國(guó)外高中化學(xué)開(kāi)展的特色微型實(shí)驗(yàn)

孫立澤+韋柳婭

摘 要 針對(duì)高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，著眼于學(xué)生未來(lái)發(fā)展，培養(yǎng)符合時(shí)代要求的高素質(zhì)人才，重點(diǎn)介紹及改進(jìn)國(guó)外教材或文獻(xiàn)中與其他學(xué)科聯(lián)系、與人類(lèi)生活密切相關(guān)的特色微型實(shí)驗(yàn)，以期為我國(guó)化學(xué)課程改革實(shí)踐提供參考。

關(guān)鍵詞 高中化學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；微型實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2016）22-0166-03

Necessity and Examples of Developing Characteristic Micro-

scope Experiments in Senior High School Chemistry Experi-ment Teaching//SUN Lize， WEI Liuya

Abstract In view of the present situation of high school chemistry experiment teaching， focusing on the future development of the stu-dents and training high quality talents to meet the requirements of the time， we introduce and improve some characteristic microscope experiments linked to other disciplines and closely related to human life from foreign textbooks or references. It can provide reference for the practice of chemistry curriculum reform in our country.

Key words chemistry in senior high school； experimental teaching； microscope experiment

1 前言

化學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科。化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芗ぐl(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，有助于學(xué)生鞏固化學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，尤其對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新精神及全面提高學(xué)生的素質(zhì)起著重要的作用。因此，化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)素質(zhì)教育和化學(xué)創(chuàng)新教育的良好載體，有著培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神形成的重要功能，并且影響著學(xué)生情感態(tài)度價(jià)值觀的養(yǎng)成。

2 開(kāi)展微型實(shí)驗(yàn)的必要性及意義

高中化學(xué)新課程標(biāo)準(zhǔn)[1]強(qiáng)調(diào)化學(xué)教學(xué)應(yīng)“從學(xué)生已有的經(jīng)驗(yàn)和將要經(jīng)歷的社會(huì)生活實(shí)際出發(fā)，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)化學(xué)與人類(lèi)生活的密切關(guān)系，關(guān)注人類(lèi)面臨的與化學(xué)相關(guān)的社會(huì)問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感、參與意識(shí)和決策能力；通過(guò)以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)，使學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)研究的過(guò)程，激發(fā)學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，強(qiáng)化科學(xué)探究的意識(shí)，促進(jìn)學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力”。這是高中化學(xué)新課程的基本理念，然而化學(xué)教學(xué)特別是實(shí)驗(yàn)教學(xué)在實(shí)踐中存在諸多困境。

對(duì)新課程標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用上，邵政[2]通過(guò)對(duì)高中學(xué)校化學(xué)教學(xué)的調(diào)研統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，從2004年開(kāi)始至今，由于學(xué)校化學(xué)實(shí)驗(yàn)室不足、缺乏實(shí)驗(yàn)員以及教學(xué)急促的節(jié)奏，導(dǎo)致化學(xué)實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中一帶而過(guò)，難以落實(shí)。吳晗清[3]對(duì)來(lái)自11個(gè)省市的341名高中化學(xué)教師的調(diào)查表明：由于對(duì)實(shí)驗(yàn)價(jià)值缺乏足夠的認(rèn)知，加之高考升學(xué)壓力、實(shí)驗(yàn)硬件條件等因素限制，僅有約1/3的教師能夠正常開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生積極性并不高。

吳潤(rùn)[4]比較了美版高中主流教材《化學(xué)：概念與應(yīng)用》與我國(guó)“人教版”新教材實(shí)驗(yàn)部分發(fā)現(xiàn)，美國(guó)教材中微型實(shí)驗(yàn)所占比例最高，而我國(guó)教材中觀察實(shí)驗(yàn)占據(jù)大部分比例。這一比例反映了化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在以教師演示、學(xué)生觀察的實(shí)驗(yàn)方式為主導(dǎo)，不注重學(xué)生參與的問(wèn)題。除此之外，美國(guó)教材注重化學(xué)與其他學(xué)科的聯(lián)系、化學(xué)與實(shí)際生活的聯(lián)系，就地取材，注重環(huán)保意識(shí)，變廢為寶，節(jié)約化學(xué)藥品。

