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高中化学实验创新的研究视角与优化策略

更新时间:2017-3-5 9:24:00  浏览量:2846

  摘 要:中等教育类三大化学主流期刊、全国化学优质课大赛、全国和部分省市实验创新大赛等所呈现的实验研究成果为广大教育工作者提供了实验创新的实践基础和研究方向,通过对这些研究成果进行归纳、分析,提出了高中化学实验创新的“五化”创新视角和优化实验方式、优化实验装置、优化实验条件、调整实验试剂、增补教材实验等优化策略。

  关键词:化学实验;实验创新;优化策略

  化学实验是化学教学的重要组成部分,优化教材实验是提升实验教学的重要保障,同时也是培养学生核心素养的重要举措。为了最大化地进行实验创新,我国一线教师、教育科研工作者作了大量的研究工作,并取得了丰硕的研究成果。这些成果主要外显于《化学教学》《化学教育》《中学化学教学参考》等期刊、历届全国或省市高中化学优质课展示活动和各级部门组织的仪器创新大赛等。通过对这些外显成果的分类、整理、归纳,我们可以从中得出高中化学实验创新的研究视角和实施策略。这些研究视角和策略对广大教育工作者提供了实验再创新的实践基础和研究方向。

  一、高中化学实验创新的研究视角

  对于化学实验的创新视角而言,由于研究者所处的环境和研究水平的差异,提法有所不同。有的提出“依标务本”“开放性探究”“聯系实际”“简约易成”“安全环保”的改进原则;有的提出 “趣味化、探究化、生活化、绿色化、可视化”的研究视角[1];还有的提出“直观性、安全性、简易化、科学性”的优化原则[2]等等。如果对上述观点作系统的归纳与分析,总结与概括,不难得出实验创新的“五化”研究视角,即生活化、生态化、生动化、微量化、定量化。

  (一)生活化

  实验创新生活化是指充分借助各种生活资源或自然资源、社区资源来改进化学实验,使实验现象更加明显、直观。目前用于改进实验装置的生活用品主要包括注射器、输液袋、输液管、笔杆、塑料瓶、塑料盒、丢弃的太空杯、电烙铁、电加热棒、粉笔、亚力克板、音乐贺卡、橡皮泥、气球、节能灯管、小风扇、计数器等。如华南师范大学韦新平、钱扬义教授利用带针头的针筒、塑料滴管、试管、药片板、青霉素瓶改进乙炔的制备与性质实验[3];应用贞子果检验铁元素、醛基和制作pH试纸;运用饮料瓶完成爆鸣实验、酸性氧化物性质的验证和制作净水器等[4]。生活化的实验创新不但可以节约实验成本、提高实验效率,而且还能激发学生学习化学的兴趣、培养学生“变废为宝”的学科思想和环保意识。

  (二)生态化

  教育生态学认为真正的教育必须直面生命,满足生命发展需要,彰显生命活力,提升生命质量。在化学教学中要构建生态化课堂,需要以生态化实验创新为基本保障,需要教师树立绿色化学观念,关注环境友好化学实验,以避免化学实验对环境的污染和学生的伤害。实验创新的生态化就是指在实验创新过程中运用生活化的素材优化实验,实现化学实验的无害化、绿色化。目前对生态化的实验创新主要有以下几种形式:一是将有毒气体的制备实验或易被空气氧化的实验由敞开体系改为封闭体系。如利用生活中的输液袋和注射器进行铜和稀、浓硝酸反应的对比实验、氢氧化亚铁制备实验的改进等。二是对有毒气体的制备和性质进行一体化设计,优化实验环节,体现绿色化学理念。如对NOx、Cl2和SO2的制备和性质进行一体化设计[5],自制环保型防泄漏实验装置验证CO2、SO2、Cl2的性质和进行铜与浓硫酸(或浓硝酸)、H2S与SO2的反应等[6]。三是对教材中的部分实验进行微量化设计,使现象更加明显。如对石蜡的裂化实验、溴乙烷消去反应、煤的干馏、SO2和Cl2的系列化实验进行的微量化设计[7]。无论采用何种形式的设计,其根本宗旨都是为了实现“绿色化学”,避免环境污染,保护人体健康。

