化学教学中的实验方法.doc

化学教学中的实验方法（高中化学） 谈实验设计与对学生思维能力的培养南京金陵中学 江敏 化学是一门以实验为基础的自然科学。在化学教学中，化学实验以其鲜明而有趣的实验现象，成为引起学生学习兴趣的重要因素之一。作为高中学生（尤其是到了高年级以后），随着年龄的增长，理解能力和逻辑思维能力逐渐增强，理性思维在其学习过程中所占比重也不断加大，人们已不满足于学习仍停留在对实验现象的简单描述和对反应结果的验证上，还对化学知识的琐碎与繁杂有厌烦情绪。作为教师，应从科学的认识方法论的角度，设计并安排一系列的有针对性的实验，引导学生从观察实验入手，启发学生分析产生现象的因果关系和本质联系，以使学生在对实验现象的分析和研究的过程中，思维得以深化，从理性上去探索事物变化的本质，发现事物变化的规律，在更高的层次上形成对学习的持久兴趣和求知欲望，在潜移默化之中，感受对某一事物进行思维加工的过程，逐渐掌握科学的学习方法，这样对提高学生的思维品质和学习能力，培养其科学素质，无疑是大有裨益的。 可以说，实验为学生提供了进行观察的客观对象，观察则是引起学生思维的基础，而学生思维能力发展的方向及质量，则体现在教师的教学思想，亦即设计的实验及合理的组合之中。我认为，教师安排或设计实验时应注意以下几方面的问题；1、真实性和目的性。所谓真实，就是让学生观察到物质特性或事物变化的本来面目，使学生形成正确的、清晰的和深刻的概念；目的性则是要明确所安排或设计的实验欲解决的问题，要对学生思维发展，深化对有关问题的认识具有启发性。这就意味着并不要求学生去观察在自然状况下事物受各因素共同影响的结果，而是在控制条件下，使学生能清晰地理解所研究的客观物质的特征与某特定因素的相互制约关系。2、鲜明性和可接受性。设计的实验应有鲜明的实验现象，既能引起学生的注意，又要便于全班同学的观察，这样才能启迪学生们的思考，创设良好的探索、研究的课堂学习氛围，以收到较好的教学效果。如果一味地追求新奇和趣味性，而实验原理涉及较多的新概念，则容易使学生产生陌生感，导致注意力的分散。3、层次性和有序性。实验的设计应有一定的层次性，或由浅入深，或分别从不同的侧面对物质变化过程中的各因素进行研究，而实验的引入则按人类对事物的认识规律，或由表及里，或随观察角度的度化而有序地分层次地进行，引导学生对问题的研究不断深入，进而从整体上理解所学内容的知识体系和结构体系。以下举例说明以实验启迪学生思维的一些具体做法。一、设置不同层次实验，揭示事物或物质变化的实质 胶体是分散系的一种类型,胶体与悬浊液、溶液的分散质的颗粒大小不同，构成了胶体与悬浊液、溶液的本质区别，这也体现在各类分散系的相互分离方法、分离过程的特点等方面，在教学过程中就设计安排了这样3个层次的实验：首先，出示并引导学生思考；有三种以水为溶剂的混合物泥水、淀粉溶液和氯化钠溶液，现将其混合起来（图1），有什么方法将它们再重新分离开来呢？又怎样证明混合液中是否含有泥沙、淀粉和Na+及Cl-呢？（见图2）如果已证实溶液中含有Cl-，是否还需检验Na+？（利用溶液中电荷守恒原理，不难得到其合理解释，从中以培养学生思维的严密性）。 利用过滤、渗析及鉴别实验的组织（见图3）就可以使学生直观地感受到这三种均是以水为溶剂的混合物，它们的溶质的颗粒大小并不相同，就此引入分散系，分散质分散剂等概念以及悬浊液、胶体和溶液划分的依据分散质微粒直径大小的不同、分离的方法和材料滤纸和蛋膜（半透膜）。 