中學化學創(chuàng)新性實驗的教學設計與實踐研究

摘 要：創(chuàng)新性實驗的教學設計與實踐在學生創(chuàng)新思維及創(chuàng)造能力培養(yǎng)方面具有非常重要的作用，通過調研大量的研究文獻并結合中學化學教學內容的實際情況，設計并實施了三個基于離子液體應用于綠色化學的創(chuàng)新研究項目的實驗教學，分別是：（1）安全節(jié)能的“酒精燈”的研究；（2）無水溴化亞鐵的綠色化合成工藝的開發(fā)；（3）清潔氧化酒精制備乙醛的研究，這三個創(chuàng)新性實驗教學項目均以“問題、現(xiàn)象、方法”為基本要素，以假設、實驗、對照為基本研究方法，給學生造就了較大程度的自由思考、自行設計、自主實驗的時空條件，使他們擁有了一個個自主探究、感受科學探索的歷程的機會和展示自己的聰明智慧的平臺。

關鍵詞：創(chuàng)新性 實驗 設計

中圖分類號：G4 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）06（c）-0042-02

1 研究背景

知識創(chuàng)新水平和創(chuàng)新速度將成為經(jīng)濟長期可持續(xù)發(fā)展的驅動力[1]，知識能否創(chuàng)新的核心問題取決于人，取決于人的創(chuàng)新精神、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，而這種精神、意識和能力并不是先天就具備的，更多的來自后天的教育和培養(yǎng)。實驗教學是中學化學教學的重要組成部分，實驗教學中創(chuàng)新性實驗的教學設計與實踐在學生創(chuàng)新思維及創(chuàng)造能力培養(yǎng)方面具有非常重要的作用。著名化學家戴安幫說過：“化學實驗教學是全面實施化學教育的最有效的形式，是化學學科素養(yǎng)教育最有效的組成部分?；瘜W實驗以其豐富的內涵在通過化學教學培養(yǎng)學生素質中發(fā)揮獨特的作用”[2]。隨著新課程改革在全國的陸續(xù)鋪開，不同版本的新教材也相繼走進了學生的課堂，新教材和舊教材相比增加了相當部分的實驗活動內容，其中“觀察與思考、活動與探究、動手空間”等欄目使學生在探究過程中完成知識的構建，落實了教學目標，同時，也為培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力奠定了一定的基礎[3]。作為在新課改大背景下的化學教師不僅要適時調整自己的教學思想和教學觀念，同時在教學組織形式和教學策略上需要對學生的創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)方面進行強化，培養(yǎng)人才首先要培養(yǎng)人的創(chuàng)新意識，創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力，這才是社會可以得以可持續(xù)發(fā)展的不竭源泉[4]。

2 研究內容和研究過程

創(chuàng)新性實驗是結合教學目標與實際狀況，在學生對已有知識掌握與具備初步實驗技能的基礎上，由教師或學生自己提出實驗課題，教師進行指導，引導學生確定實驗原理，設計方案，在收集和整理實驗信息、選擇實驗用品并動手實驗，主動探究，得出結論并與現(xiàn)有的技術進行對比，從科學性、創(chuàng)新性角度出發(fā)對實驗結果進行評價其研究意義的一種實驗方式[5]。這種教學模式可以使學生在實驗教學中的主體地位發(fā)揮的淋漓盡致，在學生自主探究的實驗過程中，有效調動學生學習的內在潛力，它培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和探究能力，使學生形成初步的科學研究能力，提高學生分析問題、解決問題的能力，全面提高學生的科學素養(yǎng)[6]。

通過調研大量的研究文獻，結合中學化學教學內容的實際情況，設計了三個基于離子液體應用于綠色化學的創(chuàng)新研究項目，分別是：（1）安全節(jié)能的“酒精燈”的研究；（2）無水溴化亞鐵的綠色化合成工藝的開發(fā)；（3）清潔氧化酒精制備乙醛的研究。

（1）《安全節(jié)能的“酒精”燈》項目的教學設計與實踐研究。

提出問題：酒精燈是中學化學實驗室最為常用的加熱儀器，但在實際使用過程中由于酒精易揮發(fā)，在降低酒精使用效率的同時也帶來了安全隱患，是否有簡單、易行的辦法克服以上不足呢？

