实验教学与教具研制.doc

实验教学与教具研制化学是研究物质性质、组成、结构、变化和应用的科学。化学教学离不开实验,实验教学少不了教具。在中学化学教学实践中,教师为了更好地实现教学目标,根据教学需要,不断对实验和教具进行改进创新,涌现出许多精巧的构思与作品。从这些作品可以看到化学教具自制的方向与特点。1全国自制教具评选活动化学获奖作品分析自制教具是建立在深透理解实验原理,掌握科学方法的基础上进行的创作,是教师才智的体现和动手能力的展示,是一种教科研活动。自1986年至今,教育部委托教学仪器研究所共组织过五届全国自制教具评选活动,每届均有各地推荐的近千件物理、化学、生物、数学、自然、历史、地理、音乐、特教等学科自制教具作品参评,有力推动了我国中小学实验仪器与教具的发展。可以看到化学教具的设计制作通常有以下几类:(1) 简单、实用的实验室用具类 化学实验室是储备药品、存放仪器的场所,更是开展实验教学的主场地。化学药品的取用与预处理、气体的制备与贮存等都有相应的方法与器具。为使实验准备简便、快捷、安全,使实验室管理得更科学、整洁,许多自制教具作品从使用与管理的角度对实验室用具进行设计。如纸漏斗、瓶塞、瓶盖开启器、防风扩焰酒精灯安全罩、调压式贮气桶、多用途贮气装置、可升降铁架台、化学玻璃仪器托架系列等。这一类仪器具有一定的通用性,在设计与制作中都突出了取材方便、制作简单、造价低、实用性强的优点。最典型的例子就是由安徽凤阳中学制作的纸漏斗。它的制作方法很简单,只要把不溶于水和耐一般盐溶液的石蜡和树脂涂料如清漆涂在用硬纸板做成的漏斗上,就能替代玻璃漏斗使用,达到防水浸、防盐渍腐蚀、防变形的效果。因为用材简单而又非常实用,所以,当年在众多作品中凸现出来,得到一等奖。又如,河北唐山62中制作的瓶塞、瓶盖开启同外型和重心位置,选用粗细不同的铁丝、革板纸、木材等,设计制作出摆放圆底型仪器托、管状仪器托架、片状仪器托架、棒形、柱形、导气管支架、温度计架、坩埚、蒸发皿架,使仪器能稳定直立摆放,从而使实验室管理更科学、整齐。(2) 从环保角度进行改进的环保类仪器 针对反应物或生成物的毒性,从环保角度对实验装置进行改进。如演示及分组化学实验防毒气装置、液封除毒化学仪器、全封闭气液反应器、二氧化氮与一氧化氮的制取和性质演示仪、一氧化氮气体简易发生器、一氧化碳还原氧化铁、氧化铜实验装置等。演示及分组化学实验防毒气装置在设计上充分考虑了有毒气体在密闭管路体系中的变换,通过推拉手柄的简单操作,实现气体流进与导出都在一个密闭的体系中进行,很好地控制了气体的进出,有效防止有毒气体的逸散,便于多项目实验的衔接操作,通用性强,也是一等奖的作品。一氧化碳还原氧化铁、氧化铜实验装置,将制备出的CO气体通入盛有CuCl2盐酸溶液的小烧瓶中,先以络合物的形式储存起来。实验时,往放有烧瓶的烧杯中加入热水使络合物分解产生CO,加热内壁涂有Fe2O3或CuO粉末的玻璃管,即可观察到实验现象。而未反应的CO则用另一小烧瓶中的CuCl2吸收,以备再利用。实验完成后,向烧杯中加入冷水来停止CO的释放。以此改进,有效防止了实验时CO的逸散。(3) 对实验技术、方法的改进中学教材中编排的化学实验,方法与技术一般都比较成熟。但实际教学中,根据教学情景,仍可不断地突破传统的实验技术与方法,带来教学上的便利。如质量守恒定律实验测定光控装置,磷的燃烧对比演示器,原电池原理演示仪,物质燃烧条件的实验装置,电解质、非电解质及其溶液导电性演示器。