新课程背景下对化学的传统实验改革创新的探索.doc

新课程背景下对化学的传统实验改革创新的探索 无锡 柯卫平 杨文君
新课程背景下对化学传统实验改革创新的探索
（柯卫平 杨文君）
（江苏省无锡市北高级中学，无锡，214045）
摘 要 在新课程背景下对化学传统实验的设计实施了“三个转向”。在实验大赛中获省实
验调演一、二等奖各一个，市二等奖一个。其中，“绿色的氯气的制备及性质微型
实验”是将氯气的制备、性质和有害气体的处理在密封的“井穴板”中完成的微型
绿色化实验；“数字化中和滴定实验”是集传统的酸、碱中和滴定及传感器、数据
采集器、计算机于一体的化学实验；“电化学多功能实验仪”是集电化学教学中所
有实验于一体的实验仪器。
关键词 理念更新 微型绿色化 现代化 多功能化
化学是以实验为基础的一门自然学科。新课程实施4年来，广大学生在知识及技能、过程及方法、情感态度及价值观各方面得到极大的提升，学生积极主动，自主探究的学习条件和良好民主和谐的学习环境，也得到了进一步改善。但在这一过程中，仍有部分教师的教学理念比较落后，在课堂教学中弱化中学化学实验教学，针对这一情况，我校化学组组织全体教师学习新课标教育理论及教学研究的有关文件及文章，同时参加省、市开展的高中新课标骨干教师的培训，了解新课标实施的背景、意义、指导思想、目标和课程设置，对新课标中的“三维”目标要求有了深刻的理解。首先，教师反思了教学理念。新课标要求体现学生主体地位，体现大众教育，体现素质教育，体现新型的师生关系，较好把握课程及教学的新理念。其次，教师反思了教学方法。传统的教学方法是“我教你学”，教学存在盲目性。而新课程体系中要求根据学生的实际情况因材施教，分类指导，提高教学的针对性。第三是教师反思了教学手段。传统的教学手段——“一支粉笔、一张纸加上实验演示和投影”的方式呈现出来的课堂教学手段比较落后。新课程中要求利用现代化的教学仪器，根据课本实际需要设置教学情景，激发学生的学习兴趣和激励学生的学习志向。四是教师反思了化学实验教学。根据新教材中不再分演示实验和学生实验，有些教师就以课程紧无时间或该实验有污染不环保等为借口，淡化了教师的演示实验和学生的分组实验。我们认为：搞好中学化学实验教学能有利于化学教学质量的提高，有利于全面落实和提高学生的科学素养，有利于激发学生学习化学的兴趣，有利于训练学生的思维科学方法，有利于培养学生的科学态度和价值观。但是在实验教学中，还存在以下误区：其一是强调实验装置微型化，而忽略绿色环保；其二是只强调教师的演示实验，忽略了学生的实际动手能力；其三是强调了学生的动手能力而忽略了实验的现代化；其四是强调个体实验的结果而忽略单体实验的多功能性。因此，实验教学的强化和创新问题是高中课改亟须解决的问题。如何解决以上的问题，我校化学组及实验室的老师在这方面作了有益的探索，着重在以下三个方面进行了“转向”。
一、使化学的传统实验——氯气的制备向微型化、绿色化转向
新课程教育倡导科学探究为主的自主学习、探究学习、合作学习、研究性学习方式；重现学生的亲身经历和体验；强调创设生动而有意义的学习情境。新课标赋予化学实验更多内涵和教学系功能，需要我们转变传统的实验教学理念，重新审视化学实验教学。例如传统的实验存在学生看的实验多，亲自做的实验少的现象。但是我们知道，实践是检验真理的唯一标准，动手实验少不利于激发学生学习的主动性和创新意识，不利于学生养成严谨的科学态度和科学价值观。例如，氯气的制取、净化、收集、尾气的处理装置（如图1）。首先，只适合教师的演示，在课堂上只有部分同学能清晰看到实验现象；其次在装置拆除过程中有大量有害气体产生会 图1
