從化學(xué)實驗改進(jìn)談培養(yǎng)師生的科學(xué)精神

張麗華

摘要：為培養(yǎng)師生的科學(xué)精神，分別從探究實驗方法、反應(yīng)原理、實驗裝置和優(yōu)化實驗過程等四個角度例舉了8個相關(guān)實驗改進(jìn)的案例，旨在提高教師的專業(yè)水平、鼓勵學(xué)生敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神。

關(guān)鍵詞：化學(xué)實驗;改進(jìn);科學(xué)精神

文章編號：1008-0546（ 2019） 07-0084-04 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2019.07.025

什么是科學(xué)精神？科學(xué)精神包括“理性思維、批判質(zhì)疑和勇于探究”，重點是崇尚真知，能理解和掌握基本的科學(xué)原理和方法;尊重事實和證據(jù)，有實證意識和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那笾獞B(tài)度;具有問題意識;能不畏困難，有堅持不懈的探索精神;能大膽嘗試，積極尋求有效的問題解決方法等[1]。在化學(xué)教學(xué)中積極開展實驗改進(jìn)活動，是培養(yǎng)教師與學(xué)生科學(xué)精神的重要措施。

近年來，對中學(xué)化學(xué)實驗改進(jìn)，筆者樂此不疲，并引導(dǎo)學(xué)生也積極參與其中，不但提高了教師的教學(xué)水平，也培養(yǎng)了學(xué)生的自主探究、勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神。在對中學(xué)化學(xué)實驗改進(jìn)過程中，筆者非常注重根據(jù)化學(xué)實驗系統(tǒng)的“實驗手段和對象”進(jìn)行實驗創(chuàng)新[2]，取得了不錯的教學(xué)效果。下面筆者從四個角度例舉8個實驗改進(jìn)案例，旨在拋磚引玉。

一、從探究實驗方法上改進(jìn)實驗

從探究實驗方法上改進(jìn)實驗，從而產(chǎn)生相同、甚至更好的實驗效果，符合新課程所倡導(dǎo)的開放和探究精神[3]。對實驗方法進(jìn)行改進(jìn)時，可以從物質(zhì)的組成、性質(zhì)、原理、反應(yīng)條件等方面尋找創(chuàng)新點，進(jìn)而得出新的實驗方法。

案例1：Cl2、S02等有毒氣體的性質(zhì)實驗

人教版高中化學(xué)必修1第四章《非金屬及其化合物》內(nèi)容學(xué)習(xí)時，Cl2、S02等氣體性質(zhì)研究是重點，在進(jìn)行實驗時，很多同行習(xí)慣于按照教材方法進(jìn)行實驗，用盛氣體的集氣瓶或裝有其水溶液的試劑瓶進(jìn)行演示或分組實驗，對環(huán)境污染非常嚴(yán)重。筆者將微型實驗思想引入化學(xué)課堂，在一個很小的密閉環(huán)境中進(jìn)行，既減少了環(huán)境污染，又能觀察到明顯的實驗現(xiàn)象。主要實驗裝置如圖l、2、3所示。具體實驗步驟如下（以S02為例）。

（1）如圖l，教師事先用注射器收集1/3體積氣體并密封，同時引導(dǎo)學(xué)生觀察氣體的相關(guān)物理性質(zhì)。

（2）在學(xué)生學(xué)習(xí)主要物理性質(zhì)同時，自然引出溶解性，并引導(dǎo)學(xué)生完成溶解性實驗（如圖2），把注射器針尖浸入盛水的燒杯中，吸取少量水。

（3）充分振蕩，觀察得到的水溶液，在點滴板中依次完成相關(guān)性質(zhì)實驗（如圖3），每次只需3-5滴即可觀察到明顯的實驗現(xiàn)象。

該實驗改進(jìn)后的主要優(yōu)點為微型環(huán)保，即使在教室內(nèi)完成分組實驗，也幾乎聞不到氣味。

案例2：“燃燒條件”實驗探究

現(xiàn)行的人教版九年級《化學(xué)》教材上冊129頁圖7-5是燃燒條件的實驗，進(jìn)行該實驗時，很多同行習(xí)慣于按照教材方法進(jìn)行實驗，實驗時銅片上的白磷燃燒產(chǎn)生的大量白煙對環(huán)境污染非常嚴(yán)重，對水中的白磷通氧氣時，白磷四處游動，不利于學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象。筆者因勢利導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生能否讓白磷在一個很小的密閉環(huán)境中燃燒，既減少了環(huán)境污染，又使得白磷燃燒時不會四處游動。經(jīng)過研究和反復(fù)嘗試，師生共同研制出了如圖4、5所示的實驗裝置。具體實驗步驟如下：

