創(chuàng)新化學(xué)實驗的方法
——以“探究微粒運動的實驗”為例

魏 海 李德前

在多年的化學(xué)教學(xué)中，筆者在用好課本實驗的同時，還敢于質(zhì)疑課本實驗的不足，合理利用現(xiàn)有的儀器和代用品，成功改進(jìn)和設(shè)計了一些化學(xué)實驗裝置[1]。

改進(jìn)和設(shè)計化學(xué)實驗，筆者常以發(fā)明創(chuàng)造學(xué)上的缺點列舉法、希望點列舉法、模仿法等技法為基礎(chǔ)，然后靈活利用組合法、移植法、替換法、縮小法、逆向法等技法去改掉缺點、落實希望。按照這樣的思路進(jìn)行實驗創(chuàng)新，常能起到事半功倍的效果。下面以2012版上海教育出版社《義務(wù)教育教科書九年級化學(xué)(上冊)》中的“探究微粒運動的實驗”為例，介紹化學(xué)實驗創(chuàng)新的幾種常用方法。

一、以“缺點列舉法”為基礎(chǔ)進(jìn)行實驗改進(jìn)

“缺點列舉法”是指通過發(fā)掘現(xiàn)有物品的缺點，然后設(shè)法逐項克服缺點的發(fā)明技法。像預(yù)警飛機(jī)、可降解塑料、球墨鑄鐵管道等發(fā)明，都使用了缺點列舉法，該技法也是改進(jìn)化學(xué)實驗最常用的基本方法。

1.分析缺點

按照教科書上設(shè)計的方法做“探究微粒運動的實驗”時，總會感到有如下缺點：

(1)氨水的用量大，每次實驗需要150 mL～200 mL。

(2)氨氣極易逸出大燒杯污染環(huán)境，尤其實驗結(jié)束回收氨水時。

(3)每到一個班級都要重新組裝藥品和儀器，很不方便。

2.克服缺點

經(jīng)過苦思冥想，獲得如下克服缺點的思路：

(1)根據(jù)“縮小省略法”(運用減少、減輕、折疊、刪減等手段進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造的技法)，決定使用少量的濃氨水，以節(jié)約藥品；設(shè)想將大燒杯(氨分子擴(kuò)散的空間)換成口徑不大的玻璃管，以縮小實驗空間，同時便于封閉實驗體系。

(2)應(yīng)用“替換法”(通過更換不同性能的材料優(yōu)化物品的發(fā)明技法)，擬將盛濃氨水的小燒杯更換為一個細(xì)口瓶，這樣就無需回收氨水并可長期使用；打算把盛酚酞試液的小燒杯更換為可以吸附液體的紗布條，以便于組裝實驗用品。

(3)根據(jù)“移植法”(將某種已成熟的原理或技術(shù)應(yīng)用到其他領(lǐng)域從而獲得新成果的發(fā)明技法)，決定選用一個玻璃旋塞，將細(xì)口瓶里的氨氣在需要時才釋放出來，這樣就使裝置可控。

(4)采用“異類組合法”(將不同的物品按某種關(guān)聯(lián)因素組合成新事物的發(fā)明技法)，將上述實驗用品在豎直方向上進(jìn)行組合，即得圖1所示的實驗裝置[2]。使用該固定裝置，不僅操作方便、綠色環(huán)保，而且便于多個班級連續(xù)實驗。

需要說明的是，玻璃管上端不一定要封閉，因為使用此改進(jìn)裝置探究氨分子的運動時，逸出的氨氣很少，而且學(xué)生聞到少許氨味也是分子不斷運動的一個例證[3]。另外，這也有利于氨分子在玻璃管內(nèi)自由運動。

3.實驗操作說明

(1)按圖1組裝好實驗裝置。

圖1 “探究微粒運動的實驗”新裝置之一

(2)實驗時只要打開玻璃旋塞，濕潤的酚酞紗布條就會由下到上慢慢變紅，從而說明分子在不斷運動。

(3)把細(xì)口瓶放到熱水里稍微熱一熱(熱水溫度不要超過60 ℃以防燙壞玻璃瓶)，酚酞紗布條變紅的速率就會明顯加快，這說明溫度越高，分子運動的速率越快。

(4)實驗結(jié)束，關(guān)閉活塞，酚酞紗布條逐漸變成無色。

(5)整個班級的教學(xué)任務(wù)結(jié)束后，即可拆開裝置，清洗、整理儀器，留待今后使用。

二、以“希望點列舉法”為基礎(chǔ)進(jìn)行實驗設(shè)計

發(fā)明者從個人愿望或社會需求出發(fā)，針對某一事物提出美好的希望，并據(jù)此確定發(fā)明方向，這就是“希望點列舉法”。像飛機(jī)、汽車、鋼化玻璃等都是根據(jù)人們的希望創(chuàng)造出來的，該發(fā)明技法也是設(shè)計化學(xué)實驗最常用的基本方法。

