e ) ，到2 0 世纪5 0 年代，半微量定性分析在教 学中的应用出现了一个高潮。随着各种高精度的现代实验仪 器的广泛使用，为实验小型化、微型化奠定了坚实的基础。 另外，随着科学教育理念的不断发展，大众化科学教育 观得到国际上的普遍认同，提出科学教育不是仅仅为了培养 科学家，而要更多地面向大众( s c i e n c ef o ra 1 1 ) 。化学实 验教学呼唤普及型化学实验，使得微型化学实验成了化学科 学发展的必然趋势。 1 1 2 微型化学实验的发展历程 第3 页 杭州岬范学院他i 。学位论义 1 1 2 1 微型化学实验在国外的发展 微型化学实验的系统研究是l9 8 2 年d a n aw m a y o 等人 从改善化学实验室空气质量入手，系统地测定了有机化学实 验各单元操作时试剂的挥发量和试剂在实验室空气中的浓 度，从而得出结论，即要达到实验室安全作业和环境保护的 要求，把实验试剂用量从源头上减少才是根本措施。为此， 他们还设计了一套以m a y o 名字命名的微型有机制备玻璃仪 器，用于大学基础有机化学实验，探索采用微型有机化学实 验的方法，取得了成功。19 8 6 年由他们编著的m i c r o s c a l e 0 r 2 a n i cl a b o r a t o r y ( 微型有机化学实验) 一书h 1 出版。这 本微型化学实验指导书，几乎覆盖大学基础有机实验的所有 内容，并在其基础上有所提高。随后有机实验微型化得到了 蓬勃开展。同时，针对多数学校由常规实验到微型实验需要 有一个过渡的过程，许多教师对微型实验尚不熟悉，美国化 学教育杂志自l9 8 9 年第1 1 期起开辟微型实验专栏，加 强对微型化学实验的宣传报导，此栏目持续至今。 继m a v o 之后，k l w i l l i a m s o n 在l9 8 7 年出版了微型 有机化学实验一书，并设计了一套价格比m a y o 型低的微 型有机实验玻璃仪器。同时，为了便于微型有机实验的推广 和使用，化学试剂公司还推出了分别按m a y o 和w i l l i a m s o n 出版的教材实验内容配套供应的小包装试剂。有机微型实验 的推广，带动了无机化学、普通化学和中学化学实验的微型 化，据统计，到l9 9 2 年美国约有8 0 的大学基础有机实验趋 于微型化，如：加州大学i r v i n e 分校和密西根( m i c h i 2 a n ) 大 学等。19 9 3 年1 月，在美国环保署和美国化学会的支持下成 立了全美微型化学中心联盟f n a t i o n a lm i c r o s c a l ec h e m is t r v c e n t e r ) ，这个联盟由12 个中心组成，分布全国各地，如：微 型化学气体实验中心每年举办5 6 次微型化学实验 杭州帅扎学院坝j 。学位论文 w d r k s h o p 培训各层的教师。此中心联盟旨在有计划地分批培 训各级教师，加快微型化学实验的推广步伐。19 9 2 年，联合 国环境与发展会议提出可持续发展的思想，微型化学实验的 开展也很快得到世界各国的重视1 。 继美国之后，加拿大和欧洲各国也相继开始了微型化学 实验的研究和应用工作：联邦德国教育部组织力量对本国公 司为中学微型化学实验仪器进行审定，并加以推广；英国皇 家化学会于l9 9 5 年出版了微型实验一书；澳大利亚和南 非也开展了这方面的研究与应用工作，并于近年各自成立了 微型化学中心；联合国教科文组织( u n e s c 0 ) 和国际纯粹与 应用化学联合会( i u p a c ) 的化学教育委员会( c t c ) 都将微 型化学列为研究和推广项目。 19 9 8 年8 月，在开罗举行了 以“化学与地球环境变化”为主题的第15 届国际化学教育大 会( 15 仆i c c e ) ，有近5 0 个国家和地区的4 6 0 名学者出席会 议。