石春婷，李紫薇

（伊犁師范學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 伊寧 835000）

化學(xué)上的一般事實性規(guī)律如果只通過講解灌輸給學(xué)生，不利于學(xué)生創(chuàng)新思維的發(fā)展。若是運(yùn)用化學(xué)實驗獨特的現(xiàn)象呈現(xiàn)給學(xué)生，不僅可以幫助學(xué)生理解，還可以幫助學(xué)生加深記憶。怎樣將事實性規(guī)律設(shè)計成適宜的實驗，這對師生來說就是一個復(fù)雜的問題。運(yùn)用實驗設(shè)計策略去設(shè)計化學(xué)實驗，可以取得良好的實驗效果?；瘜W(xué)實驗設(shè)計的策略是指進(jìn)行實驗設(shè)計時所采用的方式和方法[1]。雖然化學(xué)實驗設(shè)計策略具有一般性和普遍性，對于各種不同類型的實驗都適用，但是在實際進(jìn)行實驗設(shè)計的過程中，需要我們針對不同的類型的實驗，通過對化學(xué)實驗案例進(jìn)行分析，將化學(xué)實驗設(shè)計策略轉(zhuǎn)化為適用于特定實驗的具體方案。在實驗設(shè)計的過程可以運(yùn)用一個策略，也可以多種策略結(jié)合使用。

本研究采用突出主要問題策略、實驗?zāi)繕?biāo)反推策略、希望點列舉策略和實驗?zāi)繕?biāo)分析策略設(shè)計了高中化學(xué)創(chuàng)新實驗“鈉與水的反應(yīng)”和“銅與濃稀硝酸反應(yīng)”的2個案例。

（1）突出主要問題策略：將實驗簡單化，突出實驗中不能解決的若干問題，聯(lián)系生活實際進(jìn)行發(fā)散性思考，最終將復(fù)雜問題解決。

（2）目標(biāo)分析策略：從已知推向未知，劃分出一個一個小步驟，逐步去完成，最終去設(shè)計好實驗。

（3）希望點列舉策略：通過對實驗進(jìn)行研究和分析，列出希望點，使問題本來的目的聚集成焦點，再制定具體的解決方案。

（4）目標(biāo)反推策略：分析實驗的目的和已有條件，根據(jù)實驗?zāi)康娜シ赐频阶畛醯臈l件，然后再正向分析已有條件，逐步解決實驗設(shè)計中出現(xiàn)的問題。

1 中學(xué)化學(xué)實驗創(chuàng)新設(shè)計案例分析

1.1 鈉與水反應(yīng)的實驗創(chuàng)新設(shè)計

1.1.1 問題的提出

鈉與水的反應(yīng)是化學(xué)必修一第三章第一節(jié)的內(nèi)容，在整個教材中占有重要的地位[2]。選擇鈉作為代表性活潑金屬與水反應(yīng)，說明了鈉的性質(zhì)這一知識點的重要性。在教學(xué)過程中，既強(qiáng)調(diào)鈉的化學(xué)性質(zhì)也要注重鈉的物理性質(zhì)的學(xué)習(xí)。鈉與水反應(yīng)的實驗具有一定的危險性，新課標(biāo)將其設(shè)計為演示實驗。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對理論知識的理解，本研究在實驗安全性上實行了改進(jìn)，讓每個學(xué)生都參與到課堂教學(xué)之中。另外，教材中鈉與水反應(yīng)的實驗不夠完善，不能對反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行驗證，比如如何驗證NaOH、H2的生成。

1.1.2 實驗創(chuàng)新的思路

金屬鈉的取用和用量不易控制，本研究采用突出主要問題策略進(jìn)行發(fā)散性思考，將鈉固定在大頭針上，放置于學(xué)生不能拿到的位置。采用實驗?zāi)繕?biāo)反推策略對生成的氫氣進(jìn)行驗證。驗證氫氣最方便的方法就是點燃，故需要一個帶尖嘴的玻璃儀器。采用希望點列舉的策略將鈉與水的反應(yīng)設(shè)計成密閉體系。將固定好的鈉放入錐形瓶中，但不能與錐形瓶中的水接觸，鈉應(yīng)離水面有一定的距離。怎樣使鈉與水接觸而發(fā)生反應(yīng)呢？實驗選用長頸漏斗作為加水的儀器，并將其固定在大頭針旁。

