1、1化学实验教学的优化设计探索李宏春 （浙江省台州中学 浙江临海 317000）摘 要 化学实验是化学教学中的重要环节，它可创设生动活泼的教学情景能让学生领悟化学的真谛。本文从实验简化、组合、微型化、补充、定量五个维度谈化学实验优化设计有关策略。在优化过程中，要渗透绿色化学的理念，发挥学生的探究能力，弥补现有实验的不足之处，但要防止改进与创新越改越复杂，不便于推广应用。关键词 化学实验 优化设计 化学是一门以实验为基础的学科，实验在中学化学教学中占有十分重要的地位，其在启迪学生的科学思维、培养学生严谨求实的科学态度和创新能力方面，是其他教学手段和方法无法比拟的。创新是一个民族进步的灵魂，是一个国
2、家兴旺发达的不竭源泉，也是中华民族最鲜明的禀赋。但是很长时间以来，教师对化学实验的教学都只是局限于教材设计，缺失创新和本土气息。这种传统的教学模式已经无法满足学生对化学实验学习的需要，也无法适应当前高中新课改的要求。因此，化学教师一定要转变教学观念，优化实验方案展示课堂教学设计亮点。在优化实验教学的过程中，教师要结合高中化学实验中的优化原则，从实验简化、组合、微型化、补充、定量几种策略来思考提高实验效果的方法。本人先后参加了全国第11、12 两届化学实验教学创新研讨会，对实验优化设计有了初步认识。1 简化策略少则得，多则惑。故实验创新优化点之一是简化实验，具体包括简化装置和简化实验操作，从而达
3、到直观、明显、省时、安全的目的。如苏教版必修 2 中教材电解氯化铜溶液装置如图 1 所示，用笨重的学生电源和粗大的石墨电极给课堂教学带了不便。改进后的装置如图 2 所示。用 9V 干电池和铅笔芯为材料，简化后装置便于学生分组实验开展。图1 图2又如苏教版必修2中乙烯性质实验（与KMnO 4酸性溶液、溴的CCl 4溶液反应），大多老师演示时可能采取当场制备乙烯，再分别通入KMnO 4酸性溶液、溴的CCl 4溶液反应。简化后的操作是先在实验室制备乙烯收集于矿泉水瓶中，上课时把KMnO 4酸性溶液、溴的CCl 4溶液用注射器抽取注入矿泉水瓶中，操作简便现象明显，且适合多班教学。该实验简化操作还可应用
4、于乙炔和二氧化硫等气体性质实验。2 组合策略2组合策略的实施就是通过优化设计，把多步实验合在一起同时进行，或在实验设计中将若干个小实验合在同一实验中完成。这样不仅可以节约操作时间，还能减少实验污染。具体包括组合装置和组合操作，组合装置改进例如苏教版化学反应原理教材中铁的腐蚀实验装置如图 3 所示，试管 a 表示是还原铁粉在氯化钠溶液中吸氧腐蚀装置，试管 b 表示是还原铁粉在稀醋酸溶液中析氢腐蚀装置。2015 年化学实验教学创新研讨会宁夏中卫中学参赛作品将这两个装置组合在一起如图 4 所示，改进后保留原来优点，同时进行，节省时间，对比性更强。图3 图4Cl2 是一种典型的非金属单质，其性质及相关
5、实验是高考重要考点。苏教版教材对于 Cl2 的实验室制法和性质实验分开介绍。在专题复习时把制备和性质操作合为一体，有利用培养学生物质制备整体性思维。装置如图 5 组合操作如下：先在广口瓶底部铺上少许 Ca（OH） 2，滴加几滴蒸馏水至呈乳状；接着在小玻璃羡慕中盛放约 0.1gKMnO4 固体，将小试管的底部用泡沫垫固定好，并小心地放入广口瓶中；准备一细长的泡沫条，用小刀割成若干小缝，中间均隔一小段，并标记 1、2、3、4。依次将浸有 NaBr 溶液的滤纸条、润湿的蓝色石蕊试纸、润湿的 KI淀粉试纸、红纸镶嵌地其中。将准备好的泡沫条小心地放入广口瓶中；用注射器 图 5（固定在橡皮塞中）吸取 1-
