化学实验设计的思路和策略，本文主要内容关键词为：化学实验论文,思路论文,策略论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
实验设计（又称实验方案的设计）是在熟练掌握专业基础知识和基本技能的基础上综合解决实际问题的一种手段，是科学探究的重要环节，任何自然科学研究都离不开实验设计。在中学化学教学中，化学实验设计（又称化学实验方案的设计）作为学生学习化学的重要内容之一，已引起广大教师普遍重视。为了使设计的化学实验方案科学合理、简便易行、安全环保、节约快捷、效果显著，应对化学实验设计的规律、思维过程和思考方法等方面进行必要研究，力求使实验能获得圆满成功。
一、化学实验设计的思路
化学实验设计是在实施化学实验之前，根据化学实验的目的和要求，运用相关的化学知识和技能，对实验的药品、仪器、装置、方法和步骤所进行的一种规划。它对实验成功与否起到至关重要的作用。它一般包括实验原理的选择、实验仪器及药品的选用、实验装置的设计及装置顺序的连接、实验操作的顺序、方案优劣评价（隐性的）和实验注意事项等。化学实验设计的思路一般为：
1.明确实验目的
根据课题（或题目）所提供的信息，明确“做什么”。
2.确定实验原理
根据课题（或题目）所提供的信息以及已贮备的知识和经验“搜索”达到这一“实验目的”有哪些途径，再考虑在各方面因素的基础上从中筛选出最佳途径作为本实验的原理
3.设计实验装置和实验步骤
根据实验目的和实验原理，以及反应物和生成物的性质和特点、反应条件等因素，选择仪器和药品，设计合理的实验装置和实验操作步骤。
4.列出记录实验现象和实验数据的空白表格
根据实验目的和要求，对实验过程中需要记录的实验现象和数据而设计的专用空白表格，为后来分析得出结论提供事实依据。
5.注明实验注意事项
对在实施实验过程中的关键条件、操作重点和安全要素等给以说明和解释，以引起重视。
实验设计不同于设计实验，设计实验是实验类型中的一种。从过程中看，实验设计是设计实验过程中的部分环节。下面的方框图为设计实验的全过程。其中，虚线左侧为实验设计的全过程。
应指出的是，在进行实验设计时，只要多提出一些问题，就不难发掘实验方案的缺陷。而提出的缺点越详尽，就有可能使实验设计得越好。提问题的内容，可以从以下三个方面思考。
（1）思考问题的顺序。
①围绕主要问题思考。例如，选择的实验路线、方法是否适当？实验条件的控制是否恰当？所用的药品、仪器是否简单易得？实验过程是否快速安全？实验现象是否明显？实验是否经济？
②思考有关物质的制备、净化、吸收、存放和鉴别等问题。例如，制取在空气中易水解的物质（如Al[，2]O[，3]、AlCl[，3]、Mg[，3]N[，2]等）及易受潮的物质时，往往在装置末端再接一个干燥装置，以防止空气中的水蒸气进入；鉴别时，是否除去了干扰物等。
③思考实验的种类（有制备、性质和鉴别等）及如何合理地组装仪器，并将实验与课本中的实验比较、联靠。例如，涉及到气体的制取和性质实验设计时，对这类实验的操作程序及装置的连接顺序一般可概括为：
④思考实验中的“八防”问题。所谓“八防”，是指防倒吸、防爆炸、防氧化、防吸水、防挥发、防堵塞、防污染和防腐蚀。
（2）思考仪器连接的顺序。
①所用仪器是否恰当，所给仪器是全用还是选用。
②仪器是否齐全。例如，制备有毒气体及涉及有毒气体的实验是否有尾气的处理装置。
③安装顺序是否合理。例如，仪器安装与拆卸是否遵循“自下而上，从左到右，先里后外”与“自上而下，从右到左，先附后主”的一般规则；气体净化装置中不应先经干燥，后又经过水溶液洗涤。
④仪器间连接顺序是否正确。例如，洗气与集气时“进气管长，出气管短”与“进气管短，出水管长”；干燥管除杂时“大进小出”“固体干燥剂两端要有脱脂棉固定”，等等。
（3）思考实验操作的顺序。
①按照实验目的和设计要求连接仪器的操作是否正确。