污染环境；再次，不利于学生做分组实验。因此，设想将只适合于演示实验的装置能否改为小型化，以尽可能少的化学试剂来获得明显、清晰的反应结果和理解化学实验原理和技术。例如图2装置是氯气的发生装置，性质实验及尾气处理集一体的装置，该装置的最大优点：一是可以分组实验，提高学生的动手、观察、分析能力。二是实验用量少，现象明显。不足是该装置在拆除过程中仍有有害气体污染环境。根据上述情况，我们设计了一套既环保又微型化又便于学生分组实验的装置，即“绿色的氯气的制备和性质微型实验”。
1. 设计意图 图2
氯气的制备和性质实验是高中化学教学中的重点和难点，在元素化合物知识的教学中
具有代表性，为了有利于提高学生的学习兴趣，增强学生的动手能力和分析问题能力，必须将教师的演示实验改为分组实验，而要做到分组实验，实验装置必须实施微型化；同时为了培养学生的环保意识和创新思维，实验装置的微型化必须体现绿色化，在实验拆除过程中必须无有害气体产生。
2. 实验原理
氯气的制取是利用高锰酸钾固体和浓盐酸在常温下反应来制取。反应装置可以用塑料的“井穴板”做反应容器，而“井穴板”放在密封盒中，利用气体的扩散原理进行Cl2的相关性质实验，如：①Cl2使湿润的红纸褪色，②干燥的红纸不褪色，③Cl2使品红溶液褪色，④Cl2及碘化钾淀粉溶液反应变蓝色。最后利用氢氧化钠溶液，吸收多余的Cl2。
3. 实验试剂
KMnO4固体、浓盐酸溶液 、NaOH溶液
品红溶液、红色纸条、KI淀粉溶液
4. 实验仪器

图3：井穴板 图4：密封盒和一次性注射器
5. 实验步骤和现象
⑴将井穴板（图3）放入密封盒中（图4），在井穴板的孔穴2中加入KMnO4固体，在空穴1、3、4、5、6中依次加入干燥红色纸条、湿润红色纸条、品红溶液、KI淀粉溶液、NaOH溶液，后将可移动的滑板盖盖上。
⑵在注射器中吸入少量浓盐酸，注入盛有KMnO4固体的孔穴中。此时，可以看到KMnO4固体和浓盐酸剧烈反应，生成黄绿色气体，随后，可以看到湿润的红色纸条褪色，而干燥的红色纸条不褪色，品红溶液褪色，KI淀粉溶液变蓝色。
⑶反应完毕后，将密封盒倒转振荡，使NaOH溶液能充分吸收多余的氯气。最后用水清洗所有仪器，用餐巾纸擦干立即可以进行下一个班级的分组实验。
6. 实验装置成功的关键
⑴密封盒的密封性要好。制取密封盒精度要高，材质使用有机玻璃。在实验前必须检验装置的气密性，将密封盒上可移动的滑板盖，装好一次性2毫升注射器，将其完全浸没到水槽中，看是否漏气；或在密封盒中加少量水，倒置，观察盖子周围是否漏水，如有漏气现象，可以在盒盖的边缘涂上少量的凡士林，再检查一遍，直至无漏气现象。
⑵在密封盒的盖板上装上一次性注射器必须使用可塑性密封橡胶。
7. 实验改进的意义
⑴绿色化：气体的制备和性质实验在完全密闭条件下完成，实验药品用量少，产生的有毒气体少，最大限度地减少有毒气体的散逸，减少对环境的污染和对师生健康的危害。在实验过程中对学生进行环保教育，激发学生学习化学的积极性。
⑵微型化：实验装置简单， 由于使用“井穴板”，省去许多导管、橡皮塞的连接，更易控制气密性；实验操作方便，只需掌握滴管的使用方法即可，而且对比实验现象明显，适合师生人手一套进行分组实验，使每位学生都能清楚的观察到实验现象，激发学生做化学实验的兴趣。
