李德前 魏海 李偉 馬逸群

摘要： 為培養(yǎng)師生的科學(xué)精神，注重在化學(xué)教學(xué)中開展實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新活動。結(jié)合10個實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新案例，圍繞實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)過程等方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與設(shè)計(jì)，從而提高實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的效益、發(fā)展教師實(shí)施素質(zhì)教育的能力，同時促進(jìn)學(xué)生敢于質(zhì)疑、勇于探究并不斷完善其理性思維。

關(guān)鍵詞： 化學(xué)實(shí)驗(yàn)； 創(chuàng)新案例； 科學(xué)精神

文章編號： 1005-6629（2018）4-0065-05 中圖分類號： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

科學(xué)精神是現(xiàn)代人的基本品格，但它卻是中國學(xué)生最為缺乏的核心素養(yǎng)[1]。在化學(xué)教學(xué)中開展實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新活動，是培養(yǎng)師生科學(xué)精神的重要舉措。

多年來，筆者及所在的名師工作室對實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新樂此不疲，并引導(dǎo)中學(xué)生參與其中，這不僅提高了教師實(shí)施素質(zhì)教育的能力，也培養(yǎng)了學(xué)生勇于探究、敢于質(zhì)疑的科學(xué)精神。在實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新時，筆者注重圍繞化學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的“實(shí)驗(yàn)手段”和“實(shí)驗(yàn)對象”[2]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和設(shè)計(jì)，收到了事半功倍的效果。下面結(jié)合10個實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新案例進(jìn)行闡述，旨在拋磚引玉。

1 改變實(shí)驗(yàn)方法

不可否認(rèn)，方法常常比知識更重要?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)大多具有相對固定的科學(xué)方法和操作要領(lǐng)，好的實(shí)驗(yàn)方法可以使操作簡約、現(xiàn)象明顯、過程流暢、結(jié)論準(zhǔn)確。但有的化學(xué)實(shí)驗(yàn)因其方法不夠科學(xué)、操作不甚合理，既影響實(shí)驗(yàn)的直觀性與結(jié)論的準(zhǔn)確性，也影響學(xué)生對化學(xué)知識的理解、科學(xué)方法的認(rèn)識[3]。

圍繞“實(shí)驗(yàn)方法”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)時，要從物質(zhì)的組成、物質(zhì)的性質(zhì)、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)條件等方面尋找創(chuàng)新點(diǎn)，進(jìn)而謀劃新的實(shí)驗(yàn)方法。

案例1 點(diǎn)燃蠟燭剛熄滅時的白煙

進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)，人們習(xí)慣于采用“吹氣法”將蠟燭熄滅，雖然方便，但白煙因此分散（不易被引燃）。針對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)時，師生可以逆向思考[4]： 如果蠟燭粗、棉芯粗，則蠟燭熄滅時產(chǎn)生的白煙就多；如果將蠟燭罩滅而不是吹滅，則白煙集中?？梢姡捎谩罢譁绱窒灎T火焰”的方法產(chǎn)生的白煙既多又集中，很容易被點(diǎn)燃，而且實(shí)驗(yàn)的可操作性強(qiáng)、重復(fù)性好。

新實(shí)驗(yàn)的主要操作是：

（1） 提前自制粗蠟燭（可將廢舊的蠟燭熔化、倒模）。

（2） 點(diǎn)燃自制的粗蠟燭，用小規(guī)格的集氣瓶將粗蠟燭輕輕罩滅，然后將集氣瓶輕輕提起，同時將燃著的火柴靠近白煙頂端（見圖1），此時不僅點(diǎn)燃了白煙，而且遠(yuǎn)離火柴的蠟燭也被引燃了。

圖1 罩滅粗蠟燭火焰產(chǎn)生的白煙易被引燃

案例2 “燒堿具有潮解性”實(shí)驗(yàn)

教師演示該實(shí)驗(yàn)通常是將固體燒堿放置在表面皿里，一般需要10分鐘左右才能看到燒堿表面變潮，顯然“靜置法”不利于該實(shí)驗(yàn)的課堂演示。有一次做此實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不小心碰翻了表面皿，但固體燒堿都附著在表面皿的內(nèi)壁而沒有脫落，這一意外現(xiàn)象不正好說明氫氧化鈉固體具有良好的吸水性嗎？

于是，筆者將“燒堿具有潮解性”實(shí)驗(yàn)由“靜置法”改為“顛簸法”，這一獨(dú)特的操作方法能使學(xué)生對燒堿的潮解性過目不忘。其主要操作是：

