剖析中学微型实验与探究创新能力的培养.docx

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剖析中学微型实验与探究创新能力的培养

剖析中学微型实验与探究创新能力的培养

[摘　要]通过对中学化学实验微型化研究的阐述,讨论了中学化学实验微型化的改进方法,说明其优点和不足。

举例介绍其推广应用。

展望了微型化学实验在化学教学中的发展前景。

[关键词]中学化学实验;微型化学实验;研究性学习

　　近年来,人们对中学生的素质教育问题极为关注,教学中越来越多地运用了直观教具和演示实验。

化学是一门以实验为基础的学科,化学教学是对学生实施素质教育的重要组成部分。

在中学化学实验

中,更应该注重对学生动手动脑能力的培养。

但现行中学化学实验的教学不能很好地达到这一目标,而微型化学实验却能有针对性的解决这一问题,实现对学生实践能力和创新思维的培养。

因此,要深入的进行中学化学实验微型化的研究,开发新型的化学实验教学方法。

一、中学化学实验微型化研究的背景

1、　微型化学实验的概况

　　微型化学实验是化学实验方法的创新性变革,它不是在常规实

基础上的简单微缩或减量,而是在专门设计的微型仪器中进行的化学实验,是以尽可能少的试剂来获取化学信息的实验方法与技术。

微型化学实验的研究工作是在国外起步的,基于它的省时、省料、安全环保等很多优点得以迅速发展。

近年来国外,特别是美、日已将微型化学实验技术在基础化学实验教学中普遍推广应用并且有相当的发展前景,推动了国际化学基础教学的改革。

在我国,这种发展趋势已引起了国内化学教育界的极大关注,许多大中院校相继开展了微型化学实验的推广应用的研究工作,并取得了令人鼓舞的成绩。

2、　我国中学化学实验的现状

　　现行初、高中化学实验都分为两大部分:

初中教师演示实验84个和学生实验19个（10个学生实验,9个选作实验）,高中教师演示实验101个和学生实验19个（10个学生实验,9个选作实验）这里教师演示实验占主要地位。

但大部分的演示实验,由于学校实验条件,课程安排等原因,许多学生在课堂上是看不清楚的。

老师的演示过程变得简单化,学生们只能死记实验步骤和现象。

这样一来,便失去了演示实验应起的作用,失去了化学学科独有的优势,不利于学生综合能力的培养。

在学生实验中,学生本身往往不注意化学试剂的用量,浪费了药品,并且污染了环境。

同时在实验的过程中,大多数学生只是在机械地进行着实验步骤,不能培养和训练动手和动脑能力。

因此,中学化学实验微型化的研究就显得尤为重要了。

可以说,它是我国化学教学改革中一种探索和创新的教学模式,有着巨大的发展潜能。

二、中学化学实验微型化的起步

微型化学实验顾名思义是在微型实验仪器中进行的实验。

目前,我国已经开发研制出了一些微型化学实验仪器,但多以大学微型化学实验仪器为主。

在中学微型化学实验的研究中,要努力实现常规实验微型化的改革,即在教学内容和方法、仪器装备等方面实现整体微型化。

在当前实验经费不足的情况下,为了实现中学化学实验整体微型化的过渡,我们还是要积极鼓励采用代用品,自行设计制作一些小巧实用的微型仪器或装置来进行常规实验的微型化改进。

下面仅举几例加以说明:

实验设计1、二氧化硫的制备及化学性质实验

（1）设计意图

人民教育出版社全日制普通高级中学教科书（必修）化学（2007年1月第二版）第一册116页，二氧化硫的漂白性实验如图6-3所示。

此实验效果很明显，师生都喜欢看到这个结果。

但由于此实验在敞开的试管中进行，因而当实验成果之时，二氧化硫也弥漫在教室，造成了环境污染，直接影响着师生的身体健康。

所以对这一实验装置和操作过程进行绿色化的改进与创新已势在必行。

怎样解决这一问题，让学生进行设计。

a．稀硫酸b亚硫酸钠

c．品红溶液d.氢氧化钠溶液

如图1二氧化硫漂白品红实验

（2）创新设计

我们对该实验进行如下创新设计，如右图1

（3）实验用品

稀硫酸、亚硫酸钠、品红溶液、酚酞试液、浓氢

氧化钠溶液、胶头滴管1个、18㎜ｘ1800㎜具支试1

个、双叉试管1个、止水夹、橡胶管、药匙、铁架台、铁夹、单孔橡胶塞、橡胶塞、导气管、酒精灯等。

（4）实验的装置。

实验装置如图1（略去铁架台和铁夹）

（5）实验操作步

①按图1装置连接好仪器，检查装置的气密性，然后再装好药品。

②挤压胶头滴管，让硫酸慢慢滴入试管，

图2

反应装置

片刻，品红溶液C褪色。

③用止水夹夹住橡胶管，拔出带塞导管，

将其插入盛有氢氧化钠溶液的烧杯中，再打开止水夹。

④加热用图1实验得到的已褪色的品红溶液a（如图2），褪色的品红溶液c又恢复原来的颜色，且产生的气体被滴有酚酞的红色的氢氧化钠d吸收，红色的氢氧化钠溶液变浅或变为无色（颜色变化与氢氧化钠溶液的浓度有关）。

