從化學實驗創新談培養師生的科學精神

李德前 魏海 李偉 馬逸群

摘要： 為培養師生的科學精神，注重在化學教學中開展實驗創新活動。結合10個實驗創新案例，圍繞實驗方法、實驗原理、實驗裝置和實驗過程等方面進行實驗改進與設計，從而提高實驗創新的效益、發展教師實施素質教育的能力，同時促進學生敢于質疑、勇于探究并不斷完善其理性思維。

關鍵詞： 化學實驗； 創新案例； 科學精神

文章編號： 1005-6629（2018）4-0065-05 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

科學精神是現代人的基本品格，但它卻是中國學生最為缺乏的核心素養[1]。在化學教學中開展實驗創新活動，是培養師生科學精神的重要舉措。

多年來，筆者及所在的名師工作室對實驗創新樂此不疲，并引導中學生參與其中，這不僅提高了教師實施素質教育的能力，也培養了學生勇于探究、敢于質疑的科學精神。在實驗創新時，筆者注重圍繞化學實驗系統的“實驗手段”和“實驗對象”[2]進行實驗改進和設計，收到了事半功倍的效果。下面結合10個實驗創新案例進行闡述，旨在拋磚引玉。

1 改變實驗方法

不可否認，方法常常比知識更重要。化學實驗大多具有相對固定的科學方法和操作要領，好的實驗方法可以使操作簡約、現象明顯、過程流暢、結論準確。但有的化學實驗因其方法不夠科學、操作不甚合理，既影響實驗的直觀性與結論的準確性，也影響學生對化學知識的理解、科學方法的認識[3]。

圍繞“實驗方法”進行實驗改進時，要從物質的組成、物質的性質、實驗原理、實驗條件等方面尋找創新點，進而謀劃新的實驗方法。

案例1 點燃蠟燭剛熄滅時的白煙

進行該實驗，人們習慣于采用“吹氣法”將蠟燭熄滅，雖然方便，但白煙因此分散（不易被引燃）。針對該實驗進行改進時，師生可以逆向思考[4]： 如果蠟燭粗、棉芯粗，則蠟燭熄滅時產生的白煙就多；如果將蠟燭罩滅而不是吹滅，則白煙集中。可見，采用“罩滅粗蠟燭火焰”的方法產生的白煙既多又集中，很容易被點燃，而且實驗的可操作性強、重復性好。

新實驗的主要操作是：

（1） 提前自制粗蠟燭（可將廢舊的蠟燭熔化、倒模）。

（2） 點燃自制的粗蠟燭，用小規格的集氣瓶將粗蠟燭輕輕罩滅，然后將集氣瓶輕輕提起，同時將燃著的火柴靠近白煙頂端（見圖1），此時不僅點燃了白煙，而且遠離火柴的蠟燭也被引燃了。

圖1 罩滅粗蠟燭火焰產生的白煙易被引燃

案例2 “燒堿具有潮解性”實驗

教師演示該實驗通常是將固體燒堿放置在表面皿里，一般需要10分鐘左右才能看到燒堿表面變潮，顯然“靜置法”不利于該實驗的課堂演示。有一次做此實驗，學生不小心碰翻了表面皿，但固體燒堿都附著在表面皿的內壁而沒有脫落，這一意外現象不正好說明氫氧化鈉固體具有良好的吸水性嗎？

于是，筆者將“燒堿具有潮解性”實驗由“靜置法”改為“顛簸法”，這一獨特的操作方法能使學生對燒堿的潮解性過目不忘。其主要操作是：

（1） 取7～8粒小顆粒狀燒堿，分散放置在表面皿上，然后輕輕用力顛簸表面皿。

（2） 顛簸8～9次，就有固體燒堿因為吸水而粘在表面皿上（難以彈跳起來）；繼續顛簸下去，能彈起的固體燒堿越來越少。

（3） 不到2分鐘，所有固體燒堿都因為吸水而黏附在表面皿上。

案例3 探究鹽酸中哪種粒子能使石蕊變紅

該實驗通常采用中和法（向滴有石蕊試液的紅色鹽酸中逐滴加入適量的氫氧化鈉溶液，溶液會由紅變紫）。為了培養學生的發散思維，深化對酸的知識理解與應用，可以根據鹽酸的微觀組成（含有H+、 Cl-、 H2O三種微粒），設計出另外三種方法[5]。

