一些化學實驗的研制和改進對青少年科學素養和創新意識的培養

摘要   新課程背景下如何通過實驗增強學生的感性認識，如何增強學生的動手實驗的能力，進一步增強動腦能力，文章中筆者根據自己從教近二十年的教學經歷和教學過程中的一些探索和體會，一些成功的案例總結，一些實驗教具的制作，電化學試驗平臺研制，微型化實驗的有效改進，學生趣味實驗，進行了一系列的探索和改進。
關鍵詞   實驗有效教學改進 自制教具  實驗探索 實驗的有效改進
 
 當前科學技術突飛猛進，知識經濟初見端倪，國力競爭趨激烈，高新技術迅速產業化，要加快知識創新，加快高新技術產業化，關鍵在人才。實施教育創新，培養創新型人才將關系到民族的前途命運。人類的生存進步、社會的發展離不開化學，能否學好化學知識、能否用好化學知識為人類創造性地造福，這些都需要我們化學教師加以正確引導。
 化學學科有她學科本身的魅力所在，化學從孕育到誕生，就是一門實驗科學，化學家們對合成的或新發現的未知物質的研究，對于化學新理論的驗證，主要的手段仍然是實驗，化學學科的每一個新的發現，化學家們通過科學實驗奮斗的歷史就是一段科學發展的歷史。學好化學，要不斷地動手做實驗，這不僅有助于理解和記憶化學知識，還能學會許多解決問題的科學方法和思維方法，提高科學觀察和實驗設計的能力，同時還能獲得探究未知世界的樂趣，培養實事求是的科學態度。
 目前中學化學課本中雖然增加了一些充滿探究意味的化學實驗，但素材較少，更多的還是一些驗證性實驗為主，為了突出化學學科的特色，更好地通過實驗增強學生的感性認識，增強學生的動手實驗的能力，進一步增強動腦能力，本人在增強實驗教學的有效性方面進行了不少的嘗試和探究。
一、 從學生的實際需求出發 改進了一些實驗便于學生動手實驗
（一）自制教具----有害氣體性質實驗的組合裝置。
     隨著社會的發展，生活質量的提高，人們的環保意識越來越強。但化學學科的核心知識象氯氣、二氧化氮、二氧化硫、硫化氫、氨氣等有害氣體的性質還是要學習和理解掌握的，我們在平時的教學中，一方面感覺到整套裝置從發生、到性質再到尾氣處理等一長串裝置搭建起來很不方便，因為氣體有害，氣密性要求要高，只能限于教師演示實驗，教師也害怕實驗泄露、學生又觀察不清楚，感觸不深，有些教師出于自身安全的考慮，甚至用錄像代替現場演示實驗，過了一段時間再問學生相關問題好象印象很淺。
    基于這樣的現狀，本人結合近二十年教學經歷，自制了一套氣密性好，微型化的實驗裝置。并用這套裝置和傳統的一套裝置分別對高一年級不同班級上課做對比實驗，跟蹤調查發現用新設計的新型微型有害氣體組合裝置做過的實驗，到了高三，再次問起學生該方面的知識，他們仍然興趣盎然、記憶猶新。記得當時在高一時，我們分組做這樣的嘗試實驗時，就有不少同學圍著這個裝置問這問那，有的問：“這氣體怎么走的，我想看個究竟，老師好不好給我介紹？”有的問“老師你是怎么想起來要這樣改的，很好的，老師你真會為我們作想”。下課后有不少同學趴在通風櫥外不肯走，就是還想看一看究竟。我當時就想，自制這套儀器似乎是小事一狀，但對學生的震動卻如此之大，影響是如此的深。這正是我們教師所希望看到的。這套改進裝置獲上海市實驗改進大賽一等獎，代表上海市參加全國第六屆自制教具
 儀器改進大賽獲二等獎。現將這套自制教具介紹如下：
 
