在實驗改進(jìn)和設(shè)計中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力

馬逸群+魏海

摘要：在化學(xué)實驗教學(xué)中，為了培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑精神和創(chuàng)新能力，豐富化學(xué)實驗教學(xué)資源，我們注意引領(lǐng)學(xué)生參與化學(xué)實驗的改進(jìn)和設(shè)計。通過改進(jìn)實驗方案、優(yōu)化實驗方法、設(shè)計實驗裝置、研制實驗用品等，培養(yǎng)了學(xué)生的批判精神，點燃了學(xué)生的創(chuàng)新熱情，提高了學(xué)生的創(chuàng)新技法，發(fā)展了學(xué)生的實踐能力，從而促進(jìn)學(xué)生不斷享受化學(xué)實驗帶來的快樂和成功。

關(guān)鍵詞：化學(xué)實驗教學(xué)；實驗創(chuàng)新；學(xué)生參與；創(chuàng)新精神；實踐能力

文章編號：1005–6629（2016）10–0016–05 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

化學(xué)實驗具有實踐性、思維性、創(chuàng)造性、趣味性，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力的最佳載體。

多年來，我們徐州市初中化學(xué)名師工作室成員熱衷于化學(xué)實驗的改進(jìn)與設(shè)計，并倡導(dǎo)學(xué)生挑戰(zhàn)權(quán)威，鼓勵他們積極參與化學(xué)實驗的創(chuàng)新，很多學(xué)生在初三學(xué)生金鑰匙科技競賽、青少年科技創(chuàng)新大賽等科技活動中獲得省級以上獎勵，有的學(xué)生還發(fā)表了實驗創(chuàng)新論文。下面結(jié)合實例談?wù)勅绾卧诨瘜W(xué)實驗教學(xué)中引領(lǐng)學(xué)生開展實驗創(chuàng)新活動。

1 改進(jìn)實驗方案，培養(yǎng)批判精神

在化學(xué)教材、實驗論文里，甚至是在化學(xué)教師的實驗創(chuàng)新大賽中，總會發(fā)現(xiàn)一些化學(xué)實驗方案存在缺陷和疏漏。引導(dǎo)學(xué)生對實驗方案進(jìn)行質(zhì)疑并優(yōu)化和改進(jìn)，可以激發(fā)學(xué)生的批判精神，提高他們的質(zhì)疑能力，進(jìn)而引發(fā)對化學(xué)實驗的創(chuàng)新。

例如，按教材上的方法加熱碳酸氫銨時，學(xué)生容易發(fā)現(xiàn)其中的不足：①實驗是在敞口儀器蒸發(fā)皿里做的，無法觀察到分解產(chǎn)物水與二氧化碳；②另外一種分解產(chǎn)物氨氣，雖然能明顯地感覺到，但前排的學(xué)生常常深受其害。經(jīng)過師生交流探討提出改進(jìn)措施：將蒸發(fā)皿更換為可以封閉的透明玻璃儀器、增加石灰水和酚酞試液等試劑，師生設(shè)計出下列三種改進(jìn)方案。

如圖1所示的改進(jìn)方案（夾持裝置略）利用了U形管和注射器，只要微熱碳酸氫銨，白色固體就逐漸減少，同時U形管內(nèi)壁有水珠、酚酞棉花變紅色，充分說明碳酸氫銨受熱易分解、分解產(chǎn)物有水蒸氣和氨氣；停止加熱后，上拉注射器活塞抽取U形管內(nèi)氣體，石灰水立刻變渾濁，說明分解產(chǎn)物還有二氧化碳。學(xué)生因此明白為什么碳酸氫銨要密封保存于陰涼干燥處，施用后要及時用土覆蓋。

圖2所示的改進(jìn)方案利用了小氣球和長柄V形玻璃管（長柄長約15cm、每個支管長約8cm、外徑約1.2cm），只要加熱碳酸氫銨，長柄內(nèi)壁就會出現(xiàn)大量的水珠，同時酚酞棉球變紅色、澄清石灰水變渾濁，說明碳酸氫銨的分解產(chǎn)物有水、氨氣和二氧化碳。另外，實驗尾氣被收集在氣球里。

