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论新课程理念下的化学实验改革

时间:2022-03-06 08:44:20  浏览次数:

摘要:实验教学应全面落实“三维”教学目标。实验改革应注意科学性、综合性和先进性。

关键词:实验改革;科学性;综合性;时代性

文章编号:1005-6629(2009)08-0020-05中图分类号:G633.8文献标识码:B

化学是以实验为基础的自然科学。化学教学中的实验,不仅能帮助学生理解和掌握化学知识,学习实验操作技能,还具有激发学习化学的兴趣、培养实事求是的科学态度、塑造坚韧不拔的科学品质、增长勇于探究的科学精神和思维能力、学习分析问题解决问题的科学方法、启迪创新意识和创新精神。因此,化学实验是培养创造型人才不可或缺的重要手段,是化学教学的重要组成部分。

近几十年来,随着我国化学教育培养目标和教学内容的改变,实验的内容和方法也在不断更新。例如,初中化学教材中关于分子运动的演示实验,从20世纪50年代初至今,经历了图1所示的变化历程。

通过这个历程,不难看出中学化学教学实验正从简单的验证知识,逐步向丰富教育内涵的方向发展。近年来,根据新课程理念,为落实“知识与技能”、“过程和方法”、“情感态度价值观”三个维度的教学目标,不仅教材编写者根据新课标设计和改进了一些实验,广大化学教育工作者和中学教师,为发挥实验认识论、方法论和教学论功能,突破了只落实知识与技能目标的思维定势,从内容选择上更贴近生活、贴近社会,实验教学过程更具有探究性;实验操作更科学、实验手段更具时代特色。这种深层次的探索为实验改革提出了新思路、新方向。为使实验改革向纵深发展,取得更多成果,必须注意以下几方面。

1 全面落实“三维”目标

1.1 “知识与技能”是实验教学永恒不变的目标

在中学化学教学过程中,为了使学生主动构建自身发展所需要的化学基础知识和基本技能,了解化学学科的特点,加深对物质世界的认识,提高科学素养,化学实验有着不可替代的重要作用。很多概念和基本理论的形成,一般是从研究具体物质的性质入手,要了解物质的性质,尤其是化学性质,只有借助于实验手段,在人为控制的条件下,使物质发生变化才显露出来,而被学生感知。学生通过感知实验现象,在获得实验事实的基础上,由感性认识上升为理性认识,形成化学概念和化学理论。因此,为了使学生理解和掌握化学知识,必须重视实验教学,努力提高实验的成功率及直观效果。教材中配合化学知识学习所设计的实验,大多数是经过多年实践不断改进完善的,但也有一些欠妥当。因此,在教学中应该从反应物和催化剂的选择、实验装置的改进、反应条件的优化、实验手段的更新等方面。本着加强直观性、趣味性、简捷性、探究性和安全性的原则,研究改进每一个实验。

例如,高中化学新教材中“铁粉与水蒸气反应”实验,简化了原来装置,将润湿的脱脂棉跟铁粉放在同一个试管中加热。但在实验时常因冷凝的水蒸气回流,或水蒸气过量而影响实验效果。于是有许多教师提出了改进方案。其中有改用弯试管的(图2-1),有把试管壁制成凹槽的(图2-2),有将湿脱脂棉放在铜片凹槽中的(图2-3),有用含水细砂代替湿脱脂棉的(图2-4)……等。

又如,如何使新制备的氢氧化亚铁不会迅速氧化变色;如何使防止Cu与HNO3反应生成的气体泄漏;如何使NO与NO2相互转化;如何使H2和Cl2混合气体爆炸;如何制取乙酸乙酯并检验性质……诸如此类对一些实验进行局部改进,确实能保证实验成功,提高教学效果。为了进一步发掘实验的教育功能,还必须进一步解放思想,开拓视野,对传统实验进行深层次的改革,增加探究性。还应设计一些密切联系社会生活实际,能在课堂教学中结合所学习的化学知识进行的简易实验。