在会上，由中国、英国、印度、南非等国的教授联合举 办的微型化学实验讲习班( w o r k s h o p ) 受到热烈欢迎，与会 者深切感到微型化学实验的推广应用在国际上已形成热潮。 此后微型化学实验在我国的台湾、香港、澳门等也相继开展 了起来。迄今为止，全球已有5 0 多个国家开展了微型化学实 验的推广应用工作。2 0 0 2 年，m a y o 等人编著的m i c r o s c a l e 0 r g a n i cl a b o r a t o r y 一书已发行第四版，美国已出版的关于 微型化学实验方面的教材论著已有8 0 余本，其中自19 9 9 年 至今就有3 0 余本新书出版 3 ，据不完全统计，仅美国化 学教育杂志一本期刊每年平均就刊出关于微型化学实验方 面的论文2 0 余篇。可见微型化学实验研究在美国开展与普及 之广。 l9 9 9 年在墨西哥举行了首届国际微型化学实验研讨会； 2 00 1 年1 2 月在香港浸会大学召开了第二届国际微型化学实 杭州岬范学院坝i ：学位论史 验研讨会，有l2 个国家或地区的近2 0 0 名学者参加；2 0 0 2 年8 月在北京举行的以“新世纪化学教育的新战略”为主题 的第17 届国际化学教育大会( 17 仆i c c e ) 共录用、发表了3 7 8 篇论文，其中微型实验的论文3 8 篇占总论文1o ，在1 1 个 大会报告中有关微型实验的有2 个，而4 个w 0 r k s h o p 中 有三个是微型实验的内容。计划2 0 0 4 年在土耳其召开的第 18 届i c c e 已把微型化学实验列为会议的第一主题。以上表 明微型化学实验的研究与应用已在世界范围得到高度重视。 1 1 2 2 我国微型化学实验的研究进展 ( 1 ) 我国微型化学实验的研究进展 19 8 9 年底，周宁怀教授在北京大学举行的全国大学化学 教学研讨会上作的“美国化学教育的动向”的报告，较详细 地介绍了微型化学实验在美国化学教育中的应用及研究情 况，引起了与会者的重视。随后我国高等学校教育研究中心 把大一化学实验微型化列入了中心的科研计划，由华东师范 大学和杭州师范学院牵头，1 0 余所院校参加了课题研究，这 是国内系统研究和应用微型化学实验的开始。l9 9 2 年，由杭 州师范学院组织研制的微型化学制备仪( 成套微型玻璃仪器) 和塑料系列微型仪器( 多用滴管和井穴板) ，通过了国家教委 的鉴定，并投入生产。与此同时，采用这些仪器的实验教材 微型化学实验3 一书出版。这是国内首次系统介绍微型 化学实验的书籍。19 9 3 年国家教委工科教学指导委员会制定 的应用化学专业无机化学实验的教学基本要求中列入了微型 化学实验，同时在九年制义务教育“初中化学教学大纲”中 也指出可以采用m l 来完成实验教学任务，这大大加快了微 型化学实验的推广应用进程。 19 9 0 年举行的全国首届微型实验研讨会，有16 所学校 2 2 位代表参加，l9 9 8 年第四届m l 研讨会暨中学m l 第二 第6 弧 杭州帅范学院顺l ：学位论文 届研讨会已有来自31 省市( 含台湾省) 2 0 0 多位代表参加。 此次会议提议要深化并协调国内m l 发展，开展国际学术交 流，需要成立全国性m l 研究中心。经有关部门同意，于l9 9 9 年成立了全国微型化学实验研究中心。中心在m l 信息收集 与交流，引导m l 研究向纵深发展，组织国内学者参加国际 学术交流方面做了大量的工作，取得了显著的成果。2 0 01 年 揭晓的全国高校优秀教学成果评奖中，以微型实验的研究应 用为核心内容的成果有三项被评为国家级二等奖( 四年评一 次，获国家级奖的总共4 0 0 余项) ，连同19 9 3 ，19 9 7 两届评 奖，微型实验项目已有5 项获国家级优秀教学成果奖。