優化化學實驗設計 發展學生科學探究能力

方揚平

（江蘇省句容市教育局 江蘇 句容 212400）

化學是以實驗為基礎的自然科學，實驗是學生獲取知識、進行知識創新的重要手段，是培養學生的科學興趣、科學態度、提高學生科學探究能力的重要途徑，在新課程實施中，我們就要十分重視化學實驗在提高學生科學素養中的作用。以往的實驗都是教師按照教材的要求準備好實驗儀器和藥品，學生按照實驗用品和步驟“照方抓藥”式的操作，基本屬于純技能的訓練，停留在表現層面，缺乏足夠的思維訓練和興趣養成，更不是基本方法的培養。新課程標準明確“能在教師指導下或通過小組討論，根據所要探究的具體問題設計實驗方案”。同時對教學過程建議了多個實驗設計的題目。

基礎知識是學生在學習過程中逐漸積累起來的，它包括化學、物理、數學、生物、社會的等多方面知識，它需要學生整個學習階段的積累，甚至是將來工作中的不斷積累。基本方法是一種系統的處理問題的思路。如果從初中開始培養學生進行一些可行的實驗設計分析，學習實驗設計方法，那么，當他們學會這些基本方法后，在他們遇到新情景實驗問題時，他們就會知道怎樣去思考。

現在，以氧氣和氫氣的實驗室制法為例，談談實驗設計的一般分析方法，以引導學生學習一些基本的實驗設計方法，發展科學探究能力。

一、化學實驗中普遍適用的知識

1．物質間的化學反應發生的一般條件：構成物質的微粒必須接觸碰撞。

2．氣體的流動規律：一般氣體是從壓強較大的地方流向壓強較小的地方。

二、原理分析

表1 物質性質反應現象

分析結論：

制氧氣：用氯酸鉀固體與催化劑二氧化錳固體作用，在加熱條件下，制氧氣，可以在玻璃儀器中進行。

制氫氣：用難溶性塊狀固體鋅與稀硫酸接觸反應制取難溶于水的氫氣，可以在玻璃儀器中進行。

三、對原理分析結論的處理

1．藥品的選擇

制氧氣：KCLO3（粉末）——便于混勻

MnO2（粉末）——便于混勻

制氫氣：Zn（塊狀固體） H2SO4（稀）（溶液）

2．儀器的選擇

制氧氣：酒精燈——熱源（附帶火柴）

導氣管——輸送氣體的管道

大試管——對制氣量進行估算后選擇的可以直接加熱的反應容器

橡膠塞——密封連接器材

橡皮管——密封連接器材

集氣瓶——集氣容器及蓋玻片

水 槽——排水集氣法中大型盛水容器

鐵架臺——固定儀器

研 缽——把固體研成細微粉末

制氫氣：大試管——少量制氣時的反應容器

（燒瓶——大量制氣時的反應容器）

導氣管——輸送氣體的管道

橡膠塞——密封連接器材

橡皮管——密封連接器材

集氣瓶——集氣容器及蓋玻片

鐵架臺——固定儀器

3．儀器使用注意事項

（1）制氧氣

鐵夾夾在離試管口1／3處，防止加熱時燒壞鐵夾。

試管口稍向下傾斜，防止加熱過程中，可能產生的水冷凝回流至試管高溫部分，造成溫度驟變而導致玻璃儀器炸裂。

導氣管伸入制氣反應容器要短，防止試管中空氣較長時間排出不盡。

（2）制氫氣

反應容器口向上，防止液體藥品流失。

導氣管伸入集氣瓶要接近瓶底，在排空氣集氣法中，便于盡快排出空氣。

同理，導氣管伸入制氣反應容器要短。

4．實驗操作注意事項

（1）制氧氣

檢查裝置氣密性，若裝置漏氣，則不可以順利地進行實驗。

移動酒精燈均勻加熱試管中的藥品，因為玻璃儀器不耐溫度驟變。

避免用紙槽送藥至試管中，因為，可能留下的紙屑在較高溫度下與KClO3會劇烈反應。

制氣完成時，應先拿出水中的導氣管再停止加熱。因為，停止加熱后，試管中的氣體體積會隨溫度的降低而收縮，可能造成水槽中的水沿導氣管流進試管的現象。

（2）制氫氣

檢查裝置氣密性，若裝置漏氣，則不可以順利地進行實驗。

檢查氫氣的純度。因為，氫氣易與空氣形成爆鳴氣，給實驗帶來安全隱患。

四、對實驗的改進

1．原理性改進

優點：不用加熱。

2．方便性改進

制氫氣過程中：中途加藥可以不再檢純嗎？（長頸漏斗或分液漏斗的加入）

能不用笨重的鐵架臺嗎？（用廣口試劑瓶替代試管）。

能更節約藥品且使用更方便嗎？（啟普發生器及其再創造，如圖1所示）

3．安全性改進

制氫氣過程中：導管內塞入細銅絲防爆。利用銅的優良傳導性，對進入導氣管的燃燒，迅速分散其放熱，使溫度下降至燃點以下，以達到阻燃防爆之目的。

尾氣的處理：例如，點燃排空氫氣。

4．純凈性改進

洗氣裝置與干燥裝置的引入。

5．集氣裝置的改進

如圖2所示，A口進氣集氣，即向上排空氣集氣法；B口進氣集氣，即向下排空氣集氣法；若裝滿水，然后氣體從B口進入，即排水集氣法。或者集氣瓶裝滿水后倒置，氣體從A口進入，這也是排水集氣法。這樣收集氣體的優點是便于設計成封閉系統處理尾氣，減少對環境的污染。

綜上所述，通過對實驗原理的分析，結合藥品、儀器的特點和實驗基本操作技能，對實驗裝置和實驗步驟加以設計，這就是實驗設計的基本方法。在實驗設計分析過程中，學生利用已有知識解決實際問題的能力也同時得到訓練，隨著學生的知識體系的建立和擴展，其獨立處理實驗問題的能力必將得到進一步發展。所以，發展學生實驗能力，要讓他們在新的實驗問題中有所創造，就應該讓他們學習實驗設計方法，掃清他們在基本方法上的障礙，幫助他們鋪平實驗能力發展的起飛跑道。

在義務教育化學新課程實施中，既要重視實驗技能的訓練，更要注意學生實驗設計能力的培養，設計一些適宜的探究分析實驗，將極大地調動學生學習的積極性，開闊學生思維，學習科學方法，培養學生的創新精神，發展科學探究能力。