例如,学习过氧化钠的化学性质时,为了使学生了解它为什么可以做高空飞行员,潜水艇及缺氧环境下工作人员的供氧剂和二氧化碳吸收剂,可以设计模拟防毒面具中呼吸作用的实验。此外,还可以配合相关知识的学习,进行模拟雷雨时雨水中含有硝酸、酸雨的形成、二氧化碳(或甲烷)形成温室效应、空气或汽车尾气中氮氧化物的测定、居室中甲醛的检测、消毒液主要成分的检验、含碘食盐中碘的检验、食盐与亚硝酸钠的鉴别、补铁剂中铁的检验、假酒的识别、司机酒后驾车的检验、蜂蜜和蔗糖的区别、果蔬中维生素C的检验……等。这些实验既能激发学习兴趣,又有利于理解和掌握知识,并且学以致用。

1.2 “过程和方法”是必须强化的目标

实验不仅要帮助学生理解和掌握化学知识,还应使学生感受和体验知识形成和发展的过程,实验时,不仅应重视结果,还要重视研究过程,实验过程与结论的统一。例如,在学习“离子反应”时,不能只演示稀硫酸跟氢氧化钡溶液生成白色沉淀的反应。还应分别用电流计测定氢氧化钡溶液和稀硫酸的导电能力,然后向氢氧化钡溶液中滴加稀硫酸,可以看到随着白色沉淀的增加,电流计指针的读数逐渐变小,从而揭示了生成沉淀的本质,进一步了解为什么生成沉淀的反应是离子反应。

在实验教学中,为了使学生学会运用实验、观察等手段获取信息,并运用比较、分类、概括、归纳等方法进行加工的能力,必须改进或设计一些新的实验,以利于进行科学方法教育。例如,在学习碳酸钠和碳酸氢钠性质时,可以按图3所示比较它们跟盐酸反应的情况。

又如,在学习“质量守恒定律”时,不能只做2~3个试管实验,看到有生成沉淀的、有改变颜色的、有生成气体的,反应前后总质量相等,就总结出质量守恒定律。应该研究蜡烛在敞开的空间燃烧时蜡烛质量减少了;蜡烛在敞开空间燃烧时用装有碱石灰的装置把生成物全部收集起来,总质量增加了;蜡烛在密闭器内燃烧总质量不变的三个对比实验。分析原因,归纳出反应物的“总”质量等于生成物的“总”质量。否则许多学生容易对“总”的含义理解不深刻。

此外,在学习金属活动性顺序时,也应该通过一系列实验,归纳出常见金属活动性的顺序,并使学生学会如何运用归纳方法。

1.3 “情感态度价值观”是不可忽视的目标

在实验教学中潜在着丰富的情感态度价值观教育内涵。在实验教学改革中应突出抓好以下内容。

(1)培养实事求是的科学态度

要培养学生的科学态度,在实验教学中教师必须以身作则,克服主观性,实事求是的对待每一个实验现象和结果,特别是当出现异常现象或失败的实验时,不能掩饰或者臆造理由作出牵强附会的解释。

例如,金属钠的新断面露置在空气中,表面很快蒙上一层灰色薄膜。有人认为是钠跟氧气反应生成的氧化物。而氧化钠是白色的,显然薄膜中还应含有其他物质。为了探究发生了什么反应?生成了什么物质?可以按图4所示装置进行实验。

取一支玻璃管插入钠块中,切取约0.5 cm长的有银白色光泽的钠柱,然后将纯净干燥的氧和二氧化碳先后分别通入玻璃管跟钠反应。可以看到钠跟氧反应生成的白色的氧化钠(2Na+O2 Na2O),二氧化碳跟钠反应生成碳和碳酸钠(4Na+3CO2 2Na2CO3+C)。由于钠表面薄膜中含有氧化钠,碳酸钠和碳,所以是灰色的。通过这个实验不仅让学生扩展了知识,还学习了实验探究方法,培养了严谨治学的科学态度。

(2)加强环保意识教育

在中学化学教学中,氯气、硫的氧化物、氮的氧化物、氨……等气体的制取和性质实验都应尽量采用小型密闭装置,并吸收尾气,以防泄漏污染环境和影响师生健康。教师的言传身教,有利于培养学生关注社会发展,关注人类生存的责任心和使命感。