圖3所示的改進(jìn)方案借助醫(yī)用硅硼鋁玻璃注射器（耐高溫高壓）：微熱碳酸氫銨，分解的產(chǎn)物使注射器活塞向外移動，針筒內(nèi)壁出現(xiàn)較多的水珠，接著果導(dǎo)片（主要成分是酚酞）變紅色，說明分解產(chǎn)物有水和氨氣；停止加熱，再將注射器里的氣體推入石灰水中，石灰水變渾濁，說明分解產(chǎn)物有二氧化碳。

以上改進(jìn)方案都有新穎直觀、安全環(huán)保、簡潔方便等優(yōu)點。學(xué)生在上述探究性學(xué)習(xí)中，也認(rèn)識到“缺點列舉法”[1]是改進(jìn)化學(xué)實驗的一種有效方法。

2 設(shè)計實驗裝置，發(fā)展創(chuàng)新能力

實驗裝置是化學(xué)實驗的硬件和物質(zhì)基礎(chǔ)，它沒有最好，只有更好。在實驗教學(xué)中，我們激勵學(xué)生要敢于質(zhì)疑實驗裝置的缺陷，并力爭改進(jìn)、創(chuàng)新，從而使實驗裝置更加科學(xué)、簡潔、完美，同時培養(yǎng)學(xué)生善于思考、勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神。

例如，教材上利用三個燒杯、濃氨水、酚酞試液等實驗用品去探究微粒運動，雖然實驗現(xiàn)象明顯，但是實驗裝置無法固定，而且濃氨水的用量大、氨氣極易逸出實驗體系。針對該實驗存在的問題，師生對實驗提出如下的希望：實驗體系密閉、藥品用量少、操作較為簡便，依據(jù)“縮小省略法”的創(chuàng)新思路，落實希望點，研制出多個理想的實驗裝置。

如圖4所示的改進(jìn)裝置，只要松開止水夾，浸有酚酞試液的棉花就很快變紅；“酚酞試液與濃氨水沒有直接接觸就能變紅”的事實，充分說明氨分子在不斷運動。另外，該裝置還能反復(fù)使用（變紅的棉花團(tuán)暴露在空氣中就會很快褪色）。

如圖5所示的改進(jìn)裝置，只要按圖連好實驗用品，一會兒藍(lán)色硅膠就能變紅，說明水分子在不斷運動；如果使用熱水，硅膠會更快地變紅，說明溫度升高微粒運動的速率加快[2]。該裝置也可以反復(fù)使用（變紅的硅膠用電吹風(fēng)吹一吹，即可變回藍(lán)色）。

上述實踐活動有利于學(xué)生提升實驗設(shè)計能力，促進(jìn)手腦并用；也使學(xué)生認(rèn)識到，“希望點列舉法”[3]是設(shè)計化學(xué)實驗、研制實驗裝置的又一種有效方法，“縮小省略法”[4]是追求實驗微型化、簡約化的重要手段。

再如，教材上制取二氧化碳的發(fā)生裝置不能控制反應(yīng)的發(fā)生或停止，那么如何設(shè)計才能使反應(yīng)可控呢？教師首先展示圖6所示的發(fā)生裝置，幫助學(xué)生明晰反應(yīng)可控的原因——創(chuàng)造了便于固、液藥品接觸或分離的條件，給學(xué)生的創(chuàng)新搭建支架，打通“最近發(fā)展區(qū)”。endprint

3 優(yōu)化實驗方法，激活創(chuàng)新思維

化學(xué)實驗一般都有約定俗成的操作方法，但是隨著實驗裝備條件的改善和教研活動的深入開展，不少化學(xué)實驗涉及的操作方法還可以優(yōu)化，從而使實驗現(xiàn)象更明顯、實驗過程更簡單、實驗結(jié)果更豐富。

例如，按照教材上的方法點燃蠟燭剛熄滅時的白煙，成功率很低；經(jīng)過分析，師生確定其主要原因是吹滅蠟燭時導(dǎo)致白煙分散；此外，實驗所用的蠟燭較細(xì)，產(chǎn)生的白煙稀少。通過“逆向思維”可知，要確保實驗成功，白煙要多而且集中，于是學(xué)生設(shè)計出新的實驗方法：蠟燭做粗一些[7]（這樣剛熄滅時產(chǎn)生的白煙就多），用容器將蠟燭罩滅（這樣白煙就能集中）。