 多種氣體性質實驗組合裝置

 該套裝置適合于多種氣體的制備和性質實驗及其探究。尤其適用于有害氣體的相關性質實驗。
1、儀器結構圖

 1-1整套儀器                     1-2 定量加液器

       1-3氣體發生套管              1-4洗氣套管

 1-5綜合套管
2、本裝置具有如下幾方面的特點：
特點一：結構簡化

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2、本裝置具有如下幾方面的特點：
特點一：結構簡化
 傳統的氣體性質實驗由三部分組成：第一部分 氣體發生裝置；第二部分 氣體性質實驗裝置；第三部分 若氣體有害，需有尾氣吸收裝置。整套裝置比較龐大。搭建、攜帶很不方便。
   該套裝置原理未變，同樣由也具備這三大部分。只是中間省略了較多鐵架臺等夾持儀器，省略了各部件之間的導氣管、乳膠管等連接部分，省略了洗氣瓶等大型儀器；而改用儀器上的小孔代替導管和乳膠管，套管代替洗氣瓶和尾氣吸收裝置。結構大幅度得以簡化。
特點二：微型實驗
   傳統的有害氣體性質實驗，由于有害，往往局限于教師在講臺上演示，教師做起來也比較畏手畏腳，學生一般只能坐在座位上觀察實驗，往往觀察不清楚，而且失去了親自動手感受實驗的樂趣。存在不少的遺憾。
  目前改進的這套儀器裝置，設計緊湊，具有 
1、藥品用量少；
2、儀器設備小；
3、便于學生近距離觀察實驗。真正體現出以學生的發展為本的理念。將看不清楚的演示實驗，轉化為很感性的學生實驗。為學生自主創新創設了很好的實驗平臺。
4、方便學生自己親自動手操作，進行實驗探究；
二期課改的理念是以學生的發展為本，注重學生創新意識的培養。本套儀器能有效地將教師的演示實驗轉化為學生實驗，例如在氯氣性質實驗設計中，學生想探究氯氣的哪些性質、試劑的選擇、試劑的添加順序等等，學生設計的方案是否正確，都可用本套儀器得到體驗。
特點三：操作簡便
  本套裝置使用時操作比較簡便，試劑準備好一次加入后，只需等待仔細觀察實驗現象。
特點四：模塊式組合
  本套裝置具有模塊式組合特點。性質實驗根據需求，需要一個套一個套管，需要兩個套兩個套管，根據需要進行組合組合。同時也是氣體發生裝置、性質檢測裝置、尾氣吸收裝置等
多功能組合裝置。
特點五：安全、環保
  由于本套裝置密封性好，保證氣體不外溢。從而保證了學生和老師的操作安全性、環保性。便于學生大膽進行實驗操作，近距離觀察。
特點六：美觀
本套儀器美觀、視覺沖擊力強，充分調動了師生的學習興趣。
說明：本套裝置適合于重復做多組實驗，適合于做不需要加熱便可產生氣體和進行相關性質實驗，適合于現象比較明顯的實驗。
本套儀器目前在本校使用下來，師生感覺比較好，樂于探究
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3、典型實例操作：
實驗一：Cl2的制備和性質實驗
操作： 在一號儀器中放入固體，膠頭滴管中吸取一定量的液體。為了能在常溫下，固體和液體混合就能產生Cl2，同學們可以根據已學知識，進行探究。可以用KClO3與濃鹽酸反應產生，也可以用KMnO4與濃鹽酸反應產生Cl2；為了研究Cl2的氧化性，可在二號、三號套管中放入KI淀粉溶液、濕潤的有色布條，同時可在一號套管的大球處放入干燥的有色布條做對比實驗；也可在四號套管中放入AgNO3溶液或水等；五號套管中放入NaOH溶液作為Cl2的尾氣吸收液。