例如,金属钠和氯气反应实验,为了防止Cl2泄漏污染环境,可按图5所示在双套管中进行。在内管的底部放入少量KMnO4。管口胶塞中插入吸有盐酸的胶头滴管。将用钢锉刚刚锉下来的钠屑,放入外套管中,立即把内管插入外套管,并塞紧胶塞。轻轻挤压胶头滴管,使盐酸跟KMnO4反应,生成的Cl2从内管下端侧孔溢出,跟钠反应,剧烈燃烧形成白烟。尾气从侧管通入NaOH溶液中吸收。

2 确保实验的科学性

实验是帮助学生认识客观世界,培养科学世界观的重要手段。因此,在改进和设计实验时,必须注意科学性。每个实验设计所依据的原理、操作方法以及对现象的解释和结论,都应准确无误。

2.1实验设计的科学性

实验依据的原理、选择的药品和催化剂、仪器和实验装置都应全面考虑,不能有任何纰漏。例如,过氧化钠跟二氧化碳反应的实验,很容易出现科学性错误。有人为了增加实验的趣味性,并对比研究CO2既能灭火又能引发物质燃烧的性质,而按图6所示装置实验。当蜡烛熄灭后,蒸发皿中包着Na2O2的脱脂棉相继燃烧。由于设计者忽略了蜡烛燃烧除生成CO2外,还生成能与Na2O2反应的水蒸气。因此,把脱脂棉燃烧解释为是Na2O2与CO2反应引起的,似乎欠妥当。如果采用图7所示装置,在干燥管的上部装入变色硅胶。用嘴向干燥管内吹气。呼出气体中的水份使部分硅胶由蓝色变为红色。底下的硅胶仍保持蓝色,说明气体中已不含水份。剩余的CO2从干燥管下部通到蒸发皿中,跟Na2O2反应而引发脱脂棉燃烧。

通过这个“吹气生火”的趣味实验,有力地证明纯净CO2能跟Na2O2反应,同时还使学生学习了研究物质性质的思路和方法,培养了严肃认真的科学态度。

2.2实验条件选择的科学性

每一个实验能否成功,是否发生异常现象,往往和实验条件的选择与控制有关。实验条件包括:药品的纯度、溶液的浓度、反应物的用量比、反应物接触面积、催化剂选择、反应温度、反应体系中的压强、反应介质的pH等。这些条件的选择必须有科学依据。

例如,用碳化钙(电石)跟水反应制取乙炔,反应速率太快,不宜控制,并有大量泡沫和白色糊状物向上冒,经过实验探索,发现乙醇与碳化钙不反应,并有消泡作用。盐酸能溶解糊状氢氧化钙,所以采用加入少量盐酸的1∶1乙醇和水的混合液,就能克服上述现象。

又如,有些实验的操作顺序也有一定科学道理,只有综合科学性,实验才能成功。在检验溶液中是否有I-存在,应将氯水滴加到含I-的CCl4中,振荡后CCl4层显紫色,表明有碘单质生成。反之,把含I-的CCl4滴入氯水中,过量的氯就会将碘氧化为无色的碘酸,看不到紫色。

2.3解释现象及形成结论应符合科学性

例如,将铝箔在酒精灯火焰上加热至红热,解释为是因为铝箔表面有一层致密的保护膜兜着,熔化的铝才不会滴落。这种解释似乎欠妥当,因为铝的熔点为660 ℃,而一般酒精灯的火焰温度只有300 ℃左右,铝并未熔化。再者,一小片只有0.1 mm厚的铝箔怎么能形成液珠滴落?又如,向鸡蛋清溶液中滴加酸性CuSO4稀溶液生成沉淀,解释为蛋白质“变性”是不准确的,生成沉淀的原因是反应体系的pH处于蛋白质等电点附近,而远离等电点时就不会沉淀。

3 扩展实验的综合性

21世纪人类社会已进入以信息技术、生物技术、空间技术、海洋技术、材料技术和能源开发为主要内容的新技术革命时代。这个时代需要掌握多样、复杂、综合化知识的高素质人才。化学作为应用广泛的中心学科,必须与其他学科交叉渗透,以满足人才培养的需要。作为化学科学重要研究手段的实验,也应显示它的综合性和应用性。

中学化学教学实验的综合性,可根据研究的内容和综合应用知识解决问题的不同,分为知识综合的实验与联系实际的实验两大类。

3.1化学知识的综合实验

(1)相邻知识的综合实验。在学习某一种物质时,往往把制取和性质的实验分开逐个做,为了培养综合运用知识的能力,特别是一些涉及有毒有害气体的实验,为减少污染可以设计综合系列实验。

