谈谈课堂化学实验的优化

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  演示实验在高中化学教学中有着重要作用,能帮助学生掌握所学化学知识,还能激发学生的学习兴趣.但是课本中有些实验现象不太明显,实验过于烦琐,而且不注意环保.对此笔者经过反复实验,提出以下几种改进方法.
  一、优化组合技法
  组合技法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技法.有的化学实验按一些共同特征或功能进行合理组合,使其具有某种新的功能,这是对原有化学实验的一种创新.
  例如,“Cu和稀HNO3的反应”的实验操作及现象.按图1所示组装好仪器,先从长颈漏斗往U形管中装入稀硝酸至与橡皮塞下端齐平(铜丝浸没在稀硝酸中),并关闭活塞,用酒精灯微热U形管(靠铜丝一端) ,待U形管中产生均匀气泡后即移开酒精灯,片刻后U形管中的液体因气体产生而被压向另一端,长颈漏斗中的液面上升,最终使U形管中的液体与铜丝相分离,U形管中的无色气体即为一氧化氮,此时打开活塞使气体进入圆底烧瓶中,可看到圆底烧瓶中充满了红棕色的二氧化氮气体, U形管中因气体进入圆底烧瓶中压力减小液体又回到原来的位置,此时若关闭活塞则U形管中的液体又会被压向另一端,如此连续几次,待烧瓶中的氧气消耗得差不多时,打开止水夹,然后手捂住烧瓶,片刻后放开,则圆底烧瓶中可形成喷泉.
  图1
  该实验将铜与稀硝酸反应的实验、二氧化氮与水反应的喷泉实验巧妙地组合在一起.装置简单、仪器少.两个反应连贯性强,操作简便,污染少,实验现象明显.在教学中使用该实验,不仅能激起学生强烈的学习欲望,使学生牢固掌握相应的化学知识,而且能形成良好的教学气氛.
  运用组合技法创新化学实验,应注意下列问题:(1)组合并不是几个化学实验的简单联接和共同演示,经过组合的实验应具有原先实验所不具有的教学功能,能获得 1 1>2的教学效益.(2)组合应是在对原先实验进行变形的基础上再将它们进行有机融合.(3)组合的实验应易操作、仪器装置应简单明了.小而简的组合实验效果更佳.
  二、变更逆向技法
  逆向技法是沿着事物的相反方向,用反方向探求的思维方式对现有的实验设计进行逆向思考,从而提出新的实验设计的实验创新技法.
  1.功能反转
  从事物的相反功能去设想和寻求解决问题的新途径,从而获得新的实验设计.
  图2
  例如,在稀释浓H2SO4时,强调将浓H2SO4沿器壁缓缓加入水中,且应边加边搅拌.若将水加入浓H2SO4中(如图2),则会看到烧瓶内液体飞溅.利用一个安全实验,将水加入浓H2SO4中这一违规操作造成的后果展示给学生,可提高学生的安全意识.
  2.结构反转
  从已有实验的相反结构形式上来设想和寻求解决问题的新途径.
  例如,在演示“用碳棒(惰性电极)电解CuCl2溶液”实验,引导学生弄清电解原理后,将原实验中阴阳两根电极(此时阴极碳棒上已附着红色的铜)调换再进行电解,一段时间后改作为阳极的碳棒上附着的铜消失.显然将阴阳两极调换后,可以为非惰性电极作阳极时的电解原理的学习设置探索情境.
  3.因果反转
  从已有事物的果关系出发,变因为果去发现新的现象和规律,寻找新的实验设计.
  例如,在讲“铁的钝化”时,我们的做法是:将预先放入浓硝酸中的铁取出洗净,用它与硫酸铜溶液反应,却置换不出铜,以此激起学生的认知冲突(由果及因的探究).
  4.状态反转
  根据事物的某一属性的反转来创新化学实验.
  例如,课本中制备溴苯的实验中是将溴和苯先加入烧瓶,然后向烧瓶中在加入铁粉(即溴和苯静、铁粉动),由于反应物已全部加入烧瓶,加入催化剂后,反应剧烈无法控制,导致溴挥发从导管溢出而达不到预期目的.我们采取先将铁粉加入烧瓶,将溴和苯的混合液加入分液漏斗,通过分液漏斗的活塞来控制加液速度(即铁粉静、溴和苯动),从而克服了原实验的缺陷.
  三、微型化、绿色化技法
  微型绿色化学实验是在绿色化学思想的指导下,用尽可能少的试剂,在微型仪器中进行的一种安全的化学实验方法.仪器的微型化、试剂的微量化、实验的创新性和绿色化是微型化学实验的重要特征.
  例如,“氢氧化亚铁的制备”的实验,原本是教师演示实验,教材演示实验中出现的违反常规的操作(即滴管插入液面下)肯定会引起学生的疑惑,这恰恰正是探究的绝佳素材;而且按照教材中的要求制备氢氧化亚铁,很难观察到理想的实验现象,白色沉淀中往往夹杂着灰绿色,几乎分辨不出.教材由此要求学生推理出氢氧化亚铁很不稳定,很快被空气中的氧气所氧化,这难以使学生信服,影响了学习效果.此实验若采用注射器来完成,则效果明显.如图3.
  甲乙
  图3
  实验说明:(1)用甲注射器吸入约10mlFeSO4溶液,并将针头插入胶塞封闭.(2)用乙注射器吸入约10ml氢氧化钠溶液.(3)将乙注射器中的氢氧化钠溶液慢慢推入甲注射器中,可看到甲注射器内生成白色沉淀.(4)拿掉乙注射器,将甲注射器活塞左移,吸入一定量空气,可观察到白色沉淀变为灰绿色又变为红褐色的现象.
  又如,“钠在氯气中燃烧”的实验.人教版教材实验的缺点:(1)钠预先在空气中加热,会生成氧化物,影响钠在氯气中的燃烧;(2)预先收集的氯气在课堂演示可能不够,或者有泄漏;(3)实验过程中有少量的污染
  实验的改进:反应装置如图4.实验步骤:(1)取黄豆大的钠,用滤纸吸干表面的煤油放入玻璃管中;(2)慢慢滴入浓盐酸,立即反应产生氯气;(3)先排气至管内有足够的氯气时,加热钠,钠熔化并燃烧.
  图4
  改进后的优点:实验过程中的氯气保持较高浓度和纯度,避免副反应,并且安全可靠、污染少.
  总之,化学实验的优化远不止本文提到的这些,在实际对实验的创新过程中,所使用的方法并不是单一的,往往是多种方法的综合应用.化学实验的创新没有尽头,各种现代化媒体,化学、物理传感器与化学实验的结合为实验创新提供了广阔的领域,一定会有更多更好的创新实验作品.
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