⑶制备、性质、尾气处理实验一体化：利用KMnO4固体和浓盐酸溶液常温下反应制备氯气，方便快捷，氯气随用随制。在讲解氯气性质时，可以根据教学内容的需要选择不同的实验内容。有毒气体处理也在密封盒中完成。
⑷通用性强：该装置不仅使用于氯气的制备和性质实验，也适用于其他不加热气体的制备及性质实验，尤其是有毒有害气体的实验。如用亚硫酸钠及硫酸反应制SO2、用铜和浓硝酸反应制NO2等。
该实验：“绿色的氯气的制备及性质微型实验”获江苏省第五届中学化学实验调演一等奖，无锡市中学化学实验调演一等奖。
二、使化学的传统实验——酸碱中和滴定向现代化的中学化学实验转向
传统化学实验，过于强调实验对所认识的化学基本概念、基本规律和基本原理的验证，学生只要按照实验步骤做下去，就可以得出结论。这样的实验功能根本不能促进学生科学素养的发展。同国外的化学课程相比，我国化学课程中的化学实验无论从实验方法还是实验手段来看，都远远落后于化学科学的发展。由于现代科学技术的发展，在化学实验中又使用了许多新的科学仪器，如：红外光谱仪、原子吸收光谱仪、核磁共振仪、质谱仪、传感仪等等。随着我国改革开放三十年来，我国经济科技的飞速发展，已对中学化学实验提出更高要求，将中学化学实验逐步现代化已成为大家的共识。有感于上述的认识，我们对传统实验——酸碱中和滴定进行现代化实验的探索，即：“数字化中和滴定实验”。
1. 设计意图
苏教版“化学反应原理”选修一书中有关酸碱中和滴定一节内容，是采用酸度计测PH的，我校使用的是无锡市配发的筒式酸度计。在实验使用过程中存在以下几个问题：①酸度计的频繁使用，要反复对酸度计进行校零，工作繁琐，时间消耗多。②酸度计测量数值时 ，稳定时间较长，延长了整个实验过程，一节课无法完成盐酸滴定氢氧化钠溶液过程中的PH变化曲线图。③由于酸度计较宽，溶液要及时混合时只能用酸度计当玻璃棒搅拌，操作上不符合规范。针对以上实验存在的问题是否可以使用现代化的实验手段及传统实验有机结合起来，动感地、连续地表现酸碱中和滴定的PH变化曲线过程，又可节约时间在课内完成该实验呢？我们研究和探索认为：盐酸滴定氢氧化钠溶液的反应中，混合溶液中氢离子浓度变化是一个关键的特征，可利用PH传感器和相应的数据采集器及分析软件，连接计算机实时跟踪，确定二者不同比例时混合物的PH值，并同步转化为图像输出。
2. 实验仪器及药品
朗威®DISLab6.0数据采集器、pH传感器、计算机、100ml锥形瓶、滴定台、酸式滴定
管、碱式滴定管。
蒸馏水、0.1mol·L -1 HCl溶液、未知浓度的NaOH溶液、酚酞试液
3. 实验装置图

图5
4. 实验步骤
⑴按图5，组装实验装置，安装滴定台，将PH传感器、数据采集器、计算机相互连接。
⑵打开计算机，进入V6.0实验软件系统。点击“通用软件”，系统自动识别所接入的传感器，并显示pH。
⑶用碱式滴定管取20ml未知浓度 NaOH溶液注入到一只100ml锥形瓶中，滴加酚酞2～3滴。将带有PH传感器和塑料软管的橡胶塞塞在锥形瓶口上，使传感器电极玻璃泡完全浸入液面下，塑料软管的另一端及酸式滴定管尖嘴相连。
⑷在计算机上打开“计算表格”，添加变量“V”代表HCl滴定体积，选择“平铺窗口”。摇动平底烧瓶，待系统显示的pH稳定后点击“手动记录”，记下初始pH，并将滴定管初始体积输入到相应位置。