現象：  通過這樣的設計，當濃鹽酸滴入選擇好的固體中后，我們可以觀察到Cl2的顏色、氯水的顏色，得出Cl2能使有色布條褪色的條件，Cl2能使KI淀粉溶液變藍，Cl2能使AgNO3溶液變渾濁等性質。
實驗二：H2S的制備和性質實驗
操作： 在一號儀器中放入FeS固體，膠頭滴管中吸取一定量的鹽酸或稀硫酸液體；可在二號、三號套管中放入硫酸銅溶液、濕潤的醋酸鉛試紙等；可在四號套管中一邊放入Na2SO3粉末，一邊放入硫酸；五號套管中放入NaOH溶液作為H2S的尾氣吸收液。
現象：通過這樣的設計，當鹽酸滴入選擇好的固體中后，我們可以觀察到二號套管中有黑色沉淀，三號套管中試紙變黑，四號套管兩端混合后，逐步觀察到套管壁上有淡黃色固體生成。
實驗三：SO2的制備和性質實驗
操作： 在一號儀器中放入Na2SO3粉末，膠頭滴管中吸取一定量的硫酸液體；可在二號、三號套管中放入溴水或KMnO4溶液、品紅溶液，可在四號套管中一邊放入FeS固體，一邊放入鹽酸溶液，五號套管中放入NaOH溶液作為SO2的尾氣吸收液。
現象： 通過這樣的設計，當硫酸滴入選擇好的固體中后，我們可以觀察到二號套管中溴水或KMnO4溶液、品紅溶液均褪色，混合四號套管中的藥品，逐步可觀察到套管壁上有淡黃色固體生成。也可取下裝有品紅溶液的套管褪色后的液體，稍稍加熱，可以觀察到褪色的品紅又變紅色。
實驗四：NO2的制備和性質實驗
操作： 在一號儀器中放入Cu屑，膠頭滴管中吸取一定量的濃硝酸液體；可在二號、三號套管中放入KI淀粉溶液、水；在五號套管中放入NaOH溶液或水作為NO2的尾氣吸收液。
現象： 通過這樣的設計，當硝酸滴入選擇好的固體中后，我們可以觀察到二號套管中KI淀粉溶液變藍，可以觀察到NO2氣體顏色，以及NO2溶于水后的現象。
實驗五：溴苯的制備
操作： 在一號儀器中放入中放入少量鐵粉，膠頭滴管中吸入少量苯的溴溶液，可在二號、三號套管中放入少量四氯化碳液體，五號套管中放入少量硝酸銀溶液。
現象： 將膠頭滴管中的液體緩慢滴入固體中，可觀察到一號套管中液體處于沸騰狀態，充滿紅棕色氣體，二號套管中液體變橙色，五號套管中溶液變渾。
也可等反應結束后，將一號套管中混合物倒入盛有水的大燒杯中，觀察燒杯底部現象。(量太少,油狀液體較難觀察到.)
實驗六：CO2的制備和與澄清石灰水反應的探究
操作： 在一號儀器中放入中放入石灰石粉末，膠頭滴管中吸取一定量的鹽酸液體；可在二號、五號套管中放入澄清石灰水。
現象： 將膠頭滴管中的液體緩慢滴入固體中，仔細觀察澄清石灰水中發生的變化。根據發生的現象變化進行反應原理的探究。
4、儀器說明：
本套裝置實也適用于師生創設的一些有害物質的相關實驗的驗證和探究，只要符合化學反應的原理,都可進行相關探究.此套儀器裝置具有結構簡化、體積小；攜帶、使用方便;用量少微型實驗,可以進行學生實驗，便于近距離觀察實驗；模塊式多功能組合實驗；密封環保等特點。克服了諸多不利因素，值得嘗試和推廣。
（二）實驗改進二---模擬干電池
 學校有一個環保義賣活動，在活動中，有一項活動就是廢舊電池回收換禮品活動，每次回收的廢舊電池很多，不能及時合理處理，我就選擇了一部分電池，開設了《電池》這一活動課，解剖電池，研究電池的結構，了解電池的工作原理，課上先讓學生感受果蔬電池，讓他們感受果蔬電池的設計樂趣，增強感性認識，然后演變為用廢舊的牙簽盒和塑料小藥筒、鎂帶、炭粉、淀粉、發光二極管等模擬干電池，該趣味實驗改進獲全國九省化學實驗交流二等獎。在后來的實際教學中我們繼續改進，改為學生探究條件改變會出現哪些問題？如鎂帶換成鋅片、鐵片、發光二極管換成靈敏檢流器，觀察電流方向和電流大小等引發學生很多思考，最終發展為更深層次的思和考研究。