②涉及气体制取及处理要检查气密性。在整套仪器连接完毕后，应先检查装置的气密性，然后装入药品。检查气密性的方法要依装置而定。
③装药品的操作是否正确，加热操作先后顺序是否正确。例如，可燃性气体的发生需要加热（如CO还原Fe[，2]O[，3]实验），应先用酒精灯加热发生气体的装置，等气体基本排尽装置内的空气后，再给实验需要加热的固体物质加热。实验结束时，熄灭酒精灯的顺序则相反。目的是：一则防止爆炸，二则保证产品纯度，防止反应物或生成物与空气中其他物质反应。
二、化学实验设计的策略
化学实验设计的策略是指进行实验设计时所采用的方式和方法。化学实验设计是化学实验目的的具体化的观念模型，是化学实验主体借助理论思维在头脑中建构的一种观念性的东西。所以，人们在化学实验设计的思维过程中，对实验的每个细节都做好周密分析、思考，并自觉或不自觉地运用了一些常用的策略后，才能着手完成化学实验设计的书面材料。常用的设计策略主要有：
1.多法制一策略
多法制一策略是根据同一物质制法的多样性，从中选择适宜的制法作为制备原理，使实验设计达到实验的目的和要求。此策略是在物质制法上的收敛。
例如，氧气的实验室制取实验设计。其制法有：（1）加热高锰酸钾法。（2）加热氯酸钾和二氧化锰混合物法。（3）电解水法。（4）二氧化锰催化过氧化氢法。（5）过氧化钠与水反应法。（6）过氧化钠与二氧化碳反应法，等等，究竟选择哪种方法，应根据实验目的和要求来确定。
2.多器（置）用一策略
多器（置）用一策略是根据同一种用途的仪器或装置的多样性，从中选择适合实验设计要求的仪器或装置。此策略是在装置的用途上收敛。不同的装置可起到殊途同归的作用。但在实验设计时，对装置的原理要十分清楚，否则将达不到预期的目的。
例如，防倒吸的尾气处理装置设计。在实验室制取溶于水且污染空气的气体的尾气处理的装置原理是：当装置内压小于外压时，液面上升，露出吸收口，内外相通后，压强相等，液面重新落下，消除了倒吸现象。
3.多法鉴别策略
多法鉴别策略是在同一组物质鉴别方法的多样性上，根据物质的物理性质或化学性质的差异，从中选择满足实验目的和要求的鉴别方法。此策略是在鉴别方法上的收敛。
例如，在没有化学试剂的情况下，如何使用简单方法鉴别水、饱和食盐水？根据水、饱和食盐水的物理、化学性质的差异，如密度、导电性、特征离子反应等，可考虑鉴别方法有：（1）用玻片自然风晾干法。（2）用蒸发皿蒸干法。（3）取相同体积测其质量法。（4）投入鸡蛋，比较鸡蛋沉浮法。（5）测导电性法。（6）焰色反应法。（7）滴加硝酸银溶液法。（8）放入洁净铁钉比较生锈快慢法。（9）浸入鲜菜，观察鲜菜状态变化法。（10）口尝法（在实验室里是不允许的）……根据实验要求，应选择方法（1）最简单。
4.一器（置）多用策略
一器（置）多用策略是根据同一种仪器或同一套装置的用途的多样性，从中选择满足实验设计要求的某种用途。用途的多样性是由于仪器或装置在空间位置上发生了某种变化或与其他物品组合而引起本身功能的拓展。此策略是对仪器或装置的用途发散。
例如，球形干燥管主要是用于气体干燥的。但还可以作为过滤器（内放脱脂棉、活性炭等）、防倒吸的吸收器（将球形干燥管倒置在吸收液上）、反应器（内放锌粒与盛有稀硫酸的烧杯组合）等。
（1）作为集气装置。①若装置正立，气体由左进右出，可收集密度比空气大的CO[，2]、NO[，2]、Cl[，2]等气体；②若装置正立，气体由右进左出，可收集密度比空气小的H[，2]、CH[，4]、NH[，3]，等气体；③若装置倒立，气体由左进右出，收集的气体同①；④若装置倒立，气体由右进左出，收集的气体同②。
（2）作为气体净化装置。装置正立，瓶内放有净化剂，气体应由左进右出。
（3）作为量器装置的一部分。装置正立，瓶内放满不与气体反应的液体，气体应由左进，液体从右出。
（4）作为排水集气装置。装置正立，瓶内放满水，该气体不溶于水，气体由左进，水从右出。
