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在实验改进和设计中培养学生的创新精神和实践能力

  摘要:在化学实验教学中,为了培养学生的质疑精神和创新能力,丰富化学实验教学资源,我们注意引领学生参与化学实验的改进和设计。通过改进实验方案、优化实验方法、设计实验装置、研制实验用品等,培养了学生的批判精神,点燃了学生的创新热情,提高了学生的创新技法,发展了学生的实践能力,从而促进学生不断享受化学实验带来的快乐和成功。

  关键词:化学实验教学;实验创新;学生参与;创新精神;实践能力
  文章编号:1005�C6629(2016)10�C0016�C05 中图分类号:G633.8 文献标识码:B
  化学实验具有实践性、思维性、创造性、趣味性,是培养学生创新精神和实践能力的最佳载体。
  多年来,我们徐州市初中化学名师工作室成员热衷于化学实验的改进与设计,并倡导学生挑战权威,鼓励他们积极参与化学实验的创新,很多学生在初三学生金钥匙科技竞赛、青少年科技创新大赛等科技活动中获得省级以上奖励,有的学生还发表了实验创新论文。下面结合实例谈谈如何在化学实验教学中引领学生开展实验创新活动。
  1 改进实验方案,培养批判精神
  在化学教材、实验论文里,甚至是在化学教师的实验创新大赛中,总会发现一些化学实验方案存在缺陷和疏漏。引导学生对实验方案进行质疑并优化和改进,可以激发学生的批判精神,提高他们的质疑能力,进而引发对化学实验的创新。
  例如,按教材上的方法加热碳酸氢铵时,学生容易发现其中的不足:①实验是在敞口仪器蒸发皿里做的,无法观察到分解产物水与二氧化碳;②另外一种分解产物氨气,虽然能明显地感觉到,但前排的学生常常深受其害。经过师生交流探讨提出改进措施:将蒸发皿更换为可以封闭的透明玻璃仪器、增加石灰水和酚酞试液等试剂,师生设计出下列三种改进方案。
  如图1所示的改进方案(夹持装置略)利用了U形管和注射器,只要微热碳酸氢铵,白色固体就逐渐减少,同时U形管内壁有水珠、酚酞棉花变红色,充分说明碳酸氢铵受热易分解、分解产物有水蒸气和氨气;停止加热后,上拉注射器活塞抽取U形管内气体,石灰水立刻变浑浊,说明分解产物还有二氧化碳。学生因此明白为什么碳酸氢铵要密封保存于阴凉干燥处,施用后要及时用土覆盖。
  图2所示的改进方案利用了小气球和长柄V形玻璃管(长柄长约15cm、每个支管长约8cm、外径约1.2cm),只要加热碳酸氢铵,长柄内壁就会出现大量的水珠,同时酚酞棉球变红色、澄清石灰水变浑浊,说明碳酸氢铵的分解产物有水、氨气和二氧化碳。另外,实验尾气被收集在气球里。
  图3所示的改进方案借助医用硅硼铝玻璃注射器(耐高温高压):微热碳酸氢铵,分解的产物使注射器活塞向外移动,针筒内壁出现较多的水珠,接着果导片(主要成分是酚酞)变红色,说明分解产物有水和氨气;停止加热,再将注射器里的气体推入石灰水中,石灰水变浑浊,说明分解产物有二氧化碳。
  以上改进方案都有新颖直观、安全环保、简洁方便等优点。学生在上述探究性学习中,也认识到“缺点列举法”[1]是改进化学实验的一种有效方法。
  2 设计实验装置,发展创新能力
  实验装置是化学实验的硬件和物质基础,它没有最好,只有更好。在实验教学中,我们激励学生要敢于质疑实验装置的缺陷,并力争改进、创新,从而使实验装置更加科学、简洁、完美,同时培养学生善于思考、勇于创新的科学精神。
  例如,教材上利用三个烧杯、浓氨水、酚酞试液等实验用品去探究微粒运动,虽然实验现象明显,但是实验装置无法固定,而且浓氨水的用量大、氨气极易逸出实验体系。针对该实验存在的问题,师生对实验提出如下的希望:实验体系密闭、药品用量少、操作较为简便,依据“缩小省略法”的创新思路,落实希望点,研制出多个理想的实验装置。
  如图4所示的改进装置,只要松开止水夹,浸有酚酞试液的棉花就很快变红;“酚酞试液与浓氨水没有直接接触就能变红”的事实,充分说明氨分子在不断运动。另外,该装置还能反复使用(变红的棉花团暴露在空气中就会很快褪色)。
