中学化学实验改进与设计的理论探讨，本文主要内容关键词为：化学实验论文,理论论文,中学论文，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。
中学化学实验改进与设计是中学化学实验教学工作的一项重要课题，许多中学化学教师在这方面进行了大量的实践研究，提出了很多有成效的改进与设计方案，但对这方面的理论研究很少。由于这方面的实践得不到相应理论的指导，导致一些实验改进与设计方案存在缺陷，实用性和推广性不强。笔者认为，实验改进与设计有必要在大量实践的基础上逐步形成其理论，这对加强实验改进与设计具有指导意义。笔者现从以下三个方面对实验改进与设计进行理论探讨。
一、实验改进与设计的意义
实验改进与设计对实验教学工作有着重要作用，主要体现在以下方面：一是有利于提高课堂教学效果。化学是一门以实验为基础的学科，较理想的实验效果能给学生提供丰富的感性认识，激发学生的兴趣和求知欲，并在教师的引导下转化为理性认识，从而更好地培养学生的思维能力和科学品质。通过有效改进和设计的实验，可以达到较理想的实验效果。例如，制取
实验，为了让白色沉淀较长时间存在，需要改进实验。课本上介绍了NO与
转化的反应原理，但没有安排演示实验，教师通过设计演示实验，可以加深学生对该知识点的理解。二是有利于提高教师业务水平。实验改进与设计是一类教学创新，教师只有不断钻研教材和教学方法，研究实验教学，才能实现教学创新，提高业务水平。实验改进与设计是化学实验教学的重要内容，是教学创新的一个平台。事实表明，善于进行实验改进与设计的教师教学业务水平都是比较高的。三是有利于加强实验教学的学术交流。教育主管部门举办实验改进与设计展评，《实验教学与仪器》等一些优秀专业期刊设立了“实验改进”、“实验设计与技术”专栏，这些都为实验教学学术交流提供了很好的平台。现行中学化学教材中的许多实验设计来源于一线教师的创新设计。化学教师在实践中不断改进和设计实验，促进了实验教学的学术交流，提升了实验改进与设计的水平。
二、实验改进与设计的原则
1.科学性原则。改进与设计的实验原理要符合相应的化学反应原理、条件，实验装置和操作方法要科学、合理，这些都是科学性原则的基本要求。例如，用大试管、长颈漏斗、橡皮塞、导管、塑料圆片等组装起来的简易启普发生器，它符合启普发生器原理，操作科学合理，完全符合科学性原则；有人对钠与氧气反应生成
实验进行了改进，在装置中氧气由
受热分解产生，钠在试管中燃烧，这不符合教材中的反应条件，并且由于钠在氧气中燃烧很剧烈，试管有可能破裂。教材中的实验证明钠在空气中受热，先熔化，后燃烧。同种金属在空气中和纯氧中受热时表现是不同的，像铝在点燃条件下在纯氧中可以燃烧，但在空气中却不会燃烧；有人在做乙醛银镜反应实验时，为了增强实验效果，在乙醛溶液中加入葡萄糖。这两例都不符合科学性原则。
2.对应性原则。这是指实验改进与设计要与教材的思想相符合、相对应。人教版高中化学选修1中氨气的实验室制法，采用了加热铵盐和碱的混合物的方法，并设计了相应装置，目的是让学生掌握这一反应原理及实验操作。有人认为该装置复杂，于是设计了用加热浓氨水的方法来制氨气的装置，放弃了教材中的方法，这一做法违反了对应性原则。实验改进与设计不能改变反应原理，不能放弃要求学生掌握的典型装置，有些装置是可以改进的，如喷泉实验装置。新的反应原理及装置，只能作为补充知识点进行介绍。
