中学化学实验创新设计研究(共96张)ppt课件

中学化学实验创新设计研究 熊言林 1引言2化学实验教学中的问题3化学实验创新设计的原则4实验创新设计的策略和方法5实验创新设计时应注意的问题讨论 卓越中学化学教师的标准 1引言 1 1空气中氧气体积测定实验 1 设计1 2 设计2 3 设计3 红磷在密闭容器中燃烧时耗氧量的测定 可燃物燃烧三条件是必要的 但不是充分的 有时即使燃烧的三个必要条件都具备 燃烧也不一定能发生 1 2趣味化学实验设计 1 铜变银银变金实验 2 化学振荡实验 例如 化学振荡实验 化学反应原理 在Mn2 的催化下 5H2O2 2IO3 2H 5O2 6H2O I2淀粉遇I2变蓝 I2 CH2 COOH 2 ICH COOH 2 I H I2 ICH COOH 2 I2C COOH 2 I H 丙二酸控制碘量 溶液呈亮黄色 I2 5H2O2 2HIO3 4H2O溶液呈无色 振荡实验溶液配制 1 无色溶液A 在烧杯中 加入41mL30 的H2O2溶液 再加入59mL自来水 用玻璃棒搅拌均匀 装试剂瓶 即为无色溶液A 2 无色溶液B 称取4 3g碘酸钾 放入到100mL烧杯中 加入约60mL的自来水 加热溶解 冷却后 再加入4mL2mol LH2SO4溶液 用自来水稀释到100mL的标记处 用玻璃棒搅拌均匀 装试剂瓶 即为无色溶液B 3 无色溶液C 称取0 03g可溶性淀粉 放入到100mL烧杯中 加入少量的自来水 加热 搅拌 煮沸2分钟后 冷却 再加入1 6g丙二酸 0 34g硫酸锰晶体 再用自来水稀释到100mL的标记处 搅拌均匀 装试剂瓶 即为无色溶液C 1 3化学实验教育功能 1 感性认识的源泉 2 理性认识的支架 3 求证假设的手段 4 科学探究的方法 5 发展创新能力的途径 6 激发兴趣的武器以及培育情感的土壤 2化学实验教学中的问题 跟中学化学实验教学有关的问题主要来源于化学教育教学实践 主要有以下三个大方面 1 化学教学需要跟实验现状的矛盾 2 化学实验结果跟理论预期的矛盾 3 不同化学实验方案之间的差异 具体教学中有八个方面 1 有理念少行动 2 有开发少实用 3 有情境少建构 4 有教师少实验员 5 有实验室少用品 6 有活动少专题 7 有内容少课时 8 有考核少监督 特别是化学教材中的实验问题 1 实验原理的科学性 2 实验安全性 3 实验现象可见度 4 实验步骤 5 实验操作 6 试剂用量 7 实验装置 8 实验装置图 例如乙烯的制取与性质实验 又如空气中氧气含量的测定 存在着一些不足 将点燃的红磷伸入集气瓶过程中不仅产生对环境有污染的五氧化二磷 而且还会因为伸入集气瓶瞬间使空气膨胀 使瓶内空气逸出 导致测量结果偏大 装置中所用的导管实验前充有空气 红磷火焰熄灭倒吸后这部分空气进入容器 实验后导管充满了水 而这些水本应该进入容器中 这两种因素会导致实验结果偏低 燃烧匙一般由金属铜材料制成 加热条件下磷单质与铜反应生成Cu3P 使燃烧匙受到腐蚀 新的中学化学教材中有许多经典实验 实验方法被长期传承和运用 虽有改进 但不排除有的实验存在诸如 1 不便操作 2 严密性差 3 现象不稳固 4 实验步骤不合理等瑕疵 化学教师应以科学创新的态度去审视每一个实验 勤于反思 善于琢磨 精于研究 勇于创新 使教学行为将变得更加有效 教学行动将不断有所创新 3化学实验创新设计的原则 要设计具有良好教学功能的化学实验 需要用以下几项基本原则作为实验创新设计的指导思想 3 1目的性原则 目的性是实验创新设计要达到预期的化学教学目标 一般来说 其目的都是为了使化学实验教学效果更理想 在设计实验前 首先要搞清楚实验到底要达到什么目的 其目的可归纳3个方面 配合课堂讲授内容给学生提供感性认识 帮助阐明科学概念和化学原理 