  如图5所示的改进装置,只要按图连好实验用品,一会儿蓝色硅胶就能变红,说明水分子在不断运动;如果使用热水,硅胶会更快地变红,说明温度升高微粒运动的速率加快[2]。该装置也可以反复使用(变红的硅胶用电吹风吹一吹,即可变回蓝色)。
  上述实践活动有利于学生提升实验设计能力,促进手脑并用;也使学生认识到,“希望点列举法”[3]是设计化学实验、研制实验装置的又一种有效方法,“缩小省略法”[4]是追求实验微型化、简约化的重要手段。
  再如,教材上制取二氧化碳的发生装置不能控制反应的发生或停止,那么如何设计才能使反应可控呢?教师首先展示图6所示的发生装置,帮助学生明晰反应可控的原因――创造了便于固、液药品接触或分离的条件,给学生的创新搭建支架,打通“最近发展区”。   3 优化实验方法,激活创新思维
  化学实验一般都有约定俗成的操作方法,但是随着实验装备条件的改善和教研活动的深入开展,不少化学实验涉及的操作方法还可以优化,从而使实验现象更明显、实验过程更简单、实验结果更丰富。
  例如,按照教材上的方法点燃蜡烛刚熄灭时的白烟,成功率很低;经过分析,师生确定其主要原因是吹灭蜡烛时导致白烟分散;此外,实验所用的蜡烛较细,产生的白烟稀少。通过“逆向思维”可知,要确保实验成功,白烟要多而且集中,于是学生设计出新的实验方法:蜡烛做粗一些[7](这样刚熄灭时产生的白烟就多),用容器将蜡烛罩灭(这样白烟就能集中)。
  如图8所示的实验,学生用废旧的蜡烛头制成粗蜡烛;用集气瓶将粗蜡烛的火焰罩灭,再轻轻提起集气瓶,同时将燃着的火柴靠近上端的白烟,白烟立即被点燃,并再次引燃粗蜡烛。
  如图9所示的实验,用短颈漏斗罩灭粗蜡烛
  接下来,学生模仿图7装置,开动脑筋、不断修正,终于再造出多个反应可控的气体发生装置[5](见图7):图A通过弹簧夹的开启控制反应(酸动、石灰石不动),图B通过倾斜或直立碳酸饮料瓶控制反应(酸动、石灰石不动),图C通过上下移动粗铜丝控制反应(石灰石动、酸不动),图D通过上下移动烂底试管控制反应(石灰石动、酸不动)。
  引领学生多方位、多角度地思考,追求实验装置的科学美、造型美,学生就有了怀疑的勇气,创新的潜能也被激发出来。学生在应用“模仿创造法”[6]时,也培养了创新精神、提升了创造技巧。的火焰[8],漏斗口处出现较多的白烟,也容易被点燃。
  按照上述操作方法进行实验,学生都能点燃白烟,而且可以重复数次,此时学生的思维是活跃的,也因此认识到“逆向法”[9]是优化实验方法的重要举措。
  每年我们都带领学生提取紫甘蓝汁液,并测出其变色范围。进入中和反应的学习,一些学生又想到能否用紫甘蓝汁液“替换”酚酞试液探究酸与碱能否发生化学反应。
  在课外活动时间,师生进行了尝试:取少许NaOH溶液装入大试管,再滴入几滴紫甘蓝汁液,NaOH溶液变为黄色;向黄色的NaOH溶液中逐滴加入稍过量的稀盐酸(不要振荡溶液),溶液从上往下就依次呈现深红色、粉红色、紫色、蓝色、绿色、黄色等,宛若彩虹,学生激动不已;再振荡,溶液最终全部为紫色。稍作分析,学生就知道,NaOH溶液接触到盐酸后黄色消失,说明NaOH没有了,进而可知NaOH与盐酸发生了中和反应。不仅如此,试管里液柱呈现不同的颜色,还显示了中和反应的过程(溶液由强碱性逐渐降至弱酸性)。
  在此基础上,有的学生又突发奇想,将U形管“移植”到该实验中(见图10):先在U形管里加入足量的滴有紫甘蓝汁液的NaOH溶液,再从U形管的两个管口同时滴入稀盐酸(不振荡),实验现象更加绚丽,从而将中和反应的科学美淋漓尽致地表现出来。
  这一创新使中和反应不再是单色变化,而是色彩绚丽多变、显示反应进程、结论自然顺畅,使学生充分享受化学实验的魅力和实验创新的快乐。同时促进学生,了解“替换法”和“移植法”[10]是优化实验方法的有效策略。
  4 研制实验用品,体验学习成功
  化学实验室的很多仪器都是百年不变的,如果利用身边的物品设计出新的实验仪器或替代品,则能丰富教育装备,扩大实验路径,发散思维方法,并使学生的创造力、想象力、动手能力、节俭的习惯和热爱劳动的情操等都得到了锤炼。多年来,我们指导学生从实验废液里提取了多种化学药品,自制了酸碱指示剂和石蕊试纸,研制出T形三通管、V形玻璃管、化学实验杠杆、地窖空气取样仪、多功能塑料瓶等仪器。