（5）作为吹洗瓶。装置正立，瓶内放满水，气体由左进，水从右出。
若实验设计中要求测量生成气体体积时，则选择（3）的用途。
5.替代策略
替代策略是利用相同或相似功能的其他物品来替代现有实验规定的物品，从而满足实验设计的目的和要求。
例如，在只有铜丝而无氧化铜粉末的情况下，请你设计用一氧化碳还原氧化铜实验。在这种情况下，应采用替代策略将铜丝表面氧化成氧化铜，以此方式替代氧化铜粉末，使实验中缺少的物品得到解决。
6.增减策略
增减策略是在现有的实验中增加或缩减某些用品（如仪器、药品等）或操作，从而达到实验设计的要求。
例如，如何检验苯与溴反应生成的溴化氢？若按原教材操作，因实验过程中放出的热量使液溴挥发，通过导管进入右侧的锥形瓶，影响对取代后生成的溴化氢气体的检验。若在烧瓶和锥形瓶中间增加一个盛有四氯化碳的洗气装置，则不仅可以消除对溴化氢气体的检验的影响，而且避免了由于溴蒸气的挥发而造成的污染。
7.颠倒策略
颠倒策略是指沿着事物的相反方向，用反向探求的思维方式对现有的实验程序、仪器和药品的使用方法等颠倒过来，以产生新的用途，从而达到实验设计的目的和要求。
例如，如何设计可以控制溴与苯取代反应的实验？按照原教材中制备溴苯的实验是将溴和苯先加入烧瓶，然后在向烧瓶中加入铁粉（即溴和苯静、铁粉动），由于反应物已全部加入烧瓶中，加入催化剂后，反应剧烈无法控制，导致溴挥发从导管逸出而达不到预期的目的。如果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），从而达到实验设计的要求。
8.引入策略
引入策略是根据某一特定需要，灵活地借鉴和利用其他相关学科的知识，处理问题成功的方法和经验，以达到实验设计的目的和要求。
例如，用启普发生器制取氢气，具有可以使反应随时发生或停止的优点。制取氧气时，如果用MnO[，2]与H[，2]O[，2]反应的方法，则反应物的状态和反应条件与制取氢气反应相似。关键是将MnO[，2]制成块状颗粒，并与H[，2]O[，2]溶液在启普发生器里反应，达到实验设计的要求。
又如，做丁达尔实验需要光源。在明亮的教室里用普通光源难以演示，如果将物理实验中的氦氖激光器作为光源，演示胶体的丁达尔现象实验时，实验现象明显，效果很好。
9.组合策略
组合策略是将一些相关的化学实验按照某种关联因素或特征进行新的组合，以形成功能更好的实验设计方案。经过组合策略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。
例如，Na[，2]CO[，3]与NaHCO[，3]的热稳定性比较实验设计。如果将实验装置设计成如图1所示，则得出的结论是无懈可击的。它不仅排除了酒精灯火焰温度和加热时间等不确定因素的影响，而且操作更加简单，对比性更强。
图1
10.模拟（仿真）策略
模拟（仿真）策略是根据事物变化的原理（如物理的、化学的、生物的等原理），通过适当的物质手段将其变化过程真实地复现出来达到实验设计的要求。
例如，沼气产生过程的模拟设计。沼气是指废弃有机物（如植物残体，可将人尿、新鲜猪粪或牛粪、阴沟里的黑臭污泥、米糠麸皮按一定比例混合代替）在一定温度、缺氧条件下被微生物发酵分解产生的气体，其主要成分为甲烷。模拟实验装置如图2所示。
图2
又如，“温室效应”模拟实验设计。CO[，2]是目前公认的温室气体，温室效应是世界目前所面临的三大环境问题之一。因为二氧化碳要比空气更容易吸收太阳光中的红外线，所以在相同光照条件下，二氧化碳的温度上升要比空气的温度上升得快一些。根据此原理，“温室效应”模拟实验可设计如图3所示的实验装置，通过温度计上的读数可以得知。
图3
化学实验设计的策略远不止上述提到的这些，而且在实验设计过程中，所使用的策略并不是单一的，往往是多种策略交融并串的综合应用。只要我们善于质疑、勤于思考、勇于开拓、合理使用设计策略，一定会设计出更好的化学实验方案。