在上述实验的基础上，通过分析，同学们对胶体制备的两种基本思路：（1）凝聚法；（2）分散法以及在演示第二次利用沉淀反应、水解反应制备胶体时的反应物浓度及反应条件的控制（为防止AgI形成较大晶粒而成为沉淀，采用稀溶液并及时振荡；为促进Fe3+ 的水解而形成Fe（OH）3胶体，宜用饱和溶液并于沸水中进行反应等），就不难接受和理解。 渗析过程的特点，则是以第三个层次的实验展开进行的。在第一次演示蛋膜对淀粉和氯化钠溶液的分离作用时，在渗析2分钟时，即从烧杯中取出约5ml的溶液备用，以后在课堂教学的间隙，隔一段时间从继续保持渗析实验的烧杯中依次取4个均约为5ml的溶液。在研究渗析过程的特点时，可将蛋膜从烧杯中，移入另一同样盛有200ml蒸馏水的烧杯中，仍于2分钟时从烧杯中取出5ml溶液，这样就一共采集了两组共5个试样，分别滴加足量且等量的AgNO3溶液，请同学观察沉淀量的多少（图4）。 从第一组-实验现象可知：烧杯中Cl-和Na+的浓度随时间的延长在逐渐增大并渐趋平衡。和是在相同时间、相同实验条件下取得的渗析液，其沉淀量的多少，说明换水后，原有平衡被破坏，由于蛋膜内Na+和Cl-的浓度降低，渗析速度减慢，但最终又将建立新的平衡。 如果由此联想到半透膜（蛋膜）内各物质浓度随时间的变化关系，就可以建立以下的数学模型（图5）。并进一步要求同学们思考：如果将换水变成一个连续的操作，并维持足够长的时间，半透膜内Cl-和Na+的浓度又将如何变化？将上述图象进行变形，即可得到下面的图像（图6）（胶体中简单的小分子或离子会持续地进入蛋膜外的水中，从而使胶体被提纯）。又怎样使换水变成一连续的操作呢（流水）？ 在具体的教学过程中还有这样一个有意思的细节：上课伊始，就出示一个顶端破有小洞的鸡蛋壳，设问：众所周知，这蛋壳的主要成分是碳酸钙，蛋壳内壁附着有一薄层蛋膜，我们有办法把这薄层蛋膜取出来吗（大多数同学认为可用盐酸将外壳溶掉）？而在完成以上教学过程以后，又提出同样的问题经过认真的思考，有同学提出可将浓盐酸由小洞注入蛋壳内，利用渗析原理，使 H+、Cl-透过蛋膜的孔隙而与紧贴蛋膜的CaCO3反应，这样可能效果更好（图7）。随即请同学演示，注入盐酸四处浸润一下，反应片刻，再将盐酸倒出，用清水将蛋壳内酸洗净后，轻轻将蛋沉捏碎，即完整地取出了蛋膜！ 这样通过一连串的实验，逐层次的、有序地提示了分散系分类的本质依据、胶体制备的基本思想方法、渗析的原理及特点。蛋膜的剥离则要求学生运用学习的有关知识，突破原有的思维模式，变换思维角度，以解决问题，从而就有了全新的收获，也极大地调动了学生的这习积极性，为学生理解并掌握所学的知识，创设了良好的心理环境和学习氛围，对于教师的教学，也发挥了良好的反馈和控制的作用。二、设计系列实验，多侧面地研究事物变化过程中各因素的相互影响。 在有关“电解”单元知识的教学中，根据知识体系的内在逻辑关系，我设计了以下系列实验，注重从不同侧面研究电解过程中各因素所起作用、反应行为及相互制约关系。1、以电解CuCl2和H2SO4溶液（石墨作电极）为例，说明电解的基本原理。