1.列舉希望點

使用圖1實驗裝置一段時候后，筆者又希望該實驗裝置能更簡單、組裝起來更方便，于是提出如下希望點：

(1)保留圖1實驗裝置的優(yōu)點(如藥品用量少、實驗體系相對封閉、裝置可以反復(fù)使用、實驗現(xiàn)象明顯等)。

(2)實驗用品更簡約、實驗裝置更簡潔。

2.落實希望點

怎樣實現(xiàn)上述美好的愿望呢？經(jīng)過多次反思后，筆者決定采用“縮小省略法”落實希望點。

(1)把盛有濃氨水的試劑瓶與盛有酚酞紗布條的玻璃管，合并為一支大試管；在試管的底部盛裝少量濃氨水，在橡皮塞的反面固定濕潤的酚酞紗布條，同時用橡皮塞封閉試管口。

(2)將上述實驗用品在豎直方向上組合，即得圖2所示的實驗裝置(夾持儀器略)。

3.實驗操作說明

(1)先用膠頭滴管向試管里加入少量的濃氨水(不要使氨水沾到試管壁上，以防酚酞紗布條接觸試管壁上的氨水而干擾實驗的正常進(jìn)行)；在橡皮塞的反面，用大頭針固定濕潤的酚酞紗布條。

(2)然后按圖2組裝好儀器，很快可以看到酚酞紗布條逐漸變紅，從而說明分子在不斷運動。

圖2 “探究微粒運動的實驗”新裝置之二

(3)微熱試管(用酒精燈或熱水均可)，紗布條變紅的速率會更快，這又說明溫度越高、分子運動的速率越快。

(4)每次實驗結(jié)束，拔出橡皮塞和紗布條(放入干凈的小燒杯里)，再用另一個備用橡皮塞封閉試管口。

(5)整個班級的教學(xué)任務(wù)結(jié)束后，拆開裝置，清洗、整理儀器，留待今后使用。

三、以“模仿法”快速進(jìn)行實驗創(chuàng)新

發(fā)明創(chuàng)造說到底就是兩條路，一是全新的發(fā)現(xiàn)，二是模仿再設(shè)計。模仿法就是模仿和借鑒已有事物的某些有效因素，并對其提煉再設(shè)計，從而開發(fā)出新事物。像燈塔和電視塔就是模仿松柏的矮錐形，飛機(jī)的兩翼形狀就是模仿鷹類等，該創(chuàng)新技法是創(chuàng)新化學(xué)實驗的捷徑，但不能生搬硬套，否則會有抄襲的嫌疑。

1.同行研究成果

前不久，筆者看到有同行采用T型三通管探究二氧化碳的性質(zhì)[4]，于是決定利用T型三通管模仿設(shè)計“探究微粒運動的實驗”。

2.模仿設(shè)計(實驗裝置如圖3[5]所示，夾持儀器略)

圖3 “探究微粒運動的實驗”新裝置之三

(1)在15 mm×200 mm的粗玻璃管中部的外壁上，熔接一段外徑約5 mm的稍彎曲的細(xì)玻璃管(該形狀便于滴加和儲存少許濃氨水)，這樣就制成了適合本實驗需要的T型三通管。

(2)將一根濕潤的酚酞紗布條放入T型三通管的粗玻璃管內(nèi)，并用膠帶將紗布條的兩端固定；在T型三通管的細(xì)玻璃管內(nèi)滴入大約0.5 mL的濃氨水，立即封閉細(xì)玻璃管口。

(3)很快可以看到，僅有中上部的紗布條從下往上慢慢變成紅色。該實驗現(xiàn)象不僅說明氨分子在不斷運動，還證明氨氣的密度比空氣小。

(4)若想加快酚酞紗布條變紅的速率，可以微熱細(xì)玻璃管中的氨水。

(5)實驗結(jié)束，拆開裝置，清洗、整理儀器，留待今后使用。

四、結(jié)束語

在改進(jìn)和設(shè)計化學(xué)實驗時，我們要靈活、巧妙地運用創(chuàng)新技法，從而使化學(xué)實驗更加科學(xué)完美、簡約實用、直觀鮮明。

[1] 李德前,趙紅.指導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)化學(xué)實驗裝置[J].化學(xué)教學(xué),2006(5):1-3.

[2] 李德前.“氨分子擴(kuò)散”實驗綠色化設(shè)計[J].化學(xué)教育,2008(6):64.

[3] 劉傳友.以簡取勝 改進(jìn)實驗[J].教學(xué)儀器與實驗,2010(1):22-23.

[4] 吳端斗.二氧化碳性質(zhì)實驗的改進(jìn)[J].化學(xué)教學(xué),2006(7):11.

[5] 歐群,李德前.巧用T形三通管探究多種氣體的性質(zhì)[J].化學(xué)教育,2011(8):53-54.