质量守恒定律实验测定光控装置,利用简单的光控电路,通过电阻丝通电加热来点燃白磷,利用电磁的吸合来控制两种溶液的混合,将物理知识运用于化学实验,简明地演示了质量守恒定律。磷的燃烧对比演示器将红磷与白磷放在一块电烙铁上,把电烙铁放到下口损坏的广口瓶中,插上电源,就可比较红磷、白磷受热后燃烧的快慢。(4) 对知识难点的补充设计 对教材中知识重点、难点进行的实验补充设计,或是知识的综合设计,或是在定量上进行的实验改进。如二氧化硫的催化氧化实验装置、一氧化氮和氧气定量反应实验装置、电解水实验演示装置。二氧化硫的催化氧化实验装置综合了硫的氧化物性质和硫酸工业制法的知识,利用大玻管、若干细玻管、橡皮塞等物根据反应原理和工业流程,将硫酸工业制法中的 催化氧化!、 冷热交换!、 吸收成酸!进行综合设计。自制的简易装置能用两三分钟简短的时间将复杂的化工原理清晰地演示出来,通过实验补充设计,加强了学生对知识的综合理解。2化学课程教学发展与教具自制创新的意义化学在千变万化的物质合成与分离中不断创造新物质,影响人类生活,推动社会进步和科技发展。中学是学生或未来的化学工作者初次接触化学知识的阶段。五彩缤纷的实验无疑可以增加学生对化学的兴趣与追求。但同时,化学实验有药品多、仪器零碎、装置繁琐,一些药品有刺激性气味,易燃、易爆,具腐蚀性、毒性,实验后废物处理麻烦等特点。如果创设实用、便捷、安全、环保的实验条件更可添增化学的学科魅力。在目前实验装备条件有限的状况下,自制教具在其中可发挥重要的作用。新一轮的课程改革极力呼吁提升学生的科学素养,呼吁让科学贴近生活,倡导探究性学习,注重科学研究的过程体验与方法培养,鼓励利用生活中的物品进行实验,重视动手能力、创新能力的培养。在新课标的指导下,中学化学课程教学浓墨重彩地强化了实验的色彩,各版本教材都改变了实验的编排方式与呈现方式,突出实验的探索性、趣味性、与生活的紧密联系和绿色化,添加了形形色色的课堂实验、以探究为目的的实验活动、家庭小实验、实验习题等内容。教学理念需要通过实验活动得到落实,而实验活动需要通过充足的仪器与教具得以实现。自制教具活动是对科学的热爱和实践创新的充分体现,符合新课改的理念和素质教育的要求,特别是在当前中学常规实验仪器在数量与品种上均不能很好满足课改要求的境况下,自制教具无疑是课程教学发展的有力支持。3对化学教具自制的几点建议自制教具是从教学需要出发就地取材自行设计制作的教具,是源于教学而为更好地服务于教学的一种创造性劳动。优秀的自制教具作品在设计、制作过程中应把握以下几个原则:首先,是科学性。理科实验教具,需要准确呈现自然现象,形象地帮助学生科学地理解客观规律,所以,设计必须科学合理,不能有谬误。化学教具,多数为呈现化学反应的变化,帮助学生认识物质及其变化的本质与规律,所以要求展现出的物质变化必须准确,整个教具结构科学、合理。其次,是简约性和通用性。自制教具的闪亮点除了取材容易、制作简单、现象明显外,更突出的是构思的巧妙和仪器的通用性。设计出来的装置不仅仅可以解决单一反应,还可以运用于相似的一系列实验,或者是在实验室中能够通用的器具。第三,符合安全性与绿色化。社会的进展,对学校教学环境的安全与环保要求逐步提高。化学实验要尤为注意安全。自制的实验装置既应注意整体的安全性与环保性,也应顾及药品的准备、添加、反应、反应后等每一个操作细节上的问题。第四,积极运用新技术、新材料、新工艺。自制教具是一种创新的制作活动,制作者应关注技术的发展与应用,技术的进步肯定能带来实验方法的改进,而新材料、新工艺的运用可以使教具制作得更美观和坚实耐用。