通过对实验的观察及产物的鉴别，要求学生学会分析：阴、阳离子在外电场的作用下的溶液中的定向迁移，两极发生反应的过程（电极方程式），电解池的总反应方程 ，并由此归纳出阴、阳离子的放电顺序并廷伸为以下规律。阴极：Ag+Cu2+H+Fe2+Zn2+（H2O）Al3+Mg2+Na+K+注1；阳极：S2SOIBrClOH族价含氧酸根F（注1：将H+和H2O 的放电顺序分开表示，有利学生以后对镀Zn及活泼金属在非水条件下进行电解制备原理的理解）。 在上述基础上，理解法拉第定律，电解过程中的能量转换形式（电能化学能）和所发生的氧化还原反应的特点（能使在一般条件下不能自发进行的氧化还原反应变成现实）等电解的基本原理。2、以电解含石蕊的Na2SO4溶液为例，说明电解过程中溶液pH值发生变化的原因及规律。在实验的进行过程中（图8）可以和同学们一起分析电解反应的原理并思考：反应中消耗了何种微粒？又是由何种物质所提供？由此电极附近的水的电离平衡是否会被破坏？又如何移动？电极附近将体现怎样的酸碱性？溶液的颜色又将呈怎样的变化？实验观察的结果与同学们分析的结论是相一致的：阴极区溶液呈蓝色碱性，阳极区溶液呈红色酸性。如果我们将上述两极区溶液重新混合在一起，溶液是呈酸性，中性还是碱性呢？由电解的总方程式，同学们很快就得出结论：中性。演示：溶液返回漏斗中呈紫色！ 一种预见被逐步地由实验得到证实，同学们的学习情绪十分高涨。 在分析了其他常见电解质在电解过程中两极区的pH值及溶液的pH值变化后，得出这样的规律：由于H+或OH参与电极反应过程（也可能H+或OH并不直接参与得失电子，如：SO+H2O2e= SO+2H+），破坏了水的电离平衡，使两极区的pH值发生改变，一般表现为阴极区pH值升高，阳极区pH值降低，而溶液的pH值变化，则取决于两极pH值变化及由此引起的综合作用的结果。 接着还可以进一步讨论：实验中观察到阴、阳极气体体积之比大于2：1，这是为什么（原因之一是由H2、O2 在水中的溶解性差异造成的）？用惰性电极电解aOH，H2SO4，Na2SO4 等溶液，其结果都是电解水，能否不加这些电解质而直接电解水呢（加深电解质在电解过程中起导电作用的理解）？3、电解过程中电极行为的分析。 为引导学生研究电极材料在电解过程中的作用，就以这样的实验展开了教学的过程。提出问题：U形管中盛有H2SO4溶液，现有一个石墨电极（惰性电极）和一个铜电极（金属活性电极），当用这两个电极电解H2SO4溶液时，会产生怎样的结果呢？实验：（见图9）现象：阴、阳两极均产生大量的气泡。分析：根据已有知识可知气体分别为 H2和O2。结论：当金属电极作阴极时，由于受到电源的保护作用，它的功能就相当于一惰性电极，这也是常用于防止金属腐蚀的一种方法。 “意外“的现象；U形管两端的温度出现了明显的差异，石墨电极一侧温度高，而Cu电极一侧，温度变化不大。 分析及结论：这种现象与电极材料的导电性能有关，即Q=I2Rt，电极材料导电性能优劣决定了电解过程中电能损耗的多少（转变为热能）。这就为在氯碱工业、冶炼铝的生产过程中用金属材料做阴极的解释奠定了基础。运用物理学知识解决化学中的问题，促进了相关学科在学习过程中的相互渗透， 有利于提高学生的素质和学习能力。 激疑：将两电极反接，如何？ 实验：（见图10） 现象：阴极产生气体H2，阳极无气体产生？！