一些化学实验的研制和改进对青少年科学素养和创新意识的培养

摘要   新课程背景下如何通过实验增强学生的感性认识，如何增强学生的动手实验的能力，进一步增强动脑能力，文章中笔者根据自己从教近二十年的教学经历和教学过程中的一些探索和体会，一些成功的案例总结，一些实验教具的制作，电化学试验平台研制，微型化实验的有效改进，学生趣味实验，进行了一系列的探索和改进。
关键词   实验有效教学改进 自制教具  实验探索 实验的有效改进
 
 当前科学技术突飞猛进，知识经济初见端倪，国力竞争趋激烈，高新技术迅速产业化，要加快知识创新，加快高新技术产业化，关键在人才。实施教育创新，培养创新型人才将关系到民族的前途命运。人类的生存进步、社会的发展离不开化学，能否学好化学知识、能否用好化学知识为人类创造性地造福，这些都需要我们化学教师加以正确引导。
 化学学科有她学科本身的魅力所在，化学从孕育到诞生，就是一门实验科学，化学家们对合成的或新发现的未知物质的研究，对于化学新理论的验证，主要的手段仍然是实验，化学学科的每一个新的发现，化学家们通过科学实验奋斗的历史就是一段科学发展的历史。学好化学，要不断地动手做实验，这不仅有助于理解和记忆化学知识，还能学会许多解决问题的科学方法和思维方法，提高科学观察和实验设计的能力，同时还能获得探究未知世界的乐趣，培养实事求是的科学态度。
 目前中学化学课本中虽然增加了一些充满探究意味的化学实验，但素材较少，更多的还是一些验证性实验为主，为了突出化学学科的特色，更好地通过实验增强学生的感性认识，增强学生的动手实验的能力，进一步增强动脑能力，本人在增强实验教学的有效性方面进行了不少的尝试和探究。
一、 从学生的实际需求出发 改进了一些实验便于学生动手实验
（一）自制教具----有害气体性质实验的组合装置。
     随着社会的发展，生活质量的提高，人们的环保意识越来越强。但化学学科的核心知识象氯气、二氧化氮、二氧化硫、硫化氢、氨气等有害气体的性质还是要学习和理解掌握的，我们在平时的教学中，一方面感觉到整套装置从发生、到性质再到尾气处理等一长串装置搭建起来很不方便，因为气体有害，气密性要求要高，只能限于教师演示实验，教师也害怕实验泄露、学生又观察不清楚，感触不深，有些教师出于自身安全的考虑，甚至用录像代替现场演示实验，过了一段时间再问学生相关问题好象印象很浅。
    基于这样的现状，本人结合近二十年教学经历，自制了一套气密性好，微型化的实验装置。并用这套装置和传统的一套装置分别对高一年级不同班级上课做对比实验，跟踪调查发现用新设计的新型微型有害气体组合装置做过的实验，到了高三，再次问起学生该方面的知识，他们仍然兴趣盎然、记忆犹新。记得当时在高一时，我们分组做这样的尝试实验时，就有不少同学围着这个装置问这问那，有的问：“这气体怎么走的，我想看个究竟，老师好不好给我介绍？”有的问“老师你是怎么想起来要这样改的，很好的，老师你真会为我们作想”。下课后有不少同学趴在通风橱外不肯走，就是还想看一看究竟。我当时就想，自制这套仪器似乎是小事一状，但对学生的震动却如此之大，影响是如此的深。这正是我们教师所希望看到的。这套改进装置获上海市实验改进大赛一等奖，代表上海市参加全国第六届自制教具
 仪器改进大赛获二等奖。现将这套自制教具介绍如下：
 
