在實驗改進和設計中培養學生的創新精神和實踐能力

馬逸群+魏海

摘要：在化學實驗教學中，為了培養學生的質疑精神和創新能力，豐富化學實驗教學資源，我們注意引領學生參與化學實驗的改進和設計。通過改進實驗方案、優化實驗方法、設計實驗裝置、研制實驗用品等，培養了學生的批判精神，點燃了學生的創新熱情，提高了學生的創新技法，發展了學生的實踐能力，從而促進學生不斷享受化學實驗帶來的快樂和成功。

關鍵詞：化學實驗教學；實驗創新；學生參與；創新精神；實踐能力

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

化學實驗具有實踐性、思維性、創造性、趣味性，是培養學生創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名師工作室成員熱衷于化學實驗的改進與設計，并倡導學生挑戰權威，鼓勵他們積極參與化學實驗的創新，很多學生在初三學生金鑰匙科技競賽、青少年科技創新大賽等科技活動中獲得省級以上獎勵，有的學生還發表了實驗創新論文。下面結合實例談談如何在化學實驗教學中引領學生開展實驗創新活動。

1 改進實驗方案，培養批判精神

在化學教材、實驗論文里，甚至是在化學教師的實驗創新大賽中，總會發現一些化學實驗方案存在缺陷和疏漏。引導學生對實驗方案進行質疑并優化和改進，可以激發學生的批判精神，提高他們的質疑能力，進而引發對化學實驗的創新。

例如，按教材上的方法加熱碳酸氫銨時，學生容易發現其中的不足：①實驗是在敞口儀器蒸發皿里做的，無法觀察到分解產物水與二氧化碳；②另外一種分解產物氨氣，雖然能明顯地感覺到，但前排的學生常常深受其害。經過師生交流探討提出改進措施：將蒸發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，師生設計出下列三種改進方案。

如圖1所示的改進方案（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形管內氣體，石灰水立刻變渾濁，說明分解產物還有二氧化碳。學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，長柄內壁就會出現大量的水珠，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所示的改進方案借助醫用硅硼鋁玻璃注射器（耐高溫高壓）：微熱碳酸氫銨，分解的產物使注射器活塞向外移動，針筒內壁出現較多的水珠，接著果導片（主要成分是酚酞）變紅色，說明分解產物有水和氨氣；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，說明分解產物有二氧化碳。

以上改進方案都有新穎直觀、安全環保、簡潔方便等優點。學生在上述探究性學習中，也認識到“缺點列舉法”[1]是改進化學實驗的一種有效方法。

2 設計實驗裝置，發展創新能力

實驗裝置是化學實驗的硬件和物質基礎，它沒有最好，只有更好。在實驗教學中，我們激勵學生要敢于質疑實驗裝置的缺陷，并力爭改進、創新，從而使實驗裝置更加科學、簡潔、完美，同時培養學生善于思考、勇于創新的科學精神。

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“縮小省略法”的創新思路，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，該裝置還能反復使用（變紅的棉花團暴露在空氣中就會很快褪色）。

如圖5所示的改進裝置，只要按圖連好實驗用品，一會兒藍色硅膠就能變紅，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]。該裝置也可以反復使用（變紅的硅膠用電吹風吹一吹，即可變回藍色）。

上述實踐活動有利于學生提升實驗設計能力，促進手腦并用；也使學生認識到，“希望點列舉法”[3]是設計化學實驗、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生裝置不能控制反應的發生或停止，那么如何設計才能使反應可控呢？教師首先展示圖6所示的發生裝置，幫助學生明晰反應可控的原因——創造了便于固、液藥品接觸或分離的條件，給學生的創新搭建支架，打通“最近發展區”。endprint

3 優化實驗方法，激活創新思維

化學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，不少化學實驗涉及的操作方法還可以優化，從而使實驗現象更明顯、實驗過程更簡單、實驗結果更豐富。

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；經過分析，師生確定其主要原因是吹滅蠟燭時導致白煙分散；此外，實驗所用的蠟燭較細，產生的白煙稀少。通過“逆向思維”可知，要確保實驗成功，白煙要多而且集中，于是學生設計出新的實驗方法：蠟燭做粗一些[7]（這樣剛熄滅時產生的白煙就多），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，學生模仿圖7裝置，開動腦筋、不斷修正，終于再造出多個反應可控的氣體發生裝置[5]（見圖7）：圖A通過彈簧夾的開啟控制反應（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（酸動、石灰石不動），圖C通過上下移動粗銅絲控制反應（石灰石動、酸不動），圖D通過上下移動爛底試管控制反應（石灰石動、酸不動）。

引領學生多方位、多角度地思考，追求實驗裝置的科學美、造型美，學生就有了懷疑的勇氣，創新的潛能也被激發出來。學生在應用“模仿創造法”[6]時，也培養了創新精神、提升了創造技巧。的火焰[8]，漏斗口處出現較多的白煙，也容易被點燃。