6、2mL 的盐酸，并小心地将橡皮塞固定好。最后轻推活塞，将盐酸逐滴滴入到小试管中，开始制取氯气。这样组合操作改进优点有：实验用量少、器材少、安全无害；高效原则、一套装置解决多个问题；无需加热、操作简单、现象明显。该案例还可用于像 SO2、H 2S、NH 3 等气体的制取实验。3 微型化策略化学微型实验是指用微型化的仪器或装置，尽可能减少化学实验对环境的污染、减少试剂在器皿上的附着量，用尽可能少的试剂来进行的实验。它在化学教学中不但有较好的教学效果，而且能极大地减少实验的“三废”，是可持续发展战略在化学实验教学中的具体体现 1。通常微型化改进策略有实验装置微型化和实验过程微型化。传统实验为了让全体
7、学生能看见实验操作，往往需要动用较大型的仪器，使用大量药品，由此导致受污染侵害的学生人数多。现在应用多媒体投影设备能将很小的实验装置放大到足以让全体学生看见。例如化学反应原理教材中在双液原电池实验设计时所使用的主要仪器是烧杯（或者塑料槽），这样需要使用大量的稀 H2SO4，ZnSO 4 和 CuSO4 溶液，且这些试剂使用后不可回收重复利用，倒掉之后对3环境也会造成较大的污染。同时将琼脂和电解质溶解液装入 U 形管中制作盐桥也比较麻烦，这些因素都导致了很多老师教学过程中不愿意对原电池实验开展学生实验。2015 年化学实验教学创新研讨会中湖北宜昌葛洲坝中学原电池微型设计作品如图 6，将 CuSO
8、4 和 ZnSO4 溶液分别滴在点滴板的两个孔中，用浸有 KCl 饱和溶液的滤纸作为盐桥，搭在两个孔之间，将两溶液连接。将音乐芯片的两个鳄鱼夹分别夹持铜棒和锌棒，分别插入 CuSO4 和 ZnSO4 溶液中，可以听到音乐声。该微型化改进不仅节省药品，经济环保，符合“绿色化学 ”的理念。同时在点滴板中实验操作方便，通过变换电极和溶液可以完成多种实验，实验试剂使用量少，大大降低了实验的安全隐患，实验结束后清洗工作简单，非常有利于学生开展分组实验。 图 6由原来的 U 形管中装琼脂和电解质溶液制作盐桥，改为由浸润电解质溶液的滤纸充当盐桥，不仅制作简单，使用方便，且该盐桥使用后无需清洗回收，可随时更换
9、，大大降低了实验成本。 4 补充策略化学实验是化学知识最真实的载体。开发补充性教学实验可以弥补现行教材实验编写的局限性、增强教学实验的可操作性、充分有效地激发学生的学习兴趣 2。有用的仪器，即使教材中没有，也要借鉴或制作并补充到实验仪器中，以提高实验的可操作性和可观察性。实验补充策略具体包括实验药品仪器补充和实验内容设计补充及实验原理应用补充等几方面。其中实验药品仪器补充如2012年全国实验创新比赛样本中，共使用到了25种生活用品出现了63次，主要有注射器、输液器、输液袋、笔杆、塑料瓶、塑料盒、废弃的太空杯、电烙铁、电加热棒、粉笔、亚克力板、音乐贺卡、橡皮泥、气球、节能灯管、水泥、泥土、木料、
10、电子称、喷壶、气泵、电打火枪、丁烷枪、小风扇、计数器等辅助器具。 实验原理应用补充如 2015 年化学实验教学创新研讨会福建漳州第一中学新型微量滴定仪器研制与应用作品,将常用的螺旋测微器和普通医用注射器结合设计了一款以使用微量试剂完成为主要目标，提高实验精确度，减少实验操作时间。具体装置如图 7 所示，该装置可用于酸碱滴定、氧化还原滴定、络合滴定。操作步骤如下：先松开固定螺丝，使接合处产生足够大的缝隙；将已取液并除去气泡的注射器两翼卡入缝隙，并旋紧螺丝;将仪器固定在铁架台上；将针头装上注射器并选取合适的基数进行调零；仔细调整微分头，推进注射器，直到滴定终点，读下读数。通过实验仪器的创新设计研制
