化学实验创新技法

湖北省蕲春县李时珍中学《化学磁性教学法与

创新教育的理论与实践研究》省立项课题组

化学实验是化学科学赖以形成和发展的基础，是检验化学科学知识真理性的标准；是化学教学中学生获取化学经验知识和检验化学知识的重要媒体和手段，是提高学生科学素质的重要内容和途径。”以实验为基础展开化学教学，最大限度的发挥实验在化学教学中的作用，使化学实验教学更切合教学改革的潮流、适应素质教育和创新教育的需求。课题组全体教师认为，只有对化学实验进行不断改进和创新，化学实验才会充满生命和活力、保持其在化学教学中的独特魅力。“Cu和浓HNO₃的反应、蓝色喷泉实验群、多种气体喷泉实验演示器”等是创新理论运用于化学实验创新的若干技法的产物。而“优化组合”、“仿生类比”、“狂想变更”、“置换重组”、“优点互补”、“完善纠错”是最常用的几种。

组合技法就是将一些相关的化学实验按某种关联因素或特征进行新的组合，构成新的实验方案的实验创新技法。爱因斯坦曾说过：“我认为，为了满足人类的需要而找出已知装置的新的组合的人就是发明家。”组合即创新。同样，将已有的化学实验，按一些共同特征或功能进行合理组合使其具有某种新的功能也是对原有化学实验的一种创新。例如“Cu和浓HNO₃的反应——彩色喷泉实验群”。

实验步骤与现象：在烧瓶中滴加4mL浓硝酸，并在靠近橡皮塞（预先将石蜡熔融均匀涂抹在橡皮塞上）的长导管上缠上螺旋状粗铜丝，缓缓倒置烧瓶，接上一个盛水的塑料瓶，按图二所示装配好。铜与浓硝酸即开始反应，红棕色气体由下而上充满烧瓶，空气被排出，塑料瓶中有气体逸出，逸出的少量气体被收集在气球中。当整个烧瓶充满二氧化氮气体时，用手挤压塑料瓶，使少量水进入烧瓶，立即形成美丽的蓝色喷泉。实验结束，烧瓶中剩余气体的体积约占烧瓶体积的1/3。

上述实验将铜与浓硝酸反应的实验、二氧化氮与水反应的喷泉实验巧妙地组合在一起。装置简单、仪器少；两个反乳氮体积与参加反应的二氧化氮体积的关系）。在课堂教学中使用该实验不仅能激起学生强烈的学习欲望，使学生牢固掌握相应的化学知识，而且能形成良好的教学气氛。附彩色喷泉实验群

运用组合技法创新化学实验应注意下列问题：（1）组合并不是几个化学实验的简单联接和共同演示，经过组合的实验应具有原先实验所不具有的教学功能，能获得1+1〉2的教学效益。（2）组合应是在对原先实验进行变形的基础上再将它们进行的有机融合，切忌将一些并不相干的实验生搬硬套地拼凑在一起。（3）组合的实验应易操作、仪器装置应简单明了。小而简的组合的实验效果则更佳。。学习碱金属时，学生尝试制作出“钾水炸弹”。根据启普发生器制气原理，让学生制出土洋味结合的多种简易发生装置。学习硫酸，让学生设计十种方法区别一瓶硫酸是浓的还是稀的；用十五种不同类型实验鉴别一瓶是食盐水还是纯水；让学生尝试用废铝和纯碱制取H₂等。

模拟技法指用学生比较熟悉的感性实验材料来形象地说明学生平时较难观察的生疏现象。中学化学中有许多与生产生活实际相联系的教学内容，设计实验来模拟这些内容，使学生在获取鲜明直观的印象的同时，萌发强烈的探究欲望。如运用实验模拟沼气池产生沼气的过程：

实验原理：废气有机物（如植物残体）在缺氧条件下被微生物发酵分解，产生的气体即为沼气，其主要成分为甲烷。 

实验步骤：将人尿、新鲜猪粪或牛粪、池沼底部或阴沟里的黑臭污泥、米糠或麸皮按一定比例混合置于A瓶发酵，通过漏斗向A瓶加入适量水并使漏斗下端没入水中，将B中盛满水，C中盛适量水，按上述装置图将各部分联接好,夹紧弹簧夹，将装置放在温暖处。

