魏 海 李德前

在多年的化學(xué)教學(xué)中，筆者在用好課本實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，還敢于質(zhì)疑課本實(shí)驗(yàn)的不足，合理利用現(xiàn)有的儀器和代用品，成功改進(jìn)和設(shè)計(jì)了一些化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置[1]。

改進(jìn)和設(shè)計(jì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，筆者常以發(fā)明創(chuàng)造學(xué)上的缺點(diǎn)列舉法、希望點(diǎn)列舉法、模仿法等技法為基礎(chǔ)，然后靈活利用組合法、移植法、替換法、縮小法、逆向法等技法去改掉缺點(diǎn)、落實(shí)希望。按照這樣的思路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，常能起到事半功倍的效果。下面以2012版上海教育出版社《義務(wù)教育教科書(shū)九年級(jí)化學(xué)(上冊(cè))》中的“探究微粒運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)”為例，介紹化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的幾種常用方法。

一、以“缺點(diǎn)列舉法”為基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

“缺點(diǎn)列舉法”是指通過(guò)發(fā)掘現(xiàn)有物品的缺點(diǎn)，然后設(shè)法逐項(xiàng)克服缺點(diǎn)的發(fā)明技法。像預(yù)警飛機(jī)、可降解塑料、球墨鑄鐵管道等發(fā)明，都使用了缺點(diǎn)列舉法，該技法也是改進(jìn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)最常用的基本方法。

1.分析缺點(diǎn)

按照教科書(shū)上設(shè)計(jì)的方法做“探究微粒運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)”時(shí)，總會(huì)感到有如下缺點(diǎn)：

(1)氨水的用量大，每次實(shí)驗(yàn)需要150 mL～200 mL。

(2)氨氣極易逸出大燒杯污染環(huán)境，尤其實(shí)驗(yàn)結(jié)束回收氨水時(shí)。

(3)每到一個(gè)班級(jí)都要重新組裝藥品和儀器，很不方便。

2.克服缺點(diǎn)

經(jīng)過(guò)苦思冥想，獲得如下克服缺點(diǎn)的思路：

(1)根據(jù)“縮小省略法”(運(yùn)用減少、減輕、折疊、刪減等手段進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造的技法)，決定使用少量的濃氨水，以節(jié)約藥品；設(shè)想將大燒杯(氨分子擴(kuò)散的空間)換成口徑不大的玻璃管，以縮小實(shí)驗(yàn)空間，同時(shí)便于封閉實(shí)驗(yàn)體系。

(2)應(yīng)用“替換法”(通過(guò)更換不同性能的材料優(yōu)化物品的發(fā)明技法)，擬將盛濃氨水的小燒杯更換為一個(gè)細(xì)口瓶，這樣就無(wú)需回收氨水并可長(zhǎng)期使用；打算把盛酚酞試液的小燒杯更換為可以吸附液體的紗布條，以便于組裝實(shí)驗(yàn)用品。

(3)根據(jù)“移植法”(將某種已成熟的原理或技術(shù)應(yīng)用到其他領(lǐng)域從而獲得新成果的發(fā)明技法)，決定選用一個(gè)玻璃旋塞，將細(xì)口瓶里的氨氣在需要時(shí)才釋放出來(lái)，這樣就使裝置可控。

(4)采用“異類(lèi)組合法”(將不同的物品按某種關(guān)聯(lián)因素組合成新事物的發(fā)明技法)，將上述實(shí)驗(yàn)用品在豎直方向上進(jìn)行組合，即得圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置[2]。使用該固定裝置，不僅操作方便、綠色環(huán)保，而且便于多個(gè)班級(jí)連續(xù)實(shí)驗(yàn)。

需要說(shuō)明的是，玻璃管上端不一定要封閉，因?yàn)槭褂么烁倪M(jìn)裝置探究氨分子的運(yùn)動(dòng)時(shí)，逸出的氨氣很少，而且學(xué)生聞到少許氨味也是分子不斷運(yùn)動(dòng)的一個(gè)例證[3]。另外，這也有利于氨分子在玻璃管內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)。

3.實(shí)驗(yàn)操作說(shuō)明

(1)按圖1組裝好實(shí)驗(yàn)裝置。

圖1 “探究微粒運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)”新裝置之一

(2)實(shí)驗(yàn)時(shí)只要打開(kāi)玻璃旋塞，濕潤(rùn)的酚酞紗布條就會(huì)由下到上慢慢變紅，從而說(shuō)明分子在不斷運(yùn)動(dòng)。

(3)把細(xì)口瓶放到熱水里稍微熱一熱(熱水溫度不要超過(guò)60 ℃以防燙壞玻璃瓶)，酚酞紗布條變紅的速率就會(huì)明顯加快，這說(shuō)明溫度越高，分子運(yùn)動(dòng)的速率越快。

(4)實(shí)驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉活塞，酚酞紗布條逐漸變成無(wú)色。

(5)整個(gè)班級(jí)的教學(xué)任務(wù)結(jié)束后，即可拆開(kāi)裝置，清洗、整理儀器，留待今后使用。

二、以“希望點(diǎn)列舉法”為基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

發(fā)明者從個(gè)人愿望或社會(huì)需求出發(fā)，針對(duì)某一事物提出美好的希望，并據(jù)此確定發(fā)明方向，這就是“希望點(diǎn)列舉法”。像飛機(jī)、汽車(chē)、鋼化玻璃等都是根據(jù)人們的希望創(chuàng)造出來(lái)的，該發(fā)明技法也是設(shè)計(jì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)最常用的基本方法。