  例如,受2001年版人教社初中化学教材中验证二氧化碳密度比空气大的实验[11]启发,我们指导学生巧妙借助杠杆设计出多个化学实验,通过杠杆两端的质量变化,探究物质的性质和变化规律。
  像探究微粒运动实验,也可以借助图11所示的杠杆来完成:先调节杠杆至水平状态,再轻轻拧下塑料瓶盖(瓶盖仍留在塑料瓶上);一会儿杠杆左端上升、右端下降。稍作分析可知,虽然二氧化碳气体密度比空气大,但敞口正立的塑料瓶里二氧化碳气体仍然源源不断地逸出(同时等体积的空气进入塑料瓶),从而说明二氧化碳分子、氮气分子、氧气分子等均在不断运动。
  而图12所示的杠杆则可以比较苏打与小苏打的热稳定性:先加热左端的试管2min,杠杆保持水平,干燥的蓝色石蕊试纸不变色,说明苏打受热不分解。再加热右端的试管2min,杠杆右端上升,干燥的蓝色石蕊试纸变红色,说明小苏打受热分解,且分解的产物有二氧化碳和水[12]。
  另外,若把苏打换成氯化钙(或氯化镁),小苏打换成碳酸氢钙(或碳酸氢镁),进行同样的操作,还可以说明氯化钙(或氯化镁)的热稳定性强,碳酸氢钙(或碳酸氢镁)的热稳定性差,进而可知井水、自来水煮沸可以降低硬度,而海水煮沸不能降低硬度。
  此外,活性炭的吸附性也能通过杠杆的平衡变化直观显示出来[13]:按图13连接好实验装置,调节杠杆水平,一会儿杠杆左端缓缓下沉,说明炭包质量变大,进而可知二氧化碳气体被活性炭吸附了(此时可以告诉学生,目前已有利用活性炭的吸附性捕集烟气中的二氧化碳,从而减缓温室效应[14])。   上述实验仪器的研制及定量实验的设计,放大了实验现象,较好地培养了学生的定量意识和发散思维,体现了多学科综合的探究途径。也使学生体验了更多的实验创新技法,如“类比法”、“同类组合法”、“异类组合法”和“放大法”[15]等。
  5 结束语
  多年来,我们相信学生、敢于放手,积极为学生打造实验创新的平台,及时为学生提供必需的实验装备,使基础知识学习与实验创新达到高度的融合;重视创设质疑求新的氛围,倡导学生使用身边物品改进和设计化学实验;注重发挥教师的主导作用,注意传授发明创新的技法。学生在实验创新的过程中,经历了发明和创造、体验了成功和失败、增加了自信和乐趣,他们拥有的创新热情必将持续不断地燃烧。
  总之,科学严谨、充满乐趣、富有挑战的化学实验创新活动,有利于激发学生热爱化学的情感,有助于学生摆脱常规思维的束缚、开启独辟蹊径的思维视角,并促进化学教学培养出更多具有开拓意识和创新能力的人才。
  参考文献:
  [1][3][4][6][9][10][15]李德前.例谈初中化学实验创新的思维方法[J].化学教学,2013,(3):65~68.
  [2]马逸群,魏海.“探究微粒运动实验”系列设计[J].化学教学,2014,(8):58~60.
  [5]马逸群.实验室制取二氧化碳3个问题的研究[J].实验教学与仪器,2010,(1):32~33.
  [7]赵红,陈士元.自制初中化学实验用蜡烛[J].中国现代教育装备,2015,(6):37~38.
  [8]郑杏珍,李坚毅.“蜡烛刚熄灭时白烟的点燃”实验改进[J].化学教育,2006,(12):50~50.
  [11]人民教育出版社化学室编.九年义务教育三年制初级中学教科书・化学(全一册)[M].北京:人民教育出版社,2001:86.
  [12]陈立铭,李德前.利用长柄V型玻璃管比较碳酸钠和碳酸氢钠的热稳定性[J].化学教育,2014,(21):56~57.
  [13]周广.巧借杠杆改进化学实验“趣中生智”――例谈杠杆在初中化学实验中的运用[J].化学教与学,2016,(4):88,77.
  [14]廖景明,肖军,沈来宏等.生物质活性炭吸附二氧化碳的性能研究[D].南京:东南大学硕士学位论文,2012.

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