观察方法及现象：通过观察B瓶和C瓶水位高低来判断生成气体的多少，大约一周后，B瓶水位明显下降，此时松开弹簧夹，在尖嘴管处点燃所得气体，可发现气体能够燃烧，火焰为淡蓝色。

上述模拟沼气池产生沼气的实验适用于课外活动或家庭小实验。此外，学习原电池，指导学生用废弃物制作瓜果电池，使生日贺卡上的小小红灯发光。学习“吸氧腐蚀”，设计钢铁生锈条件的探索实验，制作铁炭盐暖炉或热袋，温度可达60摄抵度以上，适宜冬天学生取暖。

逆向技法是沿着事物的相反方向，用反方向探求的思维方式对现有的实验设计进行逆向思考，从而提出新的实验设计的实验创新技法。逆向技法有以下4种常见类型：

A功能反转  从事物的相反功能去设想和寻求解决问题的新途径，从而获得新的实验设计。例如稀释浓H₂SO₄时强调将浓H₂SO₄沿器壁缓缓加入水中，且应边加边搅拌。若将水加入浓H₂SO₄中，则会造成严重后果。利用一个安全的实验将水加入浓H₂SO₄中这一违规操作造成的后果展示给学生，可以提高学生的安全意识。（详见《化学磁性教法与创新教育教程》 B 结构反转  从已有实验的相反结构形式上来设想和寻求解决问题的新途径。例如在演示完用碳棒（惰性电极）电解CuCl₂溶液的实验，引导学生弄清电解原理后，将原实验中阴阳两根电极（此时阴极碳棒上已附着红色的铜）调换再进行电解，一段时间后改作为阳极的碳棒上附着的铜消失。用“异性相吸，极性交错”原理作为电化学知识的武器。显然将阴阳两极调换后，可以为非惰性电极作阳极时的电解原理的学习设置探索情境。C 因果反转  从已有事物的因果关系出发，变因为果的去发现新的现象和规律，寻找新的实验设计。例如很多教师在铁的钝化的教学中的做法是：先告知学生铁在浓硝酸中可以被钝化，再用实验来验证(由因及果的验证)。我们的做法是：将预先放入浓硝酸中的铁取出洗净，用它来与硫酸铜溶液反应，却置换不出铜，以此来激起学生的认知冲突（由果及因的探究）。D  状态反转  根据事物的某一属性（如动与静）的反转来创新化学实验。例如课本中制备溴苯的实验中是将溴和苯先加入烧瓶，然后向烧瓶中在加入铁粉（即溴和苯静、铁粉动），由于反应物已全部加入烧瓶，加入催化剂后，反应剧烈无法控制，导致溴挥发从导管溢出而达不到预期目的。我们采取先将铁粉加入烧瓶，将溴和苯的混合液加入分液漏斗，通过分液漏斗的活塞来控制加液速度（即铁粉静、溴和苯动），从而克服了原实验的缺陷。
4、完善纠错技法