1.列舉希望點(diǎn)

使用圖1實(shí)驗(yàn)裝置一段時(shí)候后，筆者又希望該實(shí)驗(yàn)裝置能更簡(jiǎn)單、組裝起來(lái)更方便，于是提出如下希望點(diǎn)：

(1)保留圖1實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)點(diǎn)(如藥品用量少、實(shí)驗(yàn)體系相對(duì)封閉、裝置可以反復(fù)使用、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯等)。

(2)實(shí)驗(yàn)用品更簡(jiǎn)約、實(shí)驗(yàn)裝置更簡(jiǎn)潔。

2.落實(shí)希望點(diǎn)

怎樣實(shí)現(xiàn)上述美好的愿望呢？經(jīng)過(guò)多次反思后，筆者決定采用“縮小省略法”落實(shí)希望點(diǎn)。

(1)把盛有濃氨水的試劑瓶與盛有酚酞紗布條的玻璃管，合并為一支大試管；在試管的底部盛裝少量濃氨水，在橡皮塞的反面固定濕潤(rùn)的酚酞紗布條，同時(shí)用橡皮塞封閉試管口。

(2)將上述實(shí)驗(yàn)用品在豎直方向上組合，即得圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置(夾持儀器略)。

3.實(shí)驗(yàn)操作說(shuō)明

(1)先用膠頭滴管向試管里加入少量的濃氨水(不要使氨水沾到試管壁上，以防酚酞紗布條接觸試管壁上的氨水而干擾實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行)；在橡皮塞的反面，用大頭針固定濕潤(rùn)的酚酞紗布條。

(2)然后按圖2組裝好儀器，很快可以看到酚酞紗布條逐漸變紅，從而說(shuō)明分子在不斷運(yùn)動(dòng)。

圖2 “探究微粒運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)”新裝置之二

(3)微熱試管(用酒精燈或熱水均可)，紗布條變紅的速率會(huì)更快，這又說(shuō)明溫度越高、分子運(yùn)動(dòng)的速率越快。

(4)每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束，拔出橡皮塞和紗布條(放入干凈的小燒杯里)，再用另一個(gè)備用橡皮塞封閉試管口。

(5)整個(gè)班級(jí)的教學(xué)任務(wù)結(jié)束后，拆開(kāi)裝置，清洗、整理儀器，留待今后使用。

三、以“模仿法”快速進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

發(fā)明創(chuàng)造說(shuō)到底就是兩條路，一是全新的發(fā)現(xiàn)，二是模仿再設(shè)計(jì)。模仿法就是模仿和借鑒已有事物的某些有效因素，并對(duì)其提煉再設(shè)計(jì)，從而開(kāi)發(fā)出新事物。像燈塔和電視塔就是模仿松柏的矮錐形，飛機(jī)的兩翼形狀就是模仿鷹類(lèi)等，該創(chuàng)新技法是創(chuàng)新化學(xué)實(shí)驗(yàn)的捷徑，但不能生搬硬套，否則會(huì)有抄襲的嫌疑。

1.同行研究成果

前不久，筆者看到有同行采用T型三通管探究二氧化碳的性質(zhì)[4]，于是決定利用T型三通管模仿設(shè)計(jì)“探究微粒運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)”。

2.模仿設(shè)計(jì)(實(shí)驗(yàn)裝置如圖3[5]所示，夾持儀器略)

圖3 “探究微粒運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)”新裝置之三

(1)在15 mm×200 mm的粗玻璃管中部的外壁上，熔接一段外徑約5 mm的稍彎曲的細(xì)玻璃管(該形狀便于滴加和儲(chǔ)存少許濃氨水)，這樣就制成了適合本實(shí)驗(yàn)需要的T型三通管。

(2)將一根濕潤(rùn)的酚酞紗布條放入T型三通管的粗玻璃管內(nèi)，并用膠帶將紗布條的兩端固定；在T型三通管的細(xì)玻璃管內(nèi)滴入大約0.5 mL的濃氨水，立即封閉細(xì)玻璃管口。

(3)很快可以看到，僅有中上部的紗布條從下往上慢慢變成紅色。該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不僅說(shuō)明氨分子在不斷運(yùn)動(dòng)，還證明氨氣的密度比空氣小。

(4)若想加快酚酞紗布條變紅的速率，可以微熱細(xì)玻璃管中的氨水。

(5)實(shí)驗(yàn)結(jié)束，拆開(kāi)裝置，清洗、整理儀器，留待今后使用。

四、結(jié)束語(yǔ)

在改進(jìn)和設(shè)計(jì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們要靈活、巧妙地運(yùn)用創(chuàng)新技法，從而使化學(xué)實(shí)驗(yàn)更加科學(xué)完美、簡(jiǎn)約實(shí)用、直觀鮮明。

[1] 李德前,趙紅.指導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置[J].化學(xué)教學(xué),2006(5):1-3.

[2] 李德前.“氨分子擴(kuò)散”實(shí)驗(yàn)綠色化設(shè)計(jì)[J].化學(xué)教育,2008(6):64.

[3] 劉傳友.以簡(jiǎn)取勝 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn),2010(1):22-23.

[4] 吳端斗.二氧化碳性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].化學(xué)教學(xué),2006(7):11.

[5] 歐群,李德前.巧用T形三通管探究多種氣體的性質(zhì)[J].化學(xué)教育,2011(8):53-54.