【摘 要】化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不僅需要較為扎實(shí)的化學(xué)知識(shí)與實(shí)驗(yàn)技能,而且還必須掌握相關(guān)的科學(xué)方法。運(yùn)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)知識(shí)和技能設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)方案,是學(xué)生綜合能力的具體體現(xiàn)。本文通過實(shí)例介紹中學(xué)化學(xué)教學(xué)中常用的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。
【關(guān)鍵詞】中學(xué)化學(xué) 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 整合法 缺陷改進(jìn)法 反向思維法
傳統(tǒng)中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)大多以驗(yàn)證性為主,因此招致不少批評(píng),許多人主張應(yīng)將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改為探索性或研究性實(shí)驗(yàn)。其實(shí),驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和探索性、研究性實(shí)驗(yàn)各有不可替代的作用,關(guān)鍵是如何有效地發(fā)揮它們的功效,因?yàn)椴还苣姆N形式的實(shí)驗(yàn)都有創(chuàng)新的設(shè)計(jì)。中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的常用方法有三種。
一、缺陷改進(jìn)法
缺陷改進(jìn)法指發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)的缺陷,進(jìn)行改革或革新的方法。改進(jìn)首先是發(fā)現(xiàn)問題,而創(chuàng)新就是要解決現(xiàn)有的問題,每發(fā)現(xiàn)一個(gè)缺陷,提出一個(gè)問題,也就是找到了一個(gè)創(chuàng)新的課題。如:空氣中氧氣含量的實(shí)驗(yàn)測(cè)定。
如圖1所示,利用紅磷燃燒消耗空氣中的氧氣(4P+5O2 2P2O5),從而使容器內(nèi)形成壓力差,打開止水夾后,水進(jìn)入容器內(nèi)。進(jìn)入容器中的水的體積,可粗略地認(rèn)為是空氣中所含氧氣的體積。
該實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)原理上就存在不合理之處。反應(yīng)物濃度越小,反應(yīng)的速率越慢。燃燒進(jìn)行時(shí),集氣瓶中氧氣的濃度越來越小,到一定的限度(此時(shí)還殘留一定量的氧氣)時(shí),燃燒就會(huì)停止。這也是有些物質(zhì)不能在空氣中燃燒,但能在氧氣中燃燒的原因。因此,從這個(gè)意義上說,利用燃燒試圖除盡空氣中的氧氣,是難以達(dá)到目的的。維持紅磷燃燒需要的氧氣濃度相對(duì)較高,因此就更無法除盡氧氣了。另外,該實(shí)驗(yàn)裝置可能發(fā)生氣體泄漏的地方也較多,加之將燃燒著的紅磷伸入集氣瓶中時(shí)會(huì)加熱內(nèi)部的空氣,使之外逸,這些都會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象達(dá)不到預(yù)期的效果。
要做好該實(shí)驗(yàn),關(guān)鍵要注意以下幾點(diǎn):(1)用更易燃燒的可燃物代替紅磷(如白磷);(2)裝置的氣密性要好;(3)燃燒匙伸入集氣瓶中的速度要快,并塞緊塞子(最好沒有這一步驟)。
基于以上分析與思考,可將原實(shí)驗(yàn)進(jìn)行如下改進(jìn)設(shè)計(jì):
(1)用凸透鏡將太陽光聚焦到白磷,使白磷燃燒。此法可以防止燃燒匙伸入集氣瓶時(shí)氣體的散逸。如圖2。
(2)用水浴加熱的辦法使白磷燃燒,也可以防止燃燒匙伸入集氣瓶內(nèi)氣體的散逸。白磷的著火點(diǎn)僅為40°C,水溫稍高,足以使白磷著火燃燒。如圖3。做此實(shí)驗(yàn)時(shí),盛白磷的廣口瓶不能直接放入沸水中,以免廣口瓶因驟熱而爆裂??上扔脺厮茉『?,再將熱水注入外面的大燒杯中。
(3)用鐘罩代替集氣瓶進(jìn)行實(shí)驗(yàn),如圖4所示。鐘罩下方敞口,氣體受熱膨脹時(shí),可將水壓出一部分從而產(chǎn)生減壓作用。用此法可減少氣體泄漏的可能,準(zhǔn)確性比原實(shí)驗(yàn)方案高。
(4)在一端封閉的粗玻璃管內(nèi)放一小粒白磷,用膠塞塞住,并將其推入到玻璃管中部,記下位置。用酒精燈微微加熱白磷,使之燃燒,可觀察到白磷燃燒有大量白煙生成,膠塞被推向外側(cè)(右側(cè))。待裝置冷卻,膠塞逐漸向內(nèi)側(cè)(左側(cè))移動(dòng),根據(jù)膠塞停止時(shí)的位置,確定空氣中氧氣的體積。如圖5。
對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察、研究、分析,發(fā)現(xiàn)其缺陷,并在此基礎(chǔ)上探索改進(jìn),就可以對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新。缺陷改進(jìn)法創(chuàng)新化學(xué)實(shí)驗(yàn)的一般步驟為:(1)選定化學(xué)實(shí)驗(yàn);(2)找出實(shí)驗(yàn)的缺陷;(3)針對(duì)缺陷研究改進(jìn)方案。
二、整合法
整合法是將一些相關(guān)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)按某些內(nèi)在聯(lián)系或特征進(jìn)行新的整合,設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新方法。愛因斯坦曾說過,為了滿足人類的需要而找出已知裝置的新的組合的人就是發(fā)明家。同樣,將已有的化學(xué)實(shí)驗(yàn)按一些共同特征或功能進(jìn)行合理整合,使其具有某種新的功能也是對(duì)原有化學(xué)實(shí)驗(yàn)的一種創(chuàng)新。
