享受化学实验 激发创新思维

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  “享受学习”的核心是把学习当成一种享受,使学生直接感受到当前学习的满足和愉快。笔者吸收“享受学习”的教育理念,结合化学课的特点,提出了“享受化学实验”的观点。
  近几年来,笔者注重在化学教学中引导学生充分享受化学实验的现象美、变化美、内在美和应用美,学生在享受中产生愉悦,进而激发求知欲望和创新思维。
  一、在实验中让学生学会享受,营造创新的环境
  在实验中,欣赏奇妙的实验现象,感悟简洁的实验结论,体验成功的实验设计,都会使学生心情愉悦,从而使思维进入恣情奔突的空间。
  1.在学习中感受“实验美”
  化学实验充满美丽和魅力。实验装置的造型美、实验现象的神奇美、实验设计的思想美、实验结论的和谐美、实验应用的创造美等,都能够促进学生的思维活动更加活跃。
  例如,在序言课上,笔者一直拒绝照本宣科,总是想方设法设计一些趣味性实验,像自制“气体爆炸实验器”(如图1所示),只要滴入1~2滴酒精,盖好橡皮塞,按下电子打火器,妙不可言的爆炸就能瞬间发生(橡皮塞被弹向远处)。还有,像烧不坏的棉手帕、水火相容(白磷在水下燃烧)、水往高处流(利用铁生锈原理)等趣味实验,教师只要举手之劳就可以演示。毫不夸张地说,很多学生爱上化学就是因为第一节化学课、第一个化学实验。
  教学一段时间后,笔者注重引领学生追寻化学实验的意蕴,而不再是仅仅停留于造型与声光色上,使学生为实验所蕴含的规律而赞叹,为探索到事物的奥秘而愉悦。
  例如,在复习二氧化碳性质时,笔者设计了“三通管”实验(如图2所示)。只要将干燥的二氧化碳缓缓通入三通管,很快就可以看到,仅有中下部的湿润纱布条缓慢变红;再将燃烧着的火柴放在玻璃管下口,火焰立即熄灭;停止通入二氧化碳后拿出变红的石蕊纱布条(暴露在空气中,无需加热),红色会很快褪去。笔者不仅引导学生欣赏这个实验的造型美、内涵美、科学美、创造美,而且注重引导他们明晰其中的物理知识和化学原理。
  2.在实验中体验成功
  化学实验的快乐经历,有利于学生汲取知识,体验成功,形成健康的人格。所以,笔者注意以鼓励性评价为手段,以低起点、小步子、多元性为原则,以化学实验的创造性为目标,真诚激发学生的成功体验。
  例如,在教学中只要发现学生凭借自己的智力活动解决了一道实验习题、发现了一个问题、制作了一件用具、改进了一个实验等,哪怕只有一点点新意,笔者都及时给予鼓励和赞许;对于学生别出心裁的想法、标新立异的构思、独具匠心的创新等,更是倍加赞赏。
  二、在实验中倡导学生质疑,培养创新性思维
  任何一个化学实验都包含许多学问,如仪器装置、实验原理、操作流程、实验现象、实验结论等都是问题的源头,可以利用追因求果、逆向思维、联想类比等方法,指导学生质疑问难、引发创新。
  1.改变实验条件质疑
  化学实验总是受到诸多客观条件的限制,其中的实验条件也是质疑思辨的落脚点。笔者注意在条件的改变中提出问题,在问题的解决中诱发创新思维。
  例如,在实验室制取二氧化碳的实验中,笔者请学生思考“为什么用稀盐酸而不用浓盐酸?”搞清缘由后,学生自己就会追问“为什么要用块状的石灰石而不用粉末状的?”;释疑后,笔者又提出高难度的问题“若用粉末状碳酸钙,实验装置该做怎样的改进?”一番讨论后,学生知道将长颈漏斗换成分液漏斗可以控制滴加稀硫酸的速度;随后又有学生反问:“用双氧水制氧气时能否把分液漏斗换成长颈漏斗?”“用双氧水制氧气时如果坚持使用长颈漏斗,发生装置该怎样改进?”……
  这一系列涉及改变条件引发的问题,促进学生认识了反应条件的重要性、实验装置的可变性、化学原理的相对性,也培养了学生勇于追求真理的怀疑精神和创新思维。
  2.抓住实验现象质疑
  对实验现象的观察能直接引起质疑,尤其是超出预期的异常现象,理论与实际不一致的现象,不同实验的相似现象,同一实验的不同现象等,更使学生惊奇不解,这正是启迪思维、看清本质的最佳时机。