（6）实验结论

上述实验现象说明了二氧化硫漂白的原理是二氧化硫与有色物质反应生成了不稳定的无色物质，光照或加热后又恢复原来的颜色。

（7）实验说明

①在实验演示前最好先向学生介绍一下该实验装置与传统实验装置的异同，让学生了解其特点和原理，激发学生的创新意识，拓宽知识面，培养提高学生的观察能力、思维能力、实验能力，同时在学生中树立起绿色化学的概念，进一步培养和增进学生的环保意识。

②、此环保实验装置同样也实用于硫化氢气体的检验实验，二氧化硫的还原性实验等。

（8）实验的特点

①、此装置所用仪器简单，操作方便，现象明显，试剂用量少，成功率高，可多次使用。

②、整个实验过程都是在密闭体系中进行，二氧化硫不外泄，减少了二氧化硫的污染，确保了师生的身体健康，实现了实验的绿色化。

由此可见，当学生有了绿色意识后，可用绿色化学的观点设计和评价一个化学实验的优劣，从而促进学生从多角度思考问题，培养了学生的创新能力。

实验设计2、氧气的制备

问题：

现有KClO3、KMnO4、MnO2、10%H2O2、Ca（OH）2、土豆片等到几种药品和材料，请选择其中的一种或几种，设计出制取O2的最佳方案

在课本中有如下的不足：

KClO3分解的生成物与催化剂MnO2焦结在一起难以简单分离，且有Cl2生成，污染环境。

我们决定将改进目标锁定为：

尽量是反应无污染、节约药品用量、降低实验的危险性、设计出简单快捷绿色化实验

我们经过讨论与资料查阅得出了第一轮实验方案：

制氧均选用如下反应：

学生不难设计出以上二种实验方案。

可提示学生，医用H2O2之所以能消毒是因其分解放出O2，引导学生写出H2O2分解的化学方程式：

让学生自己动手在实验室制取O2，学生会觉得H2O2分解得太慢，联想KClO3的分解，学生会加入MnO2，还有可能Ca（OH）2，土豆片等。

经过一系列的设计验证后，学生们用上述几种材料可设计出七种制取O2的方案。

归纳如下：

方案一:

方案二：

方案三：

方案四：

方案五：

方案六：

方案七：

比较七种制氧方案的优劣，学生经过讨论认为方案一：

KClO3分解的生成物与催化剂MnO2焦结在一起难以简单分离，且有Cl2生成，污染环境。

方案二，克服了有Cl2产生的缺点，产物与Ca（OH）2也不易分离；方案三：

KMnO4中仅有50％的氧转化为O2，KMnO4与生成的MnO2也不易简单分离。

方案四是方案一、三的组合。

方案五H2O2虽只有50％转化为O2，但生成物H2O对环境无害，符合绿色化学的思想，且与催化剂易分离，反应不需加热，节约能源，缺点是MnO2随泡沫使整个溶液变黑，MnO2对环境有害。

方案六土豆表面有大量气泡，以致容器底有白沫，收集不到气体，H2O2分解彻底。

方案七：

H2O2快速分解，气体均匀，连续导出，且Ca（OH）2与水易分离，对环境无污染。

通过分解得知方案七是最佳设计，它的设计对环境是友好的，符合可持续发展的思想。

实验设计3、氨气喷泉实验

（1）问题的提出

氨气的喷泉实验是高中化学的重要演示实验，教材中实验装置如图所示。

该实验操作要求老师课前预先收集好氨气，到时课堂再做演示，由于氨气易扩散，如果当时制取氨气教室通风不好，容易泄露氨气，造成污染，如果将实验改进成将氨气的制备和氨气的喷泉实验结合在一起的二合一微型实验装置，操作简单，成功率100％，也非常适合于学生分组实验。

（2）改进的实验装置（如图1、图2）

（3）实验用品：

注射器、橡胶管、橡皮塞；

浓氨水、生石灰、酚酞试液、水。

（4）实验操作步骤及现象

图2

图1

①装置中所用的仪器是医用一次性注射器，在去掉活塞的注射器针筒中注入生石灰，用另一注射器吸

入浓氨水，将注射器内的浓氨水注入到针筒内，浓氨水遇生石灰迅速产生氨气，将上部注射器活塞上推。

②用注射器吸入一定量酚酞试液，将注射器针头刺入含有大量氨气的针筒内，尽可能将针头全部插入注射器，再轻推注射器活塞，将少量酚酞试液注入注射器针筒内，针筒内很快就形成红色喷泉。

