高中新课程中的化学实验教学创新

〔关键词〕新课程;实验仪器;实验方法;实验探究

在实施高中化学新课程的过程中,如何开展化学实验教学创新,以发挥化学实验对提高学生科学素养的重要作用?本文谈一些做法和体会。

一、开发实验仪器 创设教学情景

新课程倡导鼓励教师和实验管理人员开发实验仪器,研究低成本、少污染的化学实验。同时也鼓励学生和教师充分利用生活中的常见用品和废弃物,设计富有特色的实验和实践活动。开发的化学实验仪器应有助于激发学生学习化学的兴趣,创设生动活泼的教学情景,帮助学生理解和掌握化学知识和技能,训练学生的科学方法,培养学生的科学态度和价值观。

1.开发简单实验仪器

新课程中很多化学概念和理论的形成,一般都首先从认识具体物质的性质入手。而物质的性质,必须借助于一定的实验仪器装置,在人为控制的条件下,使物质发生物理变化或化学变化时才显露出来,被学生感知。学生从获得化学实验事实的基础上形成化学概念、认识化学理论。新教材中安排使用了许多先进的仪器设备和现代化的实验手段,为高中化学教学提供了可靠的保障。但是开发一些简单的仪器装置,在化学教学中也能发挥出独特的作用。

例如,胶体电泳的实验虽不断改进,但仍具有所需电压高、操作不便、耗时过长等缺点。改进的重点应放在控制较低的电压来实现胶体的快速泳动,以帮助学生理解胶体的电泳原理。笔者通过查阅大量有关文献,得出以下几点可借鉴的改进思路:(1)用氢氧化铁胶体比其他胶体的色差好,便于观察胶体的涌动现象;(2)用氯化钾溶液作辅助液比其他电解质溶液好,阴阳离子的迁移速率与氢氧化铁胶粒的迁移速率很接近;(3)电压越高实验所需的时间越短;(4)电泳装置主要是U形管或H形管。

2.寻找仪器替代用品

用日常生活用品替代一些化学仪器,不仅节约开支,而且实验效果很好。例如在原电池和电解实验中,用1号锌锰电池的碳棒替代石墨电极,用盛放石蕊试纸的小塑料盒替代U形管或小烧杯做电解槽效果就很好。这是因为装置中两个电极的距离比在U形管中小很多,所以省电省时。这种塑料盒长60mm,宽53mm,厚13mm,容积24mL,与小型U形管容积相当,而且材质无色透明,便于观察实验现象。使用时用双面胶固定在塑料板或木板上,防止倾倒。

二、改进实验方法提高实验技能

化学实验方法是根据化学实验目的,通过运用实验仪器、设备、装置等物质手段,在特定的实验条件下,变革化学实验对象的状态或性质,通过实验观察获得各种化学科学事实,以探究化学问题的一种科学研究方法。新课程标准要求掌握基本的化学实验方法和技能,了解现代仪器在物质的组成、结构和性质研究中的应用。高中化学新课程中安排了丰富的实验内容,对培养学生的实验方法和技能发挥了重要的作用。但是学生实验方法和技能的提高需要教师具有高超、精湛的实验方法和技能,才能为学生做好示范和指导。

1.改进常规的实验方法

新课程积极倡导探究性实验方法。例如新教材安排了铁跟水蒸气反应的科学探究实验,让学生尝试用一支试管完成铁粉与水蒸气的反应,试管底部塞有一团潮湿的棉花,在湿棉花旁边放有铁粉,实验时用一盏酒精灯先后加热两处。教学实践表明该实验具有如下缺点:(1)实验操作不简便;(2)由于棉花吸水量不好控制,致使试管损坏率较高;(3)实验所需的时间较长;(4)实验成功率较低。实验改进的关键是设法获取稳定的水蒸气气流,而用加热硫酸铜晶体粉末的方法就能很好地解决这个难题。具体实验方法如下:

取一根规格为6×250mm干燥洁净的玻璃管,用纸槽从玻璃管两端加入各0.5g的硫酸铜晶体粉末和还原铁粉,两种粉末的距离约100mm,用胶头封住靠近硫酸铜晶体粉末的一端,另一端连接带玻璃导管的胶管(见图1(a))。