完善纠错技法指通过发现现有实验的缺陷，把现有实验的缺点一一列举出来，然后提出改革或革新方法的一种技法。完善纠错就是发现问题，而创新就是要解决现有的问题，每发现一个缺点、提出一个问题，也就是找到了一个创新的课题。世界上没有尽善尽美的东西，化学实验也一样，化学实验在体现某些功能具有优越性的同时，在体现另一些功能时则可能存在某些缺陷。对化学实验进行观察、研究、分析，发现其缺陷，并在此基础上探索改进，就可以对化学实验进行创新。例如课本中的铜与稀硝酸反应的实验是在试管中进行的，其缺陷有：生成的气体会外逸对环境有污染；生成的一氧化氮气体的无色不易观察；无色气体变为棕色的界限不清。针对上述缺陷，我们确定改进的实验必须达到以下目的：装置应密封，气体不能外逸；生成的气体应能够富集，便于学生观察NO为无色气体；一氧化氮的生成与一氧化氮的转化（即生成二氧化氮）分阶段进行。通过多次研究和实践，我们得出下列两种方法：(I)将反应在注射器内进行：先取下注射器活塞，在注射器内放入一团铜丝，塞上活塞后，吸入适量的稀硝酸，将注射器细管端用橡皮塞密封。反应即开始，生成的气体被富集在筒内，让学生观察气体为无色后，取下橡皮塞，拉动活塞吸入空气，无色气体即变为棕色气体。振荡注射器，棕色气体又变为无色气体（NO₂与稀硝酸中的水反应有生成了NO），若再吸入空气，无色又变成棕色。本实验若采用投影仪放大强化，效果则更佳。(II)将反应在分液漏斗和U形管中进行：

实验步骤与现象：如图在分液漏斗下端缠上螺旋状铜丝，U形管中加入稀硝酸，将U形管向左倾斜，塞上带分液漏斗的橡皮塞时，尽可能使管内不留空气。铜与稀硝酸即开始反应，生成的NO气体被富集在U形管内，让学生观察后，打开分液漏斗活塞，无色气体被压入分液漏斗中，与分液漏斗中的空气反应即生成棕色气体（上口玻璃塞无需打开）。

在创造发明中，希望是灵感的源泉。希望点列举技法就是通过对课题的希望和理想，使问题的本来目的聚集成焦点，再加以考虑的技法。人类很早就希望有顺风耳、千里眼，经过一代又一代人的努力，现在终于如愿以偿，雷达、收音机、电视机就是顺风耳、千里眼。人类的很多创造发明都源于改造世界、发展自身的希望。化学实验的创新也一样，很多在实验创新方面有成就的化学教师在设计教材中未设置的化学实验时，无一不是抱有将抽象的知识转化为形象的实验，以使学生能够获得鲜明的感性材料的希望。希望点列举技法的一般步骤为：（1）定课题；（2）列出希望点；（3）制定具体实施方案。例如“铁与水蒸气反应的实验”。设计者考虑课本中强调该反应应用“炽热的铁”、且需在“高温”下进行，列出希望点为：能够在实验室条件下进行该反应；生成的氢气应有足够的量供检验和收集；仪器和装置应尽可能简单、操作尽可能简便。经过在实验室里的多次试验，酒精喷灯换成了酒精灯，普通铁粉换成了还原铁粉，将提供水蒸气的装置与反应装置分离（这种情况水蒸气经过导管时易冷凝）换为合而为一（在一支大试管的底部放入一团浸有水的棉花，中部放置适量铁粉，通过加了浸有水的棉花来提供水蒸气，因距离短，水蒸气不易冷凝），从而实现了在实验室条件下完成铁与水蒸气反应的希望，且产气量足以检验和收集。

希望点列举技法不同于完善纠错技法，缺点列举技法是围绕现有实验的缺点提出的各种改进设想，显然，这些设想不会离开原型。因此它是一种被动型的创新方法。希望点列举技法是从创新者的意愿出发提出的各种新的设想，可以不受原型实验的束缚，因此它是一种积极的主动的创新方法。

化学实验的创新技法，为有爱好化学个性的学生提供了观察、发现、怀疑、思考的新视野，创新活动中尝试归纳出上述技法。是“变一变”、“加一加”、“减一减”、“改一改”、“组一组”、“拆一拆”等思维的结晶。其中“优化组合”、“仿生类比”、“狂想变更”、“置换重组”、“优点互补”、“完善纠错”是普遍使用的创新技法。

化学实验的创新技法远不止上文提到的这些，在实际对实验的创新过程中，所使用的技法并不是单一的，往往是多种技法交融并串的综合应用。化学实验的创新永无止境，各种现代化媒体与化学实验的结合为实验创新提供了广阔的领域，只要我们勤于探索、勇于开拓，一定会有更多更好的创新实验作品问世。

                                     郝年生  文