按照上述操作方法進行實驗，學生都能點燃白煙，而且可以重復數次，此時學生的思維是活躍的，也因此認識到“逆向法”[9]是優化實驗方法的重要舉措。

每年我們都帶領學生提取紫甘藍汁液，并測出其變色范圍。進入中和反應的學習，一些學生又想到能否用紫甘藍汁液“替換”酚酞試液探究酸與堿能否發生化學反應。

在課外活動時間，師生進行了嘗試：取少許NaOH溶液裝入大試管，再滴入幾滴紫甘藍汁液，NaOH溶液變為黃色；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深紅色、粉紅色、紫色、藍色、綠色、黃色等，宛若彩虹，學生激動不已；再振蕩，溶液最終全部為紫色。稍作分析，學生就知道，NaOH溶液接觸到鹽酸后黃色消失，說明NaOH沒有了，進而可知NaOH與鹽酸發生了中和反應。不僅如此，試管里液柱呈現不同的顏色，還顯示了中和反應的過程（溶液由強堿性逐漸降至弱酸性）。

在此基礎上，有的學生又突發奇想，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），實驗現象更加絢麗，從而將中和反應的科學美淋漓盡致地表現出來。

這一創新使中和反應不再是單色變化，而是色彩絢麗多變、顯示反應進程、結論自然順暢，使學生充分享受化學實驗的魅力和實驗創新的快樂。同時促進學生，了解“替換法”和“移植法”[10]是優化實驗方法的有效策略。

4 研制實驗用品，體驗學習成功

化學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計出新的實驗儀器或替代品，則能豐富教育裝備，擴大實驗路徑，發散思維方法，并使學生的創造力、想象力、動手能力、節儉的習慣和熱愛勞動的情操等都得到了錘煉。多年來，我們指導學生從實驗廢液里提取了多種化學藥品，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教材中驗證二氧化碳密度比空氣大的實驗[11]啟發，我們指導學生巧妙借助杠桿設計出多個化學實驗，通過杠桿兩端的質量變化，探究物質的性質和變化規律。

像探究微粒運動實驗，也可以借助圖11所示的杠桿來完成：先調節杠桿至水平狀態，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，雖然二氧化碳氣體密度比空氣大，但敞口正立的塑料瓶里二氧化碳氣體仍然源源不斷地逸出（同時等體積的空氣進入塑料瓶），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定性：先加熱左端的試管2min，杠桿保持水平，干燥的藍色石蕊試紙不變色，說明蘇打受熱不分解。再加熱右端的試管2min，杠桿右端上升，干燥的藍色石蕊試紙變紅色，說明小蘇打受熱分解，且分解的產物有二氧化碳和水[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），進行同樣的操作，還可以說明氯化鈣（或氯化鎂）的熱穩定性強，碳酸氫鈣（或碳酸氫鎂）的熱穩定性差，進而可知井水、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，調節杠桿水平，一會兒杠桿左端緩緩下沉，說明炭包質量變大，進而可知二氧化碳氣體被活性炭吸附了（此時可以告訴學生，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[14]）。endprint

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

5 結束語

多年來，我們相信學生、敢于放手，積極為學生打造實驗創新的平臺，及時為學生提供必需的實驗裝備，使基礎知識學習與實驗創新達到高度的融合；重視創設質疑求新的氛圍，倡導學生使用身邊物品改進和設計化學實驗；注重發揮教師的主導作用，注意傳授發明創新的技法。學生在實驗創新的過程中，經歷了發明和創造、體驗了成功和失敗、增加了自信和樂趣，他們擁有的創新熱情必將持續不斷地燃燒。

總之，科學嚴謹、充滿樂趣、富有挑戰的化學實驗創新活動，有利于激發學生熱愛化學的情感，有助于學生擺脫常規思維的束縛、開啟獨辟蹊徑的思維視角，并促進化學教學培養出更多具有開拓意識和創新能力的人才。

參考文獻：

[1][3][4][6][9][10][15]李德前.例談初中化學實驗創新的思維方法[J].化學教學，2013，（3）：65～68.

[2]馬逸群，魏海.“探究微粒運動實驗”系列設計[J].化學教學，2014，（8）：58～60.

[5]馬逸群.實驗室制取二氧化碳3個問題的研究[J].實驗教學與儀器，2010，（1）：32～33.

[7]趙紅，陳士元.自制初中化學實驗用蠟燭[J].中國現代教育裝備，2015，（6）：37～38.

[8]鄭杏珍，李堅毅.“蠟燭剛熄滅時白煙的點燃”實驗改進[J].化學教育，2006，（12）：50～50.

[11]人民教育出版社化學室編.九年義務教育三年制初級中學教科書·化學（全一冊）[M].北京：人民教育出版社，2001：86.

[12]陳立銘，李德前.利用長柄V型玻璃管比較碳酸鈉和碳酸氫鈉的熱穩定性[J].化學教育，2014，（21）：56～57.

[13]周廣.巧借杠桿改進化學實驗“趣中生智”——例談杠桿在初中化學實驗中的運用[J].化學教與學，2016，（4）：88，77.

[14]廖景明，肖軍，沈來宏等.生物質活性炭吸附二氧化碳的性能研究[D].南京：東南大學碩士學位論文，2012.endprint