（1） 歸納法： 將石蕊試液分別滴入其他幾種酸溶液中，均變為紅色。因為不同的酸溶液中均含有H+，從而證明鹽酸中的H+能使石蕊試液變紅色。

（2） 排除法： 將石蕊試液滴入氯化鈉或氯化鉀溶液后不變色。由于氯化鈉或氯化鉀溶液中均含有Cl-、 H2O，從而證明不是Cl-、 H2O使石蕊試液變紅，進而說明鹽酸中的H+能使石蕊試液變紅色。

（3） 化氣法： 向滴有石蕊試液的紅色鹽酸中加入足量的金屬鎂，溶液會由紅變紫。該反應中H+與金屬鎂發生置換反應，變為氫氣而離開實驗體系，從而證明是鹽酸中的H+使石蕊試液變紅色。

2 改換實驗原理

實驗原理是化學實驗的靈魂。通過改變原實驗的物理或化學原理進行實驗，可謂獨辟蹊徑，使實驗教學耳目一新。

改換實驗原理進行實驗創新，主要針對物質的性質、制備實驗以及探究物質組成的實驗等，但要注意保留原實驗的教學意圖和教育功能。

案例4 “探究微粒運動”實驗

現行九年級化學教科書中均選用濃氨水和酚酞試液去探究微粒的運動性，雖然該試劑組合現象明顯，但氨水的用量大，實驗過程對環境也有一定的污染。

筆者引導學生另選幾組對環境友好的藥品設計實驗，都能出現明顯的實驗現象[6]，同樣說明了微粒的運動性。

（1） 圖2-a實驗： 實驗原理是CoCl2（藍色）+6H2OCoCl2·6H2O（紅色）。主要操作是按圖2-a裝好試劑、連好裝置，一般3～4分鐘后藍色硅膠就會變紅；由于水與硅膠間隔一段距離，因此硅膠變紅說明水分子在不斷運動。若使用熱水做此實驗，不到1分鐘，藍色硅膠就會變紅，這又說明溫度升高分子運動速率加快。

（2） 圖2-b實驗： 實驗原理是濃鹽酸（或濃醋酸）揮發出來的HCl氣體（或醋酸蒸氣）能使濕潤的藍色石蕊試紙變紅色。主要操作是按圖2-b裝好試劑、連好裝置，不到1分鐘，即可看到中下部濕潤的石蕊試紙從上往下逐漸變紅，這不僅說明HCl（或醋酸）分子在不斷運動，還說明HCl氣體（或醋酸蒸氣）的密度比空氣大。

圖2 利用其他試劑組合探究微粒的運動性

案例5 利用鋼鐵銹蝕原理測量空氣中氧氣的體積含量

現行九年級化學教科書上“測量空氣中氧氣的體積含量”實驗，都是采用磷燃燒消耗氧氣的化學原理（同時涉及水與氧氣等量替換的物理原理）。在學習鋼鐵銹蝕的條件后，教師可以啟發學生使用暖寶寶中的發熱劑（主要成分是鐵粉、活性炭、食鹽和水）來代替紅磷；并指導學生參考課本上的燃磷法實驗裝置，設計出圖3所示的兩種改進方案。

圖3 利用鋼鐵銹蝕原理測量空氣中氧氣的體積含量

由于改進后實驗的耗氧原理是常溫下的緩慢氧化，而且使用了生活中的物品進行實驗，因此特別適合學生課外探究。有關的操作是：

（1） 圖3-a實驗： 按圖3-a裝好耗氧劑，快速連好裝置；不到2分鐘，就有水流入廣口瓶內；最終流入廣口瓶中水的體積約占瓶子容積的1/5，說明空氣中氧氣的體積含量約為1/5。

（2） 圖3-b實驗： 按圖3-b裝好耗氧劑，快速連好裝置（注射器活塞的起始位置在20mL刻度處，且潤滑性良好）；不到1分鐘，注射器活塞就慢慢向前移動；最終活塞處于16mL刻度處，說明空氣中氧氣的體積含量約為1/5。

