化学实验设计与改进研究.doc

汕尾市2012年教育教学论文（案例）交流评比会材料

学科： 化学

论文编号： （（县区号） 3 学科号 5 顺序号 ）

成果形式（论文或案例）： 论文

题目：化学实验设计与改进研究

姓名：杜倩萍

单位：陆河县陆河中学

化学实验设计与改进研究

摘要：为了加强实验教学，提高实验教学水平，化学教师应具备设计与改进实验、进行实验教学研究的能力。本文阐述了设计和改进化学实验的原则探讨了设计和改进化学实验的基本思路和基本方法。后应用实验与改进的方法,联系中学化学教学,列举5个案例对课本需要补充的实验进行研究，对课外活动实验的研究以及对传统实验的改进研究。
关键词：实验教学；实验设计；实验改进；实验研究

化学是一门以实验为基础的自然科学。化学实验是化学教学的基本特征。实验是科学研究的重要方法，也是教师教学生学习科学知识的重要方法。实验教学是对学生进行科学知识、科学方法、科学能力、科学思想和科学品质教育的最生动、最活跃的教学形式。作为化学教学工作者,应该充分认识实验在化学教学中的重要意义和作用。现行教课书中缺少某些实验，或某些实验现象不明显，成功率不高。因此，根据学校的设备情况和学生的实际水平,适当增补一些实验、设计一些课外生活实验或者课本上规定的实验予以改进,设计和创造出适合化学教学、质量更高的实验,从而提高实验教学研究的能力,更好地发挥实验教学的作用。
一、实验设计与改进遵循的基本原则
（１）科学性原则 这是实验设计的首要原则。它指所设计实验的原理、操作顺序、操作方法等时，必须与化学理论知识以及化学实验方法论相一致。教师进行实验研究,其目的主要是要通过对实验现象的分析,得出科学的结论,以实现教学目的。实验研究必须实事求是,讲究科学性,而不能弄虚作假,违背科学规律,更不能有实验现象明显,而不科学的操作和做法。
(2)简约性原则 实验的教育价值往往与仪器的复杂程度成反比,
在不违反科学性和教材要求的前提下,可以对某些实验的仪器进行改进,做到实验装置简单；重点突出；实验材料要容易获得；实验操作较简便；实验步骤较少；实验时间较短；突出创造性。
(３)直观性原则 在实验中,学生往往是通过观察鲜明、生动、准确的实验现象而进行分析、推理,得出科学的结论。所以化学实验的改革,不仅要求简易、快速,还必须做到直观、形象,使每个学生都能观察清楚。这就要求教师对那些现象不够明显,不够直观的实验进行改进,增强直观效果(颜色变化)等现象判断实验的进程。
(4)可行性原则 可行性原则是指设计实验时，所运用的实验原理在实施时切实可行，而且所选用的化学药品、仪器、设备、实验方法等在现行的条件下能够满足。
（5)安全性原则 这是指实验设计时应尽量避免使用有毒药品或具有一定危险性的实验操作。教师在进行实验研究时,必须树立安全第一的主导思想。
二、实验改进和设计的基本步骤
（1）提出实验研究课题（实验目的）。实验目的要求是实验的出发点和归宿，因此在实验设计前，必须对实验的目的要求相当明确
（2）根据实验目的要求，确定实验的原理和方法。只有明确实验原理和方法，才能对实验设计作出合理的规划。
（3）理清设计思路。实验设计的基本思路是：目的——假设——变量——方法——步骤——器材。即根据实验目的提出假设，围绕假设确定被试和变量，按照实验变量采取相应的方法、手段、依从变量控制安排实验步骤、选择合适器材和反应条件等。
（4）实施、对比、控制。在实验实施过程中要特别重视对比和控制，对照不当，实验将失去意义；没有控制，则不能成为实验。实验应始终保持主题活性，细致观察实验现象，详实记录数据。