自19 9 7 年到2 0 0 2 年5 月以来，被中国期刊网收入的论文就有l3 7 篇， 出版微型化学实验方面的著作已有2 0 余本，全国性的微型化 学实验研讨会共举行过五次。第六届全国微型化学实验研讨 会将于2 0 0 3 年7 月在内蒙古民族大学举行，此次会议将有一 批来自台湾的学者参加，故又是首次海峡两岸微型化学实验 研讨会。 ( 2 ) 我国微型化学实验的特色 与国外m l 由有机实验微型化为开端不同，我国m l 是 从无机、普化实验的微型化为起点，发展到今天，分析、有 机、物化、高分子和中学化学均已有微型化教学实践和相关 的成果发表。我国m l 所涉及的领域比国外报导的宽得多， 这是我国m l 发展的一大特色。尤其可喜的是m l 已突破化 学学科的界限，向其它学科实验发展，即把在微型化的仪器 装置中进行的实验扩展到物理、生物等领域中去，以实现用 很低的成本，尽可能少的器材来获取所需的实验信息的目标。 浙江省安吉县教育局主持编写的初中科学微型实验校本 教材就是一个例子。南京东南大学附属的几个幼儿园把微型 仪器应用到幼儿科学游戏上，受到了师生和家长欢迎，展示 杭抒f 师范学院蝣! 学位论史 了微型实验在提高民众的科学素质上是大有作为白勺。 微型实验的推广应用与基础教育的教学改革紧密接轨， 使m l 成为化学教育中实施素质教育的有效途径。实践表明 采用m l 不仅仅是实验方法的改变，而且是实施以培养创新 精神和实践能力为核心的素质教育，面向全体学生，强化学 生动手能力的思想指导下的实验教学的重大改革。正是基于 这样的指导思想，使一些地区的教学行政部门( 当地教研室 或教仪站) 、学校领导和教师积极行动起来，锲而不舍地实践， 努力探究在教学中引入微型实验在培养学生的创新思维、环 境意识、动手能力等科学素质上的作用，取得了一批具有推 广意义的成果。 我国微型化学实验在中学的推广是采取以点带面的策 略。首先是抓好微型化学实验的试点学校的推广应用( 如： 郑州铁路四中、浙江安吉昆铜中学、杭州九中、新邵县酿溪 中学、深圳翠园中学、上海进才中学、南京第九中学、沈阳 中山中学、贵阳清华中学和内蒙古通辽师范学校等等) ，在试 点学校开展m l 推动教学改革，取得成效后，及时总结经验 写成论文发表，影响较大的如：用微型化学实验进行创新教 育的探索、运用微型实验，培养学生的研究性学力、强 化实验教学，促进“全程合作，整体优化”教学模式改革、 积极推进微型实验，优化课堂教学模式等等。结果表明 试点学校所有采用m l 班级学生的化学成绩得到整体提高， 不少学校还涌现一批化学竞赛的优胜者。表1 1 、表1 2 列出 了一些试点学校实验班与对照班级的化学成绩。 嚣8 贝 抗州帅范学院硕f 。学位论义 类剐杭州 责阳“清南宁1 铁 新邵“花嘉善1 惠 九中华中学路二中 桥中学民中学 实验班12 1 6 1 16 27 4 58 4 6 9 1 6 1 ( 平均 分) 对照班 1 1 2 91 0 6 66 6 77 02 8 0 ( 平均市平均市平均市平均县平均 分) 表1 ，2 采用微型实验班与对照班成绩对比( i i ) 类别郑州1 铁新邵长滩郑州铁安吉章村中 路七中中学与酿路四中学( 进步指 溪中学“标) 1 实验班及格率 9 6 9 6 1 0 0 2 2 对照班及格率 6 0 4 8 1 9 13 9 实验班优秀率8 3 8 5 9 3 8 4 2 l 对照班优秀率3 4 6 5 7 2 8 1 0 4 这些经验在当地学校中起到典型示范、辐射的作用，使 微型化学实验工作开展呈网状辐射。在试点学校的带动下， 微型化学实验现已在全国中学推广到千余所中学。可见，m l 的推广应用与实施素质教育紧密相关、相互促进，已成为我 国m l 发展的又一个特色。 