  (三)生动化

  实验创新的生动化是指将传统实验内容通过趣味实验、魔术化学、游戏化学的方式进行呈现,让学生在实验情境中感受到化学美,并从中感受到乐趣,形成知识的意义建构。这种实验创新适用于元素化合物或有机物性质实验教学,例如利用可乐与包有Na2O2的脱脂棉来研究Na2O2与CO2的反应(神奇的可乐实验);将浸过品红的纸花研究SO2的漂白性或自制小白花研究FeCl3溶液与KSCN、KI淀粉溶液的反应(变色花实验);通过向事先浸润过KSCN溶液的酒杯中倒入FeCl3溶液,再倒入鲜橙汁(调酒实验);将茶水倒入烧杯,用醮有铁盐的玻璃棒搅拌茶水,然后再倒入维生素C来研究铁盐的性质(神奇的茶水);利用苯酚和酒精进行牛奶变清水实验等。这些实验创新都是建立在学生已有生活经验之上,以学习、生活、科技知识为背景展开的,以其独特的现象、新颖的实验方法而受到学生的青睐。生动化的实验创新教学,能够促进学生科学素养和人文精神、化学素养的发展。

  (四)微量化

  微量化实验是建立在早期的微型化实验基础之上的,它能够克服微型实验演示的弊端。它运用微小量的试剂在较常规的仪器中进行化学实验,依然能够得到明显的实验现象。微量化实验不但可以弥补微型实验的不足,而且还具有省时、经济、现象直观生动、易于操作的特点,从而受到一线教师的欢迎。目前取得的微量化研究成果主要有:氯气的制备及性质实验的微量化设计(于永明等)、套管式气体多重性质实验的微量化研究(王超)、检验火柴头中硫元素的几套微量化改进方案、蔗糖炭化实验的微量化和绿色化改进、钠和硫反应实验的微量化设计(贾同全)等等。微量化实验的出现,拓展了中学化学实验创新的新渠道,随着研究的不断深入,已逐渐得到人们的重视和应用。

  (五)定量化

  对化学实验进行定量化设计创新,是近年来兴起的一种研究潮流。目前对实验进行定量化设计的方式有三种:一是为了获取实验最佳条件而进行的正交实验设计。这种定量研究常采用正交表来完成相关实验探究。如利用正交实验法研究“黑面包实验”、铁与水蒸气反应的最佳条件。二是借助传感器和信息技术对抽象难懂的科学理论实验,或需要捕捉实验细节,或需要进行定量研究的科学实验等,进行数字化实验探究。这种方式使化学实验由创新走向了创意设计。如利用微电流传感器探究原电池产生持续稳定电流的原因、利用色度计测定抗贫血药物中铁的含量、亚硝酸钠的含量等。三是利用探究变量思想,通过传统实验方式,研究外界条件对化学反应速度、化学平衡的影响等。如过氧化氢提取海带中碘的实验条件优化等。

  二、高中化学实验的创新途径

  (一)优化实验方式

  化学实验方法是根据化学实验目的,通过运用实验仪器、设备、装置等物质手段,在特定实验条件下,改变化学实验对象的状态或性质,通过实验观察获得各种化学科学事实,以探究化学问题的一种科学研究方法。为了适应新课程改革,对传统实验方法的改进,已从传统单一的、照单拆抓药式的实验教学,向微型化、系统化、探究式转变,使实验教学更能体现教与学的关系,让学生在实验方式的变革中培养化学基本素养。目前,以绿色化、生活化、可探性为特征的实验方式主要有以下三种情况:一是将敞开体系的实验改为封闭式实验,进行绿色化设计。如利用注射器作容器制备Fe(OH)2、NO2、Cl2等。二是充分运用控制单一变量(注:这个单一变量可以是物质的量、组成与结构、物料顺序、溶解度、温度、压强、催化剂等)思想,将教材实验设计成对照性实验。例如利用控制变量思想研究乙酸乙酯制备中浓硫酸和饱和碳酸钠溶液的作用或利用不同催化剂研究乙酸乙酯制备的最佳条件等。三是对某些传统实验,借助手持技术、传感器、数据采集器等对其进行数字化探究实验设计,以弥补传统实验存在的缺陷(如①传统实验难以捕捉细微的科学过程;②难以将定量科学定量化;③抽象的科学理论难以理解等)。如利用微电流传感器研究单池单液原电池、双池单液电池、双池双液电池,让学生理解单池单液原电池电流不持续、不稳定的原因以及金桥和盐桥的区别。这是传统实验无法做到的。近年来,借助于手持技术、各种传感器对化学实验进行数字化探究的成果常见于《化学教学》《化学教育》《化学教与学》等期刊。这些成果都增强了实验的说服力、拓展了学生视野、提升了学生能力。数字化实验设计是一种富有创意的实验创新方式。