11、，以尽可能少的试剂来完成化学实验，获取所需的化学信息。它不仅与常规实验等效，而且还具有节约药品（微量滴定仪器与酸、碱管滴定对比试剂的用量约为 1：10），减少仪器损耗，节省时间（微量滴定仪器与酸、碱管滴定对比时间约为 1：2），提高实验安全程度等优点。由于大幅度地降低原料试剂的用量，减少化学反应对环境的污染，体现绿 图 7色化学的理念。微量滴定仪器具有占用体积小、操作简单，易携带，而且和传统的酸碱滴定管相比，具有 耐酸、耐碱、抗氧化等优点，一个模具可安装不同规格的注射器，量取不同要求的溶液，可做到一个模具多用，提高了仪器的利用率。45 定量策略定量实验是利用专用仪器和化学反应计量关系来认识客观
12、世界的一种化学方法，是以定性实验为基础的研究活动 3。在定量观察的基础上分析、处理实验数据，作出计算和推论；较定性实验具有更高的思维要求，如现在比较流行的数字化实验。数字化实验具有以下几个优点：5.1 让实验过程可视化大多数传统实验只让学生观察到实验现象，然后根据现象去推本质，数字化实验如图8除了观察到实验现象外，还可以清晰的观察到实验过程中物理量的变化，还原化学实验的本来面貌，促进学生对某些实验现象的认识好理解。例如沉淀溶解平衡的存在实验，将蒸馏水充分洗涤过的CaCO 3，放入蒸馏水中，测溶液中Ca 2+浓度的变化。图85.2 拓展教学范围，对问题进行多层次的探究手持技术有多种传感器，例如温
13、度、色度、压力、电流、电压等传感器，在对某个内容进行教学时，可以采用多种传感器来对实验体系进行测量，从多个角度对实验对象进行多因素的探究。例如碳和浓硫酸反应气体产物证明实验，常规实验设计是产生的气体先后通过品红溶液、酸性高锰酸钾溶液、品红溶液、澄清石灰水。第一次通过品红溶液变红，第二次通过品红溶液不变红且澄清石灰水出现沉淀。该方案装置复杂，且只停留在定性层面。而数字化实验通过二氧化碳传感器和二氧化硫传感器测得这两种气体存在，还可以测得两者定量之比，便于学生书写该反应化学方程式。总之化学实验有助于激发学生学习化学的兴趣，创设生动活泼的教学情景，能渗透化学核心素养。对实验教学的优化，是提高实验教学
14、水平的重要措施，在优化过程中，要加强学生的绿色化学的理念，对实验的物品要进行循环利用，同时还要注重安全措施的建设; 发挥学生的探究能力，让学生通过实验，认识化学反应方程式、原理等 4。同时实验教学创新的价值极高，教师可向学生传授一定的实验技巧，培养学生的创新精神，提高学生的综合素质。其中数字化实验是很好的创新方向，但要注意不能过度使用医疗垃圾和过分淡化实验的过程，改进与创新不能越改越复杂，不便于推广应用。替代品应是缺少标准仪器的无奈之举，化学仪器的学科方法、学科思想价值难以被替代。化学实验教学创新，还应重视化学实验的情境和实验操作方式、次序的不同与实验功能的关系。参考文献1 刘长胜. 对中学化学实验微型化策略的探究J. 中国教育技术装备 , 2011, 6: 1192 潘樱. 化学补充性教学实验的生活化策略J. 化学教学 , 2016, 4: 483 朱加贤. 以化学定量实验为载体促进学生策略性知识的构建J. 化学教育, 2013, 6: 644 丁晓庆. 优化高中化学实验教学的策略J. 数理化学习 , 2012, 6: 49