m l 的硬件( 仪器) 开发是开展m l 的物质基础。m l 硬件主要有玻璃微型仪器与塑料微型仪器两个系列。国内成 套玻璃微型仪器已有杭州师范学院，天津大学、山东大学， 贵阳师专，云南大学等校各自开发的用于大学实验教学的几 套微型玻璃仪器及贵阳师专、重庆教育学院和湛江师范学院 的三套中学玻璃仪器，微型仪器呈现多种规格型号，百花竞 第9 - _ 玎 杭州帅范学院坝i 学位论文 放的局面。塑料仪器是以多用滴管和井穴板为核心，配以井 穴塞、滴管架等组成微型塑仪盒。通过多次在国际会议上展 示对比，我国微型仪器开发在系列配套，多种型号和低成本 上，较国外产品有着明显的优势，受到国外学者的重视，这 可说是我国m l 的另一个特色。 1 2 微型化学实验的界定与特点 1 2 i 什么是微型化学实验 迄今为止，国际上关于微型化学实验的名称、定义和试 剂的用量界限还没有一致的说法。其常见的英文名称有三个， 分别是m i c r o s c a l ec h e m i c a le x p e r i m e n l ( 微型化学实验) ， m i c r o s c a l el a b o r a t o r y ( 微型实验) 和m i c r o s c a l ec h e m i s t r y ( 微 型化学) 。在我国为化学界普遍接受的微型化学实验简称为 m l ，定义为“在微型化的仪器装置中进行的化学实验，其试 剂用量比对应的常规实验节省9 0 左右”。这一定义是我国 较早开展微型化学实验的周宁怀教授提出的“。 著名的微量化学家、美籍华人马祖圣教授f p r o f t s m a ) 提出：微型化学是以尽可能少的试剂，来获取所需化学信息 的实验原理与技术。 美国微型化学实验中心网站上指出：微型化学实验是指 在教育与工业生产中，不影响化学过程品质的前提下，用少 量化学试剂来进行的符合环境安全的、防治污染的一种实验 方法心。 我们可以看出以上的定义均强调试剂用量要少，至于微 型化学实验试剂的用量，根据m a y o 编著的微型有机化学 实验一书的统计资料反映，在有机制备实验中主要试剂 ( 不含溶剂) 的用量在1 毫摩尔( m m 0 1 ) 上下。传统上，在有机 合成中按照试剂用量的多少大致可分为常量、半微量和微量 三种方法，其试剂用量范围分别在0 5 1m o l ，l0 2 0 m m 0 1 和l 2mm o l 。所以，从试剂用量的角度看，微型制备实验 属于微量有机制备的范围。但是微型化学实验包括无机化学、 普通化学、有机化学、分析化学和物理化学等多种类型的实 验，其中既有定量或半定量的理化数据测试内容，也有制各 化合物以及定性观察反应现象等内容，因此，没有必要也很 第1 1 贝 杭州帅地学院坝1 学位论史 难对它们的试剂用量规定一个统一的数量界限。不过，作为 一种化学实验的新方法、新技术，它应具备两个突出的特征： 一是相对常规实验来说，微型实验试剂用量要少得多：二是 在微型化仪器装置中进行实验。 1 2 2 微型化学实验的基本特点 微型化学实验受到化学界的青睐，决定于它独有的特点。 周宁怀教授指出微型化学实验具有“省试剂、少污染、 安全、省时，激发兴趣，强化动手能力，培养创新思维，树 立环保意识”等特点。 美国微型化学中心网站上，列出微型化学实验所具有的 特点如下： 节约化学试剂；大大地提高实验安全；节约实验 经费；节约实验时间；降低玻璃仪器的破损率；节省 化学储藏库空间；提高实验技能；培养学生绿色化学理 念；改变学生对化学实验的恐惧心理；对残疾人来说， 更是一种友好的实验方法。 