微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)是20世紀(jì)80年代初在美國(guó)幾所高等院校基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室里試驗(yàn)成功的，并在大學(xué)和中小學(xué)推廣。微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)是以盡可能少的試劑，獲取所需化學(xué)信息的實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)。開(kāi)展微型化實(shí)驗(yàn)具有積極意義[5]：

1）有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于培養(yǎng)學(xué)生的探究能力、創(chuàng)新能力；

2）省錢(qián)、省時(shí)、省力；

3）減少污染、保護(hù)環(huán)境。

針對(duì)目前化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)表現(xiàn)出來(lái)的不足，筆者將從化學(xué)與其他學(xué)科聯(lián)系、與人類(lèi)生活聯(lián)系的角度，介紹及改進(jìn)國(guó)外教材或文獻(xiàn)中試驗(yàn)成功的某些微型化的常規(guī)實(shí)驗(yàn)，或者一些微型化的交叉學(xué)科實(shí)驗(yàn)，改變?cè)械囊越處熝菔緸橹鳌W(xué)生觀察為輔的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，讓學(xué)生擺脫傳統(tǒng)枯燥的化學(xué)學(xué)習(xí)，并在此過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和科學(xué)探究能力。

3 微型實(shí)驗(yàn)實(shí)例

DNA的粗提及鑒定 對(duì)于DNA這樣看不見(jiàn)、摸不著的物質(zhì)，可以用化學(xué)的方法從細(xì)胞中提取出來(lái)。DNA的粗提及鑒定在美國(guó)高中生自編教材中的設(shè)計(jì)如下[6]。

1）細(xì)胞膜的溶解：燒杯中放入45 mL自來(lái)水，將燒杯置于50～60 ℃水浴中加熱；稱(chēng)約2 g生的小麥胚芽置于研缽中研磨成粉末狀，加入燒杯中，再加入3 mL家用洗滌劑；水浴加熱10 min，加熱過(guò)程中不斷攪拌。

2）DNA與蛋白質(zhì)分離：溶液中加入2 g含有木瓜蛋白酶的嫩肉粉，再加1 mol/L NaHCO3溶液，加入過(guò)程中緩慢攪拌，攪拌時(shí)避免產(chǎn)生氣泡；繼續(xù)在水浴中加熱10 min，最后將混合物轉(zhuǎn)移至冰水浴中快速冷卻至室溫，此過(guò)程需要緩慢搖勻。

3）DNA的析出：用塑料吸液管沿著杯壁緩慢加入20 mL

冰的95%乙醇，溶液出現(xiàn)明顯分層；靜置2～3分鐘，界面處出現(xiàn)白色絲狀沉淀；用玻璃棒沿一個(gè)方向攪拌，將DNA纏繞在玻璃棒上，并用濾紙吸去上面的水分。

4）DNA的鑒定：試管中加入5 mL 2 mol.L-1 NaCl，再加入DNA絲狀物，最后加入新鮮配制的二苯胺試劑4 mL，混合均勻后，將試管置于沸水中加熱5分鐘，待試管冷卻后觀察顏色變化。

該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容屬于交叉學(xué)科，所用藥品主要源自日常生活中常見(jiàn)的物品，不僅成本低，還可讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生濃厚的興趣。

本文在美國(guó)教材原有DNA粗提的基礎(chǔ)上，加入DNA的鑒定實(shí)驗(yàn)，不但使學(xué)生在理解實(shí)驗(yàn)原理的同時(shí)鞏固理論課所學(xué)知識(shí)，而且培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題及解決問(wèn)題。該實(shí)驗(yàn)雖然操作過(guò)程簡(jiǎn)單，耗時(shí)短（約為40～60 min），但能讓學(xué)生體會(huì)到化學(xué)與生命科學(xué)的聯(lián)系。

氯氣的制備和性質(zhì) 經(jīng)常看到這樣的報(bào)道：有人清潔馬桶時(shí)，倒入潔廁靈后又加了84消毒液，結(jié)果導(dǎo)致中毒。原因?yàn)槁葰獾闹卸荆簼崕`是酸性洗滌劑，主要成分是鹽酸（HCl）；84消毒液是堿性洗滌劑，主要成分是次氯酸鈉（NaClO），二者反應(yīng)，產(chǎn)生氯氣。因此，有必要在高中化學(xué)中開(kāi)展與人類(lèi)生活有密切關(guān)系的化學(xué)實(shí)驗(yàn)。