⑸滴定刚开始时，每滴入盐酸2毫升取一个值，摇动锥形瓶，点击“手动记录”，记下pH，同时将HCl的滴定体积读数记录在表内。当pH降到12-11时，将改为0.5毫升记录一次，并注意溶液颜色变化。当pH降到3-2左右时，改回每2毫升取一个值， 并注意pH的变化。
⑹点击“绘图”，设定x轴、y轴分别为“V”、“pH”，得出一组“V-pH”数据点（图6）。点击“设置”，取消“只画离散点”即得到0.1mol·L -1 HCl滴定未知浓度NaOH的滴定曲线（图7）。
图6
图7
⑺点击鼠标右键，选择“鼠标显示坐标值”，沿滴定曲线可找到pH=7时的HCl滴定体积，计算可得未知浓度NaOH的浓度。
⑻用蒸馏水淋洗pH传感器探头2-3次，并用滤纸吸取附着在pH探头上的蒸馏水，可重复实验步骤⑶-⑻做2-3次后，求滴定体积的平均值然后进行计算。
5. 实验装置成功的关键
⑴ PH传感器的固定。PH传感器是圆柱体、可采用大口锥形瓶，在橡胶塞上打一个
大的孔来插入PH传感器并固定。
⑵ 另在橡胶塞打一个小孔插塑料软管作盐酸溶液引流管，另一端连接在酸式滴定管
尖嘴口，摇动时不易损坏所用仪器，又使溶液及时混合使所测PH值数据正确率高。
6. 实验改进的意义
⑴ 本实验采用传感技术、数据采集器，分析软件、计算机的帮助，使传统酸碱中和滴定实验赋予全新的含义，让学生清晰地看到随着盐酸溶液的滴加，观察到整个反应体系的PH变化曲线，缩短了实验时间，提高了课堂效率，尤其使学生容易理解滴定飞跃的全过程和本质，拓宽了学生了解使用先进的科学技术的研究手段和研究方法，激励学生的积极向上学习兴趣，培养了科学严谨的学习方法。
⑵ 目前江苏省有很多学校都装备了物理数字化实验室，为学生分组实验，开展“数
字化中和滴定实验”提供了宝贵的实验平台，同时PH传感器及筒式酸度计价格差不多，如损坏，筒式酸度计作报废处理，而PH传感器厂家免费维修，便于全面推广数字化酸碱中和滴定实验。
该实验“数字化中和滴定实验”获江苏省第五届中学化学实验调演二等奖，无锡市中学化学实验调演一等奖。
三、使化学的传统实验——电化学的多个单体实验向单体多功能实验仪转向
1．设计意图
传统的电化学教学中，分别有溶液导电性实验、原电池实验、电解饱和食盐水实验、电
解氯化铜实验、氢氧燃料电池等实验组成。一套又一套的实验，在做学生分组实验时，准备工作多，非常不方便，并且有的实验要产生有害气体，影响师生的身心健康，那么是否可以研制一套集所有电化学实验于一体又是绿色环保的多功能实验仪器呢？我组化学教师及实验室教师共同研制了“电化学多功能实验仪”。该装置能做电化学教学中所有实验，既符合教师演示实验使用，又便于学生分组实验的使用，并且实验装置环保绿色化。
2．实验仪器
盒子2个、碳棒两套带盖板2个、导线6根、导电仪、发光二极管和音乐模块各1个、带两个胶圈板、锌片电极1个、铜片电极1个、铁片电极1个、带铜座小碳棒2根、 圆形塑料套管2个、注射器2只、检验氯气小盒1个。
3．实验试剂
1mol·L-1醋酸溶液 0.5 mol·L-1硫酸钠溶液 25%氯化铜溶液
0.1 mol·L-1氢氧化钠溶液 3 mol·L-1稀硫酸 饱和氯化钠溶液
4.实验仪器装置图和试剂
溶液的导电性实验和原电池实验较简单，只列出实验装置图。
(Ⅰ)溶液导电性实验，见图8
实验步骤，现象略
(Ⅱ)原电池实验，见图9

实验步骤，现象略
下面着重介绍氢、氧燃料电池实验和电解饱和食盐水实验