3 替換實驗裝置

實驗裝置是進行化學實驗的載體，它直接關系到實驗的成敗及效益的高低。通過改進實驗裝置，能使一些疑難實驗變得簡單易行。

基于實驗裝置進行實驗改進，要針對現有的裝備條件，并體現實驗用品簡約化、生活化、常規化。

案例6 “測定溶液的導電性”實驗

現行九年級化學教科書上“測定溶液的導電性”實驗使用干電池、石墨電極、小燈泡等幾種物品組成測試裝置，每次使用前都要組裝，很麻煩。能否創建一個簡單的固定裝置呢？筆者啟發學生采用縮一縮、換一換、組一組等技法，將發光二極管、紐扣電池與導線組合，終于制成了圖4所示的簡易導電性測量儀[7]。

圖4 用簡易導電性測量儀檢測溶液是否導電

使用簡易導電性測量儀進行實驗特別方便，它不僅可以測量溶液的導電性，還可以驗證金屬或非金屬的導電性。其主要操作是：

（1） 試驗溶液的導電性時，先將待檢物質溶于水制成溶液，然后將導電性簡易測量儀的兩極伸入溶液中片刻，若二極管發光則說明溶液導電。

（2） 驗證金屬或非金屬的導電性時，直接將導電性簡易測量儀的兩個極點接觸待測物，如果二極管發光則說明此物質導電。

案例7 “探究鋼鐵銹蝕條件”實驗

現行九年級化學教科書上“探究鋼鐵銹蝕條件”的實驗，僅使用5根鐵釘分別進行5個試管實驗，既使實驗需要6～7天的時間，耗時過長，也使實驗教學不連貫。師生經過一番探討認為，可以增加鐵的表面積（增加鐵釘用量或使用超細鐵絲），并將分散的5個試管實驗整合為集成化裝置，于是便有了圖5所示的一氣呵成的實驗體系[8]。

圖5 “探究鋼鐵銹蝕條件”實驗的改進裝置

新實驗的主要操作是：

（1） 按圖5裝好藥品（各廣口瓶內均盛裝15g蓬松的鐵絲棉），快速連好裝置。

（2） 2～3分鐘后，觀察到紅色的水緩慢流入乙瓶中、較快流入丙瓶中，甲集氣瓶中則一直沒有水流入。

（3） 對比甲、乙裝置實驗現象及氮氣化學性質可知，鐵生銹需要水和氧氣；對比乙、丙裝置實驗現象可知，食鹽的存在會加速鋼鐵銹蝕的速率[9]。

案例8 檢驗蠟燭燃燒的產物

現行九年級化學教科書上檢驗蠟燭燃燒產物的實驗，雖然操作簡便但實驗效果不明顯（主要原因是燒杯不冷且不易捕獲燃燒產物）。筆者引導學生思考： 能不能更換實驗儀器、改變實驗試劑，并將捕獲蠟燭燃燒產物與檢驗蠟燭燃燒產物的幾種實驗用品組合起來[10]？經過多次嘗試，師生研制出如圖6所示的新裝置。

圖6 檢驗蠟燭燃燒產物的新裝置

新實驗的主要操作是：

（1） 按圖6裝入試紙、連好裝置。

（2） 點燃蠟燭，待其正常燃燒后輕輕后拉注射器活塞，將燃燒產物吸入玻璃管內。一會兒，干燥的藍色石蕊試紙變紅色，干燥的黃色氯化鈀試紙變藍色，說明石蕊試紙接觸到了水和二氧化碳、氯化鈀試紙接觸到了水和一氧化碳，所以蠟燭燃燒的產物有水、二氧化碳和一氧化碳。

4 優化實驗過程

無論哪種形式的中學化學實驗，都不宜步驟繁瑣、觀察點過多、耗時太長、有害物質泄露等。那些儀器簡明、過程簡約、現象直觀、安全環保的化學實驗，不僅提高課堂效率，而且增強實驗效果，因此對化學實驗過程進行優化也是實驗改進的重要途徑。