（5）结果处理。对实验现象、结果、数据进行加工整理，准确表述实验结论。
（6）评价与修正。回顾实验设计，反思实验过程，修正检验假设，对结果评价。
三、实验改进和设计的基本方法
实验研究一定要依据大纲,紧扣教材,符合大纲和教材的总体要求和阶段要求。成功的实验设计与改进来源于立意的创新、构思的巧妙,这要求教师在明确化学反应原理的基础上,必须具有较广博的知识,熟悉化学、物理学、生物学等学科的实验方法及手段。
（1）立意新颖、巧妙构思、改进常规实验装置
（2）正交实验、选择合适的反应条件
（3）因地制宜、自制非常规仪器用品
（4）突破常规、调整药品种类及用量
（5）设计微型实验、防止污染环境
（6）设计探究实验、突出化学学科特征
四、高中化学实验的的设计与改进几个案例
（１）教材需补充的实验研究
在化学教材中,还有许多知识内容没有适当的实验加以说明,若能补充一些实验,就可以在一定程度上突出重点,降低难点,使抽象概念具体化,由微观到宏观,由深奥到浅显,由枯燥到趣味,有利于学生对知识的掌握,更有利于教学质量的提高。
【例１】Na2O2与CO2的反应实验。在人教版化学必修一第５５页，对于Na2O2与CO2的反应没有设计实验。对此，我们重新设计了一个简单可行的实验。实验时,取一干净的干燥管,两端放入少量疏松的玻璃棉,中间放置干燥剂(CaCl2),把干燥管的细口对准蘸有Na2O2的脱脂棉,用嘴吹另一端,脱脂棉很快就会燃烧。实验操作简单,现象明显,省略了制取CO2气体的操作,节约了药品,同时,活用了生物基础知识,容易激发学生的兴趣。
【例2】用原电池原理,揭示氧化—还原反应实质的实验。氧化—还原反应,在整个中学化学教学内容中,占有重要地位,是中学化学教学中的重点和难点。由于在氧化—还原反应中,氧化剂与还原剂直接接触发生反应,无法看到电子的转移。教师在课堂上大谈“物质失去电子的反应就是氧化反应,物质得到电子的反应就是还原反应”、“得电子氧化剂,失电子还原剂”等概念。由于教学抽象、枯燥、乏味,既引不起学生的学习兴趣,又使学生缺乏感性认识,难以把“氧化—还原反应”和“电子转移”联系在一起,只能靠机械记忆,生搬硬套,使此知识点成为教学中的难点。为把此难点化易,加强直观教学,激发学生的学习兴趣,可增补如下实验
取５０ml毫升U型管一支,内淀粉凝胶(溶有HCl),在U型管的一端加人约10毫升的KMnO4溶液,在另一端加人约10毫升的KI溶液,分别插入石墨电极,连接电极、导线、灵敏电流计,即可观察到电流计指针偏转,同时可观察到KI溶液,由无色变为蓝色,说明I-被氧化成I2,遇淀粉变蓝。
通过实验,氧化剂KMnO4溶液与还原剂KI溶液之间虽然的盐桥相隔,并未接触,也能使I-失电子被氧化成I2,失去的电子从外电路中转移给MnO4-,使Mn7+得到电子后被还原成Mn2+。加强直观教学,在学生的脑海中深深烙上“氧化—还原反应”与“电子转移”的关系,从而易使学生归纳出“氧化—还原反应”的实质是“电子的得失”等。
（2）对传统实验的改进研究
教材中规定的一些实验效果欠佳,按教材中介绍的仪器、药品、方法等进行操作,这些实验常会有问题。或耗时多,或装置复杂,操作繁琐,或可见度太差,成功率低,不安全可靠等,总之难以获得理想的效果。对这些实验应该加以探索与研究,以达到实验现象明显,简单易行,安全省时,更符合教学要求,更能培养学生对知识理解的能力。实验的改进,要围绕实验的目的、原则进行,从实验体系、实验装置、时间、方法、条件等方面着手。