（5）实验结论

　　　a.形成喷泉，说明氨极易溶于水；

　　b.水进入注射器针筒后酚酞试液呈红色，说明氨溶于水后，水溶液呈碱性。

（6）实验优点：

①把气体的收集和喷泉实验的装置连成一个整体，无需事先收集氨气，操作简单、易于进行，现象明显实验成功率高。

②可节约时间和药品，整个实验可在5min内完成；药品用量少。

③喷泉可随意控制，延长持续时间、突出了实验现象。

④针筒不需干燥，适合学生的分组实验使用。

实验设计4、铜与稀硝酸的反应

（1）设计意图

课本中的铜与稀硝酸反应的实验是在试管中进行的，装置如下图所示。

其缺陷有：

生成的一氧化氮气体的无色不易观察；

无色气体变为棕色的界限不清。

如果将注射器引入实验中，可以让装置密封，气体不能外逸，便于学生观察NO为无色气体，一氧化氮的生成与一氧化氮的转化可以（即生成二氧化氮）分阶段进行。

（2）实验原理

稀硝酸在缺氧的条件下与铜片反应生成无色的NO气体，反应式为：

3Cu+8HNO3=3Cu（NO3）2+2NO↑+4H2O。

然后接触空气中的氧气又生成了红棕色的NO2气体，反应式为：

2NO+O2=2NO2，NO2溶于水生成HNO3，反应式为：

3NO2+H2O=2HNO3+NO。

由于二氧化氮也是一种有毒的污染气体，随意同样需要尾气处理，反应式为：

O2+NO2+NO=2NaOH=2NaNO3+H2O。

并且同时伴有蓝色沉淀生成：

Cu（NO3）2+2NaNO3+Cu（OH）2↓。

（3）实验药品和仪器

稀硝酸（3mol/L），铜片，NaOH（6mol/L），注射器（20Ml），酒精灯，三脚架，石棉网，烧杯（2个）。

（4）实验装置

改进后的绿色微型装置如下图所示

（5）实验步骤

①如图连接好实验装置，检验该装置的气密性待用。

②在空气注射器中加入铜片，用酒精加热稀硝酸后，用注射器慢慢吸取热的稀硝酸1mL，挺直抽拉注射器，观察到注射器内铜片溶解，且表面有气泡沉声，溶液变成蓝色，溶液上方气体为无色。

③继续抽拉注射器，吸取少量空气，可观察到无色气体变为红棕色气体。

④迅速将注射器插入稀NaOH溶液，推挤出注射器内的液体和气体，观察到烧杯内有蓝色沉淀生成。

（6）实验结论

此实验设计简单可行，操作方便，现象明显，不仅能清楚地观察到无色的NO，而且能观察到无色的NO气体迅速被氧化成红棕色的NO2，红总的的NO2又迅速转化为N2O4的过程，而且环保新颖。

实验中有一部分学生可能实验失败，未产生预期的实验效果，这时教师可引导学生分析其原因，找到失败的根源，培养其科学的研究问题方法。

通过师生共同参与实验，在师生共同参与实验思考解决一系列的问题同时，拓展了学生的思维层面，培养了学生分析问题、解决问题的能力和创新能力。

正如教育家陶行知所说“教学做合一”，教师在“做上教”，学生在“做上学”，从而使“教学做”在“做”的基础上统一起来，使学生的眼、手、耳、鼻等有机结合，同时，实验还可以创造一种学生互相交流、合作、研究的愉悦气氛，使学生交流合作能力得到提高。

创新意识、创新精神、创新能力的发展便落到实处。

三、中学化学实验微型化的评价

1、　通过以上几例对中学化学实验的微型化改进,我们能总结出以下优点:

（1）　微型化学实验有利于对青少年环境保护意识的培养,减少了实验药品试剂的用量和实验的三废,把预防化学污染的思想贯穿于化学教育的全过程中,有利于从小养成学生对环境的保护意识。

（2）　微型化学实验节省时间,降低实验成本,提高安全程度并且具有现象明显,操作简便等优点,同时在微型实验过程中还发现微型实验仪器的破损率也有所下降。

（3）　微型化学实验有利于培养学生的创新精神和实践能力。

从推进素质教育的角度来说,中学化学实验的微型化能培养出学生对化学实验的兴趣,乐于动脑动手,勤于实践的意识和习惯,切实提高学生的动手能力,实践能力。

从培养适应21世纪需要的高素质国民的高度来认识推广微型化学实验,意义就更加深远。

2、　现阶段中学微型化学实验的不足

（1）微型化学实验仪器目前还不能通用,不能实现微型化学实验连贯教学,因而对普及和推广产生一定的困难。

（2）　常规实验的原有仪器还不能完好地改进过渡为微型化学实验仪器,还需要一段时间。

同时,因为使用微型实验仪器而忽视或放弃原有常规实验的规范操作的问题也有待解决。

四、用微型化学实验开展研究性学习的展望

　　在中学化学学科中使用微型化学实验的教学方法符合新一轮基础教育课程改革的目标,是一条开展研究性学习的良好途径。

在微型化学实验的过程中,为学生创设了一种科学研究的情景和氛围,在设计实验,思考讨论,动手实验,观察现象的过程中主动获取知识,应用知识,解决问题,得到发展。

尤其通过对实验现象的感性认知更会加深对化学理论知识的理解与掌握。

可以说,微型化学实验为中学化学实验注入了新鲜血液,蕴涵了新思想,新方法和新技术,它必将促进我国中学化学教育改革实现一种探索式的创新教育模式,同时推进研究性学习的新一轮超越。