 多种气体性质实验组合装置

 该套装置适合于多种气体的制备和性质实验及其探究。尤其适用于有害气体的相关性质实验。
1、仪器结构图

 1-1整套仪器                     1-2 定量加液器

       1-3气体发生套管              1-4洗气套管

 1-5综合套管
2、本装置具有如下几方面的特点：
特点一：结构简化

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2、本装置具有如下几方面的特点：
特点一：结构简化
 传统的气体性质实验由三部分组成：第一部分 气体发生装置；第二部分 气体性质实验装置；第三部分 若气体有害，需有尾气吸收装置。整套装置比较庞大。搭建、携带很不方便。
   该套装置原理未变，同样由也具备这三大部分。只是中间省略了较多铁架台等夹持仪器，省略了各部件之间的导气管、乳胶管等连接部分，省略了洗气瓶等大型仪器；而改用仪器上的小孔代替导管和乳胶管，套管代替洗气瓶和尾气吸收装置。结构大幅度得以简化。
特点二：微型实验
   传统的有害气体性质实验，由于有害，往往局限于教师在讲台上演示，教师做起来也比较畏手畏脚，学生一般只能坐在座位上观察实验，往往观察不清楚，而且失去了亲自动手感受实验的乐趣。存在不少的遗憾。
  目前改进的这套仪器装置，设计紧凑，具有 
1、药品用量少；
2、仪器设备小；
3、便于学生近距离观察实验。真正体现出以学生的发展为本的理念。将看不清楚的演示实验，转化为很感性的学生实验。为学生自主创新创设了很好的实验平台。
4、方便学生自己亲自动手操作，进行实验探究；
二期课改的理念是以学生的发展为本，注重学生创新意识的培养。本套仪器能有效地将教师的演示实验转化为学生实验，例如在氯气性质实验设计中，学生想探究氯气的哪些性质、试剂的选择、试剂的添加顺序等等，学生设计的方案是否正确，都可用本套仪器得到体验。
特点三：操作简便
  本套装置使用时操作比较简便，试剂准备好一次加入后，只需等待仔细观察实验现象。
特点四：模块式组合
  本套装置具有模块式组合特点。性质实验根据需求，需要一个套一个套管，需要两个套两个套管，根据需要进行组合组合。同时也是气体发生装置、性质检测装置、尾气吸收装置等
多功能组合装置。
特点五：安全、环保
  由于本套装置密封性好，保证气体不外溢。从而保证了学生和老师的操作安全性、环保性。便于学生大胆进行实验操作，近距离观察。
特点六：美观
本套仪器美观、视觉冲击力强，充分调动了师生的学习兴趣。
说明：本套装置适合于重复做多组实验，适合于做不需要加热便可产生气体和进行相关性质实验，适合于现象比较明显的实验。
本套仪器目前在本校使用下来，师生感觉比较好，乐于探究
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3、典型实例操作：
实验一：Cl2的制备和性质实验
操作： 在一号仪器中放入固体，胶头滴管中吸取一定量的液体。为了能在常温下，固体和液体混合就能产生Cl2，同学们可以根据已学知识，进行探究。可以用KClO3与浓盐酸反应产生，也可以用KMnO4与浓盐酸反应产生Cl2；为了研究Cl2的氧化性，可在二号、三号套管中放入KI淀粉溶液、湿润的有色布条，同时可在一号套管的大球处放入干燥的有色布条做对比实验；也可在四号套管中放入AgNO3溶液或水等；五号套管中放入NaOH溶液作为Cl2的尾气吸收液。
