从化学实验改进谈培养师生的科学精神

张丽华

摘要：为培养师生的科学精神，分别从探究实验方法、反应原理、实验装置和优化实验过程等四个角度例举了8个相关实验改进的案例，旨在提高教师的专业水平、鼓励学生敢于质疑、勇于创新的科学精神。

关键词：化学实验;改进;科学精神

文章编号：1008-0546（ 2019） 07-0084-04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2019.07.025

什么是科学精神？科学精神包括“理性思维、批判质疑和勇于探究”，重点是崇尚真知，能理解和掌握基本的科学原理和方法;尊重事实和证据，有实证意识和严谨的求知态度;具有问题意识;能不畏困难，有坚持不懈的探索精神;能大胆尝试，积极寻求有效的问题解决方法等[1]。在化学教学中积极开展实验改进活动，是培养教师与学生科学精神的重要措施。

近年来，对中学化学实验改进，笔者乐此不疲，并引导学生也积极参与其中，不但提高了教师的教学水平，也培养了学生的自主探究、勇于创新的科学精神。在对中学化学实验改进过程中，笔者非常注重根据化学实验系统的“实验手段和对象”进行实验创新[2]，取得了不错的教学效果。下面笔者从四个角度例举8个实验改进案例，旨在抛砖引玉。

一、从探究实验方法上改进实验

从探究实验方法上改进实验，从而产生相同、甚至更好的实验效果，符合新课程所倡导的开放和探究精神[3]。对实验方法进行改进时，可以从物质的组成、性质、原理、反应条件等方面寻找创新点，进而得出新的实验方法。

案例1：Cl2、S02等有毒氣体的性质实验

人教版高中化学必修1第四章《非金属及其化合物》内容学习时，Cl2、S02等气体性质研究是重点，在进行实验时，很多同行习惯于按照教材方法进行实验，用盛气体的集气瓶或装有其水溶液的试剂瓶进行演示或分组实验，对环境污染非常严重。笔者将微型实验思想引入化学课堂，在一个很小的密闭环境中进行，既减少了环境污染，又能观察到明显的实验现象。主要实验装置如图l、2、3所示。具体实验步骤如下（以S02为例）。

（1）如图l，教师事先用注射器收集1/3体积气体并密封，同时引导学生观察气体的相关物理性质。

（2）在学生学习主要物理性质同时，自然引出溶解性，并引导学生完成溶解性实验（如图2），把注射器针尖浸入盛水的烧杯中，吸取少量水。

（3）充分振荡，观察得到的水溶液，在点滴板中依次完成相关性质实验（如图3），每次只需3-5滴即可观察到明显的实验现象。

该实验改进后的主要优点为微型环保，即使在教室内完成分组实验，也几乎闻不到气味。

案例2：“燃烧条件”实验探究

现行的人教版九年级《化学》教材上册129页图7-5是燃烧条件的实验，进行该实验时，很多同行习惯于按照教材方法进行实验，实验时铜片上的白磷燃烧产生的大量白烟对环境污染非常严重，对水中的白磷通氧气时，白磷四处游动，不利于学生观察实验现象。笔者因势利导，引导学生能否让白磷在一个很小的密闭环境中燃烧，既减少了环境污染，又使得白磷燃烧时不会四处游动。经过研究和反复尝试，师生共同研制出了如图4、5所示的实验装置。具体实验步骤如下：

（1）分别向两个大烧杯中加入等量的热水和冷水，然后将两个橡皮塞倒置于两个烧杯中，再分别取两粒大小几乎一样的白磷放在橡皮塞上，此时两粒白磷没有燃烧，说明燃烧需要氧气或空气。

（2）分别取大小、长短一样的乳胶管将两支注射器和两支球形干燥管连接。

（3）同时拉动两支注射器的活塞至15mL刻度处，即两支注射器内部都预留了15mL空气。

（4）将两支球形干燥管分别倒扣在两个橡皮塞上，轻推两支注射器的活塞，热水和冷水分别从橡皮塞和乳胶管之间的缝隙中流出，将两支球形干燥管轻轻下压，发现热水中的白磷很容易燃烧起来（并没有出现四处游动现象），产生大量的白烟，由于热水中的白磷与空气中的氧气反应，导致装置内的压强减小，从而使得橡皮塞与干燥管更加紧密的连在一起，生成的白烟没有逸散到空气中，避免了环境污染。冷水中的白磷虽然也接触到了氧气，但没有燃烧，说明燃烧需要温度达到着火点。