（1） 取7～8粒小顆粒狀燒堿，分散放置在表面皿上，然后輕輕用力顛簸表面皿。

（2） 顛簸8～9次，就有固體燒堿因?yàn)槲吃诒砻婷笊希y以彈跳起來）；繼續(xù)顛簸下去，能彈起的固體燒堿越來越少。

（3） 不到2分鐘，所有固體燒堿都因?yàn)槲じ皆诒砻婷笊稀?/p>

案例3 探究鹽酸中哪種粒子能使石蕊變紅

該實(shí)驗(yàn)通常采用中和法（向滴有石蕊試液的紅色鹽酸中逐滴加入適量的氫氧化鈉溶液，溶液會由紅變紫）。為了培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維，深化對酸的知識理解與應(yīng)用，可以根據(jù)鹽酸的微觀組成（含有H+、 Cl-、 H2O三種微粒），設(shè)計(jì)出另外三種方法[5]。

（1） 歸納法： 將石蕊試液分別滴入其他幾種酸溶液中，均變?yōu)榧t色。因?yàn)椴煌乃崛芤褐芯蠬+，從而證明鹽酸中的H+能使石蕊試液變紅色。

（2） 排除法： 將石蕊試液滴入氯化鈉或氯化鉀溶液后不變色。由于氯化鈉或氯化鉀溶液中均含有Cl-、 H2O，從而證明不是Cl-、 H2O使石蕊試液變紅，進(jìn)而說明鹽酸中的H+能使石蕊試液變紅色。

（3） 化氣法： 向滴有石蕊試液的紅色鹽酸中加入足量的金屬鎂，溶液會由紅變紫。該反應(yīng)中H+與金屬鎂發(fā)生置換反應(yīng)，變?yōu)闅錃舛x開實(shí)驗(yàn)體系，從而證明是鹽酸中的H+使石蕊試液變紅色。

2 改換實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)原理是化學(xué)實(shí)驗(yàn)的靈魂。通過改變原實(shí)驗(yàn)的物理或化學(xué)原理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可謂獨(dú)辟蹊徑，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)耳目一新。

改換實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，主要針對物質(zhì)的性質(zhì)、制備實(shí)驗(yàn)以及探究物質(zhì)組成的實(shí)驗(yàn)等，但要注意保留原實(shí)驗(yàn)的教學(xué)意圖和教育功能。

案例4 “探究微粒運(yùn)動”實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)行九年級化學(xué)教科書中均選用濃氨水和酚酞試液去探究微粒的運(yùn)動性，雖然該試劑組合現(xiàn)象明顯，但氨水的用量大，實(shí)驗(yàn)過程對環(huán)境也有一定的污染。

筆者引導(dǎo)學(xué)生另選幾組對環(huán)境友好的藥品設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，都能出現(xiàn)明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象[6]，同樣說明了微粒的運(yùn)動性。

（1） 圖2-a實(shí)驗(yàn)： 實(shí)驗(yàn)原理是CoCl2（藍(lán)色）+6H2OCoCl2·6H2O（紅色）。主要操作是按圖2-a裝好試劑、連好裝置，一般3～4分鐘后藍(lán)色硅膠就會變紅；由于水與硅膠間隔一段距離，因此硅膠變紅說明水分子在不斷運(yùn)動。若使用熱水做此實(shí)驗(yàn)，不到1分鐘，藍(lán)色硅膠就會變紅，這又說明溫度升高分子運(yùn)動速率加快。

（2） 圖2-b實(shí)驗(yàn)： 實(shí)驗(yàn)原理是濃鹽酸（或濃醋酸）揮發(fā)出來的HCl氣體（或醋酸蒸氣）能使?jié)駶櫟乃{(lán)色石蕊試紙變紅色。主要操作是按圖2-b裝好試劑、連好裝置，不到1分鐘，即可看到中下部濕潤的石蕊試紙從上往下逐漸變紅，這不僅說明HCl（或醋酸）分子在不斷運(yùn)動，還說明HCl氣體（或醋酸蒸氣）的密度比空氣大。

圖2 利用其他試劑組合探究微粒的運(yùn)動性

案例5 利用鋼鐵銹蝕原理測量空氣中氧氣的體積含量

現(xiàn)行九年級化學(xué)教科書上“測量空氣中氧氣的體積含量”實(shí)驗(yàn)，都是采用磷燃燒消耗氧氣的化學(xué)原理（同時涉及水與氧氣等量替換的物理原理）。在學(xué)習(xí)鋼鐵銹蝕的條件后，教師可以啟發(fā)學(xué)生使用暖寶寶中的發(fā)熱劑（主要成分是鐵粉、活性炭、食鹽和水）來代替紅磷；并指導(dǎo)學(xué)生參考課本上的燃磷法實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)出圖3所示的兩種改進(jìn)方案。