台湾方金祥教授将微型化学实验的特点概括为( 小、省、 快、好、易、安、多、高、少、低) 十个字，也就是小而省 ( 体积小、时间省) ，快而好( 反应快、效果好) ，易而安( 操 作易、很安全) ，多而高( 动手多、趣味高) 及少而低( 用药 少、污染低) 等，可谓之兼具有( 可回收、低污染、省资源) 环保理念之绿色实验。川 从上面专家的总结中，我们可以看出微型化学实验的特 点可以从两个方面加以剖析，一方面是从科学实验的角度剖 析微型化学实验具有的特点，另一方面是相对常规实验，从 教学的角度分析微型化学实验所具有的特点。分别叙述如下： 1 2 2 1 就实验本身来讲，微型化学实验有以下特点 杭州师范学院顺1 一学位论文 ( 1 ) 节省 节约试剂 微型化学实验试剂和药品的用量一般仅为常规方法的几 十分之一到干分之一。如：大学微型实验，磺胺嘧啶银合成 的试剂用量见下表1 3 。 表1 3 常量与微型实验的试剂用量与成本对比 试剂名称常量合成微型合成 磺胺嘧啶 ) g o 12 5 9 硝酸银 3 4 9 o ，0 8 5 9 氨水3 0 m l o 8 m l 合成产率7 4 7 4 1 9 9 0 药品成本每人5 2 4 元o 1 1 元 次 在实验教学中，学生实验属平行实验，每个学生动手做 实验，一个实验约节约了9 0 的药品消耗，汇总后将是个可 观的数量，采用微型实验有效地缓和了教学经费紧张的矛盾。 节省实验时间 由于试剂用量少，反应时间短，仪器操作便捷，一般采 用微型实验对应常规实验可节约时间四分之一到一半。这就 可以充分发挥实验学时的功效，在总课时不变的情况下，让 学生多做实验，多开设计实验或组织开放型实验，特别是一 些过去因试剂价格昂贵、实验条件苛刻或处理不安全等不能 开设的常规实验内容，可在微型化后成为学生实验，使学生 在有限的课时内接触更多的内容，学到更多的知识，既可开 阔学生的视野，又有利于实验教学内容的更新。 降低仪器损耗 由于学生在微型实验中操作比较认真，微型玻璃仪器的 壁( 厚) 质( 量) 比的显著增加，仪器耐冲压性能的提高， 第1 3 页 杭州i 帅范学院顾i ：学位i 宅史 加上部分塑料实验仪器的使用，使得实验过程中仪器损耗大 大降低，这不仅降低了实验成本，减少了学生的赔偿破损仪 器的经济负担，而且促进了学生敢于动手实验及实验志趣的 形成。 ( 2 ) 环保安全 环保 微型化学实验用药量少，排污量少，实验中产生的有害 有毒物质大大减少。例如：硫在氧气中燃烧的反应，若按常 规实验每次需硫粉0 3g 0 5g ，反应后生成s 0 2 为o 6 g lg ，而微型实验每次仅需硫粉o 0 2g ，反应后生成s 0 2 为o 0 4g ，并且实验经过微型化以后，这些有毒有害的物质 容易收集处理，所以对环境的污染明显降低，减少或基本上 消除了污染，保护了环境，具有良好的环保作用。实践表明， 微型实验是化学实验教学中贯彻实施可持续发展战略的重要 举措，尤其重要的是，通过微型实验，在潜移默化中，强化学 生的环保意识，这方面的社会效益是长期的、深远的。 安全 微型仪器的易操作、耐冲击性及产生污染少等均大大提 高了实验的安全性。如：水的电解与氢氧爆鸣的微型实验如 图1 1 所示。在多用滴管的圆筒形吸泡中吸入1m o l l n a 0 h 溶液，两边各插入一根大头针，用直流电( 9 v ) 进行电解水 实验，生成的氢气和氧气混合气体经径管通到含起泡剂水溶 液( 稀沈发液) 中，电解约1 m i n ，溶液表面布满氢氧混合气 体气泡时，即可用燃着的火柴点燃，爆炸响声清脆，非常安 令2 “。 杭州帅范学院坝i 。学位论文 幽11 水r 勺电解与氢氧爆吗r 勺微彤实验 ( 3 ) 生活化 微型化学实验盒、实验箱可以达到人手一套，学生的实 验性学习可以扩展到课堂、实验室以外更大的空间中去，学 生可以携带回家或去野外进行兴趣实验，从空间上改变实验 只能在实验室中进行的模式。