同时向学生示范规范的实验操作 培养学生观察和描述实验现象 发现和解决问题的能力 学习和巩固相关的理论知识 培养学生严谨的科学态度 良好的实验习惯和科学探究能力 拓宽学生的知识面 激发学生学习化学的兴趣 巩固和提高学生的实验技能 锻炼学生运用化学知识解决实际问题的能力 培养学生的创新意识和实践能力 例如二氧化碳性质实验设计 先在烧杯内壁上贴上干燥的蓝色石蕊试纸和湿润的石蕊试纸各一张 在烧杯外壁贴上湿润的蓝色石蕊试纸一张 将2mL澄清石灰水倒入烧杯底部 将集气瓶中的二氧化碳倒入烧杯中并摇晃 观察变化 再将燃着的阶梯形蜡烛缓缓地伸进烧杯内 观察变化 最后将已经变红的石蕊试纸在酒精灯上烘烤片刻 观察观察它的变化 实验设计优点与效果 1 实验设计巧妙 操作简便 现象明显 成功率高 有效弥补了容易失败的不足 2 几个实验整合在一起进行 简化了实验操作 短时间内即可完成 节省了二氧化碳 也提高了课堂效率 3 实验设计过程中应用了控制变量法 改变了原有的实验思维定势 激发了学生的创新精神 培养了学生的实践能力 本实验折射出二氧化碳的四种性质 实现了教学二氧化碳物理性质和化学性质的无缝对接 有利于教学目标落实 3 2科学性原则 科学性是化学实验创新设计的核心原则 科学性是指创新设计中的化学原理 装置原理 操作原理和方法都必须与化学理论知识 实验方法相符合 一个优秀的化学实验创新设计 应具有严谨的科学性 简言之 就是合理性 例如 二氧化碳的密度比空气大实验 有不少老师设计了用两个气球 或塑料保鲜袋 分别充满二氧化碳和空气 置于同一高度在同一时刻下落 观察气球落地的先后 先落地的是二氧化碳 后落地的是空气 实验中存在许多不严密的地方 气球自身的质量不完全相等 充气后气球的体积和形状不完全相同 这些因素都直接影响气球落地的先后 又如 氨的合成实验创新设计 图11 重铬酸铵2 玻璃纤维3 酚酞溶液 验证 图21 重铬酸铵2 玻璃纤维3 酚酞溶液 或2 硫酸亚铁溶液 重铬酸铵热分解产物 重铬酸铵热分解产物主要是三氧化二铬 氮气和水 NH4 2Cr2O7 Cr2O3 N2 4H2O另外 还有氨气 氧气 2 NH4 2Cr2O7 2Cr2O3 4NH3 3O2 2H2O 3 3安全性原则 安全性是指化学实验创新设计时应尽量避免使用有毒药品或反应生成有毒气体物质以及具有一定危险性的实验装置和实验操作 如果必须使用 应在所设计的实验方案中详细写明注意事项和防护措施 以防造成环境污染和人身伤害 例如 二氧化碳的灭火性实验探究 教材中沿用了较为传统而又经典的二氧化碳灭烛实验 即在烧杯内点燃两支呈阶梯形的蜡烛 然后倒入一瓶二氧化碳 观察蜡烛燃烧的变化 其实验本身存在以下的缺陷 实验的安全性差在倾倒二氧化碳的过程中 操作者双手被蜡烛火焰灼烤 苦痛难耐 背离了人性化的原则 蜡烛正常燃烧的火焰较旺 在烧杯内燃烧放热使杯内气体热膨胀 二氧化碳很难倒入杯底 导致灭烛实验失败 受烧杯自身口径的制约 倒进的二氧化碳往往会将高的火焰扑灭 从而造成实验的负效应 又如 CO还原氧化铁实验 再如 德国一实验室做实验 一学生实验需用氢氟酸 被告知需要培训讲解 因为非常危险 1个教师用PPT给学生讲解了大约1个小时 使用规则 以及急救措施等等 确实是非常具体到位 使学生学到不少东西 最后叮嘱学生 我可以和你一起做一次 然后以后你做的时候随时叫我 因为这种酸非常危险 必须要有2个人一起做 万一出了问题 有其他人急救 3 4可行性原则 可行性是指设计的化学实验方案中所运用的化学原理 装置原理 操作原理和实验方法在实施时切实可行 所选用的化学实验药品 仪器 设备和方法在现有的条件下能够得到满足 并在实验中能得到正确的实验现象和结论 可行性是实验创新设计的根本原则 例如 火焰层温度高低探究 