3.简易性原则。这是指实验装置结构简单，材料容易获取，操作简单，实验时间较短。在课堂教学中，时间是宝贵的。如果实验装置复杂，操作又费时，学生就难以弄清楚装置本身的原理，影响对反应原理、现象的理解，同时也影响教学任务的完成。另外，复杂的装置从实验室搬到教室也很困难，上完一个班的课，接着上第二个班的课时要重新连接装置，这在时间上往往不允许。上述原因导致复杂装置实用性差，也难以推广。例如，有人对氨气喷泉实验进行了改进，用了4个铁架台、6个注射器、6个调速阀，装置十分庞大复杂，在实验室用于喷泉实验研究是可以的，但用于课堂教学是不切实际的。而教材中设计的喷泉实验的结构较简单，实用性强，当然还可以再改进。
4.可视性原则。这是指在课堂演示时，实验现象明显，全部或多数学生都能看清楚。可视性原则对课堂演示实验而言是一项基本要求。要实现可视性，就要求选择的反应容器达到一定体积，药品用量合适，反应本身现象明显。微型实验装置适合于学生分组实验，但许多这类装置不适合于课堂演示实验。例如，有人设计在点滴板上完成几个实验，虽然在课堂上演示可视性较差，但用于学生分组实验效果较好，节约了药品。教材中的大部分演示实验可视性都较强。
5.安全性原则。这一原则要求实验装置在整个操作过程中不能危及他人人身安全，不能造成环境污染或者必须将环境污染降到最低程度，不能对他人身体造成伤害。凡是违反安全性原则的实验装置都不能使用。
6.可行性原则。这是指实验装置所使用的仪器、药品、自选物品是生活中容易获取的，仪器、自选物品的加工、改造也都比较容易做到，像注射器、医用塑料瓶、矿泉水瓶等常用的自选物品。有人设计利用注射器进行
与HCl反应和Cu与稀硝酸反应的方案，都符合可行性原则。
三、实验改进与设计的方法
笔者按照实验改进与设计的原则设计了几个实验，以此来说明改进与设计的方法。
1.对教材中实验装置的仪器进行适当调整。教材中实验设计总体上是好的，有些只要适当调整仪器，效果就会更好。人教版高中必修1将金属钠放在坩埚中加热，观察钠的燃烧，这一设计的主要问题是：在加热时，钠燃烧后由于坩埚有一定深度，火焰不明显。笔者将坩埚改成铝片（中心位置略为凹下去，铝有致密氧化膜，不会参与反应），把钠放在铝片中心位置加热，效果很明显。
2.对教材中的实验装置重新进行设计。对原有实验装置中的大部分仪器进行调整，或者采用新的实验方式都属于重新设计。笔者对氨气的喷泉实验作了以下改进：
（1）如图1所示，在干燥的圆底烧瓶中盛满氨气，下方是一个500 mL以上容积的矿泉水瓶，里面装满水，水中滴加了酚酞。
（2）操作时先用手指按住矿泉水瓶上双孔橡皮塞左边的出气口，然后用手挤压矿泉水瓶，让少量水沿着导管进入烧瓶中，再放开出气口的手指，瓶中水会迅速进入烧瓶中，形成喷泉。这一装置更为简单，容易操作。
3.选择合适的药品用量、比例、物质的量浓度。实验表明，在木炭还原氧化铜实验中，当使用酒精喷灯加热时，木炭与氧化铜的质量比为1︰10时效果最佳。在Cu与稀硝酸反应制取NO实验中，稀硝酸物质的量浓度为5 mol/L合适，物质的量浓度偏小，反应很慢，物质的量浓度偏大，会有产生。此外，采用铜丝比铜片反应更快。
4.使用多媒体、投影仪等电教设备。笔者对钠与水反应实验作了以下改进：将水槽放在投影仪上，可以清楚地让全班学生看到钠变为小球状，不停地游动，且逐渐变小直至最后消失，溶液变为红色。也可以使用摄像头和多媒体，将反应现象展示在银幕上，这样效果就更好。
5.对某些实验进行创新设计。教材对有些重要的反应没有安排演示实验，笔者认为，对于设计难度不大、安全的实验可以设计实验装置。笔者设计了NO与转化的实验装置：通过橡皮管、导管、止水夹、双孔橡皮塞，将两支注射器与一支试管连接，在试管中盛满，一支注射器装满水，另一支装满氧气。先往试管中注入少量水，当反应开始后，由于试管内压强减小，注射器活塞会在外界气压作用下，将水推入试管中，待充分反应后，再注入氧气，无色气体变为棕色，之后又消失，最后水会接近充满试管。该装置优点：现象明显，操作简单，不污染环境。