【例3】钠的燃烧实验。在人教版化学必修一第48页,按教材的方法,选用石棉网,实验后的石棉网不能再次使用,造成很大的浪费。若选用玻璃管或蒸发皿,实验过程中会损坏很多玻璃管或蒸发皿,如实验中改用铜片,把铜片剪成方形,折起四边成盒状,将一绿豆大小的钠,吸干煤油后放在铜盒中,置于三角架上,用酒精灯加热,钠很快熔化、燃烧,现象明显,冷却,取出燃烧后产物,将铜片清洗干净,擦干以备用。实验的同时,学生对铜的物理、化学性质有了更直接的体验。
【例4】氨溶于水的喷泉实验。人教版化学必修一第９７页的氨溶于水的喷泉实验。采用传统装置：圆底烧瓶、双孔胶塞、胶头滴管和橡胶导管。在圆底烧瓶中收集满氨气或者氯化氢气体倒置，胶头滴管中蓄满水，橡胶导管插入盛满水的烧杯中。演示时，挤压胶头滴管，喷出水柱，气体大量溶解，导致烧瓶中压强迅速减小，烧杯中的水被大气压压入烧瓶中，形成喷泉。该装置有一缺陷，胶头滴管虽已蓄满水，但倒置后一部分水进入了胶头中，滴管中没有充满水，挤压时经常出现挤不出水的现象，导致整个实验的失败，大大降低了实验的成功率。
我用一5ml的注射器来代替胶头滴管，实验前将注射器注满水，实验时，推动注射器柱塞，百分百能喷出水柱。5ml的注射器与胶头滴管粗细大小相似，不影响原实验装置的效果，而且改进后，操作简单方便，提高了实验的成功率。
【例5】《浓硫酸使蔗糖炭化》的环保实验法。把20克蔗糖放入100mL的烧杯里，向蔗糖上滴加14mL水（水是该反应的催化剂），再滴加20mL浓硫酸，立即把一根玻璃棒插在蔗糖中间。片刻间蔗糖变黑，体积膨胀，用玻璃棒拔出一个大黑炭砣子。
化学反应方程式是：C12H22O11 →12C+11H2O
该实验并不难做，但是，由于有强氧化性的浓硫酸参与该反应，常有SO2释放出来，污染实验环境，是该实验的问题。消除方法：培养皿里放进装适量NaOH溶液,把100mL的烧杯放在NaOH溶液里，100mL的烧杯上罩一只250mL 的烧杯（NaOH溶液应封闭250ml 的烧杯下口），SO2被NaOH溶液吸收。
化学反应方程式是：2NaOH+SO2 ==Na2SO3 +H2O
▲探究实验设想提示
1、浓硫酸使蔗糖脱水炭化除了有SO2、CO2水蒸气排放外，还有大量的CO排放。２、在大烧杯的内壁上粘贴滤纸条，滴加品红试液，观察浓硫酸和蔗糖发生炭化反应时产生的SO2使红色消退过程。
（3）对课外活动实验的研究
开展课外活动实验(通常也包括家庭小实验)是培养学生对学习化学产生浓厚兴趣,调动学生主观能动性的有力措施,教师要善于根据大纲的要求联系自然,联系社会,联系生活,探索与研究出适合化学课外活动的实验。
认真研究教材中的教学内容与实验的有机结合，寻找可开展家庭化学实验的内容。如必修模块《化学1》，适合开展家庭实验（或实践）活动的内容有：（１）胶体渗析原理的探究（２）精盐提纯实验的实践与思考食盐是否加碘的检验、确定加碘食盐中所加碘盐成分的研究（３）漂白粉漂白过程的探究（４）小苏打、纯碱性质的探究（５）明矾净水作用的探究（６）喷泉实验原理的探究

参考文献:
[1]吴焕云,夏正盛.中学化学教学导论[M].武汉:华中理工大学出版社,1996.
[2]贺湘善,吴俊明.中学化学教师基本功讲座[M].北京:北京师范学院出版社,1991.
[3]人民教育出版社 课程教材研究所 化学课程教材研究开发中心.化学,普通高中课程标准实验教科书(必修1).人民教育出版社,2007年3月第3版
[3]人民教育出版社 课程教材研究所 化学课程教材研究开发中心.化学,普通高中课程标准实验教科书(必修2).人民教育出版社,2007年3月第3版
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