淺談高中化學創新實驗設計

徐明波，呂洪杰

(1.湖北師范學院 化學與環境工程學院,湖北 黃石 435002；2.湖北省十堰市東風高級中學,湖北 十堰 442008)

化學是一門以實驗為基礎的學科，化學實驗在化學學科的教學中起到不可替代的作用。新教材在實驗設置、實驗內容、實驗數量以及實驗形式等方面與之前相比都有了很大的改變，實驗教學也應隨著新課程的實施進行相應的改革和創新。

1 實驗改進和創新的原則

總的來講，實驗改進和創新要遵循科學性、簡約性、直觀性、安全性、環保性和創新性等原則。在對實驗的設計過程中，我們既要注意其合理性和可行性，還要注意實驗現象的明顯程度。

1.1 科學性原則

實驗原理準確無誤，實驗方案設計科學，實驗裝置設計合理，從實驗現象到本質的推理科學嚴密，實驗操作要符合要求，實驗設計所蘊含的功能可切實達到本實驗設計的目標，這是改進實驗成功的主要標志。

1.2 安全性原則

安全大于一切，所以在設計實驗時要能預見可能出現的危險，并有相應的防范措施。若危險確實無法避免，可以考慮改用其它的形式來呈現。

1.3 可行性原則

即所設計的實驗在實驗室或實際生活中確實可行，具有可操作性，而不是設計者的憑空想象。

1.4 簡約性原則

實驗所需儀器和藥品為實驗室常見或生活中易得的，裝置簡潔、流暢、操作方便、實驗耗時短，這是改進實驗成功的標志。

1.5 規范性原則

實驗操作規范，能達到教育的目的。

1.6 綠色化原則

實驗方案環保，無有毒氣體泄漏和污染，保證師生的身心健康。

1.7 直觀性原則

實驗現象要明顯，便于觀察，有趣味性，這是改進實驗具有生命力的保障。

1.8 創新性原則

實驗設計思路、實驗功能、實驗方法、實驗材料、實驗裝置等有所突破和創新。

2 實驗創新和改進的角度

在長期的教學中，通過不斷的思考和摸索，可以對教材中的部分實驗進行改進，這里以在教學過程中設計的《氨氣的制取和性質實驗的改進》為例進行說明。

2.1 對實驗裝置的改進和創新

氨氣的制取與性質是高中化學一個重要知識點。教材使用了三個演示實驗分別介紹了氨氣的制取和性質，但存在以下缺陷：1)制取NH3實驗的準備工作復雜，實驗耗時長；2)預先準備好的NH3容易泄漏，導致噴泉實驗效果不理想；3)NH3暴露在空氣中，污染環境，不符合綠色化學的理念。針對以上問題，特對本實驗進行了以下改進，以實現NH3的制備、收集和物理、化學性質驗證實驗的一體化(裝置如圖1)。

圖1 NH3的制備與性質驗證實驗裝置

改進后的實驗裝置由兩部分組成，左邊是NH3的制備裝置，右邊的球形干燥管是NH3的收集裝置(同時作為NH3溶于水時的防倒吸裝置)，干燥管下面的青霉素瓶更是一個多用途的裝置，既可通過滴有酚酞的水是否變紅的現象來檢驗NH3是否收集滿，也可作為NH3的尾氣處理裝置，還可為噴泉實驗提供足夠的水源。

實驗原理：采用濃氨水和固體NaOH為原料來制取NH3，再用向下排空氣法將NH3收集在球形干燥管中。當NH3收集滿后關閉止水夾(輸液管上的調速器)，NH3通過下端導管直接與水接觸，溶于水使得導管中的壓強減小，產生壓力差，青霉素瓶內的溶液被倒吸進入導管中，在球形干燥管中產生噴泉現象。

操作步驟：首先檢查裝置的氣密性，往外拉動注射器的活塞，可以看到右端玻璃導管內液面上升，且停止拉動注射器時液面不下降，說明氣密性良好。然后向裝置中注入濃氨水，可以看到兩邊的青霉素瓶中都產生大量氣泡，同時滴有酚酞的水溶液慢慢變紅，說明NH3已收集滿，此時整個裝置中已經充滿了NH3，且NH3通過導管直接與水接觸(此時未出現噴泉現象是因為左邊有較大的氨氣氣流過來)。關閉止水夾，可觀察到青霉素瓶中的溶液快速地進入導管，并在干燥管中產生了美麗的噴泉現象，可以說是“自動引發”而形成的。接著利用左邊青霉素瓶中剩余的氨氣來進行NH3與氯化氫的反應，用注射器向瓶內擠入少許濃鹽酸，看到青霉素瓶內產生大量白煙。最后還可以利用注射器中剩余的濃鹽酸來吸收多余的NH3.

