浅谈化学竞赛选手实验能力的培养.doc

浅谈化学竞赛选手实验能力的培养江苏省高级中学 李胜荣化学奥林匹克竞赛在全国已如火如荼地开展了十几个年头了。众所周知，化学是一门以实验为基础的科学。戴安邦教授认为：“实验室应该是学生学习化学最有效和收获最丰富的场所。”著名化学家傅鹰教授说：“实验是最高法庭。”化学家历来把从客观实际出发的化学实验提到应有的高度。正因为如此，化学竞赛特别强调对选手进行化学实验的考查。从某种意义上讲，在化学竞赛日益普及，各参赛选手理论水平日益接近的今天，选手实验功底的好坏往往是决定化学竞赛成败的关键。如何在中学现有的仪器、设备，现有的中学化学知识的条件下，通过对学生进行基本操作的强化训练，并由此出发适当往上延伸和伸张，以达到培养竞赛选手的实验能力呢？ (一)夯实基础，狠抓落实。 从现代化学的教育理论来看，学生的实验能力包括：(1)准确操作实验仪器的能力。(2)按实验步骤进行实验的能力；(3)科学选择仪器、试剂、技术和实验条件的能力；(4)正确观察、测量、分析和判断的实验能力；(5)对实验方案进行选择、组合和自我修改的实验设计能力；（6）正确处理数据、表达结果及对结果进行自我评价的能力。其中，准确操作仪器的能力是这6种能力的基础。因此，必须狠抓基本操作，如：药品的取用、称量（光学天平：只开左右门，如称45.3672g，先加砝码45g，再将选钮外圈放在3，选钮内圈放在6，最后将游码拨到0.72mg处）、溶解、振荡、搅拌、加热、抽滤（先关水龙头，实验结束后再关水龙头；布氏漏斗下端管口要离抽滤口远一点）、倾析、蒸发、结晶、回流、洗涤沉淀、滴定和滴定终点的判断、熔点的测定、物质的量浓度的配制、移液管的使用等等，力争使竞赛选手在第一阶段基本功的的强化训练中收到预期的效果。(二)反复强化，提高速度。 化学竞赛不仅是知识、技能的竞赛，而且还是速度的角逐。如去年的实验是：先合成MnC2O4，再取1/10作滴定实验，竞赛选手要在4.5小时内完成实验竞赛，要是没有熟练操作仪器的能力，那绝对是不可想象的。在平时实验中发现：多数选手在实验操作中出现反复，即某一操作间隔一段时间后出现不熟练，甚至遗忘；同时不少选手操作时磨磨蹭蹭，缺乏时间观念。教师必须及时指出问题，并针对性地采取措施。如：在分析实验中针对选手终点判断不准的问题，要集中强化指示剂变色、滴定终点的判断等一系列实验课题，做到重点突出，各个击破，事实证明收到了很好的效果。又比如，针对选手实验操作时磨磨蹭蹭的不良实验习惯，可以采取逐步推进，层层加码的方法，如规定在5分钟内用分析天平称取三份样品；在10分钟内用滴定管滴定三份试样。通过这些训练， 竞赛选手增强了时间观念，提高了实验速度，达到了预期的目标。(三)精心选题，提高能力。 培养选手实验能力的最终目标是使选手具有独立地实验设计能力，并具有一定的探索能力，照方抓药的实验决不能贯穿实验培训的全过程，否则就不能体现“优化化学教育，探索早期发现和培养优秀学生的途径和方法”这个化学竞赛的宗旨。如某年竞赛实验时，桌上放了多种冷凝管、几种型号的温度计和不少无用的试剂，有人竟三只连在一起，有人看别人做一步，自己做一步。如何通过实验提高选手的实验素质呢？可以采取在理论和实验的结合点上找突破口，精心选题，使学生手脑并用，手脑协调，以提高选手的实验能力。实验试题的选择要遵循以下原则：(1)选题要浅。初期的实验设计题一定要浅，要立足于中学阶段的基础知识，否则将违背人的认知规律。(2)选题要巧。所谓“巧”，主要是指组编实验设计题时，注意把多方面的知识巧妙的组合起来训练选手。要使选手通过训练后产生顿悟，最终达到启迪思维，触类旁通。(3)选题要新。所谓“新”，指的是实验设计题要新颖，要注意把生产、生活中的一些新知识、新常识引入试题，使选手在实验设计能力得到提高的同时，获得解决日常生活问题的能力。(4)选题要活。所谓“活”，主要是指选题要源于基础，高于基础，决不能是经典实验题的翻版和复制，要通过实验训练选手思维的灵活性和敏捷性，从而使选手的整体素质得到提高。(5)方案要“优”。在实验设计中，竞赛选手可能会提出很多种方案，有的是错误的，有的则是有道理甚至是完全正确的。作为指导老师，要充分发挥主导作用，通过师生之间的良性互动进行讨论、启发、引导，从而优化出最佳方案。 