圖3 利用鋼鐵銹蝕原理測量空氣中氧氣的體積含量

由于改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)的耗氧原理是常溫下的緩慢氧化，而且使用了生活中的物品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因此特別適合學(xué)生課外探究。有關(guān)的操作是：

（1） 圖3-a實(shí)驗(yàn)： 按圖3-a裝好耗氧劑，快速連好裝置；不到2分鐘，就有水流入廣口瓶內(nèi)；最終流入廣口瓶中水的體積約占瓶子容積的1/5，說明空氣中氧氣的體積含量約為1/5。

（2） 圖3-b實(shí)驗(yàn)： 按圖3-b裝好耗氧劑，快速連好裝置（注射器活塞的起始位置在20mL刻度處，且潤滑性良好）；不到1分鐘，注射器活塞就慢慢向前移動；最終活塞處于16mL刻度處，說明空氣中氧氣的體積含量約為1/5。

3 替換實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置是進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)的載體，它直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)的成敗及效益的高低。通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，能使一些疑難實(shí)驗(yàn)變得簡單易行。

基于實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，要針對現(xiàn)有的裝備條件，并體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)用品簡約化、生活化、常規(guī)化。

案例6 “測定溶液的導(dǎo)電性”實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)行九年級化學(xué)教科書上“測定溶液的導(dǎo)電性”實(shí)驗(yàn)使用干電池、石墨電極、小燈泡等幾種物品組成測試裝置，每次使用前都要組裝，很麻煩。能否創(chuàng)建一個簡單的固定裝置呢？筆者啟發(fā)學(xué)生采用縮一縮、換一換、組一組等技法，將發(fā)光二極管、紐扣電池與導(dǎo)線組合，終于制成了圖4所示的簡易導(dǎo)電性測量儀[7]。

圖4 用簡易導(dǎo)電性測量儀檢測溶液是否導(dǎo)電

使用簡易導(dǎo)電性測量儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)特別方便，它不僅可以測量溶液的導(dǎo)電性，還可以驗(yàn)證金屬或非金屬的導(dǎo)電性。其主要操作是：

（1） 試驗(yàn)溶液的導(dǎo)電性時，先將待檢物質(zhì)溶于水制成溶液，然后將導(dǎo)電性簡易測量儀的兩極伸入溶液中片刻，若二極管發(fā)光則說明溶液導(dǎo)電。

（2） 驗(yàn)證金屬或非金屬的導(dǎo)電性時，直接將導(dǎo)電性簡易測量儀的兩個極點(diǎn)接觸待測物，如果二極管發(fā)光則說明此物質(zhì)導(dǎo)電。

案例7 “探究鋼鐵銹蝕條件”實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)行九年級化學(xué)教科書上“探究鋼鐵銹蝕條件”的實(shí)驗(yàn)，僅使用5根鐵釘分別進(jìn)行5個試管實(shí)驗(yàn)，既使實(shí)驗(yàn)需要6～7天的時間，耗時過長，也使實(shí)驗(yàn)教學(xué)不連貫。師生經(jīng)過一番探討認(rèn)為，可以增加鐵的表面積（增加鐵釘用量或使用超細(xì)鐵絲），并將分散的5個試管實(shí)驗(yàn)整合為集成化裝置，于是便有了圖5所示的一氣呵成的實(shí)驗(yàn)體系[8]。

圖5 “探究鋼鐵銹蝕條件”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)裝置

新實(shí)驗(yàn)的主要操作是：

（1） 按圖5裝好藥品（各廣口瓶內(nèi)均盛裝15g蓬松的鐵絲棉），快速連好裝置。

（2） 2～3分鐘后，觀察到紅色的水緩慢流入乙瓶中、較快流入丙瓶中，甲集氣瓶中則一直沒有水流入。

（3） 對比甲、乙裝置實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及氮?dú)饣瘜W(xué)性質(zhì)可知，鐵生銹需要水和氧氣；對比乙、丙裝置實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知，食鹽的存在會加速鋼鐵銹蝕的速率[9]。

案例8 檢驗(yàn)蠟燭燃燒的產(chǎn)物

現(xiàn)行九年級化學(xué)教科書上檢驗(yàn)蠟燭燃燒產(chǎn)物的實(shí)驗(yàn)，雖然操作簡便但實(shí)驗(yàn)效果不明顯（主要原因是燒杯不冷且不易捕獲燃燒產(chǎn)物）。筆者引導(dǎo)學(xué)生思考： 能不能更換實(shí)驗(yàn)儀器、改變實(shí)驗(yàn)試劑，并將捕獲蠟燭燃燒產(chǎn)物與檢驗(yàn)蠟燭燃燒產(chǎn)物的幾種實(shí)驗(yàn)用品組合起來[10]？經(jīng)過多次嘗試，師生研制出如圖6所示的新裝置。