例如驗(yàn)證“二氧化碳與水的反應(yīng)”的化學(xué)性質(zhì),一般教材上都是將二氧化碳?xì)怏w通入到滴加了紫色石蕊試液的蒸餾水的試管里,振蕩,觀察到紫色石蕊試液變成紅色的現(xiàn)象。同時(shí)作出判斷,二氧化碳與水發(fā)生了反應(yīng),反應(yīng)后生成了一種酸。這對(duì)于學(xué)習(xí)化學(xué)不久的初三學(xué)生來說,會(huì)存在很大的困惑:首先是第一次接觸到酸堿指示劑,對(duì)酸能使紫色石蕊變紅色的事實(shí)不知道;其次,干燥的二氧化碳能不能使石蕊也變成紅色呢?為了能更好地解釋清楚這些問題,可以將這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成如下圖所示方案:
用吸水性較好且有一定強(qiáng)度的紙折四朵小花,將其完全浸入石蕊試液中,取出晾干后,再浸入石蕊試液中,取出晾干。直到紙花變成明顯的紫色為止。
向第一朵小花上噴稀醋酸(或稀鹽酸等),紙花變紅色,說明石蕊試液遇酸變紅色;
向第二朵小花噴水,紙花不變色,說明水不能使石蕊變紅色;
將第三朵紙花放入集滿二氧化碳的集氣瓶中,紙花也不變色,說明二氧化碳不能使石蕊變色;
第四朵紙花先噴水濕潤,再放入集滿二氧化碳的集氣瓶中,紙花變紅色,說明此時(shí)有酸存在,是二氧化碳與水反應(yīng)的產(chǎn)物碳酸。
取出第一朵和第四朵變色的紙花,分別放在酒精燈火焰上加熱。第一朵紙花不變色,第四朵紙花變紫色。由此說明碳酸不穩(wěn)定,遇熱分解。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)將酸使酸堿指示劑(石蕊)變色實(shí)驗(yàn)、二氧化碳與水反應(yīng)生成酸、碳酸不穩(wěn)定等實(shí)驗(yàn)巧妙地整合在一起。裝置簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、無污染、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、趣味性濃,學(xué)生容易接受。
運(yùn)用整合法創(chuàng)新化學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意:(1)整合實(shí)驗(yàn)應(yīng)是在對(duì)原先實(shí)驗(yàn)進(jìn)行變形的基礎(chǔ)上再將它們進(jìn)行有機(jī)融合,并不是簡(jiǎn)單地拼湊在一起;(2)整合后的實(shí)驗(yàn)應(yīng)易于操作,儀器裝置應(yīng)簡(jiǎn)明;(3)要有新的實(shí)驗(yàn)效果。
三、反向思維法
對(duì)于某一化學(xué)實(shí)驗(yàn),其儀器裝置都有特定的要求和用途,但并非絕對(duì)不可改變。同樣,完成某一實(shí)驗(yàn)也絕非只能用某一種儀器裝置。進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),涉及儀器裝置應(yīng)遵循“一裝(置)多用”或“一用多裝(置)”的原則,做到“變式思考”,達(dá)到科學(xué)合理、簡(jiǎn)單易行、便于操作。反向思維法是沿著事物的相反方向,用反方向探求的思維方式對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行思考,從而提出新的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一種實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新方法。如從實(shí)驗(yàn)的相反功能或性質(zhì),去設(shè)想和尋求解決問題的新途徑,從而獲得新的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。例如在演示完用碳棒(惰性電極)電解CuCl2溶液的實(shí)驗(yàn)后,引導(dǎo)學(xué)生弄清電解原理后,將原實(shí)驗(yàn)陰陽兩根電極(此時(shí)陰極碳棒上已附著紅色的銅)調(diào)換再進(jìn)行電解,可觀察到一段時(shí)間后已改成陽極的碳棒上附著的銅消失了。顯然,將陰陽兩極調(diào)換后,可以為非惰性電極作陽極時(shí)的電解原理的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。又如,課本中制備溴苯的實(shí)驗(yàn)中是將溴和苯先加入燒瓶,然后向燒瓶中再加入鐵粉(即溴和苯靜、鐵粉動(dòng)),由于反應(yīng)物已全部加入燒瓶,加入催化劑后,反應(yīng)劇烈無法控制,導(dǎo)制溴揮發(fā)并從導(dǎo)管溢出而達(dá)不到預(yù)期目的?;谶@個(gè)考慮,可將實(shí)驗(yàn)操作改為:先將鐵粉加入燒瓶,將溴和苯的混合液加入分液漏斗,通過分液漏斗的活塞來控制滴加液體的速度,從而克服原實(shí)驗(yàn)的不足。
化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法很多,在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中,所使用的方法也并不是單一的,往往是多種方法的綜合應(yīng)用?;瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新永無止境,各種現(xiàn)代化媒體與化學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)合也為實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新提供了廣闊的領(lǐng)域,只要勇于探索,一定會(huì)有更多更好的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案涌現(xiàn)出來。
(作者單位:江蘇省蘇州市吳江區(qū)八坼中學(xué))