现象：  通过这样的设计，当浓盐酸滴入选择好的固体中后，我们可以观察到Cl2的颜色、氯水的颜色，得出Cl2能使有色布条褪色的条件，Cl2能使KI淀粉溶液变蓝，Cl2能使AgNO3溶液变浑浊等性质。
实验二：H2S的制备和性质实验
操作： 在一号仪器中放入FeS固体，胶头滴管中吸取一定量的盐酸或稀硫酸液体；可在二号、三号套管中放入硫酸铜溶液、湿润的醋酸铅试纸等；可在四号套管中一边放入Na2SO3粉末，一边放入硫酸；五号套管中放入NaOH溶液作为H2S的尾气吸收液。
现象：通过这样的设计，当盐酸滴入选择好的固体中后，我们可以观察到二号套管中有黑色沉淀，三号套管中试纸变黑，四号套管两端混合后，逐步观察到套管壁上有淡黄色固体生成。
实验三：SO2的制备和性质实验
操作： 在一号仪器中放入Na2SO3粉末，胶头滴管中吸取一定量的硫酸液体；可在二号、三号套管中放入溴水或KMnO4溶液、品红溶液，可在四号套管中一边放入FeS固体，一边放入盐酸溶液，五号套管中放入NaOH溶液作为SO2的尾气吸收液。
现象： 通过这样的设计，当硫酸滴入选择好的固体中后，我们可以观察到二号套管中溴水或KMnO4溶液、品红溶液均褪色，混合四号套管中的药品，逐步可观察到套管壁上有淡黄色固体生成。也可取下装有品红溶液的套管褪色后的液体，稍稍加热，可以观察到褪色的品红又变红色。
实验四：NO2的制备和性质实验
操作： 在一号仪器中放入Cu屑，胶头滴管中吸取一定量的浓硝酸液体；可在二号、三号套管中放入KI淀粉溶液、水；在五号套管中放入NaOH溶液或水作为NO2的尾气吸收液。
现象： 通过这样的设计，当硝酸滴入选择好的固体中后，我们可以观察到二号套管中KI淀粉溶液变蓝，可以观察到NO2气体颜色，以及NO2溶于水后的现象。
实验五：溴苯的制备
操作： 在一号仪器中放入中放入少量铁粉，胶头滴管中吸入少量苯的溴溶液，可在二号、三号套管中放入少量四氯化碳液体，五号套管中放入少量硝酸银溶液。
现象： 将胶头滴管中的液体缓慢滴入固体中，可观察到一号套管中液体处于沸腾状态，充满红棕色气体，二号套管中液体变橙色，五号套管中溶液变浑。
也可等反应结束后，将一号套管中混合物倒入盛有水的大烧杯中，观察烧杯底部现象。(量太少,油状液体较难观察到.)
实验六：CO2的制备和与澄清石灰水反应的探究
操作： 在一号仪器中放入中放入石灰石粉末，胶头滴管中吸取一定量的盐酸液体；可在二号、五号套管中放入澄清石灰水。
现象： 将胶头滴管中的液体缓慢滴入固体中，仔细观察澄清石灰水中发生的变化。根据发生的现象变化进行反应原理的探究。
4、仪器说明：
本套装置实也适用于师生创设的一些有害物质的相关实验的验证和探究，只要符合化学反应的原理,都可进行相关探究.此套仪器装置具有结构简化、体积小；携带、使用方便;用量少微型实验,可以进行学生实验，便于近距离观察实验；模块式多功能组合实验；密封环保等特点。克服了诸多不利因素，值得尝试和推广。
（二）实验改进二---模拟干电池
 学校有一个环保义卖活动，在活动中，有一项活动就是废旧电池回收换礼品活动，每次回收的废旧电池很多，不能及时合理处理，我就选择了一部分电池，开设了《电池》这一活动课，解剖电池，研究电池的结构，了解电池的工作原理，课上先让学生感受果蔬电池，让他们感受果蔬电池的设计乐趣，增强感性认识，然后演变为用废旧的牙签盒和塑料小药筒、镁带、炭粉、淀粉、发光二极管等模拟干电池，该趣味实验改进获全国九省化学实验交流二等奖。在后来的实际教学中我们继续改进，改为学生探究条件改变会出现哪些问题？如镁带换成锌片、铁片、发光二极管换成灵敏检流器，观察电流方向和电流大小等引发学生很多思考，最终发展为更深层次的思和考研究。