  (二)优化实验装置

  对教材实验装置进行优化、创新是为了更好地体现“教”与“学”的关系,使实验现象更加明显,实验结果更易于学生接受。优化实验装置,就是要在不影响实验效果的前提下,对现象不明显、可视化差、对比难以形成、现象难以持续、易造成环境污染的实验进行创新。对于实验装置的创新方式主要有以下三种形式:①利用中学较常见的实验仪器对原实验进行优化重组。②利用身边的素材、自主设计节约型或环保型的实验装置来替代教材的实验装置,如开发多功能燃烧瓶用于铁丝、硫的燃烧和白磷的水下燃烧等;制备封闭U形管完成温度对粒子运动速率的对比、CO2与NaOH溶液反应和CO2溶于水的对比实验等。③以某一种物质为载体,将其制备与性质实验进行系列化设计,达到优化实验环节的目的。如对SO2、氯气、NOx、CO2等气体的制备性质的一体化设计,就属于这种情况。

  (三)优化实验条件

  实验条件是指同特定对象相联系,并对状态、性质和变化发生影响的诸因素的总和,是物质发生变化的外在因素。它要通过物质的本质属性或内部结构而起作用。对实验条件进行优化,就是要通过改变条件,运用各种不同的实验比较法来获取最佳条件。从中学化学实验来看,实验条件优化的主要途径有:一是将某些实验由敞开体系变为封闭体系。这种方法主要运用于有毒气体的制备和性质实验、部分防氧化实验或用于能够与空气中的成分发生反应的实验等。如制备Fe(OH)2时,为了能较长时间观察到白色的Fe(OH)2沉淀,需要在隔绝空气条件下进行。二是对某些实验的引发方式进行改进。如在测量空气中氧气的含量时将酒精灯加热改為电加热棒密闭环境引燃、将铝热反应的镁条引燃电炉丝、丁烷枪引燃等。三是通过控制反应过程的外部条件来优化实验条件(见表1),这种情况比较普遍。

  (四)调整实验试剂

  对于操作困难、易受干扰、存在副反应的化学反应,可以通过调整试剂,即寻找新的试剂来替换原有试剂,使其实验现象更加明显,实验结果或结论更具可靠性和说服力。如利用甲苯和Br2的CCl4代替CH4和Cl2进行卤代反应,用盐的甲醇溶液代替盐的水溶液做焰色反应,用P2O5固体代替浓硫酸在常温下催化乙醇脱水,用氨水、2%AgNO3、20%氢氧化钠溶液4滴、4%葡萄糖1mL代替2%AgNO3、2%稀氨水、3滴乙醛进行银镜反应和后续实验改进,用30%的NaOH溶液代替稀NaOH溶液与FeSO4反应制备Fe(OH)2等。

  (五)增补教材实验

  为了增强教学的直观性,加深学生对某些抽象原理、概念的理解,有时需要适当增补相关实验以弥补教材自身的不足。如增补使用电离平衡动态演示器演示醋酸的电离,利用pH传感器绘制0.01mol·L-1NaOH溶液分别滴定20mL 0.100mol·L-1HCl、20mL 0.100mol·L-1

  CH3COOH溶液的pH值变化曲线以帮助学生对电离平衡的理解;增加使用气压传感器定量研究NO2溶于水的实验,让学生从定量的角度认识NO2与H2O的反应等。从目前的研究来看,对教材的增补实验主要以数字化探究实验为主,如使用温度传感器测定自然界的水温、酒精灯火焰温度;用电导率传感器测定电解质的电导率、研究离子反应的本质、稀NaOH和NH4HCO3溶液反应的顺序等。这些增补实验都能不同程度地提高实验教学的质量,培养了学生的信息素养。

