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张鹏云
（会宁县枝阳中学,甘肃会宁730700）
化学离不开实验,化学是以实验为基础的科学.化学新课程标准明确提出,探究性实验是学生积极主动地获取化学知识、认识和解决化学问题的重要实践活动.值得一提的是,现在的化学实验教学中,因为实验的设计来自教材或教参,使得在教学时往往把注意力放在通过做实验来加深对某个实验现象的印象,学生受到的教育也仅仅侧重于对某种仪器装置的认识和基本操作的训练,忽略了实验设计在培养学生求异创新精神方面的教育作用.另外,现行化学教材中的某些探究性实验的设计,仍然存在着许多不足之处,或是现象不够明显,或是成功率不高,或是不够环保等,影响教学的效果.因此,对其进行重新的设计和改进,依然是广大化学教师努力探索的方向.
一、探究性实验设计的特性
化学探究性实验能促进学生对化学科学本质的理解,能促进学生学习化学兴趣的发展,其设计与改进应体现化学课程的学科特性：(1)科学性.做到实验原理准确、实验装置合理、实验操作规范：(2)直观性.实验现象明显,能通过观察（气体、沉淀、变色）、感知（发光、放热、气味）、测量（质量、体积、温度变化）等现象来判断实验的进程.(3)简约性.取材容易,装置简单,操作简便,节约药品和时间.(4)可行性.设计和改进实验时要充分考虑学校现有的实验条件和学生的学情,并由教师亲手预做实验,以确保实验成功.(5)安全性.应尽量减少药品用量,避免易燃易爆、有腐蚀性或有毒的物质危害人身安全或污染环境.
二、探究性实验设计的视角
1.巧妙构思,从仪器整合的角度设计
在进行化学探究性实验设计时,将实验中的某些无关因素简化,可有效减少药品用量,同时将某些装置联系起来,从而使前一个实验成为后一个实验的原料.
案例1在做探究氧气的性质的实验时,往往事先需要制备几瓶氧气拿进教室,不仅非常不便,而且往往由于氧气的逸出使得实验的现象不明显.为此,按图1改造并组装仪器（其中试管①、广口瓶打孔后与导管相连）.实验时,试管②中加入适量二氧化锰,注射器( 50mL)内加入lOqo的过氧化氢溶液约40mL,向试管①中加入约2mL澄清石灰水,将注射器适当向下推压,氧气通过向上排空气法逐渐充满试管①,从而可在其中持续进行木炭、蜡烛、铁丝等在氧气中燃烧的性质实验.
设计评价：改进后的实验,可以通过注射器控制氧气的流量；由于试管的容积较小,很容易将空气排尽,得到的氧气非常纯净,实验现象明显；做完木炭、蜡烛燃烧实验后,试管①内有石灰水,做铁丝燃烧实验时可防止熔化物溅落炸裂容器底部.
2.因地制宜,从微量化的角度设计
试验设计:DOE实验设计案例分析
微量化实验是近年来提出的一种实验设计方法,可弥补微型实验的不足,以微小量试剂在较常规的仪器装置中进行化学实验,在保证了药品用量少、污染小、省时、易操作的同时,仍能达到常规实验的效果.
案例2铜与稀硝酸的反应在室温条件下的现象不是很明显,且易造成污染,所以可对该实验进行重新设计,如图2.先取论文范文射器后面的活塞,在注射器( 50mL)内放入两个小铜片,塞上活塞后,吸入适量的(大约15mL)稀硝酸,末端用橡皮塞密封.然后把注射器放在事先加入适量热水的烧杯中进行水浴.可观察到,反应开始生成的气体被富集在筒内为无色,溶液也逐渐变为蓝色；再取下橡皮塞,轻轻拉动活塞吸入空气,无色气体变为红棕色；塞上橡皮塞,振荡注射器,红棕色的气体又变为无色.
设计评价：上述实验操作可重复进行,整个过程没有氮的氧化物逸出而污染空气.该实验的微量化设计,力所能及地利用常见仪器及废弃物并加以适当改造,为学生亲手探究物质的性质创造了一个良好的实验氛围,使之更易推广为学生分组探究实验,也更有利于调动学生探究性学习的主动性.
