微型實驗

葉 杰

摘要:本文論述了開展微型化學實驗的必要性,如激發學生的實驗興趣,培養學生的觀察能力,增強學生的環保意識,培養學生的動手能力、實踐和創新能力,同時也指出了微型化學實驗的不足,提出了微型化學實驗的實施和設計原則:即科學性、可行性、簡約性、安全性、創新性、實踐性原則。本文就微型實驗在中學化學教學中的應用與開展作一論述。

關鍵詞:微型實驗;中學化學;教學

化學是一門以實驗為基礎的學科,微型化學實驗(Microscale Chemical Experiment或Microscale Laboratory簡寫為ML)是20世紀80年代崛起的,國際上公認的能體現綠色化學理念的一種化學實驗的新技術和新方法。它是在微型化的儀器裝置中進行的化學實驗,其兩個基本特征是:儀器微型化,試劑用量少。微型化學實驗并不是常規實驗的簡單縮微或減量,而是要在微型化條件下對實驗進行重新設計與探索,達到以盡可能少的試劑來獲取盡可能多的化學信息的目的。用于教學的微型實驗還要有現象明顯、便于操作、效果優良、成本低、易推廣的特點。本文就微型實驗在中學化學教學中的應用與開展作一論述。

一、開展微型化學實驗的必要性

1. 開展微型化學實驗,激發學生的實驗興趣

愛因斯坦說:“興趣是最好的老師。”微型實驗儀器構思巧妙、裝置新穎、外觀精美,它雖是實驗用具卻像玩具。微型化學實驗,改變了傳統的實驗內容和實驗要求過于劃一的格局,采用同一實驗項目設計幾種不同的原料或幾個不同的用量,由學生選做的方法。教師在教學過程中起設計、引導、疏導、誘導作用,啟發學生思維,充分發揮了學生的教學主體作用,使學生由被動學習轉向主動學習,由教學生學會轉到教學生會學,充分調動了學生學習的積極性。學習化學的目的是培養學生運用所學的化學知識和科學方法分析和解決問題。在學了“分子的運動”后,我給學生出了一道題“請你根據生活經驗,設計簡易的實驗證明分子在不停地運動”。“在身上擦一點風油精,走進教室就行了”,學生輕而易舉地就解決了問題。

2. 開展微型化學實驗,增強學生的環保意識

長期以來,在常規化學實驗中,試劑用量大、污染物多,許多危害環境的反應物未經任何處理就排放到環境中。在中學化學實驗教學中開展微型實驗,可以培養學生的綠色化學意識,微型化學實驗是綠色化學的一項實驗方法和技術,它要求實驗應滿足5R原則:①Reduction(減少用量),②Reuse(回收使用),③Rejection(拒用危害品),④Recycling(循環使用),⑤Regeneration(再生使用)。因此,使用微型化學實驗技術,可以將污染物的排放降至最低。

例如,氯氣的制取和性質實驗:①在常規實驗中,試劑用量大,產生的氯氣多,實驗室內氯氣彌漫,對學生身體造成傷害。即便用排氣扇將氯氣排出室外,也會對環境造成污染。②在微型實驗中,只要取一粒芝麻大小的高錳酸鉀晶體放入管壁粘有濕潤的碘化鉀—淀粉試紙的微型試管中,用多用滴管于晶體上滴加1～2滴濃鹽酸,再用浸潤了稀氫氧化鈉溶液的棉花團蓋住試管口。片刻后,從試管側面可觀察到黃綠色氣體,碘化鉀—淀粉試紙呈現藍色圓斑。整個實驗過程中沒有氯氣排放,對環境無任何不良影響,學生的身體健康也得到了保障。布置學生回家洗碗碟、洗衣服,然后交流怎樣洗得又干凈又節約水;對比著給幾盆花施肥,哪盆花兒長得更好。這些都會在學生的潛意識中培養環保的意識。經過對微型化學實驗與常規化學實驗的比較,學生會自然而然地養成環保理念,為他們在今后的工作中實施綠色化學打下堅實的基礎。

3. 開展微型化學實驗,培養學生的動手能力

微型實驗最顯著的特點就是實驗儀器簡單、簡便,實驗藥品需要量少,適宜學生獨立或合作完成。化學課中的演示實驗在整個化學實驗中占有很大的比例,如果將演示實驗改為學生用微型儀器操作,就可以增加每位學生的實驗機會。凡是微型實驗能操作的演示實驗,我們都可以放手讓學生去做,這樣既增加了學生的動手實驗能力,又提高了實驗課的效益。

4. 開展微型化學實驗,培養學生的實踐和創新能力

從思維科學的角度來看,采用微型化學實驗進行化學教學,能促進學生左右腦的協調發展,是培養學生創造性思維和創新能力、實施素質教育的有效途徑。我們要將操作實驗的主動權交給學生,全面提高學生素質,從培養學生創新能力的理念出發,實施微型實驗教學活動,改變傳統的教學模式。