例如,可按图8所示装置演示Cu与HNO3反应、形成喷泉、NO氧化、再形成喷泉、浓HNO3稀释为稀HNO3、稀HNO3与Cu反应等实验。

此外,将乙醇氧化生成乙醛,乙醛氧化生成乙酸串联起来;将炭粉还原氧化铜生成的一氧化碳用于还原氧化铜,也都有利于培养学生综合利用资源,全面思考问题和设计实验的能力。

(2)相关知识的综合实验。有些知识并不是在同一单元学习的,为了使学生温故知新,全方位综合运用知识和设计实验的能力,可以抓住某个关联点设计综合实验。例如,在学习氯化氢和氨气能形成喷泉实验以后,可以把两者组合起来,既有生成白烟的实验,又有变色喷泉。还可以根据形成喷泉的原理,指导学生设计铁跟浓硝酸反应,生成的二氧化氮和硝酸铁再跟淀粉碘化钾反应、二氧化氮跟氢氧化钠溶液反应,而形成红棕色、棕黄色、蓝色等变色喷泉,既能激发学生的兴趣和求知欲,又能综合运用已有知识。

又如,学过电解以后,可以演示以铁片为正极、碳棒为负极,电解氢氧化钠制取氢氧化亚铁的实验。然后再将电源的正负极反接,可以看到白色沉淀逐渐变色,最终转化为红褐色沉淀。

3.2化学与其他学科知识的综合实验

化学与物理学都是以实验为基础的自然科学,知识联系相当紧密,思维方法互相渗透,不仅在理论知识如物质结构、反应机理、热能转化、反应速率、化学平衡、电化学等方面交叉,在化学实验中也有多处应用物理学的研究手段和实验方法。

例如,在学习气体的性质及气体摩尔体积时,可根据理想气体状态方程(pV=nRT),揭示气体体积与气体压强、温度的关系,采用真空泵、打气筒以及电热器等研究气体的性质。又如,演示压强对化学平衡移动的实验时,可利用物理学的电桥平衡原理, 在盛NO2的注射器中安装灵敏温度计, 当推动注射器的活塞对NO2加压时, 根据“2NO2 N2O4;

-ΔH”的原理,反应体系中发生的微小温度变化,可使电流表的指针偏转。再如,对比研究碳酸钠和碳酸氢钠分别跟盐酸反应的速率时,也可以用灵敏温度计测定速率的大小。此外,还可以利用物理实验方法增加一些反应的声、光、电效果,增强趣味性。

化学知识与生物学知识的相互交融,使化学实验更贴近生活、贴近社会。在中学教学中可以配合相关知识,设计与生物学知识结合的实验,如模拟人的呼吸过程;模拟蛋白质、淀粉在人体中消化过程的实验;检验食品中营养成分含量以及有害物质;检测血糖、尿糖……等。

3.3化学知识联系实际的综合实验

为了培养学生的社会责任感,引导学生关心自然,关心人类命运,增强环境意识,提高科学素养,在化学教学中介绍有关物质的性质和用途时,必须强化在生活中的应用,并应设计相关实验。例如,在学习过氧化氢分解时,除研究二氧化锰的催化作用外,还研究新鲜的蔬菜、 水果(生姜、 大蒜、青葱、 辣椒、 西红柿、苹果……)中所含过氧化氢酶对过氧化氢分解的催化作用,并对比研究新鲜菜汁与加热煮熟后的菜汁的催化作用,从而得出生的新鲜蔬菜中含有过氧化氢酶,它在体内能促使过氧化氢分解而有利于健康。通过实验可以使学生懂得为什么提倡生吃瓜果蔬菜,使自己生活得更科学。

此外,还可以设计一些检测、提纯、制备的实验。例如,蔬菜中叶绿素的检测、牛奶中蛋白质含量的检测、食醋中总酸量的检测、面粉新鲜度的检测、香烟烟雾中有毒有害物质检测、从海带中提取碘、从茶叶中提取咖啡因、配制化学发酵粉、自制甜酒酿、配制洗涤剂等。