（1）分別向兩個大燒杯中加入等量的熱水和冷水，然后將兩個橡皮塞倒置于兩個燒杯中，再分別取兩粒大小幾乎一樣的白磷放在橡皮塞上，此時兩粒白磷沒有燃燒，說明燃燒需要氧氣或空氣。

（2）分別取大小、長短一樣的乳膠管將兩支注射器和兩支球形干燥管連接。

（3）同時拉動兩支注射器的活塞至15mL刻度處，即兩支注射器內(nèi)部都預(yù)留了15mL空氣。

（4）將兩支球形干燥管分別倒扣在兩個橡皮塞上，輕推兩支注射器的活塞，熱水和冷水分別從橡皮塞和乳膠管之間的縫隙中流出，將兩支球形干燥管輕輕下壓，發(fā)現(xiàn)熱水中的白磷很容易燃燒起來（并沒有出現(xiàn)四處游動現(xiàn)象），產(chǎn)生大量的白煙，由于熱水中的白磷與空氣中的氧氣反應(yīng)，導(dǎo)致裝置內(nèi)的壓強(qiáng)減小，從而使得橡皮塞與干燥管更加緊密的連在一起，生成的白煙沒有逸散到空氣中，避免了環(huán)境污染。冷水中的白磷雖然也接觸到了氧氣，但沒有燃燒，說明燃燒需要溫度達(dá)到著火點。

二、從探究反應(yīng)原理上改進(jìn)實驗

反應(yīng)原理是化學(xué)實驗的核心。通過對反應(yīng)原理的改進(jìn)或探究，可以另辟蹊徑，讓人有煥然一新的感覺。對實驗原理的改換，主要針對物質(zhì)的性質(zhì)、制備實驗以及探究物質(zhì)的組成實驗，但對于原有的實驗教學(xué)目的和功能必須保留。

案例3：“電解池”實驗探究

人教版高中化學(xué)選修4第四章第三節(jié)《電解池》實驗4-2，該實驗采用石墨棒為電極電解CuCl2溶液，裝置雖經(jīng)典，但不利于學(xué)生分組操作，也不能很好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。筆者根據(jù)電解實驗原理，引導(dǎo)學(xué)生采用了新的實驗方案，以常用的鉛筆芯為電極材料，依次電解CuCl2溶液（如圖6）、Na2SO4溶液（浸濕pH試紙，如圖7），裝置簡單，現(xiàn)象明顯。教師在此基礎(chǔ)上，變化條件，設(shè)置懸疑，順勢引出“陽極材料為銅”（如圖8）和“水質(zhì)電解器”（如圖9）裝置，從理論到實踐，進(jìn)一步探討電解原理的本質(zhì)。具體實驗步驟如下：

（1）如圖6，在點滴板凹槽中加適量CuCl2溶液，用處理好的鉛筆芯連接導(dǎo)線，并接到電池的正負(fù)極上，1-2分鐘后觀察現(xiàn)象。

（2）如圖7，操作步驟同上，把兩極置于用NaSO。溶液浸濕的pH試紙上，1-2分鐘后觀察現(xiàn)象。

（3）如圖8，銅為電極，電解稀硫酸，觀察溶液和電極材料的變化。

（4）在以上實驗結(jié)束后，學(xué)生了解原電池的基本原理，再利用情境“揭秘水質(zhì)電解器”（如圖9），引導(dǎo)學(xué)生實驗和思考，達(dá)到真正理解電解原理本質(zhì)的目的。