下面，举例说明在讲述电解质溶液和氧化还原反应时，为了体现理论和实验相结合的原则，可精心编拟的其中几个实验：例1 以不破坏MnO4-为前提，试设计一个实验，证明KMnO4溶液的紫色是由于MnO4-离子存在的缘故。 分析该题的理论基础是离子在外加电场作用下会发生定向迁移。许多选手未看清题意，用氧化还原的方法加以证明，其结果离题万里。而少数选手则设计出很好的方法，并由此选择实验仪器，收到了很好的效果。其设计方案和实验仪器如下图，实验效果很好。例2 一小块Mg-Al合金分别放入6mol/L H2SO4和6mol/L NaOH中，它们都可以组成一个微型原电池，请指出原电池的正负极，写出电极反应，并设计一个实验验证你的结论。 分析这是一道考查原电池的基础试题，但运用知识的灵活度较大，同时还牵涉到简单的物理知识，是一道考查选手灵活能力的好试题。一些选手认为：在两种介质中Mg都是负极，Al都是正极。通过讲解，选手明白： Mg-Al合金在两种介质中形成原电池时，原电池的正负极刚好相反，如何证明这个结论呢？选手们很快想到用安培表来检验电流的方向，从而判断电子的流动方向，确定原电池的正负极。于是有了下面的实验装置图：实验证明现象明显。(说明：严格讲，在碱性溶液中，AlO2-不存在，而是以Al(OH)4-形式存在) 竞赛选手对这道试题反映很好，认为开阔了视野，拓宽了思路，收获很多。例3 Cu是一种不很活泼的金属，下列反应能否进行： Cu + 2H2O = Cu(OH)2 + H2 ，若能，请说明理由，并设计一简单实验证明之。 分析这是一道反常规试题，许多选手这样作答：因为在纯水中E0Cu2+/Cu = +0.337V，E02H+/H2 = 0 V , 因为E02H+/H2 E0Cu2+/Cu , 所以原电池的电动势小于零，不能发生反应。我没有立即作答，而是反问他们： 可以引导这些自学了大学部分知识的选手思考：影响电极电势的因素是什么?当把Cu投入到NaCN的碱性溶液中会产生H2，化学方程式为Cu + 4NaCN + 2H2O = 2NaCu(CN)2 + H2 + 2NaOH 上述反应之所以能够发生，是因为在碱性溶液（pH=14）中，NaCN是络合剂，与Cu反应生成了NaCu(CN)2，降低了铜电对的电极电势(pH=14时，E0Cu(CN)2-/Cu = -0.429V0)，Cu可作还原剂，把水还原成H2 ，H2O作氧化剂。再引导他们思考：这种方法是不是最优的方法?由于NaCN有毒，对我们人体有害，这种方法不是最优方法。很多同学想到直流电是一种强氧化剂，可用Cu作电解池的阳极，通过电解饱和NaCl溶液，实现上述反应。其装置为： （四）设疑置问，知识创新。 当今的竞赛其实验试题的难度有降低的趋势，但知识的灵活性和综合性在逐步加强，从某种意义上讲，对选手的整体素质要求更高了。由于在十几年的竞赛中，经典的实验试题差不多已经出遍，要想在考过的知识点上推陈出新，考出水平，拉开档次，就必须在考察选手的实验技能、技巧上下功夫，因为现在选手的理论知识日益接近，单靠考查实验原理和实验操作来选拔人才，这条路绝对走不通，也不利于选拔人才。我们觉得实验培训重在训练选手的实验技能、技巧。为此，可在实验试题后面附加了一定量的与实验技巧、技能有关的有新意的思考题，因为它是加强选手实验技术库容量的一个有效途径。下面举例说明。例4 根据下面指定的药品(仪器任选)制取CdS 药品：8mol/L H2SO4、FeS (s)、CdSO4溶液思考题（附在实验报告后）：要控制什么条件，才能得到大颗粒、不发粘、易过滤的CdS晶体？ 分析本题考查实验技能。很多选手常常不考虑实验的具体细节，拿出实验方案后一路作下去，结果得到的固体产品颗粒小、发粘、不易过滤，直接影响实验产品的质量和产量，考试时只能拿低分。98冬令营实验赛题就给了我们一个深刻的教训和启示。本题实际是用CdSO4与H2S反应制取CdS，因此，实验原理简单，实验装置也简单，如制取H2S的装置高一学习过，不存在问题，问题是如何制取高质量的CdS晶体。很多选手作这个实验时不以为然，认为简单，事实证明他们大多数人制备的产品颗粒小、发粘、不易过滤，产率低。可引导他们分析原因：晶体由晶核组成，晶核的多少直接影响晶粒的大小。