蜡烛燃烧的实验探究中 把火柴棒放入火焰中 看哪一层最先变黑 教师有没有发现由于火柴棒表面很粗糙 易燃 易碳化 导致实验现象不是很明显 能不能改进 改用表面相对光滑的竹质牙签代替火柴棒 或用润湿的白纸 结果怎样 3 5简约性原则 对于同一实验 实验越简单越好 简单就是美 所谓简约性是指要尽量采用简单的实验方法和实验装置 用较少的实验步骤和实验用品 在较短的时间内可完成效果明显的实验 例如 混有空气的氢气遇火可能会爆炸 恰当的实验创新设计既突出重点 又没有冗长的实验步骤 充分体现出简约性 一位大家说 一个科学家最大的本领就是在于化复杂为简单 用简单的方法去解决复杂的问题 3 6创新性原则 创新程度的高低 是衡量一个创新实验价值大小的重要标准 所谓创新性 是指实验设计要敢于突破陈规 独到于新颖 独特 巧妙之处 能反映新事物 新观点 新理论 新方法和新思路等 一个优秀的化学实验创新设计必须反映出实验设计者独出心裁的构思 例如二氧化碳熄灭烛火的实验 缺口向下插入细沙中的凹形三合板 细沙子 NO2制备与喷泉实验设计 3 7趣味性原则 化学实验常令学生兴趣盎然 终生不忘的原因 是化学实验现象具有趣味性 所谓趣味性是指设计的实验所得出的现象和结果能够激发学生的好奇心和求知欲 从而引起学生学习化学的兴趣和动机 例如氨的彩色喷泉实验设计 又如 化学彩虹实验 化学彩虹实验是采用互不相溶的不同溶剂构建异相 多层 不同颜色的化学彩虹 或者是采用浓度不同且具有密度差的相同溶剂构建同相 多层 不同颜色的化学彩虹等等 相同溶剂化学彩虹实验 配制体积分数为0 30 50 65 85 100 的乙醇水溶液 首先将实验所需的药品和仪器准备好 药品 无水乙醇 或灯用酒精 自来水 水彩笔 仪器 10mL量筒 试管 胶头滴管 烧杯 试管塞 彩虹颜色由下至上分别是绿 紫 红 蓝 黄 橙色 3 8启发性原则 所谓启发性是指实验创新设计本身具有启迪学生思维的作用以及教师对实验作出一系列富有启发性的指导 使学生在实验或实验观察中能自觉 深入地思考 并对实验的结果进行论断和评价 从而培养学生思维能力和创新精神 例如溶解度教学实验设计 1 把蔗糖逐步加入一杯冷水 把食盐加入一杯等量的热水中 直到二者不能再溶解为止 记下蔗糖 食盐用量 下同 2 常温下 将蔗糖逐步加入半杯水中 把食盐逐步加入一杯水中 直到二者不能再溶解为止 3 常温下 在相同的两杯水中 分别加入1g蔗糖和1g食盐 都能完全溶解 根据实验结果学生去思考分析 判断 归纳 获得什么结论 例如 铁与氧气反应实验 学生也看到铁丝在氧气中燃烧 发出耀眼的白光 并有黑色的物质落在集气瓶中的水面下 但教师在实验前后没有引导学生思考 红热的铁丝为什么在瓶外不燃烧而在瓶内燃烧 瓶外也有氧气吗 而教师又不解释 这样的实验教学怎能激发学生求知探究的欲望呢 例如 铁与硫粉反应实验新设计 图6 4实验创新设计的策略和方法 由于中学化学实验创新设计的具体对象 内容 目的和方法的不同 因此其创新设计没有固定的模式和方法可循 但是 通过对众多创新实验案例的分析 可以发现已有不少行之有效 可借鉴的策略和方法 4 1组合策略 组合策略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方式 爱因斯坦曾说过 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 使其具有某种新的教育功能也是对原有化学实验的一种创新 例如 CO2密度和化性组合实验 取一只烧杯 注入少量澄清的石灰水 振荡 观察 看到什么 然后向烧杯内倾倒一瓶二氧化碳 约6s 盖上毛玻片 振荡 又看到什么 后者观察到澄清的石灰水变浑浊 此现象表明二氧化碳的密度比空气大 接着顺势揭示二氧化碳能和氢氧化钙起反应的化学性质 