如圖8所示的實驗，學(xué)生用廢舊的蠟燭頭制成粗蠟燭；用集氣瓶將粗蠟燭的火焰罩滅，再輕輕提起集氣瓶，同時將燃著的火柴靠近上端的白煙，白煙立即被點燃，并再次引燃粗蠟燭。

如圖9所示的實驗，用短頸漏斗罩滅粗蠟燭

接下來，學(xué)生模仿圖7裝置，開動腦筋、不斷修正，終于再造出多個反應(yīng)可控的氣體發(fā)生裝置[5]（見圖7）：圖A通過彈簧夾的開啟控制反應(yīng)（酸動、石灰石不動），圖B通過傾斜或直立碳酸飲料瓶控制反應(yīng)（酸動、石灰石不動），圖C通過上下移動粗銅絲控制反應(yīng)（石灰石動、酸不動），圖D通過上下移動爛底試管控制反應(yīng)（石灰石動、酸不動）。

引領(lǐng)學(xué)生多方位、多角度地思考，追求實驗裝置的科學(xué)美、造型美，學(xué)生就有了懷疑的勇氣，創(chuàng)新的潛能也被激發(fā)出來。學(xué)生在應(yīng)用“模仿創(chuàng)造法”[6]時，也培養(yǎng)了創(chuàng)新精神、提升了創(chuàng)造技巧。的火焰[8]，漏斗口處出現(xiàn)較多的白煙，也容易被點燃。

按照上述操作方法進(jìn)行實驗，學(xué)生都能點燃白煙，而且可以重復(fù)數(shù)次，此時學(xué)生的思維是活躍的，也因此認(rèn)識到“逆向法”[9]是優(yōu)化實驗方法的重要舉措。

每年我們都帶領(lǐng)學(xué)生提取紫甘藍(lán)汁液，并測出其變色范圍。進(jìn)入中和反應(yīng)的學(xué)習(xí)，一些學(xué)生又想到能否用紫甘藍(lán)汁液“替換”酚酞試液探究酸與堿能否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

在課外活動時間，師生進(jìn)行了嘗試：取少許NaOH溶液裝入大試管，再滴入幾滴紫甘藍(lán)汁液，NaOH溶液變?yōu)辄S色；向黃色的NaOH溶液中逐滴加入稍過量的稀鹽酸（不要振蕩溶液），溶液從上往下就依次呈現(xiàn)深紅色、粉紅色、紫色、藍(lán)色、綠色、黃色等，宛若彩虹，學(xué)生激動不已；再振蕩，溶液最終全部為紫色。稍作分析，學(xué)生就知道，NaOH溶液接觸到鹽酸后黃色消失，說明NaOH沒有了，進(jìn)而可知NaOH與鹽酸發(fā)生了中和反應(yīng)。不僅如此，試管里液柱呈現(xiàn)不同的顏色，還顯示了中和反應(yīng)的過程（溶液由強(qiáng)堿性逐漸降至弱酸性）。

在此基礎(chǔ)上，有的學(xué)生又突發(fā)奇想，將U形管“移植”到該實驗中（見圖10）：先在U形管里加入足量的滴有紫甘藍(lán)汁液的NaOH溶液，再從U形管的兩個管口同時滴入稀鹽酸（不振蕩），實驗現(xiàn)象更加絢麗，從而將中和反應(yīng)的科學(xué)美淋漓盡致地表現(xiàn)出來。

這一創(chuàng)新使中和反應(yīng)不再是單色變化，而是色彩絢麗多變、顯示反應(yīng)進(jìn)程、結(jié)論自然順暢，使學(xué)生充分享受化學(xué)實驗的魅力和實驗創(chuàng)新的快樂。同時促進(jìn)學(xué)生，了解“替換法”和“移植法”[10]是優(yōu)化實驗方法的有效策略。

4 研制實驗用品，體驗學(xué)習(xí)成功

化學(xué)實驗室的很多儀器都是百年不變的，如果利用身邊的物品設(shè)計出新的實驗儀器或替代品，則能豐富教育裝備，擴(kuò)大實驗路徑，發(fā)散思維方法，并使學(xué)生的創(chuàng)造力、想象力、動手能力、節(jié)儉的習(xí)慣和熱愛勞動的情操等都得到了錘煉。多年來，我們指導(dǎo)學(xué)生從實驗廢液里提取了多種化學(xué)藥品，自制了酸堿指示劑和石蕊試紙，研制出T形三通管、V形玻璃管、化學(xué)實驗杠桿、地窖空氣取樣儀、多功能塑料瓶等儀器。

