化学实验装置设计与教学思考，本文主要内容关键词为：装置论文,化学实验论文，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。
化学实验是化学教与学的重要内容和方式。化学实验装置设计是化学实验过程中的一个十分重要的环节，也是保证化学实验能够顺利完成的前提条件之一。一个完美的化学实验装置除具有所需要仪器少、安装简单、节约用品、减少污染、缩短时间、安全可靠和效果显著外，还具有启发、示范、益智和教育的作用。然而，目前化学教学中对此环节有所忽视，现有的化学实验装置中存在的问题较多[1～5]。诸如：仪器种类选用不当；仪器规格选用不当；仪器数量多少不当；仪器相互连接不当；仪器位置高低不当；装置整体原理不当；装置新意程度不高等。这些不当都与化学实验装置设计有关，其结果导致化学实验现象不明显或不成功，甚至出现实验失败，达不到预期的化学实验教育教学目的。因此，加强化学实验装置设计教学，除有利于学生理解和巩固相关概念，确保化学实验成功外，还有利于培养学生的思维能力、创新能力和实践能力，有利于提高学生的科学素养和综合素质，同时符合基础教育化学新课改所倡导的教育教学理念。
一、何谓化学实验装置设计
在化学教学中，化学实验装置是指相关的仪器、设备连接在一起并能支撑化学实验进行和达到某种化学教学目的的一类物品组合体。它是化学实验装置设计的实物化，是物质发生物理变化、化学变化的体系环境。
化学实验装置设计，是指实验设计者在实施化学实验之前，根据化学实验教育教学目的和要求，将相关的仪器、设备进行合理的连接和组装，成为物质发生物理变化、化学变化的体系环境的构思方案。它是实验设计者借助理论思维在头脑中建构的一种观念性的东西。
二、化学实验装置设计的原则
1.目的性原则
目的性是指在整个实验装置设计过程中，应围绕实验的目的和要求，对实验装置进行优化组合设计。例如，CO还原CuO的实验，设计实验装置时应突出CO还原性的实验现象。同时，要构思防止CO污染的装置设计。
2.科学性原则
科学性是化学实验装置设计的核心原则。科学性是指化学实验装置设计中的装置原理必须适应反应原理、操作原理、实验方法和教学原理等。一个优秀的化学实验装置设计，应具有严谨的科学性。简言之，就是合理性。
3.安全性原则
安全无小事，应贯穿“安全第一”的思想。设计中应尽量避免实验装置中存在的隐形的安全隐患，以防实验中造成环境污染和人身伤害。近年来，在实验装置设计中对化学因素和操作因素可能引起的安全问题都非常注意，但对物理因素可能引起的安全问题却常有忽视。
4.可行性原则
可行性是实验装置设计的根本原则。可行性是指设计中所运用的装置原理和实验方法在实施时切实可行，所选用的化学实验仪器、设备和附件在现有的条件下能够得到满足，并在实验中能够获得正确的现象和结论。
5.直观性原则
化学实验教学要求实验现象明显，感官度高。目的是通过可见（气体，沉淀）、可感（热，光，气味）、可称（质量增减）、可辨（颜色变化）等现象判断实验的进程从而引发学生的联想、推理、顿悟和学习兴趣等。
6.简约性原则
对于同一化学实验，实验装置越简单越好。简单就是美。所谓简约性，是指要尽量采用简单的实验方法，用较少的实验步骤和实验药品、仪器，在较短的时间内可完成效果明显的实验装置。恰当的实验装置设计既突出实验重点，又没有冗长的实验步骤，能充分体现出简约性。
三、化学实验装置设计的过程
化学实验装置设计的过程，是指实验设计者通过内部语言在头脑中进行的认知活动，为需要组装的仪器、设备进行定向和固定，并形成化学实验装置的图式的过程。化学实验装置设计的过程一般为：
实验设计者根据实验目的和要求、化学反应原理和实验操作原理以及反应物和生成物的性质和特点、反应条件等因素，选择适宜的仪器和设备，构思合理的化学实验装置的图式，并在评价与修改的基础上确保实验装置的科学、合理、可行。
四、化学实验装置设计的策略
1.一器（置）多用策略
一器（置）多用策略，是根据同一种仪器或同一套实验装置的用途的多样性，从中选择满足实验装置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。此策略是对仪器或实验装置用途的发散。
例如，球形干燥管主要用于气体的干燥。但还可以作为过滤器（见图1a、b）、防倒吸的吸收器（图1c）、反应器（内放粗锌粒与盛有稀硫酸的烧杯组合，见图1d）等。