该实验的最大创新之处在于 彻底排除了传统实验中的诸多不确定因素 稳固性 可操作性以及可见性极强 又如 二氧化硫的制取及性质实验 4 2颠倒策略 颠倒策略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程序 仪器和药品的使用方法等颠倒过来 以产生新的用途 从而达到实验创新设计的目的和要求 例如 CO2的密度和灭火实验设计 变 静态 的蜡烛为动态 变 动态 的二氧化碳为静态 4 3替代策略 替代策略是利用相同或相似功能的其他物品来替代现有实验规定的物品 从而达到实验教学效果更理想 实验更安全 或者使实验更加简便等目的的一种实验创新设计的方式 例如 氧气制取的实验 H2O2分解制氧气选用了MnO2做催化剂 但是MnO2催化分解H2O2存在很多缺陷 1 所选的催化剂MnO2价格比较贵 使用起来不划算 2 生成的气体速度太快 不便于收集 3 采用滴液法 由于烧瓶内压强太大 液体难以滴入 必须采用液封法 滴液的速度也不易控制 操作的过程比较麻烦 4 H2O2分解时放出热量 分解的自发倾向很强 有催化剂MnO2存在时分解反应迅速进行 当加热到426K以上便会猛烈分解 甚至爆炸 经过研究发现 一些金属氧化物 如CuO Cr2O3 Fe2O3 Fe3O4和基本上无价值的土壤 香烟灰 稻草灰或麦杆灰 下面统称草木灰 细沙对该反应均能起到很好的催化作用 不但节约药品 而且克服了MnO2催化分解的一些缺点 八种代用品与过氧化氢在制取氧气时生成气体的平均速率由大到小的顺序是 土壤 Fe2O3 CuO 香烟灰 Fe3O4 草木灰 Cr2O3 细沙土壤 香烟灰 草木灰 它们不仅具有良好的催化性能而且取之不尽 用之不竭 在大量制备氧气和学生分组实验或开展课外活动时 它们不失为价廉物美的代用品 土壤中含有许多金属 如Mg Fe Al等 和非金属的氧化物 如SiO2等 所以土壤也具有较好的催化作用 不过反应过程中放出气体的速率较快且不平衡 当然 不同类型的土壤 由于所含矿物质的成分不同 作为催化剂的效果也不一样 所选的部分催化剂代用品不用花钱 为广大农村中学带来了方便 同时便于开展探究 激发学生的学习兴趣 提高实验操作技能和培养创造性思维 又如 氢气的燃烧与还原CuO组合实验 再如CO2和H2制备装置设计 仪器药品 粗玻璃注射器 去掉活塞 双孔橡皮塞 分液漏斗 多孔的圆形塑料片 胶皮管 止水夹 铁架台 块状石灰石 或大理石 稀盐酸 锌粒 稀硫酸等 4 4缺点列举策略 指通过发现现有化学实验的缺陷 把现有化学实验的缺点一一列举出来 然后提出改进或革新方法的一种方式 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 利用缺点列举策略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 初中教材上 白磷的燃烧 实验 因燃烧产物P2O5 白烟 与冷水 空气中水蒸气 生成剧毒的HPO3 偏磷酸 会对环境造成污染 白磷燃烧前后质量测定 实验 很难保证没有空气进入锥形瓶以及没有P2O5 白烟 逸出 以致达不到质量守恒的目的 可将两个实验合二为一 设计如下图 4 5拓展策略 是指化学实验创新设计为促进学生的知识拓展和实验 思维 创新等能力的发展 但要符合学生的认知结构知识和能力水平 教师在化学实验创新设计中应让学生在富有启迪作用的 难度适中的实验问题 中由易到难 循序渐进地进行实验设计 例如 蜡烛燃烧产物的检验及二氧化碳的非常规灭火原因实验探究 对蜡烛及其燃烧的探究 是人教版初中化学中的一个实验 它是学生接触到的第一个活动与探究实验 是中学化学的基础实验之一 对中学生整个初中化学学习乃至今后的化学学习都起到至关重要的作用 