图1 铁跟水蒸气的反应

(2)将玻璃管固定在铁架台上加热(见图1(b)),先用一盏酒精灯加热还原铁粉处约半分钟后,再用另一盏酒精灯加热硫酸铜晶体粉末处。

(3)蒸发皿中盛放洗涤剂的水溶液,将玻璃导管口伸入液面下,待蒸发皿中出现较多的气泡时,用燃着的火柴去点燃气泡,可发出爆鸣声。

上述实验具有微型实验装置的优点,不仅实验装置美观,操作简便,成功率高,而且省料省时,3分钟就能获得满意的实验现象。

2.掌握现代仪器的科学使用方法

滴定分析法是在18世纪中叶从法国诞生和发展起来的,至今仍在广泛的应用。新教材中安排了“实验测定酸碱滴定曲线”的实践活动。但该实验不仅操作难度大,而且很难绘制出标准的滴定曲线。最好的解决方法是利用传感器采集数据,边滴定边采集数据同时在电脑上获得滴定曲线。但在实验操作时经常得到的是曲曲折折的不圆滑的曲线。笔者通过实践摸索出实验成功的操作方法是:在确保搅拌均匀的条件下,无论滴速快与慢,只要匀速滴入标准液(或待测液),就能绘制出标准美观的滴定曲线(见图2)。

图2 用传感器采集数据绘制的

酸碱滴定曲线

巧妙地利用化学仪器和试剂,不仅能产生新奇的各种实验现象,激发探究化学问题的浓厚兴趣,而且能产生积极向上的情感和创新灵感,获取科学研究的方法,形成化学实验技能。

三、加强实验探究 培养综合素质

新课程强调重视探究学习活动,发展学生的科学探究能力。因为探究学习是学生学习化学的一种重要方式,也是培养学生探究意识和提高探究能力的重要途径。教师应充分调动学生主动参与探究学习的积极性,引导学生通过实验、观察、调查、资料收集、阅读、讨论、辩论等多种方式,在提出问题、假设、制定计划、实验操作、收集证据、解释与结论、反思与评价、表达与交流等活动中,增进对科学探究的理解,发展科学探究能力。

笔者认为,加强实验探究的突破口应该放在探究化学反应原理,揭示化学变化的规律上。

1.盐桥能否用金属导线替代

新教材安排了有盐桥的锌铜原电池装置。在强调盐桥的重要作用后,启发学生能否用金属导线替代盐桥?在学生争论不休时,将一段铜导线替代盐桥做实验,实验结果使师生大吃一惊,不仅装置有电流产生,而且产生的电流比用盐桥更大。怎样解释这一“反常”现象。实验事实似乎支持了认为金属桥可以替代盐桥的结论。其实并不然,因为金属导线仅仅起导体的作用,而不能使阴阳离子向两个半电池迁移,保持电解质溶液呈电中性。如何说服学生呢?笔者分别用铜丝、锌片、铁丝替代盐桥,都有大小不同的电流产生。但将插入硫酸铜溶液的铜丝与插入硫酸锌溶液的锌片拧接在一起替代盐桥时,就没有电流产生。这个实验有力地说明了“金属桥能替代盐桥”是错误的结论。该如何解释用某些金属导线替代盐桥时也有电流产生呢?其原理是:当用铜导线替代盐桥时,锌片、铜导线与硫酸锌溶液形成了原电池,铜片、铜导线与硫酸铜溶液只起导体(其实相当于镀铜的电镀池)的作用,故产生的电流较大;若用锌片替代盐桥,锌片、铜片与硫酸铜溶液形成了原电池,锌片与硫酸锌溶液也只起导体(其实相当于镀锌的电镀池)的作用;若用铁丝替代盐桥,其实是锌铁电池与铁铜电池的串联,当然也有电流通过。

2.钢铁在酸性环境下发生吸氧腐蚀

在学完金属的电化学腐蚀后提出问题:钢铁在酸性环境中会发生析氢腐蚀吗? 几乎所有学生都认为是对的。但实验结果却出人意料:将一根铁钉用1:2盐酸浸泡除锈后,放入具支试管中,导管内的硫酸铜液面不但不下降反而上升(见图3),其高度与用饱和食盐水浸泡过的铁钉几乎一样高。这是为什么呢?仔细分析就不难得出结论:虽然铁钉表面吸附少许盐酸,但放在具支试管中,由于氯化氢的挥发使水膜的酸性减弱,即使有少量的氢离子得电子生成氢气,但主要是溶解在水膜里的氧气得电子发生吸氧腐蚀,致使具支试管里的气体体积明显减小而不是体积增大。实验说明,钢铁在酸性较弱的环境中也主要发生吸氧腐蚀,吸氧腐蚀是比析氢腐蚀更普遍的电化学腐蚀。

图3 用稀盐酸浸泡的铁钉发生吸氧腐蚀

学生通过这样深层次的实验探究,经历对化学物质及其变化进行探究的过程,才能真正理解科学探究的意义,掌握科学探究的基本方法,明显提高科学探究能力。

新课程重视化学实验教学,为广大师生开展化学实验教学创新提供了广阔的空间。因此,教师应该重视引领高中学生开发化学仪器,改进实验方法,加强实验探究,培养学生应用化学知识解决生活、生产及科研中的实际问题,不断获得一种迎难而上而且激动人心的愉悦,从而提高科学探究能力。(稿件编号:091214007)

(作者单位:河北省承德县上板城高中,067411,电邮:)