图1 球形干燥管其他用途装置
又如，一个广口瓶和一个带有玻璃弯管的双孔橡皮塞所组成的一套实验装置（见图2），其用途一般有：作为集气装置，如图2a、b；作为气体净化装置，如图2c；作为量器装置一部分，如图2d；作为排水集气装置，如图2e；作为口吹洗瓶，如图2f。
图2 广口瓶与双孔塞组成其他用途装置
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实验装置的多样性，从中选择适合实验装置设计要求的仪器或设备。此策略是装置用途上的收敛，不同的装置可起到殊途同归的作用。设计时，应对实验装置的原理十分清楚。
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，其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，空气进入，压强相等，液面重新落下，消除了倒吸现象。据此可设计多种装置，然后从中选择符合要求的装置（见图3）。
图3 作用相同的不同种装置
3.替代策略
替代策略，是指利用相同或相似功能的其他仪器、设备或生活废弃物品来替代现有实验规定的仪器、设备，从而满足实验装置设计目的和要求。
例如，在没有现成的二氧化碳发生器的情况下，选用图4中的部分仪器，装配一个简易的、能随开随用、随关随停的二氧化碳发生器。在这种情况下，应根据大理石与盐酸反应原理以及从启普发生器的原理着手，用干燥管、烧杯和单孔塞组合（图中的acde）达到设进要求。
图4 选择启普发生器的替代仪器
4.增减策略
增减策略，是在现有的化学实验装置中增加或减少某些仪器、设备和装置，从而达到化学实验装置设计的目的和要求。
例如，如何控制溴与苯的取代反应的实验，按照原教材中制备溴苯的实验是将溴和苯先加入烧瓶，然后向烧瓶中加入铁粉，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，导致溴挥发从导管溢出而达不到预期的目的（见图5a）。如果增加一个分液漏斗，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，从而达到控制溴与苯取代反应的实验装置设计的要求。但实验过程中还有少量热量放出，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。若在烧瓶和锥形瓶之间增加一个盛有四氯化碳的洗气装置（见图5b），则不仅可以消除对溴化氢气体检验的影响，而且避免了由于溴蒸气的挥发而造成的污染。
图5 澳与苯取代反应的实验装置
5.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、仪器和装置的使用方法等颠倒过程，以产生新的作用，从而达到实验装置设计的目的和要求。
图6 正、倒立用途的装置
6.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，以及处理问题的方法和经验，以达到实验装置设计的目的和要求。
例如，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，则实验现象明显，效果很好。
7.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，并将需要的相关仪器、设备进行重新组装，以形成功能更好的实验装置。经过组合策略的实验装置应具有原先实验装置所不具有的教育教学功能，能获得1+1＞2的教学效益。
例如，
的热稳定性比较实验设计。如果将实验装置设计成如图7所示，则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，有更强的说服力。
图7 的热稳定性比较实验装置
8.模拟（仿真）策略
模拟（仿真）策略，是根据事物变化的原理，通过适当的物质手段将其变化过程真实地复现出来，以达到实验要求的装置。
例如，“温室效应”模拟实验设计。
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高一些。根据此原理，“温室效应”模拟实验可设计如图8所示的实验装置，通过温度计上的读数可以得知温度高低。