制備氯氣和氯氣的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)在高中實(shí)驗(yàn)課中具有重要地位。人民教育出版社出版的高中化學(xué)教材第一冊(cè)第四單元將其作為演示實(shí)驗(yàn)，但由于氯氣是一種對(duì)人體有危害的物質(zhì)，即使是教師演示實(shí)驗(yàn)，也會(huì)給教師及周?chē)鷮W(xué)生帶來(lái)不利影響。微型實(shí)驗(yàn)是可以把對(duì)環(huán)境的不利影響降到最低的實(shí)驗(yàn)。有關(guān)該實(shí)驗(yàn)的微型化設(shè)計(jì)也在不斷改進(jìn)中。對(duì)比分析其中兩個(gè)較好的實(shí)驗(yàn)[7-8]，總結(jié)如下。

1）氯氣的制備：切掉塑料吸液管部分吸泡，如圖1a所

示，備用；試管中倒入家用漂白劑（約含有20%的NaClO），

用3.5 mL塑料吸液管吸出如圖1b所示體積的漂白劑，備用；在12 mm×100 mm試管中加入1 mL 10% NaOH溶液，把試管放到試管架上，試管口塞上帶有兩個(gè)口的膠塞，按圖2所示安裝微型啟普發(fā)生器；用2 mL注射器吸入0.5 mL濃鹽酸緩慢注入吸液管中（圖2Ⅱa），鹽酸與ClO–反應(yīng)產(chǎn)生約2 mL Cl2，試管中的NaOH溶液可防止Cl2逸散到空氣中。

2）氯氣的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)：取5 mL注射器吸入2 mL含有淀粉指示劑的稀碘化鉀溶液，從圖2Ⅱa位置吸管中吸出Cl2；用注射器塞子塞住注射器（圖3a所示），上下?lián)u動(dòng)注射器使試劑混合（圖3b所示），Cl2與I–反應(yīng)生成碘單質(zhì)，碘遇淀粉變藍(lán)；將注射器活塞朝下，拔掉注射器塞子（圖3c所示），將注射器里的溶液推到塑料杯中。

該實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)易、安全、成本低，且實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)藥品均源自日常生活中常見(jiàn)的物品，可達(dá)到讓每個(gè)學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的目的。注重實(shí)驗(yàn)與生活的聯(lián)系，使學(xué)生知道更多的生活常識(shí)，有助于學(xué)生認(rèn)識(shí)化學(xué)與人類(lèi)生活的密切關(guān)系，促進(jìn)學(xué)生對(duì)日常生活中化學(xué)現(xiàn)象本質(zhì)的思考，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

阿司匹林的微量合成 阿司匹林，化學(xué)名為乙酰水楊酸，具有治療感冒和解熱鎮(zhèn)痛的作用。制備乙酰水楊酸最常用的方法是在催化劑作用下水楊酸與乙酸酐發(fā)生乙酰化反應(yīng)：

美國(guó)路易斯安那澤維爾大學(xué)有機(jī)實(shí)驗(yàn)室成功試驗(yàn)了阿司匹林的微量合成[9]。

1）阿司匹林的合成：燒杯中加入自來(lái)水，加熱至80～

90 ℃，備用；稱(chēng)0.15 g（記錄到小數(shù)點(diǎn)后四位）水楊酸置于干燥的小試管中，加入1滴85% H3PO4，用注射器加入0.3 mL

乙酸酐，膠塞塞住試管；輕輕搖勻，將試管放在80～

90 ℃水浴中加熱，加熱過(guò)程中不斷搖勻，直到所有的固體溶解，再繼續(xù)在水浴中加熱5 min；從水浴中取出試管，趁熱將溶液倒入含有1.5 mL冷的蒸餾水的10 mL燒杯中以除去過(guò)量的乙酸酐，然后置于冰水浴中冷卻10 min，即有阿司匹林結(jié)晶形成。

2）阿司匹林的收集：將小漏斗放在50 mL燒杯上，將一張濾紙對(duì)折兩次后，展成圓錐形，用水潤(rùn)濕倒貼在漏斗內(nèi)壁；用小藥勺將阿司匹林溶液轉(zhuǎn)移到濾紙中，用少量蒸餾水洗滌燒杯2～3次，盡量把所有的結(jié)晶都轉(zhuǎn)移到濾紙