本設(shè)計的最大優(yōu)點是由淺入深，實驗情境、操作和原理環(huán)環(huán)相扣，學(xué)生易于理解接受。

案例4：“分子運(yùn)動”實驗

現(xiàn)行的人教版九年級《化學(xué)》教材上冊49頁圖3-4是分子運(yùn)動現(xiàn)象的實驗，該實驗在大燒杯中進(jìn)行，所需濃氨水的量比較多，污染重。筆者引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計了新的實驗方案，該實驗的原理是：汽油易揮發(fā)，揮發(fā)出來的汽油蒸汽遇到紫色的KMn04溶液，會使得KMn04溶液褪色[4]，有關(guān)的化學(xué)方程式為：2KMn04+ 3RCH=CH2+ 4H20=2Mn02↓+3RCH （OH）CH20H+2KOH。具體實驗步驟如下：

（1）如圖10所示：將一銅絲的一端插在橡皮塞上（根據(jù)試管的長度進(jìn)行調(diào)整），另一端固定一脫脂棉。

（2）向大試管中加入少量汽油，再向脫脂棉上滴少許KMn04溶液，塞緊橡皮塞。

（3）兩分鐘后，脫脂棉慢慢變?yōu)槿馍?，則說明汽油分子在不停的運(yùn)動。

（4）若將試管底部浸沒在500C的熱水中，KMn04溶液迅速褪色，則說明分子的運(yùn)動速率隨溫度的升高而加快。

三、從探究實驗裝置上改進(jìn)實驗

從探究實驗裝置上改進(jìn)實驗可以更好地發(fā)揮教具在教學(xué)過程中的引導(dǎo)作用，而不是標(biāo)新立異，只新不優(yōu)。改進(jìn)實驗裝置主要從幾個方面人手，在確保實驗效果的前提下，對裝置進(jìn)行簡化，替換實驗器材，改進(jìn)或增加必要的實驗裝置，減少對環(huán)境的污染。在對裝置進(jìn)行改進(jìn)時，要注意方法的科學(xué)性、取材的廉價性、裝置的簡易性和性能的優(yōu)越性。

案例5：“金屬鈉與水反應(yīng)”實驗

現(xiàn)行人教版高中化學(xué)《必修1》49頁，實驗3-3，鈉和水反應(yīng)實驗在燒杯中完成，雖然實驗現(xiàn)象很明顯，但存在明顯弊端：首先鈉塊容易飛濺，特別是分組實驗中存在安全隱患，其次產(chǎn)物H2無法檢驗，為解決這兩個問題，筆者設(shè)計了一個微型實驗裝置，簡單易操作，安全性高，現(xiàn)象明顯，如圖11所示，具體步驟如下：

（1）收集幾個廢舊小藥瓶，清洗干凈，按圖II組裝好裝置。

（2）藥瓶內(nèi)加約二分之一的水（可滴1-2滴酚酞溶液），把一小塊（綠豆大小）鈉塊投入瓶中，蓋好帶針尖的橡皮塞。

（3）片刻，如圖點燃針頭尾部，可以觀察到產(chǎn)物H2安靜地燃燒。

案例6：“滅火器”演示實驗

現(xiàn)行的人教版九年級《化學(xué)》教材上冊130頁圖7-9是濃鹽酸與碳酸鈉溶液反應(yīng)滅火實驗裝置，該反應(yīng)在一個吸濾瓶中進(jìn)行，反應(yīng)發(fā)生時，瞬間產(chǎn)生的大量二氧化碳?xì)怏w很有可能把堵在瓶口的橡皮塞沖出，為此，筆者設(shè)計了一種新的實驗方案，裝置如圖12所示，具體實驗步驟如下：

（1）用燒紅的玻璃棒在礦泉水瓶頸下方三厘米處燙一個小洞，以備用。

（2）將3藥匙Na2C03粉末加入礦泉水瓶中，并加入適量的熱水。微微振蕩瓶子，使Na2C03粉末全部溶解，向一小試管中加入大半試管的濃鹽酸，并在試管中插入一根長短合適的玻璃棒，將試管連同玻璃棒一起放入塑料瓶中，旋緊瓶蓋。