学生的兴趣被激发，学生的动手、动脑能力得到提高。同时利用这样的教育实验改进，我代表虹口区拍摄了《感受原电池》“862”远程教学公开课。学生在做该实验时兴趣高昂，充分享受到研究问题和享受成功的喜悦，在电池的研究系列中，我们继续研究最新的潮流----燃料电池，并开设了“生活种的科学---燃料电池”，这其中也有不少改进创新的成分，在本节课中我充分调动学生的积极性，采用开放式实验的模式，激发学生的思维，学生设计实验，动手操作实验的能力得到很大程度的提高。这节课获2006年虹口区中小学教师教学评比一等奖。
模拟干电池处方
a、用氯化铵水溶液将二氧化锰和活性炭粉未调成糊状，装入打好孔的塑料瓶中，瓶中间插一根碳棒作干电池正极。
b、用氯化铵水溶液将面粉调成电糊。
c、把塑料瓶插入电糊中。
d、把镁带插入电糊中，作干电池的负极。
e、用导线把干电池的正极和负极及发光二级管连接，观察现象
（三）  实验改进三---燃料电池
 1、改进背景：
 当今，煤炭、石油、天然气和水能、核能仍然是全世界的主要能源。随着世界经济的大发展，特别是中国经济近20多年来平均每年以7%～8%的速度增长，大大加大了对能源的需求量。然而，这些化石燃料（或称初级能源）在地球上的储藏量有限，不是取之不尽、用之不竭。根据已探明的储藏量和目前消耗水平，石油、天然气和铀只够使用30～50年，煤可用100～200年。不仅如此，化石燃料的使用使得大量排放CO2、NxO、碳氢化合物及硫化物等污染物，导致温室效应、酸雨、臭氧层破坏等环境污染问题，严重危害人类身心健康。基于以上原因，开发新型清洁能源已引起世界各国的重视。
 燃料电池(Fuel Cell)是一种将化学能不经过热而直接转化为电能的装置。它利用氢气、天然气、煤气以及甲醇等非石油类燃料与纯氧或空气分别在电池的两极发生氧化-还原反应，连续不断地对环境提供直流电。燃料电池被认为是继火力、水力和核能发电之后有希望大量提供电力的第四种发电技术。
 燃料电池有多种，各种燃料电池之间的差别在于使用的电解质不同。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,即PEMFC)以质子交换膜为电解质，其特点是无噪音，零污染；无腐蚀，寿命长。由于其比功率大，能量效率高，工作温度低，启动速度快，特别适于用作动力电池。其广阔的应用前景可与计算机技术相比美。PEMFC应用前景广阔，市场潜力巨大，对产业结构升级、环境保护及经济的可持续发展均有重要意义。
2、实验仪器具体改进
（1）、仪器和用品
 电解槽、两根石墨棒作电极、内附膜的海绵裹住两电极、先电解水一段时间、再切断电源、用导线与发光二极管相连，结果二极管发光。
 或产生氢气、氧气后，用导线与灵敏电流计相连
（2）、实验试剂
 水、氢氧化钠溶液
（3）、实验过程
 在电解槽中放水，预先加些氢氧化钠溶液，用两根石墨棒作电极、内附膜的海绵裹住两电极、先电解水一段时间、再切断电源、用导线与发光二极管相连，结果二极管发光。
 再电解水一段时间，产生的氢气和氧气，用导线与灵敏电流计相连，
 此时可展开探究：
 a、若电解时不加氢氧化钠溶液，电解同样时间，指针偏转情况；与加了氢氧化钠溶液后情况进行对比；
 b、若移动两电极间距离，指针偏转情况；
 c、更换电极材料后，指针偏转情况；
 d、不用海绵这类材料，指针偏转情况等等。
3、改进意义
 a、通过实验，便于学生理解氢气和氧气确实可以构成原电池；
 b、便于学生了解今后电池的发展方向。建立绿色环保的意识；