如在進行電解水微型實驗后,有同學提出水中不加NaOH而改加其他電解質會有何現象?我們進行微型化學實驗。有同學用NaCl做電解質發現會生成一種黃綠色刺激性氣體(原因是食鹽水配得較濃2Cl--2e=Cl2),且溶液呈堿性。微型化學實驗提高了學生的動手率,激發了學生的好奇心和求知欲,而新穎的實驗方式更培養了學生的發散思維和輻射思維,使思維的敏感性、靈活性、獨創性得到加強,進而造就學生出眾的意志品質和發現問題、解決問題的能力。對強化素質教育有積極作用,在教學中起到了良好效果。

二、微型化學實驗的不足

但是任何事物都有其兩面性,微型實驗也有不足之處,如某些實驗操作(加熱、攪拌、過濾、萃取等)不太方便,難度較大,實驗條件控制的精確度較低,定量實驗的難度和誤差都較大,實驗現象的可見范圍小,不適宜做演示實驗等,較多忽視基本操作的規范性,較少考慮實驗中有關的安全因素等。因此,微型實驗雖然具有許多優越性,但也并不是所有實驗都可用之代替的。在教學中,應根據實驗的內容、目的、現象和定量要求等進行選擇,使常規實驗和微型實驗相結合,兩者取長補短,這樣可以發揮更好的教學效果。

三、微型化學實驗的實施和設計原則

為了使微型化學實驗的目的順利實施,要對該項化學實驗所涉及的一系列具體問題進行認真的分析和周密的思考,對化學實驗的化學原理、對參加化學反應的各種物質的性質要有較全面、較深入的了解和認識。按照化學反應原理,根據化學反應物和生成物的性質、實驗條件的控制、發生反應時可能產生的變化,來預選實驗方法和手段。甚至對選用儀器的規格、儀器的聯結安裝方式都要仔細考慮,然后確定實驗操作的程序和步驟。概括起來,微型化學實驗設計應遵循以下基本原則:

1. 科學性原則

科學性原則是微型化學實驗設計的首要原則。所謂科學性,首先是實驗原理、實驗裝置、實驗操作程序和方法的正確性,即必須與化學理論知識和化學實驗方法相一致。其次是實驗設計要具有科學思想和科學方法的教育因素。如果在設計中缺乏科學態度和方法,往往稍有疏忽就會出現科學性錯誤。

2. 可行性原則

可行性是指設計微型化學實驗時所運用的實驗原理和方法在實施中切實可行,所選用的實驗藥品、儀器、設備和方法在現有條件下能夠得到滿足。

3. 簡約性原則

所謂簡約性是指要盡可能采用簡單的實驗方案、實驗裝置,用較少的實驗步驟和實驗藥品,在較短的時間內來完成實驗。更具體地說,就是裝置簡單、操作簡便、現象明顯、節約藥品、節約時間、安全可靠、不產生污染,使整個實驗過程盡可能少受干擾,學生能將精力集中在操作、觀察和探究上。

4. 安全性原則

實驗儀器裝置的取材要盡量簡易安全;藥品的使用盡可能不用危害品或減少用量、循環使用、回收利用、減少三廢、提高實驗的安全程度;實驗設計的內容應包括對有毒物質進行無害處理的設計操作。

5. 創新性原則

微型化學實驗的設計不是對常規實驗的簡單縮小,而是根據常規實驗的目的、原理和要求進行科學創新。在實驗設計中盡可能采用一些最新的科學知識和技能,運用科學的方法和手段解決設計過程中出現的問題;實驗設計的內容應顯示出一定的創造智慧和策略,要敢于標新立異,具有新穎性。

微型化學實驗儀器融教具、學具、玩具于一體,開展微型實驗不受時間、空間和場地的限制,在學校、在課外、在家庭隨時可做,是化學學科推進素質教育的有效手段。它提高了學生的動手率,激發了學生的好奇心和求知欲。新穎的實驗方式更培養了學生的發散思維和輻射思維,使學生思維的敏感性、靈活性和獨創性得到加強。微型化學實驗的開展,改變了目前教育中學生死記硬背、呆板被動的學習方式。學生興趣昂然地投入到微型化學實驗之中與被動地應付考試形成強烈的反差,促使化學教學由以說教為主的“教師為中心”的模式向挖掘受教育者潛能的以“學生為主體”的教學模式轉變。國內外實踐證明:廣泛開展微型化學實驗,有利于培養學生分析問題、解決問題的能力,有利于對學生進行全面的化學素質教育。總之,微小的力量也是巨大的,開展微型化學實驗可以全方位地提高學生的科學素質,是21世紀化學學科素質教育的必由之路。

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(樂清市虹橋鎮第二中學)