第五,拓展设计思路,体现化学课程的时代特色过剩,溶液仍然呈酸性,表明Fe(OH)2沉淀可以在pH7的弱酸性溶液中生成(有资料显示,在lmol/L的Fe2+溶液中,开始沉淀Fe2+的pH=6.5,沉淀完全的pH=9.7)。在本实验的情况下,尽管溶液呈酸性,但在NaOH沉降的途中溶液的pH很可能是大于7的。实验52个试管都注入半试管体积的水,把一个试管里的水加热至煮沸,另一个试管作平行对比实验。先各加入1滴饱和FeSO4溶液,再各加入1滴-2滴NaOH溶液观察:沸水中形成白色的絮状Fe(OH)2沉淀,而冷水中则生成色泽较深的绿色沉淀。看来,反应溶液的温度明显影响着Fe(OH)2颜色。实验6在实验5的白色浊液中,用滴管不断挤入空气(鼓空气泡),浊液会逐渐变成棕褐色,中间无明显绿色出现。实验7按实验5的操作,在沸水中加入1滴-2滴饱和FeSO4溶液后,再加入1滴-2滴较稀的FeCl3溶液,在这含有少量的Fe3+的FeSO4溶液中滴入1滴-2滴NaOH溶液观察,生成的Fe(OH)2沉淀中不见有浅绿色的迹象。实验6、7表明,FeSO4溶液中的Fe3+和溶解在反应溶液中的空气(O2)不是使Fe(OH)2变成为绿色的原因。实验8把刚刚生成的呈绿色Fe(OH)2沉淀在酒精灯焰上小心加热(不宜煮沸!),可以观察到沉淀由浅绿-灰白-白色。尽管这白色不是那么纯正,但那由绿变白的趋势是非常醒目的。3对Fe(OH)2制法、组成、性质的理性思考所有上面的实验使我们对传统Fe(OH)2的制法、组成和某些性质产生了一些挑战性思考:第一,Fe(OH)2无疑是一种白色的沉淀,如果说它是一种 淡绿色晶体!似乎还缺少依据。第二,Fe(OH)2可以在碱性环境中生成,实验4表明Fe(OH)2也可以在弱酸性(溶液)条件下生成。第三,在溶液中生成Fe(OH)2的过程中总会有或多或少的浅绿色物质生成。这浅绿色物质是什么?是Fe(OH)2被空气氧化的中间产物Fe3(OH)8呈绿色?如果是,根据绘画调色的常识,由白调棕应当是白中加红和黑,中间不可能出现绿!实验6、7告诉我们,Fe2+中溶解的O2和Fe2+中杂含的Fe3+都不会使生成的Fe(OH)2呈浅绿色。第四,几乎所有的事实都告诉我们,那绿色物质不是Fe(OH)2被空气氧化生成的什么中间产物Fe3(OH)8,而是Fe(OH)2的水合物呈绿色。实验1、2表明,FeSO4和NaOH两者之一的浓度越大,Fe(OH)2的水合程度小,白色明显;实验5表明,反应溶液温度越高,Fe(OH)2水合程度小,白色明显;实验8表明,已经水合成绿色的Fe(OH)2.nH2O加热会失水,生成白色的Fe(OH)2。第五,理论和实践告诉我们,课堂演示制白色Fe(OH)2最好采用实验3,把FeSO4注入较浓的NaOH溶液中,或采用实验5的方法在加热的稀溶液中进行(注意!这里先将水煮沸的主要目的不是为了赶走溶解在水中的空气)。不过提醒实验者注意,尽管Fe(OH)2是白色,Fe(OH)2.nH2O又不稳定,实验又是在水溶液中进行的,所以要想绝对防止Fe(OH)2的水化,制成像BaSO4、AgCl、CaCO3那样的白色沉淀客观上是不现实的。因此,通常条件下采用实验3、5的方法制得的Fe(OH)2略显绿色是完全正常的;过分追求白色将是徒劳无益的。真理的长河是永远流动不停的,现象和本质像一对孪生兄妹,也像形影相随的东西,任何一种新的事实、新的现象,它们都是有源之水,有本之木,我们有理由有责任有根有据地还原它们的本来面目白色氢氧化亚铁所呈现的浅绿色不是Fe(OH)2被空气氧化所致,而是Fe(OH)2水化生成Fe(OH)2.nH2O的结果,当然是否确有其物(Fe(O