  对于某个实验的创新,可以是单角度的,也可以是多角度的。如对人教版选修5中溴乙烷消去反应的实验创新就可以从多个角度进行。由于溴乙烷沸点低(38.4℃),受热易挥发,很难通过消去反应制得乙烯;乙醇易挥发的性质也会干扰乙烯的检验,实验成功率低。在不改变该实验教学功能的前提下,通过综合分析,进行下列创新设计可使实验成功率大大提高。即选用沸点较高的1,2-二氯乙烷(83.5℃)代替溴乙烷、用6gNaOH固体和15mL无水乙醇代替KOH的乙醇饱和溶液;选用73~75℃的热水水浴加热代替直接用酒精灯加热;考虑反应混合物充分接触而用锥形瓶代替大试管;用矿泉水瓶来收集消去反应产生的气体,然后将气体压入KMnO4溶液进行检验。这一实验创新充分运用了装置优化、条件优化、试剂调整等改进策略。诸如此类创新案例还相当多,因篇幅原因,不再赘述。

  三、对高中化学实验创新的思考

  对化学实验的创新主要是为了确保实验成功,消除学生对实验异常现象产生的困惑,使实验教学能够满足实验探究的需要等。为此,很多研究者或一线教师采用了多样化的研究视角进行了实验创新并取得大量的成果,但通过对现有成果的考查与反思,有一些问题值得大家关注。

  (1)在对实验进行创新之前,应采用科学的方法对其作系统研究,千万不可盲目改进。如人教版必修1中铁与水反应无需改进装置,只需做如下优化即可成功:脱脂棉用水打湿后挤干,塞入试管底部(塞紧),厚度达到1~2cm;还原铁粉用量1g,铁粉中心至棉花外沿1~2cm。用酒精灯加热铁粉中心2~3min即可。而有的将酒精灯改为酒精排灯(或喷灯),将试管改为硬质玻管、玻璃弯管等做法是欠妥的。

  (2)慎用微型化实验设计。微型化实验因在分组实验、第二课堂教学中有其独特的功能和价值而受到一些研究者的青睐。但微型实验现象只能近距离观察,如果用于课堂演示,务必借助实物展台才能达到效果。在实验条件相对较差的地区或学校可能不适用。为了克服微型化实验自身存在的缺陷,建议少做微型化实验创新,多作微量化实验研究。

  (3)实验装置的改进应走向简约化。有的老师追求标新立异,对实验装置进行了盲目改进,使其操作过于复杂。如人教版必修2中Cl2与Na反应实验本身就设计安全、环保,易于操作,体现了绿色化学思想,无需再作改进就能确保实验成功。如果进行图1所示的改进,务必会使实验变得复杂、操作难度加大,不可取。又如人教版必修1中铜与浓硫酸的反应实验没有必要做如图2所示的改进,只需在盛品红溶液的试管口放一团浸过NaOH溶液的棉花即可解决环保问题。

  (4)慎用数字化实验进行实验创新。实验创新主要源于教与学的需要,經济快速、操作简便、现象明显、成功率高是实验创新的目的所在。教材实验有无必要进行数字化实验设计,应根据其所在教材中所处位置的功能、作用和现有实验效果来确定。如果滥用数字化实验来改进教材实验,就可能造成实验成本升高、装置复杂、教学效果提升有限等方面的问题。

  (5)定量化实验要关注正交实验,重视图表、数据的采集、复合、整理、利用,关注学科方法和学科思想。

  参考文献:

  [1]刘丽丽,沈理明,韩杰.化学实验改进与创新的视角[J].化学教与学,2010(5):71-74.

  [2]孙旭,黄新阶.中学化学实验设计与改进的研究[J].化学教育,2007(12):46-47.

  [3]韦新平,钱扬义.乙炔制备及性质微型实验创新设计两例[J].化学教学,2014(1):61-62.

  [4]王锦涛,范印彬.饮料瓶在化学实验中的利用[J].化学教学,2013(12):46-47.

  [5]包朝龙.宁波市高中化学实验创新实验作品荟萃[J].化学教学,2014(11):42-46.

  [6]谭文生.环保型气体防泄漏实验装置[J].化学教学,2013(10):47-49.

  [7]李光珍.五个高中化学实验的微量化改进[J].化学教学,2014(5):57-60.

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