決定化學實驗過程的因素較多（如裝置、原理、方法、物質等），因此優化實驗過程，要注重對實驗儀器、實驗方法、實驗用品等進行加一加、減一減、合一合、改一改措施等。

案例9 “一氧化碳還原性”實驗

在演示一氧化碳還原氧化銅或氧化鐵的實驗時，“排盡玻璃管內空氣”這一過程很是困擾實驗者，因為按照課本上的常規操作是難以及時知道玻璃管內的空氣是否排完。筆者及所在團隊經過反復嘗試，最終采用等量替換法[11]進行創新設計，因此優化了實驗過程。

新實驗的主要操作是：

（1） 按圖7裝好藥品、連好裝置。

圖7 “一氧化碳還原氧化銅”的改進實驗

（2） 輕推針筒活塞緩緩通入一氧化碳，當通入18mL的一氧化碳時，細玻璃管內空氣基本上排盡。

（3） 點燃酒精燈，加熱氧化銅……

案例10 探究二氧化碳與氫氧化鈉溶液的反應

現行九年級化學教科書上沒有安排二氧化碳與氫氧化鈉溶液反應的實驗（僅給出化學方程式），在一些涉及化學教育的文獻中則刊載了很多相關的實驗方案（如利用兩個塑料瓶進行對比實驗）。筆者引領學生僅用一個塑料瓶進行先后對比（見圖8），改變了傳統的實驗過程，更加簡約地顯示出二氧化碳與氫氧化鈉溶液發生了化學反應。

圖8 探究二氧化碳與氫氧化鈉溶液反應的改進實驗

新實驗的主要操作是：

（1） 用向上排空氣法，在250mL塑料瓶里收集滿二氧化碳氣體。

（2） 向充滿二氧化碳的塑料瓶里一次性注入5mL水，迅速塞緊瓶塞；輕輕振蕩，發現塑料瓶變癟很不明顯。

（3） 再向該塑料瓶里一次性注入5mL氫氧化鈉溶液，然后迅速塞緊瓶塞；輕輕振蕩，發現塑料瓶快速、明顯地變癟。

（4） 對比塑料瓶兩次變癟的程度可知，二氧化碳與氫氧化鈉溶液發生了化學反應。

5 結束語

開展化學實驗創新活動，既可以激發師生的質疑精神、增強師生的研究意識，又能夠發展師生的理性思維、增強師生的創造力，久而久之就能育涵師生的科學精神。雖然改進后的化學實驗算不上完美無缺，但在實驗創新的過程中師生都經歷了思考、實踐、探索的過程，尤其訓練了學生的求異思維，促進了學生的方法積累和知識建構。

總之，基于化學實驗系統中的“實驗手段”和“實驗對象”進行實驗，能使化學實驗的創新點更加具體、改進實驗的思路更加清晰、實驗創新的成效更為顯著。作為一線化學教師，要把化學實驗的創新作為學生核心素養發展的助推器，從而全面落實立德樹人的根本任務。

參考文獻：

[1]劉慶昌.人文底蘊與科學精神——基于《中國學生發展核心素養》的思考[J].教育發展研究， 2017，（4）： 35～41.

[2]范杰.化學實驗論[M].太原： 山西科學技術出版社， 2001： 19～22.

[3]馮志進.關于初中化學實驗改進的思考[J].實驗教學與儀器， 2017， 34（7～8）： 55～56.

[4]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.

[5]李德前.化學實驗教學中培養學生的質疑能力[J].化學教學， 2012，（2）： 54～56.

[6]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.

[7]張玲.導電性測試實驗改進[J].教學儀器與實驗， 2008，（5）： 24～24.

[8]朱紅杰，秦光獻.鐵釘銹蝕條件的探究實驗改進[J].中國現代教育裝備， 2016，（12）： 47～49.

[9]王程杰.關注氯離子效應在實驗中的應用[J].化學教學， 2015，（12）： 53～56.

[10]馬逸群，朱紅杰.妙用創新技能引領學生改進化學實驗——以“檢驗蠟燭燃燒的產物”實驗為例[J].教學月刊·中學版， 2017，（Z1）： 92～95.

[11]李德前，朱曉偉.例談初中化學定性實驗的定量化設計[J].教學月刊·中學版， 2015，（Z2）： 118～120.