學生的興趣被激發，學生的動手、動腦能力得到提高。同時利用這樣的教育實驗改進，我代表虹口區拍攝了《感受原電池》“862”遠程教學公開課。學生在做該實驗時興趣高昂，充分享受到研究問題和享受成功的喜悅，在電池的研究系列中，我們繼續研究最新的潮流----燃料電池，并開設了“生活種的科學---燃料電池”，這其中也有不少改進創新的成分，在本節課中我充分調動學生的積極性，采用開放式實驗的模式，激發學生的思維，學生設計實驗，動手操作實驗的能力得到很大程度的提高。這節課獲2006年虹口區中小學教師教學評比一等獎。
模擬干電池處方
a、用氯化銨水溶液將二氧化錳和活性炭粉未調成糊狀，裝入打好孔的塑料瓶中，瓶中間插一根碳棒作干電池正極。
b、用氯化銨水溶液將面粉調成電糊。
c、把塑料瓶插入電糊中。
d、把鎂帶插入電糊中，作干電池的負極。
e、用導線把干電池的正極和負極及發光二級管連接，觀察現象
（三）  實驗改進三---燃料電池
 1、改進背景：
 當今，煤炭、石油、天然氣和水能、核能仍然是全世界的主要能源。隨著世界經濟的大發展，特別是中國經濟近20多年來平均每年以7%～8%的速度增長，大大加大了對能源的需求量。然而，這些化石燃料（或稱初級能源）在地球上的儲藏量有限，不是取之不盡、用之不竭。根據已探明的儲藏量和目前消耗水平，石油、天然氣和鈾只夠使用30～50年，煤可用100～200年。不僅如此，化石燃料的使用使得大量排放CO2、NxO、碳氫化合物及硫化物等污染物，導致溫室效應、酸雨、臭氧層破壞等環境污染問題，嚴重危害人類身心健康。基于以上原因，開發新型清潔能源已引起世界各國的重視。
 燃料電池(Fuel Cell)是一種將化學能不經過熱而直接轉化為電能的裝置。它利用氫氣、天然氣、煤氣以及甲醇等非石油類燃料與純氧或空氣分別在電池的兩極發生氧化-還原反應，連續不斷地對環境提供直流電。燃料電池被認為是繼火力、水力和核能發電之后有希望大量提供電力的第四種發電技術。
 燃料電池有多種，各種燃料電池之間的差別在于使用的電解質不同。質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,即PEMFC)以質子交換膜為電解質，其特點是無噪音，零污染；無腐蝕，壽命長。由于其比功率大，能量效率高，工作溫度低，啟動速度快，特別適于用作動力電池。其廣闊的應用前景可與計算機技術相比美。PEMFC應用前景廣闊，市場潛力巨大，對產業結構升級、環境保護及經濟的可持續發展均有重要意義。
2、實驗儀器具體改進
（1）、儀器和用品
 電解槽、兩根石墨棒作電極、內附膜的海綿裹住兩電極、先電解水一段時間、再切斷電源、用導線與發光二極管相連，結果二極管發光。
 或產生氫氣、氧氣后，用導線與靈敏電流計相連
（2）、實驗試劑
 水、氫氧化鈉溶液
（3）、實驗過程
 在電解槽中放水，預先加些氫氧化鈉溶液，用兩根石墨棒作電極、內附膜的海綿裹住兩電極、先電解水一段時間、再切斷電源、用導線與發光二極管相連，結果二極管發光。
 再電解水一段時間，產生的氫氣和氧氣，用導線與靈敏電流計相連，
 此時可展開探究：
 a、若電解時不加氫氧化鈉溶液，電解同樣時間，指針偏轉情況；與加了氫氧化鈉溶液后情況進行對比；
 b、若移動兩電極間距離，指針偏轉情況；
 c、更換電極材料后，指針偏轉情況；
 d、不用海綿這類材料，指針偏轉情況等等。
3、改進意義
 a、通過實驗，便于學生理解氫氣和氧氣確實可以構成原電池；
 b、便于學生了解今后電池的發展方向。建立綠色環保的意識；