（Ⅲ）氢、氧燃料电池实验
（1）实验装置图 见图10
（2）实验步骤：
①按图10装置连接，先把开关扳到溶液导电一侧，导线连接在电源接线柱上，二极管或音乐板模块连在左侧两个接线柱上，调节电压至6V，打开电源开关，先充电10秒左右，电解硫酸钠溶液产生氢气及氧气。
②关掉电源开关，把装置上的开关扳到燃料电池，做氢、氧燃料电池放电实验。　
（3）实验现象：
按实验步骤①：可观察到，两极上都有大量气泡产生，阴极产生的气泡比阳极多。
按实验步骤②：可观察到，二极管发亮，音乐响了，响的时间很长。
（Ⅳ）电解饱和食盐水实验
（1）实验装置图 见图11
（2）实验步骤：
①在两个导气管口加上橡胶塞或乳胶套，把套管内的空气用针管抽空，充满溶液。按照图11连接好线路，电压调至6V，打开电源开关，通电1～2分钟。
②关掉电源，用注射器抽出套管中的气体，可做气体检验。用抽有氢气的注射器蘸取肥皂水，将针头移近酒精灯火焰后推针筒活塞；另将抽有氯气的注射器中的氯气注射到一个密闭的自制小盒中，盒中一格放湿润红纸，另一格放氢氧化钠溶液，片刻后，振荡小盒。
（3）实验现象：
按实验步骤①：可观察到，套管中有无色氢气和黄绿色的氯气产生，溶液被排到套管外。　
按实验步骤②：可观察到，针头处有气泡、点燃则发生轻微的爆鸣声；氯气使湿润的红色纸条褪色，振荡小盒，氢氧化钠溶液充分吸收剩余的氯气。
5．实验装置成功的关键
(1)根据电化学各实验的共性和差异性，设计了一个电化学实验共用电路板，根据不同实验，通过不同的开关来调整电路。
(2)原电池装置和氢氧燃料电池由于电流小，由电流计改为音乐板和发光二极管来显示，
效果显著。
(3)电解饱和食盐水会产生有毒气体，通过电解池装置的改进确保装置绿色化。
6. 实验装置改进的意义：
（1）电化学多功能实验仪是一种实验仪器具有多种实验功能，提高了仪器的利用率，使用发光两极管和音乐板，增添了实验的趣味性。
（2）电解饱和食盐水利用圆形塑料套管隔绝氢气、氯气及氢氧化钠溶液之间的反应，气密性好，制取的气体纯，产物性质检验融为一体，实验现象明显，装置绿色环保，无有害物质污染环境。
注：做电解氯化铜溶液实验时，氯化铜溶液浓度改为25%，两个电极都改用碳棒，操作同电解饱和食盐水。
（3）电化学知识是学生学习化学的难点，利用该装置有利于高三学生综合复习电化学知识动手做实验，巩固电化学知识。
该实验“电化学多功能实验仪”获无锡市中学化学实验调演二等奖。
上述三套实验装置在研制创新过程中，全组教师群策群力，通过分析研讨对照新课程实
验教学的要求，首先从设计思想、设计原理取得共识、再进行实验装置的制作，再在校内进行实验演示，然后根据实验现象，实验结果，集思广益，进行点评，再重新审视实验改进的思路，提出意见，然后再进行改进。通过三上三下几个回合，终于在全省、全市的中学化学实验调演中取得了优异的成绩，其中也得益于学校领导对化学实验教学的重视和大力支持。
我们认为：三套实验装置实用性强、实验效果明显、绿化环保、操作简单、费用低廉，适合各校采用，具有较强的推广价值。
主要参考文献
[1]王祖浩，王磊，解读化学课程标准（实验），武汉；湖北教育出版社，2005.4:210～238
[2]刘成坤 新课程教学改革实验工作中的问题及对策，中学化学教学参考，2008、(1~2):19-21
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