同时，微型化学实验的实验选 题，实验内容开发与我们的生活或生产者息息相关，以生活 中的日常问题为对象，进行设计开发，如：德国微型实验中 心开发的小学阶段微型实验设置有水、食物、土壤、燃料四 个主题，中学阶段设有易拉罐与硬币、空气与水中的气体等 等，而且所选用的仪器大多来自日常生活弛“。 ( 4 ) 简约化 所谓简约化实验指由专门工厂经过精心设计、加工、组 合的实验仪器，其中盛有相应的药品，是围绕某个特定的目 的所设计的单元实验h 。它装置简单、操作简便、现象明显、 安全等，如：多用滴管除最基本的用作滴管外，还可以作为 滴液试剂瓶，经标定液滴后，又是小量液体的计量器，套上 微量滴头又是一支简易的微型滴定管，并且多用滴管的吸泡 还可作为反应器。正是微型仪器具有的节省试剂、一器多用 的功能，加上微型实验的设计以绿色化学理念为指导，因此 开发出来的实验均属简约化实验。如：中学实验氢气还原氧 化铜实验，通过微型化改进后，氢气的制备与氧化铜的还原 只需0 5 m l6 m o i lh c l 和少量z n 即可在块井穴板上完成， 反应速度可以用注射器进行控制，使所生产的氢气在加热条 件下使氧化铜还原。见图1 。2 ： 、二二。 一， 嚆管 o j m l6mh e l i 二。 焉二_ 二l ，蠹 。罱一4 、：掣 n 渗+ 。一。一、澎， 、u - + 一+ i ： _ 堂i 譬薏雾一 ? 1 、。一t 一一一一一。王- 一二。i 一一一。一一_ 二_ j = = 三三苎苎三苎蔓= 兰j 幽1 2 氢气还原氧化铜实验 1 2 2 2 从教学的角度来分析微型化学实验的特点 随着对微型化学实验研究与教学实践的深入开展，微型 化学实验的教学特点也日益明显，现概括如下： ( 1 ) 大众化 m l 在国内外受到广泛重视，它提供了开展化学实验的 普及模式。众所周知实验是化学教学重要的、不可缺少的组 成部分。然而，由于经费原因，世界上还有许多国家包括我 国边远山区的学校未能或很少开出实验课，低成本的微型实 验为改变这种状况提供了可能。联合国教科文组织( u n e s c o ) 和i u p a c c t c 合作，近年来致力在津巴布维等4 0 余个国家推 广微型实验，并开始收到成效。该课题组把“t op r a c tic a l s c ie n c ee x p e r ie n c ef o ra l l 心朝”“使所有接受科学教育者 都能做实验”作为目标，英国学者b r e u e r 通过实践更明确提 出“m ic r o sc a lef o ra ll 心9 h ( 面向全体学生的微型实验) 的 目标。也正是看到m l 实验易于普及、大众化的特点，戴安 邦院士提出要“大力推行微型化学实验，使全国中学的化学 教学皆有学生的单入实验作业，以加强化学教学的素质教育 作用”1 。” 抗卅】范学婉坝卜学位论文 ( 2 ) 趣味性 微型实验知识性强，趣味性也强，微型实验仪器设计巧 妙、制作精致、小巧玲珑。这些器件既是实验用具又象玩具， 而且不易破损，学生拿在手中立即兴趣盎然，爱不释手，从 ，山理上对实验产生亲近感( 那种在常规实验中出现的畏惧心 理不符存在) 。加之，微型化学实验操作简便、安全、无污染、 成功率高，现象明显，使学生在实验操作上敢于大胆动手、 心情愉快地进行探索，从而挖掘出学生的潜力，大大提高了 实验教学的作用。不少试点学校都有些“差生”在做微型 实验中重新唤起自信心，促使学习成绩上升的事例。 ( 3 ) 自主性 微型化学实验要求每个学生通过独立操作实验而获得亲 身的实践体会，学生在实验时的责任感和自主性得到加强。 在实验内容上，改变常规实验对实验步骤和实验要求划一的 格局，对同一实验项目可采用几种不同的原料或几个不同的 用量与条件的实验，由学生自主选做。例如：从天然产物提 取咖啡因的实验可用咖啡豆或不同种类的茶叶作为原料，也 可以分别选用氯仿、二氯甲烷或四氯化碳作萃取剂。