 C、改用靈敏電流計進行實驗，不斷更換條件，有利于學生進行研究型學習。
4、創新說明
 氫氧燃料電池在實驗過程中，氫氣、氧氣很難較多地附注在電極上，改進成內附膜的海綿后，可以很好的解決此難題。而且有利于引導學生今后在解決燃料電池平民化生產時，急需解決問題的方向之一就是：如何用一般的材料，最大限度地在電極上積蓄氣體等問題。有利于引導學生學會科學地研究問題的方法和基本思路。
（四） 實驗改進四--- 控制條件演示乙炔燃燒
 乙炔在空氣中燃燒一般現象是濃煙滾滾，火焰明亮，該現象給同學們留下很深的印象，也充分說明了乙炔的含碳量很高，容易引起不完全燃燒現象。能否控制條件讓乙炔完全燃燒呢？看不到黑煙？假如事先將乙炔收集在針筒內，緩緩推動活塞，讓少量的乙炔在針尖處安靜地燃燒，我們就會觀察到淡藍色火焰。該實驗的改進，同學們的思維不再那么局限，該實驗的改進能夠充分打開學生辨證思維的大門。
（五） 實驗改進五----鋁與氧氣的反應
 在學習鋁的性質實驗時，我們為了讓學生能親自成功做成鋁在氧氣中的燃燒實驗，我們將鋁粉用膠水涂在濾紙上，用雙氧水在二氧化錳做催化劑產生氧氣，將點燃的濾紙，插入集氣瓶中，現象相當明顯。在做鋁熱反應實驗時，我們將鋁粉和氧化鐵用膠水粘在鐵棒上，做成寶塔形，上面纏些鎂帶，點燃鎂帶，揮動鐵棒，就像焰火一樣，反應結束，觀察到很多鐵珠附注其上，每個學生都親自感受到實驗的過程。
（六） 其他一些實驗的改進
 在平時的教學中，還有不少有關微型化實驗方面的改進，如在做苯的可燃性實驗時，由于以前總是因為用量太大，會產生很多黑煙，我們就采用學生改進的實驗，在濾紙上滴幾滴苯，既燒不壞濾紙，又能較好的讓學生看到現象，同時污染很少。
 又如在做焰色反應實驗時，我改用噴霧瓶裝溶液，進行焰色反應，效果很好。
 紙上層析實驗，我改用粉筆代替濾紙做擴散實驗，擴散速度快，效果較好。
 鋁熱反應盡管老師課堂演示已經非常精彩和轟動，但學生就是想躍躍欲試，于是我們就設法設計微型化化實驗，將鋁熱劑用膠水調和在一起，附注在鐵棒上，頂端插上鎂帶，點燃鎂帶，學生揮動鐵棒，就像揮動著焰火一樣，反應結束后，再仔細觀察，會看到有鐵球附注在棒上，冷卻后可用磁鐵吸引。
 又如氨極易溶于水實驗，我們先收集一試管干燥的氨氣，先伸入熱水中幾秒，迅速伸入盛有水的燒杯中（事先滴有酚酞），就能看到明顯的實驗現象。
二  開展豐富多彩的學生化學趣味實驗競賽，培養班級集體榮譽感，激發學生創新意識
 身教勝于言傳，在老師的這種創新意識和行為引導和帶動下，同學們也躍躍欲試，我們組就順勢利導，開展了學校化學趣味實驗和創新大賽，評比的標準：
體比以班級為單位，團賽；2、要求實驗盡可能趣味性；3、要求實驗盡可能原創性；
 活動消息剛一宣布，立即引起全校學生的熱烈關注，同學們迅速組織活動起來，尤其與班級榮譽掛鉤，他們更起勁了，根本無須我們再做動員，興趣愛好者們自己在外面查資料、買藥品，利用中午、放學后到實驗室做實驗。有的甚至跟化學老師商量是不是可以利用化學課請假到實驗室練習，爭取一舉奪魁。在我們組織的兩期學校趣味化學競賽中，我們感覺到了不少創新的成分。就拿很平常的鋁熱反應來講，賽前我們老師都認為這個實驗選題除了有趣之外，似乎沒什么新意，但學生在做的時候卻想到了，在沙子表面放兩塊鐵片，和一塊鐵片、一塊銅片，看看是不是真的能接上，看似一個簡單的重復，卻蘊涵著這樣的創意，學生的智慧是無窮的，就看我們怎么引導，怎樣去用心呵護。
 
參考文獻
1、《中學化學實驗研究》 王程杰 主編
2、《化學實驗教學新視野》鄭長龍 主編
3、《化學---概念與應用 》 美國中學生輔助教學參考  王祖浩 翻譯