魏 海 李德前
在多年的化學(xué)教學(xué)中,筆者在用好課本實驗的同時,還敢于質(zhì)疑課本實驗的不足,合理利用現(xiàn)有的儀器和代用品,成功改進(jìn)和設(shè)計了一些化學(xué)實驗裝置[1]。
改進(jìn)和設(shè)計化學(xué)實驗,筆者常以發(fā)明創(chuàng)造學(xué)上的缺點列舉法、希望點列舉法、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、落實希望。按照這樣的思路進(jìn)行實驗創(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)教育教科書九年級化學(xué)(上冊)》中的“探究微粒運動的實驗”為例,介紹化學(xué)實驗創(chuàng)新的幾種常用方法。
“缺點列舉法”是指通過發(fā)掘現(xiàn)有物品的缺點,然后設(shè)法逐項克服缺點的發(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,都使用了缺點列舉法,該技法也是改進(jìn)化學(xué)實驗最常用的基本方法。
按照教科書上設(shè)計的方法做“探究微粒運動的實驗”時,總會感到有如下缺點:
(1)氨水的用量大,每次實驗需要150 mL~200 mL。
(2)氨氣極易逸出大燒杯污染環(huán)境,尤其實驗結(jié)束回收氨水時。
(3)每到一個班級都要重新組裝藥品和儀器,很不方便。
經(jīng)過苦思冥想,獲得如下克服缺點的思路:
(1)根據(jù)“縮小省略法”(運用減少、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,以縮小實驗空間,同時便于封閉實驗體系。
(2)應(yīng)用“替換法”(通過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細(xì)口瓶,這樣就無需回收氨水并可長期使用;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,以便于組裝實驗用品。
(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),決定選用一個玻璃旋塞,將細(xì)口瓶里的氨氣在需要時才釋放出來,這樣就使裝置可控。
(4)采用“異類組合法”(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),將上述實驗用品在豎直方向上進(jìn)行組合,即得圖1所示的實驗裝置[2]。使用該固定裝置,不僅操作方便、綠色環(huán)保,而且便于多個班級連續(xù)實驗。
需要說明的是,玻璃管上端不一定要封閉,因為使用此改進(jìn)裝置探究氨分子的運動時,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動的一個例證[3]。另外,這也有利于氨分子在玻璃管內(nèi)自由運動。
(1)按圖1組裝好實驗裝置。
圖1 “探究微粒運動的實驗”新裝置之一
(2)實驗時只要打開玻璃旋塞,濕潤的酚酞紗布條就會由下到上慢慢變紅,從而說明分子在不斷運動。
(3)把細(xì)口瓶放到熱水里稍微熱一熱(熱水溫度不要超過60 ℃以防燙壞玻璃瓶),酚酞紗布條變紅的速率就會明顯加快,這說明溫度越高,分子運動的速率越快。
(4)實驗結(jié)束,關(guān)閉活塞,酚酞紗布條逐漸變成無色。
(5)整個班級的教學(xué)任務(wù)結(jié)束后,即可拆開裝置,清洗、整理儀器,留待今后使用。
發(fā)明者從個人愿望或社會需求出發(fā),針對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“希望點列舉法”。像飛機(jī)、汽車、鋼化玻璃等都是根據(jù)人們的希望創(chuàng)造出來的,該發(fā)明技法也是設(shè)計化學(xué)實驗最常用的基本方法。
使用圖1實驗裝置一段時候后,筆者又希望該實驗裝置能更簡單、組裝起來更方便,于是提出如下希望點:
(1)保留圖1實驗裝置的優(yōu)點(如藥品用量少、實驗體系相對封閉、裝置可以反復(fù)使用、實驗現(xiàn)象明顯等)。
(2)實驗用品更簡約、實驗裝置更簡潔。
怎樣實現(xiàn)上述美好的愿望呢?經(jīng)過多次反思后,筆者決定采用“縮小省略法”落實希望點。
(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的酚酞紗布條,同時用橡皮塞封閉試管口。
(2)將上述實驗用品在豎直方向上組合,即得圖2所示的實驗裝置(夾持儀器略)。
(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驗的正常進(jìn)行);在橡皮塞的反面,用大頭針固定濕潤的酚酞紗布條。
(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,從而說明分子在不斷運動。
圖2 “探究微粒運動的實驗”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更快,這又說明溫度越高、分子運動的速率越快。
(4)每次實驗結(jié)束,拔出橡皮塞和紗布條(放入干凈的小燒杯里),再用另一個備用橡皮塞封閉試管口。
(5)整個班級的教學(xué)任務(wù)結(jié)束后,拆開裝置,清洗、整理儀器,留待今后使用。
發(fā)明創(chuàng)造說到底就是兩條路,一是全新的發(fā)現(xiàn),二是模仿再設(shè)計。模仿法就是模仿和借鑒已有事物的某些有效因素,并對其提煉再設(shè)計,從而開發(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等,該創(chuàng)新技法是創(chuàng)新化學(xué)實驗的捷徑,但不能生搬硬套,否則會有抄襲的嫌疑。
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“探究微粒運動的實驗”。
圖3 “探究微粒運動的實驗”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存少許濃氨水),這樣就制成了適合本實驗需要的T型三通管。
(2)將一根濕潤的酚酞紗布條放入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。該實驗現(xiàn)象不僅說明氨分子在不斷運動,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)實驗結(jié)束,拆開裝置,清洗、整理儀器,留待今后使用。
在改進(jìn)和設(shè)計化學(xué)實驗時,我們要靈活、巧妙地運用創(chuàng)新技法,從而使化學(xué)實驗更加科學(xué)完美、簡約實用、直觀鮮明。
[1] 李德前,趙紅.指導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)化學(xué)實驗裝置[J].化學(xué)教學(xué),2006(5):1-3.
[2] 李德前.“氨分子擴(kuò)散”實驗綠色化設(shè)計[J].化學(xué)教育,2008(6):64.
[3] 劉傳友.以簡取勝 改進(jìn)實驗[J].教學(xué)儀器與實驗,2010(1):22-23.
[4] 吳端斗.二氧化碳性質(zhì)實驗的改進(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.