3.注重细节,从药品取用的角度设计
化学实验设计时药品的选择、用量这些细节问题都会影响到实验的成败.通过选择药品的种类或调整药品的用量,积累一些小经验,往往会收到意想不到的效果.
案例3教材中设计铁丝与硫酸铜溶液反应生成“铜树”的实验（如图3）,是把一根用砂纸打磨过的铁丝浸入硫酸铜溶液中,过一会儿取出,观察现象.学生在一次实验中惊奇地发现铁丝表面竟然变成了黑色,与教材现象完全不同.于是笔者鼓励学生设计方案并进行了如下探究：分别将打磨过的铁丝放人溶质质量分数不同的硫酸铜溶液中,观察现象,实验记录如表1.
实验表明,该实验中硫酸铜溶液的质量分数应不低于3%.学生在后续的实验探究中又发现用饱和的氯化铜溶液代替硫酸铜溶液,反应的速率会更快,或在硫酸铜溶液中加入少量的食盐可加快反应的速率.
设计评价：反应物的浓度会影响反应的速率及反应的现象.类似的情况还有很多,比如在二氧化锰作催化剂条件下用双氧水制氧气时,如果过氧化氢溶液的浓度超过了10%则反应的速率太快而不易控制,浓度过小,反应速率又太慢.这样的设计,能使学生体验探求知识的乐趣,亲身感受科学家研究问题的经历,对于培养学生的科学素养具有重要意义.
4.敢于创新,从改进操作方法的角度设计
化学实验的一些基本操作方法由来已久,深入人心.教师习惯于将一些操作方法进行简单的重复与套用,常常忽略了对学生求异创新思维的培养.
案例4用实验来检验碳酸型饮料中是否含有二氧化碳气体时,常用的方法是打开瓶盖使气体逸出后用涂有澄清石灰水的玻璃片来检验或是用抽取瓶内气体通入澄清石灰水的方法,但实验的效果都不够理想.实验的改进设计是,先不要打开瓶盖,摇动瓶子,使饮料中的气体逸出到上部空间,然后用注射器抽取2mL澄清的石灰水,将注射器针头插入瓶内上部空间,由于瓶内气体压强较大,气体立即进入注射器内并将活塞向外推出一部分,同时可观察到石灰水变浑浊.
设计评价：这样的改进,无需打开瓶盖,既可防止碳酸饮料中大量的气体逸出,又能避免反复多次抽取瓶内气体带来的不便,使操作简单快捷,而且现象十分明显.同样的药品与装置,操作的方法不同,实验的效果则截然不同.这样趣味化的设计,更能增强学生学习化学的兴趣.
5.大胆质疑,从促进探究的角度设计
现行的化学教材为我们的教学提供了丰富的实验教学资源,为创造性地进行实验设计提供了更多的依据.但细细品味教材中的某些实验设计,觉得还是有值得商榷的地方.
案例5教材在二氧化碳的制取实验中提出：用排水法收集的气体必须是不溶于水且不与水反应.实验教学中常有学生质疑：二氧化碳能溶于水且能与水反应,能用排水法收集吗?教材中没有明确说明不能用排水法,笔者鼓励学生设计实验方案进行自主探究.他们用适量的石灰石与稀盐酸(1：2)反应制取二氧化碳,并用排水法收集500mL气体所用的时间不足20s,随后用澄清的石灰水检验集气瓶内气体,发现澄清的石灰水变浑浊,说明用排水法收集到的气体为二氧化碳.由此,学生得出了二氧化碳也可以用排水法收集的结论.
设计评价：实践出真知.教材、教参中都是不支持用排水法收集二氧化碳的.标准状况下,1体积水能溶解0.88体积的二氧化碳,由于碳酸的不稳定性,只有少量的二氧化碳会与水反应生成碳酸.要鼓励学生在实验设计时质疑问难,发表自己的设计方案并进行探究,从而正确理解所获取的知识.
在化学教学中,化学探究性实验为学生提供了最直接的观察对象,是学生形成对物质的性质及其变化规律的认识的重要依据.在进行化学实验的设计时,要通过不同的视角来发掘实验所蕴含的丰富的教育内容,培养学生的动手能力和科学习惯.
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