 C、改用灵敏电流计进行实验，不断更换条件，有利于学生进行研究型学习。
4、创新说明
 氢氧燃料电池在实验过程中，氢气、氧气很难较多地附注在电极上，改进成内附膜的海绵后，可以很好的解决此难题。而且有利于引导学生今后在解决燃料电池平民化生产时，急需解决问题的方向之一就是：如何用一般的材料，最大限度地在电极上积蓄气体等问题。有利于引导学生学会科学地研究问题的方法和基本思路。
（四） 实验改进四--- 控制条件演示乙炔燃烧
 乙炔在空气中燃烧一般现象是浓烟滚滚，火焰明亮，该现象给同学们留下很深的印象，也充分说明了乙炔的含碳量很高，容易引起不完全燃烧现象。能否控制条件让乙炔完全燃烧呢？看不到黑烟？假如事先将乙炔收集在针筒内，缓缓推动活塞，让少量的乙炔在针尖处安静地燃烧，我们就会观察到淡蓝色火焰。该实验的改进，同学们的思维不再那么局限，该实验的改进能够充分打开学生辨证思维的大门。
（五） 实验改进五----铝与氧气的反应
 在学习铝的性质实验时，我们为了让学生能亲自成功做成铝在氧气中的燃烧实验，我们将铝粉用胶水涂在滤纸上，用双氧水在二氧化锰做催化剂产生氧气，将点燃的滤纸，插入集气瓶中，现象相当明显。在做铝热反应实验时，我们将铝粉和氧化铁用胶水粘在铁棒上，做成宝塔形，上面缠些镁带，点燃镁带，挥动铁棒，就像焰火一样，反应结束，观察到很多铁珠附注其上，每个学生都亲自感受到实验的过程。
（六） 其他一些实验的改进
 在平时的教学中，还有不少有关微型化实验方面的改进，如在做苯的可燃性实验时，由于以前总是因为用量太大，会产生很多黑烟，我们就采用学生改进的实验，在滤纸上滴几滴苯，既烧不坏滤纸，又能较好的让学生看到现象，同时污染很少。
 又如在做焰色反应实验时，我改用喷雾瓶装溶液，进行焰色反应，效果很好。
 纸上层析实验，我改用粉笔代替滤纸做扩散实验，扩散速度快，效果较好。
 铝热反应尽管老师课堂演示已经非常精彩和轰动，但学生就是想跃跃欲试，于是我们就设法设计微型化化实验，将铝热剂用胶水调和在一起，附注在铁棒上，顶端插上镁带，点燃镁带，学生挥动铁棒，就像挥动着焰火一样，反应结束后，再仔细观察，会看到有铁球附注在棒上，冷却后可用磁铁吸引。
 又如氨极易溶于水实验，我们先收集一试管干燥的氨气，先伸入热水中几秒，迅速伸入盛有水的烧杯中（事先滴有酚酞），就能看到明显的实验现象。
二  开展丰富多彩的学生化学趣味实验竞赛，培养班级集体荣誉感，激发学生创新意识
 身教胜于言传，在老师的这种创新意识和行为引导和带动下，同学们也跃跃欲试，我们组就顺势利导，开展了学校化学趣味实验和创新大赛，评比的标准：
体比以班级为单位，团赛；2、要求实验尽可能趣味性；3、要求实验尽可能原创性；
 活动消息刚一宣布，立即引起全校学生的热烈关注，同学们迅速组织活动起来，尤其与班级荣誉挂钩，他们更起劲了，根本无须我们再做动员，兴趣爱好者们自己在外面查资料、买药品，利用中午、放学后到实验室做实验。有的甚至跟化学老师商量是不是可以利用化学课请假到实验室练习，争取一举夺魁。在我们组织的两期学校趣味化学竞赛中，我们感觉到了不少创新的成分。就拿很平常的铝热反应来讲，赛前我们老师都认为这个实验选题除了有趣之外，似乎没什么新意，但学生在做的时候却想到了，在沙子表面放两块铁片，和一块铁片、一块铜片，看看是不是真的能接上，看似一个简单的重复，却蕴涵着这样的创意，学生的智慧是无穷的，就看我们怎么引导，怎样去用心呵护。
 
参考文献
1、《中学化学实验研究》 王程杰 主编
2、《化学实验教学新视野》郑长龙 主编
3、《化学---概念与应用 》 美国中学生辅助教学参考  王祖浩 翻译