晶核数目少，其分散度小，能降低沉淀时溶液的相对过饱和度，得到大晶体沉淀，这样易过滤，有利于提高产量。而分散度=k(Q-S)/S，要使分散度减小，可减小Q或增大S 。CdSO4与H2S反应的离子方程式为：Cd2+H2S=CdS+2H+ ，要减少Q，即减少加入H2S瞬间沉淀物质浓度，就必须增加H+，即提高酸度；如果增大S，即增大开始沉淀时沉淀物质的溶解度，就必须提高温度。随后我又引导他们：Cd2+的离子势较大，有一定的水解性，过高的温度又可促使Cd2+水解；酸度太大又不利于CdS生成。我引导选手在理论的指导下，结合实验摸索出：CdSO4溶液中H+浓度为1.0-1.5mol/L，通入H2S时溶液的温度为70-80，这样H2SO4的作用有：制取H2S气体；调节溶液的酸度。最后引导选手总结：(1)温度和酸度控制是化学实验的两大主旋律。(2)要得到大颗粒晶体必须做到“稀、热、慢、搅、陈”。即：溶液要稀、热，沉淀剂要慢慢加入，边加边搅拌，最后把得到的晶体陈化。(3)实验时要认真思考，把握重点；实验中，该粗则粗，该细则细。这样才能又快又好地做好实验。(五)大胆假设，自我评价。 化学假设一方面是对以往化学经验事实的总结，另一方面又是对化学未知领域的一种新的探索。在实验培训后期，要充分发挥指导老师的主导作用，通过让选手作一些不常见的实验，由实验现象研究事物的本质，并根据学过的基础知识进行自我判断、自我评价，这是培养选手探索和创造能力最有效的途径。 例5 分别将下列液态物质各取0.5mol双双混合，有什么实验现象？为什么？(1) CHCl3 CH3COCH3； (2) CH3OH CH3COCH3；(3) CH3OH n-C6H14； (4) CH3OH - H2O 分析这是一道很有趣的实验，选手们都能作出：(1) 组混合放出的热量明显比其他三组放出的热量高，大约要高出5。大多数选手百思不得其解，只有极少数选手通过思考得出结论：因为CHCl3中Cl是较强的吸电子原子，三个Cl原子一起把C原子上的电子往它们的方向拉，从而使跟C原子结合的H原子也能象OH、NH或FH上的H原子一样“裸露”出来而去跟CH3COCH3上的O形成氢键。这点知识教科书上没有提到，但可以通过实验，并根据有机化学中诱导效应的有关知识推论出来。这样，我们又丰富和发展了氢键的有关知识。（六）规范习惯，实验有序。从某种程度讲，化学是一门实验艺术，它应具有观赏性。有的选手操作规范，安排有条不紊，神态轻松自如，实验器皿摆放有序，具有很高的欣赏性；而有的选手恰好相反，让人目不忍睹。出现上述问题的症结是没有养成一个良好的实验习惯。在平时的实验培训中，应针对问题采取一系列措施，如时时提醒，认真自查，定期改正，规范桌面，弃物回收等举措，努力创造一个良好的实验氛围。另外，竞赛选手实验能力的提高离不开学生综合素质的培养！怎样培养学生的综合素质？灵敏性反应、鉴别和发现的敏感程度；精确性思维及做任何事情所能达到的精确程度。如读数和计算时的有效数字问题；整体性正确处理局部和全局的关系。如合理安排实验时间问题，有些学生一直要等到蒸发皿冷却后再做下一步实验；适应性适应变动的环境和工作对象。当环境、场所和打交道的人变了以后，有些学生便不知所措；科学性注重实践，不空谈，不造假数据等。教师在组织学生进行化学实验活动中，为了避免学生先入为主，想当然，走过场，要提倡学生养成据实完成实验报告的良好习惯，即使实验失败或出现异常，也要按的观察的实情填报实验现象和结果，然后及时分析失败或异常的原因，从分析原因的过程中锻炼思维。例如，学生做“乙醛滴进新制氢氧化铜悬浊液加热”的实验，按理应当出现美丽的桔黄色最后呈砖红色沉淀，但有的学生却得到深棕色乃至黑色的沉淀。在这种情况下，教师应强调学生据实填答沉淀颜色，并通过讨论分析原因：有的是滴加乙醛用量不足，有的是加乙醛没有摇匀，加热过猛造成乙醛挥发，结果氢氧化铜过量，稍高温度时便分解成黑色氧化铜，混杂在其中，掩盖了氧化亚铜的砖红色。于是学生从分析原因中得到了思维训练，也提高了对反应物适当用量和控制条件对实验成败影响的认识。如去年一选手就是因为一错再错没能进入冬令营，把悬浊液倒入布氏漏斗时，他一不小心将一部分倒在了漏斗外和桌子上，这已经错了，然而他以为背后的两位南大监考大人没看见，竟用手把桌子上的固体抓到漏斗中，假如用玻棒将漏斗外固体拨