  例如,在二氧化碳熄灭烛火实验中,若倾倒二氧化碳后烛火没有按预设的那样“由低到高依次熄灭”,而是上面的烛火先熄灭,这在很多人看来“实验不能说明二氧化碳密度比空气大”。笔者抓住这难得的生成机遇,通过层层释疑扭转“败局”:二氧化碳是从高于蜡烛顶端的烧杯口处被倾倒下来的,而且烛火很快熄灭,这能否说明二氧化碳被倾倒后会很快地大量下沉呢?二氧化碳在空气中能很快大量下沉,这能否说明二氧化碳密度比空气大呢?答案显而易见。此时若有学生质疑“密度比空气小的气体从高处倾倒后会不会很快大量下沉?”,则引导他们利用密度比空气小的氮气做对比实验。
  3.根据实验操作质疑
  规范操作是完成实验的重要条件,因此笔者重视利用实验操作引发疑问,从而培养学生的问题意识,促进学生利用化学实验释疑解惑、深化思维。
  例如,在检查装置气密性时,笔者要求学生思考:手捂密闭的试管后装置内的气压如何变化?学生正确回答后,笔者通过类比又提出新问题:通过增大装置内气压检查装置气密性的方法还有哪些?学生慢慢总结出了向长颈漏斗里注水、用注射器向装置里鼓气、将装置浸入水里等方法;接下来,学生通过逆向思维也提出了自己的问题:能否通过减小装置内的气压来检查装置气密性呢?一番思维碰撞后,又得出了冷却法、抽气法等。
  仅仅是一个检查气密性的操作,就引发了学生很多的疑问,并激活了学生的创新思维。
  三、在实验中引导学生探究,把握创新的途径
  实验探究是学生从事创造性活动的重要手段和主要途径,其主要形式有演示探究、分组探究、个人探究和课外探究等。在实验探究过程中,学生经历着与科学家相似的探索过程,从而领悟科学方法、培养创新精神。
  1.课堂实验探究活动
  当学生具备了一定的实验基础知识和操作技能后,笔者就在课堂上适时开展实验探究活动。在探究过程中,强调以学生为中心,笔者只是引导课题选择、揭示研究方法、支持交流评判、分享学习成功等。   例如,能否用排水法收集二氧化碳气体呢?笔者设计了如下的课堂探究活动:首先查阅二氧化碳在水里的溶解度,约为0.8;再利用图3装置显示二氧化碳在水中的溶解速率,1天后水面上升到1/3处,4天后水面上升到1/2处,7天后水才充满集气瓶(可提前实验,课上展示);最后探寻排水法收集一瓶(125 mL)二氧化碳所需的时间,约1 min。至此,学生根据“二氧化碳的溶解度不大、溶解的速率很慢、排水集满一瓶二氧化碳所需的时间很短”这些证据,就能水到渠成地得出“能用排水法收集二氧化碳”的结论。
  在这一探究活动中,开阔了学生的视野,培养了学生不唯书的批判精神。
  2.课外实验探究活动
  笔者还将实验探究延伸到课外,鼓励学生利用家庭小实验开展一系列的探究活动。这种探究方式不受教学计划的约束,没有应试教育的压力,有助于激发学习兴趣,提高操作技能,发展科学素养。
  例如,笔者指导学生利用茶叶、月饼包装盒内的脱氧剂(内含铁粉、食盐、活性炭等),在家中测量空气中氧气体积分数。他们根据钢铁生锈的条件,并参考磷燃烧法测量空气中氧气含量的实验,自行设计如图4~图6所示的实验装置,操作起来不仅安全、准确,而且有趣。
  另外,像测量溶液的导电性(由纽扣电池和发光二极管组成)、用紫罗兰测量溶液的酸碱性、土豆片催化双氧水制氧气、用注射器测量二氧化碳的溶解度、比较自来水与盐溶液的凝固点等小实验,学生都可以在家中自行完成;活动结束,笔者还指导他们通过墙报、博客、QQ空间等形式汇报实验结果、交流探究心得。
  四、在实验中鼓励学生创造,熟悉创新的技法
  教学中,笔者重视引导学生参与化学实验的创新。在具体的实验创新中,学生的创新精神和实践能力得到加强,热爱科学和勤于劳动的情操得到陶冶,承受挫折的意志得到了磨炼。
  1.运用“希望点列举法”创新实验
  从个人愿望或社会需求出发,提出发明创造的一种技法,就是“希望点列举法”。