分析問題：酒精的沸點較低，這是致使其易揮發(fā)的本質原因，是否可以添加一種助劑以降低其揮發(fā)性呢？結合高中有機化學教材中所介紹的實驗室制取乙烯的實驗，濃硫酸的存在可以大大降低酒精的揮發(fā)性，但如果直接在酒精燈中加入濃硫酸顯然也會有一定的安全隱患，是否可以找到一種可以粘附酒精分子以降低其揮發(fā)性但又不具有腐蝕性的物質呢？

提出實驗課題：尋求一種替代濃硫酸的環(huán)境友好物質作為添加劑加入到酒精中，設計一種新穎的安全節(jié)能的“酒精”體系。

研究過程：合成了各種類型的離子液體，發(fā)現(xiàn)離子液體甲基咪唑硫酸氫鹽（Hmim

HSO4）是理想的添加劑，進而探究了甲基咪唑硫酸氫鹽HmimHSO4與酒精的最佳體積比（有效控制酒精揮發(fā)的同時又不至于影響酒精的正常燃燒）。

研究結論：離子液體HmimHSO4具有良好的熱穩(wěn)定性（分解溫度高于400 ℃），在酒精燈中加入離子液體助劑可以堪稱是一種“一勞永逸”的辦法，因為離子液體本身不參與酒精的直接燃燒，在使用過程中不會損耗，一旦酒精消耗到一定程度只要及時添加酒精就可以了，完全符合當今綠色化學所倡導的基本要求。

（2）《無水溴化亞鐵的綠色化合成工藝的開發(fā)》項目的教學設計與實踐研究。

提出問題：溴化亞鐵水溶液在蒸發(fā)濃縮結晶過程中極易水解，這勢必大大提高制備無水溴化亞鐵的難度，文獻資料介紹通常采用在溴化氫氣流中制備無水溴化亞鐵，是否可以尋求一種操作更為簡單的合成無水溴化亞鐵的工藝呢？

分析問題：溴化亞鐵是一種易揮發(fā)的強酸與弱堿形成的鹽，在除水干燥的過程中極易水解形成其氫氧化物，那么是否可以在無水體系中直接合成溴化亞鐵呢？這樣就能從根源上消除水解的因素對目標產(chǎn)品純度的影響。

提出實驗課題：尋求一種無水、清潔合成溴化亞鐵的反應體系。

研究過程：合成了各種類型的離子液體，發(fā)現(xiàn)離子液體溴化1-正丁基-3-甲基咪唑（bmimBr）是合適的溶劑和催化劑，其反應機理為：

研究結論：借助離子液體作為載體進行鐵的溴化反應的研究，離子液體在鐵的溴化反應過程中在充當催化劑的同時也充當溶劑的角色，反應過程中溴化試劑液溴和反應產(chǎn)物鐵的溴化物均溶于離子液體體系中，反應結束后通過簡單的萃取方法使產(chǎn)物脫離出反應體系，離子液體可以重復使用，從源頭上避免水的引入，這樣的操作流程就能使該合成工藝的“綠色因子”大大提高，使之符合當前所倡導的綠色化學的基本原則，為大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)鐵的無水溴化亞鐵提供一種新型的途徑。

（3）《清潔氧化酒精制備乙醛的研究》的教學設計與實踐研究。

提出問題：高中有機化學教材中介紹了酒精的催化氧化實驗—— 將彎成螺旋狀的粗銅絲在酒精燈上灼熱后，銅絲變黑，插入乙醇中，銅絲表面變紅，產(chǎn)生刺激性氣味的乙醛，再反復操作—— 制備過程較為復雜，同時也有副產(chǎn)物醋酸生成，不適合運用于工業(yè)生產(chǎn)，是否可以尋求一種操作更為簡單的酒精氧化制取乙醛的工藝呢？

分析問題：乙醛較乙醇而言更容易被氧化劑氧化，在選擇氧化體系的時候需要考慮氧化劑的氧化性強弱。醇的氧化過程有兩個不同的途徑：失氫氧化和得氧氧化，如若只發(fā)生失氫過程而不出現(xiàn)得氧過程，就可以很好的控制乙醇的氧化深度。