4 体现时代性

以信息技术为核心的科学技术迅猛发展, 对人类生活方式、思维方式和学习方式产生了极大影响。也为化学实验教学改革提供了更广阔的发展空间。

4.1创造条件推广手持实验技术

手持实验技术是近年来将信息技术与化学实验整合,具有时代特色的实验教学手段。它可以促使教学模式向现代化的综合实践活动转化;使教学方法向探究式转化;使教学理念向重视学生主体地位、重视结果也重视过程、重视知识也重视能力培养的方向转化。因此,在信息技术教育开展较好,并有物质基础的地区和学校,应加大手持实验技术的推广力度。

手持实验技术是由一套便携式数据采集系统和传感器两部分组成。传感器是包括对温度、压力、pH、电导率、色度、光度、浊度、溶解氧……等一系列物理化学量的感应器具。它能把外界变化以信号方式输出,并能在数据采集器上储存、显示。与计算机连接能在荧屏上显示数据或图表,也能通过网络传播。既能看到实验的直观现象,又可以通过精确的数据,揭示反应过程和反应本质。

例如, 用氢氧化钠和硫酸铜制取氢氧化铜, 常因溶液浓度和配比不当而得不到理想效果。利用手持实验技术, 通过跟踪混合液中OH-浓度的pH变化, 探究到当NaOH和CuSO4溶液浓度相同时, 体积比为2∶1是最佳用量。同时也揭示了该反应的产物不是只有Cu(OH)2, 即便是最佳用量比时, 也是Cu(OH)2和Cu4(OH)6SO4的混合物。

此外,用手持实验技术还可以探究酸碱中和滴定时溶液pH和温度的变化;NaOH溶于水时pH和温度变化及溶解热效应对pH的影响;溶液浓度对化学反应速率的影响;反应物浓度、温度、压强对化学平衡的影响;化学反应中能量的变化;MnO2对H2O2分解速率的影响;CO2使蜡烛火焰熄灭的过程本质……等。

4.2恰当利用微型简易实验

微型化学实验是20世纪80年代兴起的,是以尽可能少的试剂,在微型装置中进行实验,并获取化学信息的实验方法。由于实验小巧精致,甚至自己设计利用代用品制作,更易引起学生的兴趣,有利于培养学生动手能力、观察能力、探究能力和创新精神,有利于培养环保意识和绿色化学观念,所以近年来我国许多地区的学校也开始采用这种实验方法。

例如,电解食盐水和氢氯混合气体爆炸实验,可以按图9所示,用一个大头针和一根活动铅笔的笔芯,分别作为正负电极,插入多用吸管的吸泡。吸泡中吸入饱和食盐水,连接6 V电源,电解生成的氢气和氯气,通过多用吸管的导管,用排饱和食盐水的方法收集到青霉素小药瓶中。然后用照相机闪光灯照射引爆。这种方法装置简单,操作方便,成功率高,对环境无污染,适于学生在课内或研究性学习中采用。由于这类实验可见度小,不利于学习规范化的基本操作,有些实验的精确性较差,所以不适于作演示实验,也不宜代替全部学生实验。但是作为一种新生事物,还是具有很强的生命力,有待进一步研究推广。

改进传统实验,设计创新实验,不仅应注意上述几个问题,还应关注众所周知的直观性、趣味性、简捷性、环保性、安全性,特别是探究性等原则。更重要的是转变理念,正确处理继承传统与改革创新的关系。近几年来,广大教师已开始应用新技术改进实验。例如,用激光笔的光柱演示胶体的丁达尔现象;用电子闪光灯代替镁条燃烧引爆氢氯混合物;用电子秤代替托盘天平验证质量守恒定律;还有人对视为经典的实验原理和操作方法提出质疑,例如,乙醇制乙烯的脱水剂能否用活性氧化铝、P2O5或磷酸代替浓硫酸?能否用排水集气法收集二氧化碳?这些质疑和探索,虽然是局部的,却标志着人们已开始打破思维定势,为落实“三维”教学目标,培养高素质人才,进行创造性的实验改革。相信在广大化学教师的积极参与下,会结出更丰硕的果实。

本文在写作时,参考了《化学教学》、《中学化学教学参考》、《化学教育》以及一些书刊上的资料,仅向作者致以谢意。

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