教师在 教学过程中是启发、引导的角色，充分发挥了学生的自主性， 调动了学生学习的积极性，使学生由被动学习转向主动学习， 从照方抓药式实验转变成自主探究型实验，由教学生学会转 到教学生会学。 ( 4 ) 创新性 科学实验的主要功能在于它的探索性与创新性。微型实 验的理念、仪器与实验都是对常规实验的一种创新。为降低 微型实验中物料机械损耗( 多步骤转移操作损耗与仪器壁的 粘损) ，微型仪器要设计成多功能器件。如何使这些器件优化 组合，充分发挥它们实验时的多种功能，这又是一个创新过 杭州师范学院颁 学位论文 程。因此，微型实验不是常规实验简单地缩微或机械的减量， 而是在微型化的条件下，对化学实验创新性的再现，以达到 尽可能少的试剂来获取所需化学信息的目的。学生在做微型 实验时，会融入这种情境中去操作、去思考。使学生体会如 何应用化学原理来重新设计、改造、组合各种仪器装置，以 满足不同实验用量和操作的要求。这个灵活运用知识与技能 的过程，激活了学生的思路，对于培养学生的创新思维起着 重要的作用。 ( 5 ) 开放性 在现代学校教育中，虽然课堂教学仍是学生学习的主要 渠道，但也不能忽视在课外活动中组织学生进行创造性的探 究活动。微型化学实验成本低廉、仪器便于携带，可用于野 外实习和调查活动。如；新邵县酿溪中学等校利用微型实验 组织学生对资江水质进行测试，写出了资江水质调查报告， 受到了当地环保局的好评。在课堂之外广阔的、开放的天地 里，学生可以联系生活和生产的实际选题，充分发挥想象力， 根据自己的兴趣和爱好设计实验方案，体验了各种探究活动， 使微型实验成为了得力的实践方法。 第二章微型化学实验与科学素质培养 随着素质教育的整体推进，以及培养学生的科学素质在 学科层面的实施，化学实验教学正发生着深刻的变化：一是 从理论上对实验在化学教学中的作用认识得越来越全面、深 刻。实验不仅仅是一种为学生提供感性认识的直观工具，而 且是激发学生化学学习兴趣、掌握知识技能与科学方法、培 养科学态度的有效途径。二是由以教师演示实验和验证性实 验为主逐步向学生在教师指导下进行实验探究转变，学生的 积极性、主动性和创造性在实验中得到了发挥，解决实际问 题的能力得到了提高。三是进行化学实验的仪器、设备和条 件更加完备，尤其是信息技术的介入，为化学实验教学提供 了更加广阔的空间。四是实验教学模式的发展呈现出心理学 化趋势，实验教学对学生的情感与价值观的培养所起的作用 越来越受到重视。在学习过程中，只有使认识过程、情感过 程和意志过程得到协同发展，才能收到好的效果。人们已经 认识到实验在培养学生的科学态度、掌握科学知识与技能， 学会科学方法等方面的重要作用，即把实验教学作为实施素 质教育的有效途径，相应的有关化学实验及其教学的理论与 实践研究也有了较大的进展，有的研究呈现出未来化学实验 的一些新的理念及其教学改革的发展方向。国内一些化学教 育专家对中学化学实验发展趋势的论述可归纳为表2 1 的观 点： 杭州师范学院顺 学位论史 化学a bcd e 教育专家 高剑南1学生实验实验安全实验的仪实验准备实验的选 微型化与趣味化器与设施的科学与题与教学 的现代化简约化形式的多 元化 吴俊明2 3 化学实验化学实验实验及其化学实验化学实验 微型化趣味化和研究装备科学化“清洁” 简便化 现代化化 郑长龙3 3 1 化学实验化学实验化学实验化学实验 的微型化的趣味化的生活化的清洁化 以上几位专家均把化学实验微型化作为化学实验研究及 教学改革的方向，并且他们论述的其他几点内容，如：清洁 化、生活化、趣味化、简约化、安全化等等均是微型化学实 验的特点所在。因此，微型化学实验的研究与开展将是化学 实验教学改革的一个重要方面，微型化学实验的实施，为我 们加强和改善化学实验，提高教育