圖6 檢驗(yàn)蠟燭燃燒產(chǎn)物的新裝置

新實(shí)驗(yàn)的主要操作是：

（1） 按圖6裝入試紙、連好裝置。

（2） 點(diǎn)燃蠟燭，待其正常燃燒后輕輕后拉注射器活塞，將燃燒產(chǎn)物吸入玻璃管內(nèi)。一會兒，干燥的藍(lán)色石蕊試紙變紅色，干燥的黃色氯化鈀試紙變藍(lán)色，說明石蕊試紙接觸到了水和二氧化碳、氯化鈀試紙接觸到了水和一氧化碳，所以蠟燭燃燒的產(chǎn)物有水、二氧化碳和一氧化碳。

4 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過程

無論哪種形式的中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，都不宜步驟繁瑣、觀察點(diǎn)過多、耗時太長、有害物質(zhì)泄露等。那些儀器簡明、過程簡約、現(xiàn)象直觀、安全環(huán)保的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，不僅提高課堂效率，而且增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果，因此對化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行優(yōu)化也是實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的重要途徑。

決定化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程的因素較多（如裝置、原理、方法、物質(zhì)等），因此優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過程，要注重對實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)用品等進(jìn)行加一加、減一減、合一合、改一改措施等。

案例9 “一氧化碳還原性”實(shí)驗(yàn)

在演示一氧化碳還原氧化銅或氧化鐵的實(shí)驗(yàn)時，“排盡玻璃管內(nèi)空氣”這一過程很是困擾實(shí)驗(yàn)者，因?yàn)榘凑照n本上的常規(guī)操作是難以及時知道玻璃管內(nèi)的空氣是否排完。筆者及所在團(tuán)隊(duì)經(jīng)過反復(fù)嘗試，最終采用等量替換法[11]進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，因此優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)過程。

新實(shí)驗(yàn)的主要操作是：

（1） 按圖7裝好藥品、連好裝置。

圖7 “一氧化碳還原氧化銅”的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

（2） 輕推針筒活塞緩緩?fù)ㄈ胍谎趸?，?dāng)通入18mL的一氧化碳時，細(xì)玻璃管內(nèi)空氣基本上排盡。

（3） 點(diǎn)燃酒精燈，加熱氧化銅……

案例10 探究二氧化碳與氫氧化鈉溶液的反應(yīng)

現(xiàn)行九年級化學(xué)教科書上沒有安排二氧化碳與氫氧化鈉溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)（僅給出化學(xué)方程式），在一些涉及化學(xué)教育的文獻(xiàn)中則刊載了很多相關(guān)的實(shí)驗(yàn)方案（如利用兩個塑料瓶進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)）。筆者引領(lǐng)學(xué)生僅用一個塑料瓶進(jìn)行先后對比（見圖8），改變了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過程，更加簡約地顯示出二氧化碳與氫氧化鈉溶液發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。

圖8 探究二氧化碳與氫氧化鈉溶液反應(yīng)的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

新實(shí)驗(yàn)的主要操作是：

（1） 用向上排空氣法，在250mL塑料瓶里收集滿二氧化碳?xì)怏w。

（2） 向充滿二氧化碳的塑料瓶里一次性注入5mL水，迅速塞緊瓶塞；輕輕振蕩，發(fā)現(xiàn)塑料瓶變癟很不明顯。

（3） 再向該塑料瓶里一次性注入5mL氫氧化鈉溶液，然后迅速塞緊瓶塞；輕輕振蕩，發(fā)現(xiàn)塑料瓶快速、明顯地變癟。

（4） 對比塑料瓶兩次變癟的程度可知，二氧化碳與氫氧化鈉溶液發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。

5 結(jié)束語

開展化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新活動，既可以激發(fā)師生的質(zhì)疑精神、增強(qiáng)師生的研究意識，又能夠發(fā)展師生的理性思維、增強(qiáng)師生的創(chuàng)造力，久而久之就能育涵師生的科學(xué)精神。雖然改進(jìn)后的化學(xué)實(shí)驗(yàn)算不上完美無缺，但在實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的過程中師生都經(jīng)歷了思考、實(shí)踐、探索的過程，尤其訓(xùn)練了學(xué)生的求異思維，促進(jìn)了學(xué)生的方法積累和知識建構(gòu)。

總之，基于化學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的“實(shí)驗(yàn)手段”和“實(shí)驗(yàn)對象”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，能使化學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新點(diǎn)更加具體、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的思路更加清晰、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的成效更為顯著。作為一線化學(xué)教師，要把化學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新作為學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的助推器，從而全面落實(shí)立德樹人的根本任務(wù)。

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