前后实验现象的强烈反差，激起了学生的好奇心，为此做出了种种猜测正当大家猜疑不定时，有同学十分惊喜地发现阳极区附近出现了明显的蓝色，这是水合Cu2+的颜色！原来阳极发生的反应是Cu2e= Cu2+，说明当金属材料（活性电极）作阳极时，一般优先于溶液中的阴离子而失电子，即金属首先被腐蚀，也为以后讲解电镀原理提供了依据。当总方程式Cu+2H+Cu2+ + H2写出来以后，同学们又一次被震动了，Cu置换了酸中的H2生成了H2。从自己最熟悉的事例中得到印证，从而进一步加深了对电解池中可进行非自发的氧化还原反应的概念的理解。进一步思考：反应Cu+2H2O= Cu(OH)2 + H2 能发生吗？怎样才能成为现实？水不能导电怎么办？在同学们有序地解决各种具体问题并设计出该反应装置的过程中，同学们对物质变化过程中的各因素及相互依赖的关系的认识，又上升到一个新的高度。4、重新审视电解质溶液的导电性实验。 在区别电解质与非电解质、强电解质与弱电解质的导电性实验中，一般都采用交流电，采用直流电行不行？其实，采用交流电只不过是为了淡化在导电性实验中的电解行为而突出主要矛盾的一种方法，因此，采用交流电更体现了人们在控制条件下进行实验以研究各变量的变化特征的一种基本思想方法。 综上所述，由以上的一系列实验，进行逐层次的分析和讨论，随人们研究视点的有序转移，使电解的有关原理和知识逐渐地形成了一个较为完整而系统的知识体系，以后学习的氯碱工业生产原理，铝及活泼金属的冶炼，精炼Cu等，都是电解原理的的具体应用，这时同学们学起来就很得心应手，并有一种亲近感，从而取得了较好的教学效果。三、利用对比实验，使知识内容系统化并启迪学生从中寻求规律 有机物的酸性是烃的含氧衍生物的一种重要的性质并与其结构特征有着密切的关系，而有关物质性质的演示实验则是分别穿插在相应章节的教学过程中渐次进行的，所以对每个实验的设计和演示既要全面地观察和分析，也要有意识地突出有机物酸性相对强弱的关系，为以后学生理解有机物酸性的成因和变化规律并使之系统化做好充分准备。1、利用参比实验，研究乙醇的酸性。 以Na和水反应作为参照实验，引导学生观察Na 与无水乙醇的反应过程：Na 沉于乙醇的下部（乙醇Na水），并缓慢反应，放出气体（H2），随反应进行速度逐渐加快（温度越高，反应速度越快，说明此反应仍是一放热的过程），逐渐Na浮于了乙醇的表面（是因为Na四周附着有H2气泡而形成浮力使Na块上升），再投入一小块Na，Na块很快就浮于液面（这也是一个参比的方法，说明随反应进行，形成的乙醇钠的乙醇溶液的密度也在逐渐发生变化），这样就使学生感觉到事物变化的一个完整的动态过程。如果综观整个反应过程，Na与水反应远较Na 与乙醇反应剧烈，说明水较乙醇与更易电离出H+，如果将这种现象理解为酸性的相对强弱，那么向乙醇与Na反应后的溶液中加入酚酞，变红，是否就可以理解为CH3CH2ONa+H2OC2H5OH+NaOH，实质是一个强酸制弱酸的反应过程。2、利用状态分析方法，研究苯酚的酸性。向苯酚和水形成的浑浊液中加入溶液，浑浊液变澄清， （说明酸性： 通入溶液又变浑浊，可见 又转变为微溶的 但是碳酸将转变为何物呢？苯酚的浑浊液中加入溶液，浑浊液变澄清，再通入溶液又变浑浊。那么苯酚能溶于吗？我们可以理解为在上述整个实验的前后，苯酚并没有发生变化，实际上只是与、H2O反应生成了，可见苯酚并不能溶于，由此得到的酸性顺序为：