图8 “温室效应”模拟实验装置
需要指出的是，化学实验装置设计的策略远不止上述所提到的这些，而且在实际的实验装置设计过程中，所使用的策略往往是多种策略交融并串的综合应用。因此，在实验装置设计过程中，实验设计者要有全面观、整体观、适用观。
五、化学实验装置设计的教学思考
1.教师驾驭能力是化学实验装置设计教学的前提
俗话说，打铁必须本身硬。要求学生会进行化学实验装置设计，教师应首先具有较强的驾驭能力。教师的化学实验装置设计能力的形成和提高，可从3个方面着手：①平时自我钻研。教学之余，教师可对现有的化学实验装置进行逐个研究，这个实验装置有哪些优点，还有什么不足，应怎样进行改进或重新设计。②开展学生实验装置设计活动。教师要多开展学生实验装置设计活动，多与学生接触、交流、讨论，通过不断的思维碰撞以产生创新的火花，提高实验装置设计能力。③开展校本教研活动。它是以教师参与为基础，以解决教师在教育教学过程中遇到的真实问题为对象的实践性活动。学校化学组的教师定期通过校本教研活动，围绕化学实验装置设计教学的问题，进行分析、讨论、反思和研究，明确问题产生的原因，进而寻求和构建有利于该问题解决的方案。在这个过程中，教师的化学实验装置设计能力将会大大提高。
2.学生打牢“双基”是化学实验装置设计教学的关键
所谓“双基”，是指化学实验的基础知识和基本技能。化学实验装置设计，不是实验设计者对一些仪器、设备的简单连接所作的构思而已，它是基于对化学实验原理的理解，基于对化学常规实验手段、常见仪器使用的熟练掌握，基于对相关化学知识的融会贯通，基于对化学实验手段优劣的辨析等而作出的整体安排。例如，炭粉吸附色素实验。该实验装置是怎样的？是否需要过滤装置？如果需要，能否用其他装置代替？探究炭粉吸附过程性质的实验装置是怎样的？药品放在哪里？这些都涉及较多的化学实验的基础知识和基本技能。炭粉吸附色素实验的常规做法：把适量的红墨水滴加到有炭粉的试管中，此时呈现的是黑色，红色是否消失不得而知。过滤后滤液呈无色，而过滤慢、时间长，且仪器较多。如果重新设计（见图9）：取两支相同规格的大试管，其中一支放有炭粉，然后分别向两支试管加入相同体积的红墨水，振荡后，再将两团大小相同的棉花分别塞入两支试管中，插入玻璃棒（见图9a、b）；同时用玻璃棒将棉花慢慢压至管底，无炭粉的试管中上层液体仍为红色（见图9c），有炭粉的试管中上层液体无色（见图9d）。最后，给两支试管进行加热，无炭粉的试管中上层液体仍为红色（见图9e），有炭粉的试管中上层液体又恢复为红色（见图9f）。这种实验装置设计的优点是：科学合理，信息丰富，富有益智作用；操作简单，速度快，效果好。若实验设计者没有较好的“双基”，则很难设计出这样的炭粉吸附色素实验装置。
图9 碳粉吸附色素实验装置
因此，学生打牢化学实验的基础知识和基本技能，是设计良好的化学实验装置的关键。在化学教学中，实验设计者的专业知识越扎实、实验经验越丰富，设计的实验装置就越全面、具体、正确，验证与探究的实验结论和体验与获得的教育教学价值就会越接近实验目的。
使学生打牢“双基”，可从以下3个方面思考：①在日常化学教学中，可渗透化学反应、实验操作和实验方法分别与实验仪器、设备、装置适配问题的探讨；②开展学生实验装置设计与评价活动；③实实在在开展化学探究性实验活动。
3.师生发掘问题是优化化学实验装置设计教学的保证
应该指出的是，在进行化学实验装置设计时，无论是教师还是学生，只要多提出一些问题，就不难发掘实验装置中的缺陷[9]。而提出的缺点越详尽，就有可能使化学实验装置设计得越好。提问题的内容，可从以下5个方面思考：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，能否替代。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，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（或玻璃纤维）固定”等。⑤实验装置是否适合化学反应原理、实验操作原理的要求，等等。
因此，只要我们善于质疑、勤于探索、勇于开拓、合理使用实验装置设计策略，就一定会设计出更好的、更适用的化学实验装置，满足化学实验教育教学的需要。