  例如,做“氨分子扩散”实验时,人们希望氨水用量少,刺鼻氨味不要扩散到空气中。于是集中师生智慧,列出三点希望:实验不要完全暴露在空气中、氨水的用量少、装置可反复使用。经过多次探索和试验,师生设计了如图7所示的方案,只要5~6滴浓氨水就可以看到纱布条从中间向上慢慢变红,从而说明氨气密度比空气小、氨分子在不断运动。另外,若想加快纱布条变红,还可以微热氨水。
  2.运用“缺点列举法”创新实验
  “缺点列举法”是通过寻找现有物品的缺陷,并逐一改进的一种创造法。
  例如,在做“二氧化碳熄灭烛火”实验时,师生感到课本上提供的实验装置有这样的缺点:烧杯里上升的热气流会阻碍二氧化碳下沉,甚至冲散二氧化碳,致使预设现象不能出现。针对上述不足,笔者启发学生从“漏斗的功能”中探寻克服缺点的方法,终于设计出如图8所示的实验方案:用去底的塑料瓶做一个简单漏斗,用它引流二氧化碳;由于漏斗里没有热气流上升,二氧化碳倾倒后能顺利下沉到杯底,并慢慢上升,使得烛火自下而上依次熄灭。
  3.运用“移植法”创新实验
  移植法就是把已经成熟的原理、方法等引入新的发明项目上,从而获得新成果。
  例如,用内壁涂有石灰水的烧杯检验物质燃烧是否生成二氧化碳,该方法现象不明显、操作不方便,尤其是没有二氧化碳生成,石灰水也可能变混(因为氢氧化钙的溶解度遇热变小)。笔者引导学生分析注射器抽取液体的原理后,就容易想到“用盛有石灰水的注射器直接吸入燃烧产生的气体”(如图9所示),然后轻轻振荡石灰水,若变浑则说明物质燃烧生成了二氧化碳。该方法极为方便,且现象明显。
  4.运用“异类组合法”创新实验
  “异类组合法”就是将不同的技术思想、不同功能的物质,巧妙地合并成一个新产品,使其具备人们需要的外观和性能。
  例如,“气体爆炸实验器”装置就是用注射器、电子打火器、导线和橡皮塞等多种物品组合起来的,其制作流程如图10所示。
  5.运用“替换法”创新实验
  通过更换不同材料,使产品性能发生变化,从而产生更好的效果,这就是“替换法”。
  例如,“二氧化碳溶于水”实验的改进(如图11所示)。学生容易看出课本实验的不足是:二氧化碳用量大、不能显示二氧化碳溶解多少。引导学生思考,如果把塑料瓶换成一种带有刻度的透明的便于封闭的其他物品,不就改掉了原实验的缺点吗?受此启发,学生很快想到用注射器做实验:用20 mL的注射器先抽取10 mL水,再抽取10 mL二氧化碳(此时活塞在20 mL刻度处),封闭针管后用力振荡几次,活塞会自行向前推进,最后停在12 mL刻度处,说明10 mL的水约能溶解8 mL二氧化碳。
  当然,改进和研制化学实验的方法还有很多,如逆向法、模仿技法、分解发明法、废物利用法等,而且使用起来也多是几种创新方法的综合运用。
  例如,利用替换法、缺点列举法、废物利用法、移植法等,笔者引领学生设计出“测量空气中氧气体积分数”的改进装置。其主要操作是:按图组装好仪器,热的CuSO4溶液很快引燃白磷,燃烧结束再把注射器针头推下来,注射器会喷出40 mL水,说明空气中氧气的体积分数约是40/200。另外,用热的CuSO4溶液代替水,既引燃白磷,又使现象明显,还能化解剩余白磷的毒性(如图12所示)。
  当然,教师指导下的学生改进方案,有些可能不是专业领域的真正原创,但是,他们在实验改进时经历了思考、探究、创新的过程,训练了求异思维,学会了创新技法,促进了有意义学习。
  总之,让学生学会享受化学实验,更让他们拥有一份不断创造的激情。
  参考文献
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  收稿日期:2012-06-04
  作者简介:时颖,本科,中教一级。李德前,本科,中教特级。
  作者单位:江苏省徐州市西苑中学。
  基金项目:全国教育科学“十二五”规划教育部重点课题“运用现代教育技术装备促进基础教育实践教学模式的改革与创新研究”(编号:DCA110195)子课题“享受化学实验,激发创新思维”(编号:DCA110195-10104)。
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