1.1.3 實驗創(chuàng)新的過程

1.1.3.1 實驗原理

2Na+2H2O＝2NaOH+H2；酚酞遇堿變紅。

1.1.3.2 實驗試劑與儀器

試劑：金屬鈉、水、酚酞、火柴。儀器：錐形瓶、大頭針、帶尖嘴活塞、小燒杯、橡膠塞、長頸漏斗。

1.1.3.3 實驗裝置圖

實驗裝置如圖1所示。

1.1.3.4 實驗步驟

①準(zhǔn)備一個50 mL的帶橡膠塞的錐形瓶，先把一個大頭針插入橡膠塞中，再將橡膠塞塞入錐形瓶中。在大頭針底部與錐形瓶處于同一平面的錐形瓶外部做標(biāo)記，做好標(biāo)記后將橡膠塞取出，在錐形瓶中加水至所做標(biāo)記的位置。如圖1所示，將長頸漏斗嵌入橡膠塞中。②在煤油中取出鈉，用小刀將其切成正方形，邊長約0.5 cm。將鈉插入到大頭針后，將橡膠塞插入到錐形瓶中待用。③在小燒杯中裝適量的水，倒入長頸漏斗，打開如圖1止水夾，加水至水面恰與鈉接觸停止加水，然后關(guān)閉活塞。④先點燃火柴并靠近尖嘴處，打開止水夾觀察現(xiàn)象。

圖1 鈉與水反應(yīng)

1.1.3.5 注意事項

①錐形瓶中加水不能過多，否則會與水反應(yīng)。②倒水進(jìn)入錐形瓶時注意打開止水夾，保證氣壓相等。③生成的H2量少，檢驗時一定要先點燃后放氣。④不能使用普通針，在插入橡膠塞時容易彎曲且不易插入。

1.1.3.6 實驗的優(yōu)點

對產(chǎn)生的H2進(jìn)行了驗證，彌補(bǔ)了課本實驗的不足。同時增強(qiáng)了實驗的安全性。改演示實驗為學(xué)生分組實驗，增強(qiáng)了學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)了學(xué)生實事求是的態(tài)度。

1.2 銅與濃、稀硝酸反應(yīng)的實驗創(chuàng)新設(shè)計

1.2.1 問題的提出

銅與濃、稀硝酸反應(yīng)涉及的有關(guān)知識需要實驗事實的支撐。例如，銅的性質(zhì)不活潑，一般不與酸發(fā)生反應(yīng)，但硝酸具有強(qiáng)氧化性，可以將Cu氧化成Cu(NO3)2，同時硝酸被還原。HNO3濃度不同所具有的氧化性也不同，濃、稀HNO3分別與Cu反應(yīng)后會被還原成什么物質(zhì)？在現(xiàn)行的人教版教材中，由于NO2有毒氣體的生成而選擇忽視實驗[2]。為了加深學(xué)生對理論知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生動手、動腦和觀察的能力，有必要從實驗的視角了解濃、稀HNO3的性質(zhì)。從實驗設(shè)計的角度來看，實驗的連貫性較為重要，因此，本實驗設(shè)計更注重實驗的連貫性。Cu與濃HNO3反應(yīng)劇烈，現(xiàn)象明顯，考慮反應(yīng)生成物NO2與H2O會進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)生成HNO3，而生成的稀HNO3可作為反應(yīng)物與Cu發(fā)生反應(yīng)，從而設(shè)計出連續(xù)的一體化的實驗。實驗過程產(chǎn)生的有毒氣體不利于師生的身心健康。教師可以根據(jù)反應(yīng)的原理、實驗?zāi)繕?biāo)以及前后知識的聯(lián)系引導(dǎo)學(xué)生去思考，并參與到實驗的設(shè)計中，完善實驗方案。在這個設(shè)計的過程中，學(xué)生的思維能力得到了鍛煉，有助于學(xué)生朝著創(chuàng)新型人才的方向發(fā)展。

1.2.2 實驗創(chuàng)新的思路

實驗裝置的一體化設(shè)計，在教材中Cu與濃、稀HNO3反應(yīng)是分開進(jìn)行的。濃、稀HNO3氧化性質(zhì)不同。Cu與濃硝酸反應(yīng)生成的二氧化氮可以和水反應(yīng)生成稀HNO3，實驗前僅制作濃HNO3即可，這樣還可以節(jié)約藥品。