对于该实验进行拓展研究 蜡烛燃烧产物的检验和二氧化碳非常规灭火原因的实验探究 二氧化碳常规灭火实验的现象是 低处蜡烛火焰比高处蜡烛火焰先熄灭 其原理是 二氧化碳的密度大 沉降在容器底部 火焰周围的二氧化碳浓度过高 二氧化碳非常规灭火实验的现象是 高处蜡烛火焰比低处蜡烛火焰先熄灭 其原理 是什么 怎样用实验验证 另外 在一个相对封闭环境中 蜡烛燃烧产物二氧化碳的浓度大小怎样直观检验 检验产物的方法 检验CO2浓度变化的方法 图3检验CO2浓度装置 CO2浓度变化的原因 5实验创新设计时应注意的问题 中学化学实验创新设计 无论使用何种策略和方法 都应该遵循一定的原则和要求 除了以上提到的一些原则和要求外 在进行实验创新设计时还应注意以下一些问题 5 1创新设计不能为了 出新 而设计 实验创新其目的是为使实验效果更理想 实验更安全 或者使实验更加简便等 应避免这种现象 仅仅是为了 出新 而进行实验设计 这类实验设计的目的 只是为了对原有的实验进行改造 并不考虑改造后实验的效果 甚至改造后的实验还不如原实验 例如国外氢气还原氧化铜实验设计 实验现象鲜明 直观 氧化反应 还原反应可重复进行 安全 可靠 有很强的启发性 我国义务教育化学课程标准的本次修订 力求降低实验探究活动的难度 使之更适合初中教学实际 删去了 活动与探究建议 中一些操作难度较大的实验 如 在加热条件下氢气与氧化铜反应 等 5 2实验创新设计应以教学为中心 在进行实验创新设计时应紧紧围绕 教与学 这个中心 一要涵盖化学教学的知识点 二要充分考虑到学生的实际情况 使学生在实验中达到相应的知识和能力 在设计时要找到调动学生兴趣和完成教学任务两者之间的平衡点 要注意避免下面两种情况 一是为了调动学生的兴趣而忽略了教学任务 二是为了单纯的完成教学任务而忽视了化学实验的趣味性和教育功能 5 3创新设计应融入先进的教育理念 实验在化学教学中的作用是不可替代的 但要在教学中充分发挥它的作用还需要在实验创新设计时融入先进的教育理念 改变传统化学实验教学 1 过分以演示实验和验证实验为主 2 强调演示和验证 3 注重探究结果 忽略探究过程等 不改的结果 造成学生直接参与实验的机会不多 缺少亲身体验和直观感知 不利于培养学生的创新意识和动手能力的状况 5 4创新设计应利用身边教学资源 化学实验教学资源是指有利于实现化学教学目标 在实验教学设计 实施 评价过程中可以利用的各种资源的总和 通过化学实验教学资源的开发利用 可以有效地拓展和完善实验教学内容 弥补化学教科书的不足 1 利用课外的实验资源 利用学生身边的物品和器具 同样是重要的化学实验教学资源 学生可以在课外搜集 合理利用日常器具或废弃物进行化学实验或进行微型实验 以实现每个学生都动手做实验 例如 用废弃的饮料瓶制取气体及探究二氧化碳的化学性质 用注射器进行呼出气体中二氧化碳含量测定实验 用铝塑包装的药片凹槽代替试管 点滴板 进行微型实验 可节约大量药品 用废弃电池 电线制作常用的化学药品 如碳棒 锌片 铜粉等 另外 利用鸡蛋壳 贝壳甚至大理石 钟乳石代替碳酸钙 用食用碱代替碳酸钠 用食醋代替酸 用一些花瓣 果皮 紫甘蓝作酸碱指示剂等 让学生随时可以完成自己感兴趣的实验 培养学生的学习兴趣 提高学生动手操作能力 观察能力以及科学探究的能力 又如 生活中常有酸碱盐的身影 例如家用清洁剂使用 洁厕灵 84消毒液和厨房重油污净等 1 洁厕灵是酸性洗涤剂 主要成分是盐酸 HCl 呈蓝色 2 84消毒液是碱性洗涤剂 主要成分是次氯酸钠 NaClO 3 厨房重油污净中含有Na 是碱性洗涤剂 以问题为线索 进行教学 1 你认为洁厕灵 厨房重油污净 84消毒液 的酸碱性如何 2 洁厕灵中的盐酸能与哪些物质反应呢 3 主要成分