此裝置改進后把教材中的三個實驗合而為一，裝置簡潔、流暢，操作輕松便捷，現象明顯，課堂耗時短(這套實驗可在一分鐘內完成)。

2.2 對實驗藥品的選定和創新

教材中氨氣的制取采用的是氯化銨固體和氫氧化鈣受熱反應，這個實驗雖然容易完成，但試管的破損率較高，后經反復實驗，查找資料，找到了原因：用氯化銨固體和氫氧化鈣受熱反應制取氨氣時生成的氯化鈣在試管中冷卻時，氯化鈣迅速吸收周圍的水分，形成溶液并放熱，恒溫在28℃左右，若環境溫度低于28℃時(在冬季我國大部分地區平均溫度都低于這個值)離它較遠的玻璃溫度繼續下降，在較小的范圍內產生較大的溫差，由于玻璃的膨脹系數較大，脆性又強，因而使玻璃試管在加熱的部位出現裂紋式破損，造成浪費。故我在設計時選用了濃氨水和固體氫氧化鈉為原料，放出氣體的速度較快，且不需要加熱，又避免了試管的破損，為學校節約了實驗經費。

2.3 對實驗方法的改進和創新

教材中的噴泉實驗在實驗開始時要先擠壓右邊的膠頭滴管，使膠頭滴管中的水進入燒瓶中，使燒瓶中的部分氨氣溶于水，導致燒瓶中的壓強減小，產生壓強差， 再打開左邊的止水夾，以引發噴泉。這樣操作起來比較麻煩。本實驗在設計時考慮到氨氣是極易溶于水的，若將氨氣直接通入水中很容易形成倒吸，故將氨氣的收集裝置和噴泉的引發裝置合二為一，使氨氣直接與水接觸，自動引發噴泉。

另外教材中對于氨氣和氯化氫的反應采用的方法是用兩支玻璃棒直接蘸取濃氨水和濃鹽酸并相互靠近，這樣操作觀察到的現象并不是很明顯，且揮發的氣體擴散到空氣中產生污染，不符合綠色化學的理念。所以我在設計時把反映環境改為在封閉的青霉素瓶內進行，避免了污染，并利用濃鹽酸來中和產生的氨氣和多余的氯化氫，很好地解決了尾氣處理的問題。

2.4 對實驗儀器的改進和創新

本實驗中利用廢棄的青霉素瓶替代了反應裝置，用醫用注射器替代膠頭滴管，用輸液管替代導氣管，這些替代品既物美價廉，又簡單易得，為探究式教學提供了方便，為學生的綜合實踐活動開辟了新天地。但在設計時也要考慮度的問題，如學生在做實驗時若注射器太多是否安全等。

2.5 對儀器再利用的改進和創新

球形干燥管在化學實驗中多用于氣體的干燥，一旦破損多數人直接將其丟棄，比較可惜，本實驗中則采用下端破損的球形干燥管經簡單的加工后用于氨氣的收集和噴泉實驗的產生裝置，實現了廢物再利用。再比如滴定管一般用于酸堿中和滴定中，其一大優點就是液體的流速好控制，可快可慢。而在乙炔的制取實驗中，由于碳化鈣和水反應比較劇烈，故加水的速度一定要慢，這個時候若改用滴定管來加水，可實現一滴一滴的加入，非常方便，操作也很簡單。

化學實驗教學是培養和發展學生的創新思維、創新精神、創新能力的有效途徑。學生是學習的主體，培養學生的創新能力，創新思維，養成良好的科學習慣和學習正確的科學方法等， 是化學實驗教學改革和創新的本質目的，在教學中，以實驗為載體，充分發揮學生的潛能，促進實驗教學從以知識為本向以學生發展為本的轉變，達到提高學生整體素質的目的，這才是化學實驗教學改革和創新的要義所在。

參考文獻:

[1]蓋立春.化學實驗呈現方式的含義、類型和功能[J].化學教育,2008,(1):60～62.

[2]九年義務教育化學課程標準實驗教科書[M].北京:人民教育出版社,2001.