二、从探究反应原理上改进实验

反应原理是化学实验的核心。通过对反应原理的改进或探究，可以另辟蹊径，让人有焕然一新的感觉。对实验原理的改换，主要针对物质的性质、制备实验以及探究物质的组成实验，但对于原有的实验教学目的和功能必须保留。

案例3：“电解池”实验探究

人教版高中化学选修4第四章第三节《电解池》实验4-2，该实验采用石墨棒为电极电解CuCl2溶液，装置虽经典，但不利于学生分组操作，也不能很好地激发学生学习兴趣。笔者根据电解实验原理，引导学生采用了新的实验方案，以常用的铅笔芯为电极材料，依次电解CuCl2溶液（如图6）、Na2SO4溶液（浸湿pH试纸，如图7），装置简单，现象明显。教师在此基础上，变化条件，设置悬疑，顺势引出“阳极材料为铜”（如图8）和“水质电解器”（如图9）装置，从理论到实践，进一步探讨电解原理的本质。具体实验步骤如下：

（1）如图6，在点滴板凹槽中加适量CuCl2溶液，用处理好的铅笔芯连接导线，并接到电池的正负极上，1-2分钟后观察现象。

（2）如图7，操作步骤同上，把两极置于用NaSO。溶液浸湿的pH试纸上，1-2分钟后观察现象。

（3）如图8，铜为电极，电解稀硫酸，观察溶液和电极材料的变化。

（4）在以上实验结束后，学生了解原电池的基本原理，再利用情境“揭秘水质电解器”（如图9），引导学生实验和思考，达到真正理解电解原理本质的目的。

本设计的最大优点是由浅入深，实验情境、操作和原理环环相扣，学生易于理解接受。

案例4：“分子运动”实验

现行的人教版九年级《化学》教材上册49页图3-4是分子运动现象的实验，该实验在大烧杯中进行，所需浓氨水的量比较多，污染重。笔者引导学生设计了新的实验方案，该实验的原理是：汽油易挥发，挥发出来的汽油蒸汽遇到紫色的KMn04溶液，会使得KMn04溶液褪色[4]，有关的化学方程式为：2KMn04+ 3RCH=CH2+ 4H20=2Mn02↓+3RCH （OH）CH20H+2KOH。具体实验步骤如下：

（1）如图10所示：将一铜丝的一端插在橡皮塞上（根据试管的长度进行调整），另一端固定一脱脂棉。

（2）向大试管中加入少量汽油，再向脱脂棉上滴少许KMn04溶液，塞紧橡皮塞。

（3）两分钟后，脱脂棉慢慢变为肉色，则说明汽油分子在不停的运动。

（4）若将试管底部浸没在500C的热水中，KMn04溶液迅速褪色，则说明分子的运动速率随温度的升高而加快。

三、从探究实验装置上改进实验

从探究实验装置上改进实验可以更好地发挥教具在教学过程中的引导作用，而不是标新立异，只新不优。改进实验装置主要从几个方面人手，在确保实验效果的前提下，对装置进行简化，替换实验器材，改进或增加必要的实验装置，减少对环境的污染。在对装置进行改进时，要注意方法的科学性、取材的廉价性、装置的简易性和性能的优越性。

案例5：“金属钠与水反应”实验

现行人教版高中化学《必修1》49页，实验3-3，钠和水反应实验在烧杯中完成，虽然实验现象很明显，但存在明显弊端：首先钠块容易飞溅，特别是分组实验中存在安全隐患，其次产物H2无法检验，为解决这两个问题，笔者设计了一个微型实验装置，简单易操作，安全性高，现象明显，如图11所示，具体步骤如下：

（1）收集几个废旧小药瓶，清洗干净，按图II组装好装置。

（2）药瓶内加约二分之一的水（可滴1-2滴酚酞溶液），把一小块（绿豆大小）钠块投入瓶中，盖好带针尖的橡皮塞。

（3）片刻，如图点燃针头尾部，可以观察到产物H2安静地燃烧。

案例6：“灭火器”演示实验

现行的人教版九年级《化学》教材上册130页图7-9是浓盐酸与碳酸钠溶液反应灭火实验装置，该反应在一个吸滤瓶中进行，反应发生时，瞬间产生的大量二氧化碳气体很有可能把堵在瓶口的橡皮塞冲出，为此，笔者设计了一种新的实验方案，装置如图12所示，具体实验步骤如下：