提出實驗課題：尋求并設計一種選擇性電氧化乙醇為乙醛的合成工藝。

研究過程：合成了各種類型的離子液體，發(fā)現(xiàn)離子液體甲基咪唑硫酸氫鹽（Hmim

HSO4）適合充當電化學氧化乙醇的媒介，其反應原理為（圖1所示）。

研究結論：設計了一種新穎的電化學選擇性氧化酒精制備乙醛的工藝，在此工藝中以質子酸離子液體作為反應的溶劑和電媒介進行電化學氧化乙醇合成乙醛，而不必另外添加任何輔助支持電解質和催化劑。此外，氧化產(chǎn)物乙醛在電解反應過程中可以通過簡單的蒸餾操作即時從反應體系中分離，此電解體系可以在活性不降低的情況下連續(xù)使用。整個氧化過程是醇的脫氫氧化，從而避免了氧化產(chǎn)物的深度氧化問題，為大規(guī)模制備乙醛提供了一種高效、清潔的合成途徑。

3 創(chuàng)新性實驗教學設計與實踐研究的啟示及教學建議

中學生正處于創(chuàng)新思維和能力形成的重要時期，他們富于想象、勇于創(chuàng)新、敢于批判的品質在以“教師為中心”的傳統(tǒng)課堂上難以得到很好的發(fā)展，以“重復與模仿”為主要形式的傳統(tǒng)實驗教學模式極大程度上抑制了學生創(chuàng)造性思維活動的正常展開。創(chuàng)新性實驗教學以“問題、現(xiàn)象、方法”為基本要素，以假設、實驗、對照為基本研究方法，給學生造就了較大程度的自由思考、自行設計、自主實驗的時空條件，使他們擁有了一個個自主探究、感受科學探索的歷程的機會和展示自己的聰明智慧的平臺。俗話說：“親其師而信其道”，教學效果如何取決于師生關系的好壞，在教學過程中，師生共同創(chuàng)新研究，探討問題積極民主，使師生間的情感更加濃厚，由此證明，創(chuàng)新性實驗教學也同時促進了師生關系的發(fā)展，從而對整個教學工作起到積極的推動作用。

近幾年，隨著創(chuàng)新性實驗教學的設計與實踐的研究，這種教學模式與其以往傳統(tǒng)的實驗教學模式相比更加有利于教師“教”與學生“學”，能夠更準確的體現(xiàn)出以學生為本，以學生的可持續(xù)發(fā)展為根本目標的教育理念。對于創(chuàng)新性實驗教學設計與實踐做如下幾點建議：

（1）明確實驗的教學目標，引導學生自主探究，要讓學生更多的參與到創(chuàng)新研究過程，領略創(chuàng)新研究思路和方法，感悟科學探究的實事求是，體驗科學探究的樂趣。

（2）注重強化對學生進行創(chuàng)新思維的訓練，科學探究能力的培養(yǎng)，在探究過程中學生才能更好的發(fā)揮主體作用。如果學生沒有創(chuàng)新思維和基本的科學探究能力，創(chuàng)新性實驗將完不成預期的目標。

（3）教師要具備較高的駕馭教材的能力和創(chuàng)新實驗教學設計的專業(yè)背景，要具備較好的科學素質和創(chuàng)新精神，只有這樣才能勝任探究設計、指導探究、實施探究。

參考文獻

[1] 楊嶸均.論創(chuàng)新教育的自由訴求與核心命題[J].南京師大學報：社會科學版，2012（3）：95-102.

[2] 盧躍青.論教育自由[J].教育學術月刊，2011（2）：13-15.

[3] 吳元發(fā).教育自由的復歸之路[J].教育發(fā)展研究，2011（19）：73-79.

[4] 黃道主，岳偉.創(chuàng)新教育實踐的人學追問[J].中國教育學刊，2011（12）：21-23，30.

[5] 楊浩英，馮文全.教育：自由的實踐[J].教育理論與實踐，2012，23（5）：12-15.

[6] 王蜜，李銳.教育自由何以可能—— 教育制度的解答[J].教育學術月刊，2009（10）：13-16.