例如，受2001年版人教社初中化學(xué)教材中驗證二氧化碳密度比空氣大的實驗[11]啟發(fā)，我們指導(dǎo)學(xué)生巧妙借助杠桿設(shè)計出多個化學(xué)實驗，通過杠桿兩端的質(zhì)量變化，探究物質(zhì)的性質(zhì)和變化規(guī)律。

像探究微粒運動實驗，也可以借助圖11所示的杠桿來完成：先調(diào)節(jié)杠桿至水平狀態(tài)，再輕輕擰下塑料瓶蓋（瓶蓋仍留在塑料瓶上）；一會兒杠桿左端上升、右端下降。稍作分析可知，雖然二氧化碳?xì)怏w密度比空氣大，但敞口正立的塑料瓶里二氧化碳?xì)怏w仍然源源不斷地逸出（同時等體積的空氣進(jìn)入塑料瓶），從而說明二氧化碳分子、氮氣分子、氧氣分子等均在不斷運動。

而圖12所示的杠桿則可以比較蘇打與小蘇打的熱穩(wěn)定性：先加熱左端的試管2min，杠桿保持水平，干燥的藍(lán)色石蕊試紙不變色，說明蘇打受熱不分解。再加熱右端的試管2min，杠桿右端上升，干燥的藍(lán)色石蕊試紙變紅色，說明小蘇打受熱分解，且分解的產(chǎn)物有二氧化碳和水[12]。

另外，若把蘇打換成氯化鈣（或氯化鎂），小蘇打換成碳酸氫鈣（或碳酸氫鎂），進(jìn)行同樣的操作，還可以說明氯化鈣（或氯化鎂）的熱穩(wěn)定性強(qiáng)，碳酸氫鈣（或碳酸氫鎂）的熱穩(wěn)定性差，進(jìn)而可知井水、自來水煮沸可以降低硬度，而海水煮沸不能降低硬度。

此外，活性炭的吸附性也能通過杠桿的平衡變化直觀顯示出來[13]：按圖13連接好實驗裝置，調(diào)節(jié)杠桿水平，一會兒杠桿左端緩緩下沉，說明炭包質(zhì)量變大，進(jìn)而可知二氧化碳?xì)怏w被活性炭吸附了（此時可以告訴學(xué)生，目前已有利用活性炭的吸附性捕集煙氣中的二氧化碳，從而減緩溫室效應(yīng)[14]）。endprint

上述實驗儀器的研制及定量實驗的設(shè)計，放大了實驗現(xiàn)象，較好地培養(yǎng)了學(xué)生的定量意識和發(fā)散思維，體現(xiàn)了多學(xué)科綜合的探究途徑。也使學(xué)生體驗了更多的實驗創(chuàng)新技法，如“類比法”、“同類組合法”、“異類組合法”和“放大法”[15]等。

5 結(jié)束語

多年來，我們相信學(xué)生、敢于放手，積極為學(xué)生打造實驗創(chuàng)新的平臺，及時為學(xué)生提供必需的實驗裝備，使基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)與實驗創(chuàng)新達(dá)到高度的融合；重視創(chuàng)設(shè)質(zhì)疑求新的氛圍，倡導(dǎo)學(xué)生使用身邊物品改進(jìn)和設(shè)計化學(xué)實驗；注重發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，注意傳授發(fā)明創(chuàng)新的技法。學(xué)生在實驗創(chuàng)新的過程中，經(jīng)歷了發(fā)明和創(chuàng)造、體驗了成功和失敗、增加了自信和樂趣，他們擁有的創(chuàng)新熱情必將持續(xù)不斷地燃燒。

總之，科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、充滿樂趣、富有挑戰(zhàn)的化學(xué)實驗創(chuàng)新活動，有利于激發(fā)學(xué)生熱愛化學(xué)的情感，有助于學(xué)生擺脫常規(guī)思維的束縛、開啟獨辟蹊徑的思維視角，并促進(jìn)化學(xué)教學(xué)培養(yǎng)出更多具有開拓意識和創(chuàng)新能力的人才。

參考文獻(xiàn)：

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