（1）用烧红的玻璃棒在矿泉水瓶颈下方三厘米处烫一个小洞，以备用。

（2）将3药匙Na2C03粉末加入矿泉水瓶中，并加入适量的热水。微微振荡瓶子，使Na2C03粉末全部溶解，向一小试管中加入大半试管的浓盐酸，并在试管中插入一根长短合适的玻璃棒，将试管连同玻璃棒一起放入塑料瓶中，旋紧瓶盖。

（3）点燃一支蜡烛，将塑料瓶倒置，小孔对准蜡烛火焰，蜡烛很快就熄灭。

四、从优化实验过程上改进实验

对于中学化学实验，实验过程不宜时间过长、有污染物泄漏而污染环境等。所以对于一些实验过程长，操作繁琐的实验有必要进行改进。那些实验现象直观、安全环保的中学化学实验，不但可以加强实验的效果，而且还可以培养提高学生的科学精神和创新能力。因此，从实验过程角度考虑对部分中学化学实验进行适当的优化也是实验创新的一种有效途径。

案例7：Fe（OH）2的颜色的观察

现行人教版高中化学《必修1》60页，实验3-9，FeCl2溶液中加NaOH溶液，需要学生观察到“生成白色沉淀后转变为灰绿色，最后变为红褐色”，按教材方法演示，实验过程变化很快，很难观察到白色。笔者根据避免白色Fe（OH）2接触空气中02的原理，经过反复尝试，师生共同研制出了如图13所示实验装置。具体实验步骤如下：

（1）取一小试管，用烧红的细铁棒在中部烫一个小洞，备用。

（2）用一注射器吸取少量NaOH溶液，并配上膠塞，备用。

（3）向小试管中加入2-3mL稀硫酸和少量铁粉，按图13装好盛有NaOH的注射器（针尖不接触溶液），塞紧胶塞。

（4）待反应至溶液中不再有大量气泡产生时，下移针尖至液面以下，轻推注射器，可以长时间观察到白色的Fe（OH）2白色沉淀。

案例8：“C02性质”实验

现行的人教版九年级《化学》教材上册118页是探究二氧化碳与水反应实验，该实验要求事先准备四朵用溶液染制的干燥的小花，制作小花需要大量时间，耗时耗力，而且实验分四个步骤进行，比较麻烦。笔者引导学生思考：能否用一套装置来直接验证二者之间发生了反应？在师生的共同努力下，便有了如图14所示的装置，该装置一气呵成的验证了二者可以发生反应，具体实验步骤如下：

（1）分别将一张干燥的紫色石蕊试纸和一张润湿的紫色石蕊试纸放在Y形导管的两个支管中。

（2）用一张单层的餐巾纸裹住适量的CaCl2，放在Y形导管中支管的前方，把Y形导管水平放置，调节左侧Y形试管，使稀盐酸流入石灰石一侧。

（3）立即产生气体，湿润的试纸变红，干燥的试纸没有变色，则说明C02与水发生了反应。

（4）取出干燥的试纸，向干燥的试纸滴加稀盐酸，干燥试纸变红，则说明C02与水反应生成的新物质的化学性质与稀盐酸相似。

著名化学家傅鹰说：“化学是实验的科学，只有实验才是最高法庭。”在教学过程中，教师要有意识地从不同角度对化学实验进行创新设计，力求为创新实验增添可行性、趣味性、简易性和探究性，从而为学生对方法的积累和知识的构建搭建一个良好的阶梯，才能真正达到培养学生必备品格和关键能力的目标，也为培养师生科学精神提供了方向和路径。

参考文献

[l]林崇德.构建中国化的学生发展核心素养[J].北京师范大学学报，2017（1）：67

[2]范杰，化学实验论[M].太原：山西科学技术出版社，2001：19-22

[3] 肖常磊，钱扬义，中学化学实验教学论[M].北京：化学工业出版社.2007：51

[4]马逸群，魏海，“探究微粒运动实验”系列设计[J].化学教学，2014（8）：58-60