（3）點燃一支蠟燭，將塑料瓶倒置，小孔對準(zhǔn)蠟燭火焰，蠟燭很快就熄滅。

四、從優(yōu)化實驗過程上改進(jìn)實驗

對于中學(xué)化學(xué)實驗，實驗過程不宜時間過長、有污染物泄漏而污染環(huán)境等。所以對于一些實驗過程長，操作繁瑣的實驗有必要進(jìn)行改進(jìn)。那些實驗現(xiàn)象直觀、安全環(huán)保的中學(xué)化學(xué)實驗，不但可以加強(qiáng)實驗的效果，而且還可以培養(yǎng)提高學(xué)生的科學(xué)精神和創(chuàng)新能力。因此，從實驗過程角度考慮對部分中學(xué)化學(xué)實驗進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化也是實驗創(chuàng)新的一種有效途徑。

案例7：Fe（OH）2的顏色的觀察

現(xiàn)行人教版高中化學(xué)《必修1》60頁，實驗3-9，F(xiàn)eCl2溶液中加NaOH溶液，需要學(xué)生觀察到“生成白色沉淀后轉(zhuǎn)變?yōu)榛揖G色，最后變?yōu)榧t褐色”，按教材方法演示，實驗過程變化很快，很難觀察到白色。筆者根據(jù)避免白色Fe（OH）2接觸空氣中02的原理，經(jīng)過反復(fù)嘗試，師生共同研制出了如圖13所示實驗裝置。具體實驗步驟如下：

（1）取一小試管，用燒紅的細(xì)鐵棒在中部燙一個小洞，備用。

（2）用一注射器吸取少量NaOH溶液，并配上膠塞，備用。

（3）向小試管中加入2-3mL稀硫酸和少量鐵粉，按圖13裝好盛有NaOH的注射器（針尖不接觸溶液），塞緊膠塞。

（4）待反應(yīng)至溶液中不再有大量氣泡產(chǎn)生時，下移針尖至液面以下，輕推注射器，可以長時間觀察到白色的Fe（OH）2白色沉淀。

案例8：“C02性質(zhì)”實驗

現(xiàn)行的人教版九年級《化學(xué)》教材上冊118頁是探究二氧化碳與水反應(yīng)實驗，該實驗要求事先準(zhǔn)備四朵用溶液染制的干燥的小花，制作小花需要大量時間，耗時耗力，而且實驗分四個步驟進(jìn)行，比較麻煩。筆者引導(dǎo)學(xué)生思考：能否用一套裝置來直接驗證二者之間發(fā)生了反應(yīng)？在師生的共同努力下，便有了如圖14所示的裝置，該裝置一氣呵成的驗證了二者可以發(fā)生反應(yīng)，具體實驗步驟如下：

（1）分別將一張干燥的紫色石蕊試紙和一張潤濕的紫色石蕊試紙放在Y形導(dǎo)管的兩個支管中。

（2）用一張單層的餐巾紙裹住適量的CaCl2，放在Y形導(dǎo)管中支管的前方，把Y形導(dǎo)管水平放置，調(diào)節(jié)左側(cè)Y形試管，使稀鹽酸流入石灰石一側(cè)。

（3）立即產(chǎn)生氣體，濕潤的試紙變紅，干燥的試紙沒有變色，則說明C02與水發(fā)生了反應(yīng)。

（4）取出干燥的試紙，向干燥的試紙滴加稀鹽酸，干燥試紙變紅，則說明C02與水反應(yīng)生成的新物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)與稀鹽酸相似。

著名化學(xué)家傅鷹說：“化學(xué)是實驗的科學(xué)，只有實驗才是最高法庭?！痹诮虒W(xué)過程中，教師要有意識地從不同角度對化學(xué)實驗進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，力求為創(chuàng)新實驗增添可行性、趣味性、簡易性和探究性，從而為學(xué)生對方法的積累和知識的構(gòu)建搭建一個良好的階梯，才能真正達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生必備品格和關(guān)鍵能力的目標(biāo)，也為培養(yǎng)師生科學(xué)精神提供了方向和路徑。

參考文獻(xiàn)

[l]林崇德.構(gòu)建中國化的學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)[J].北京師范大學(xué)學(xué)報，2017（1）：67

[2]范杰，化學(xué)實驗論[M].太原：山西科學(xué)技術(shù)出版社，2001：19-22

[3] 肖常磊，錢揚(yáng)義，中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)論[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2007：51

[4]馬逸群，魏海，“探究微粒運(yùn)動實驗”系列設(shè)計[J].化學(xué)教學(xué)，2014（8）：58-60