中；用冷水洗滌產(chǎn)品3次（每次約4～5滴），過(guò)濾結(jié)束后，將濾紙取出，放到新的濾紙上，吸掉殘留的液體；將濾紙上的晶體攤開(kāi)，將濾紙放入烘箱中于50 ℃下干燥10 min左右；待濾紙變干，將其從烘箱中取出，得到白色阿司匹林粗產(chǎn)品。

3）阿司匹林的產(chǎn)率計(jì)算：稱(chēng)濾紙和阿司匹林的總質(zhì)量，減掉濾紙的質(zhì)量即為制備的阿司匹林的質(zhì)量，計(jì)算反應(yīng)的產(chǎn)率。

該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容既與生活密切相關(guān)，又屬于交叉學(xué)科，易贏得學(xué)生的認(rèn)同，激發(fā)學(xué)生興趣，開(kāi)闊學(xué)生視野。與美國(guó)高中教材MERRILL CHEMISTRY[10]中阿司匹林合成的微型實(shí)驗(yàn)相比，該實(shí)驗(yàn)增加了去除乙酸酐、乙酸的過(guò)程，更科學(xué)化，也讓學(xué)生了解藥物生產(chǎn)過(guò)程中要考慮雜質(zhì)的去除，否則將會(huì)帶來(lái)毒副作用，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。當(dāng)學(xué)生拿到自己合成的阿司匹林時(shí)，獲得極大的成就感，有利于培養(yǎng)參與意識(shí)及增加對(duì)自己動(dòng)手能力的認(rèn)同。

4 展望

微型實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便又安全，易于實(shí)現(xiàn)人手一套，有利于解決目前化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的不足。把常規(guī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為微型實(shí)驗(yàn)，就是創(chuàng)新的過(guò)程。而且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)也有待改進(jìn)，這就給學(xué)生提供了廣闊的創(chuàng)造空間，將是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的良好途徑。更為重要的是，微型實(shí)驗(yàn)可以減少污染、保護(hù)環(huán)境，可以培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)境保護(hù)意識(shí)，逐步樹(shù)立可持續(xù)發(fā)展的思想，是實(shí)施環(huán)境可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一部分，必將產(chǎn)生巨大而長(zhǎng)久的社會(huì)效益。

因此，本文結(jié)合目前化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在問(wèn)題，提出在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開(kāi)展與其他學(xué)科聯(lián)系、與人類(lèi)生活密切相關(guān)的特色微型實(shí)驗(yàn)，不但可以解決化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題，而且能更好地實(shí)現(xiàn)高中化學(xué)新課程標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)目標(biāo)，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生社會(huì)責(zé)任感、參與意識(shí)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新精神，以及全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）[S].北京：人民教育出版社，2004：1.

[2]邵政.高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀與對(duì)策[J].現(xiàn)代閱讀，

2013（11）：80-81.

[3]吳晗清.高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐癥結(jié)與對(duì)策探析[J].中國(guó)教育學(xué)刊，2013（2）：68-72.

[4]吳潤(rùn).中美兩版高中化學(xué)教材實(shí)驗(yàn)部分的比較研究[D].成都：四川師范大學(xué)，2015.

[5]李耀軍，胡筱巖.在中學(xué)開(kāi)展微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的必要性探微[J].教育革新，2013（4）：54-55.

[6]Sidwell Friends School. The Virtual Lab Book （5th Edition）[EB/OL].http：//classic.sidwell.edu/us/science/vlb5/Labs/DNA_Extraction_Lab/dna_extraction_lab.html.

[7]Najdoski M. Gas Chemistry： A Microscale Kipp Apparatus[J].

Chemical Educator，2011（16）：295-298.

[8]Bruce Mattson. Microscale Gas Chemistry， Educational Innovations[EB/OL].http：//www.teachersource.com/.

[9]Synthesis of Aspirin Notes[EB/OL].http：//www.xula.edu/chemistry/documents/orgleclab/24Aspirin.pdf.

[10]Smoot R C， Smith R G， Price J. MERRILL CHEMISTRY[M].

Glencoe/McGraw-Hill，1998.