實驗設(shè)計分3個步驟進(jìn)行：①實驗過程中所需要稀硝酸的制備。采用實驗?zāi)繕?biāo)反推策略，稀硝酸由水與NO2反應(yīng)生成，故另一裝置事先應(yīng)裝好水，反應(yīng)過程將生成的NO2通入即可生成稀硝酸。②采用實驗?zāi)繕?biāo)分析策略對現(xiàn)象進(jìn)行逐一分析。將Cu片放入具支試管中反應(yīng)生成NO2，具支試管內(nèi)溶液變藍(lán)，U型管內(nèi)有氣泡生成，溶液藍(lán)色變淺。③驗證NO生成。運(yùn)用實驗?zāi)繕?biāo)反推策略驗證NO的生成，在U型管的左側(cè)，用洗耳球鼓入空氣，NO與O2反應(yīng)生成NO2，U型管內(nèi)氣體變紅。

1.2.3 實驗創(chuàng)新的過程

1.2.3.1 反應(yīng)原理

1.2.3.2 實驗試劑和儀器

試劑：銅片、濃HNO325 mL、蒸餾水100 mL。儀器：U型管、具支試管、橡膠塞若干、洗耳球、蝴蝶架兩個、橡膠管若干、玻璃導(dǎo)管若干。

1.2.3.3 實驗裝置

實驗裝置如圖2所示。

圖2 銅與濃、稀HNO3反應(yīng)

1.2.3.4 實驗步驟

①如圖2用橡皮塞塞緊具支試管，向U型管中加水至高于彎管處1 cm，用帶玻璃導(dǎo)管的塞子塞上右側(cè)U型管口，從左往右依次用橡膠管將整個裝置連接起來。②實驗前檢查裝置氣密性，用手微熱或酒精燈微熱，若發(fā)現(xiàn)U型管左右液面一高一低即氣密性良好，否則重新搭建裝置。③將銅片分別放置于U型管和具支試管內(nèi)，觀察現(xiàn)象。④反應(yīng)開始后待U型管內(nèi)有氣泡生成，溶液變藍(lán)，用洗耳球向U型管左端鼓入空氣，觀察現(xiàn)象。

1.2.3.5 注意事項

①若要保證生成的稀硝酸可以和銅反應(yīng)，就要保證生成的二氧化氮的量足夠。②在實驗的過程中注意安全，塞緊瓶塞，防止壓強(qiáng)過大瓶塞被沖出，從而導(dǎo)致二氧化氮泄露污染空氣。

1.2.3.6 實驗的優(yōu)點

①整個裝置處于一個密閉的體系，沒有污染。②實驗的過程不用制取稀硝酸。③具支試管中有紅棕色氣體和藍(lán)色沉淀生成，現(xiàn)象明顯。④實驗將含氮物質(zhì)的轉(zhuǎn)化綜合利用起來，提升學(xué)生綜合分析能力。

2 結(jié)語

化學(xué)實驗設(shè)計策略是對大量的實驗設(shè)計方案進(jìn)行分析總結(jié)得出的結(jié)論，這個結(jié)論可以指導(dǎo)我們?nèi)绾稳ミM(jìn)行實驗設(shè)計。教師在一定的方針、策略指導(dǎo)下，才能更加明確實驗創(chuàng)新的方向。例如在本研究中，鈉與水反應(yīng)創(chuàng)新設(shè)計運(yùn)用了突出主要問題策略、實驗?zāi)繕?biāo)反推策略和希望點列舉策略；銅與濃稀硝酸反應(yīng)的創(chuàng)新設(shè)計活用了實驗?zāi)繕?biāo)反推策略和實驗?zāi)繕?biāo)分析策略。教師在進(jìn)行實驗設(shè)計時，可以從不同的角度分析問題，從而對書本上不完善的實驗進(jìn)行改進(jìn)完善，也可以將理論性強(qiáng)的知識設(shè)計成趣味性化學(xué)實驗，更好地去幫助學(xué)生理解化學(xué)理論性知識，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。對化學(xué)實驗設(shè)計的策略進(jìn)行研究是站在一定的高度對化學(xué)實驗設(shè)計方法的一個規(guī)律性的總結(jié)設(shè)計，具有一定的意義。