例談中學化學實驗設計的常用方法

【摘 要】化學實驗設計不僅需要較為扎實的化學知識與實驗技能，而且還必須掌握相關的科學方法。運用化學實驗知識和技能設計新的實驗方案，是學生綜合能力的具體體現。本文通過實例介紹中學化學教學中常用的實驗設計方法。

【關鍵詞】中學化學 實驗設計 整合法 缺陷改進法 反向思維法

傳統中學化學實驗大多以驗證性為主，因此招致不少批評，許多人主張應將驗證性實驗改為探索性或研究性實驗。其實，驗證性實驗和探索性、研究性實驗各有不可替代的作用，關鍵是如何有效地發揮它們的功效，因為不管哪種形式的實驗都有創新的設計。中學化學實驗設計的常用方法有三種。

一、缺陷改進法

缺陷改進法指發現現有實驗的缺陷，進行改革或革新的方法。改進首先是發現問題，而創新就是要解決現有的問題，每發現一個缺陷，提出一個問題，也就是找到了一個創新的課題。如：空氣中氧氣含量的實驗測定。

如圖1所示，利用紅磷燃燒消耗空氣中的氧氣（4P+5O2 2P2O5），從而使容器內形成壓力差，打開止水夾后，水進入容器內。進入容器中的水的體積，可粗略地認為是空氣中所含氧氣的體積。

該實驗在設計原理上就存在不合理之處。反應物濃度越小，反應的速率越慢。燃燒進行時，集氣瓶中氧氣的濃度越來越小，到一定的限度（此時還殘留一定量的氧氣）時，燃燒就會停止。這也是有些物質不能在空氣中燃燒，但能在氧氣中燃燒的原因。因此，從這個意義上說，利用燃燒試圖除盡空氣中的氧氣，是難以達到目的的。維持紅磷燃燒需要的氧氣濃度相對較高，因此就更無法除盡氧氣了。另外，該實驗裝置可能發生氣體泄漏的地方也較多，加之將燃燒著的紅磷伸入集氣瓶中時會加熱內部的空氣，使之外逸，這些都會導致實驗現象達不到預期的效果。

要做好該實驗，關鍵要注意以下幾點：（1）用更易燃燒的可燃物代替紅磷（如白磷）；（2）裝置的氣密性要好；（3）燃燒匙伸入集氣瓶中的速度要快，并塞緊塞子（最好沒有這一步驟）。

基于以上分析與思考，可將原實驗進行如下改進設計：

（1）用凸透鏡將太陽光聚焦到白磷，使白磷燃燒。此法可以防止燃燒匙伸入集氣瓶時氣體的散逸。如圖2。

（2）用水浴加熱的辦法使白磷燃燒，也可以防止燃燒匙伸入集氣瓶內氣體的散逸。白磷的著火點僅為40°C，水溫稍高，足以使白磷著火燃燒。如圖3。做此實驗時，盛白磷的廣口瓶不能直接放入沸水中，以免廣口瓶因驟熱而爆裂。可先用溫水淋浴后，再將熱水注入外面的大燒杯中。

（3）用鐘罩代替集氣瓶進行實驗，如圖4所示。鐘罩下方敞口，氣體受熱膨脹時，可將水壓出一部分從而產生減壓作用。用此法可減少氣體泄漏的可能，準確性比原實驗方案高。

（4）在一端封閉的粗玻璃管內放一小粒白磷，用膠塞塞住，并將其推入到玻璃管中部，記下位置。用酒精燈微微加熱白磷，使之燃燒，可觀察到白磷燃燒有大量白煙生成，膠塞被推向外側（右側）。待裝置冷卻，膠塞逐漸向內側（左側）移動，根據膠塞停止時的位置，確定空氣中氧氣的體積。如圖5。

對化學實驗進行觀察、研究、分析，發現其缺陷，并在此基礎上探索改進，就可以對化學實驗進行創新。缺陷改進法創新化學實驗的一般步驟為：（1）選定化學實驗；（2）找出實驗的缺陷；（3）針對缺陷研究改進方案。

二、整合法

整合法是將一些相關的化學實驗按某些內在聯系或特征進行新的整合，設計新的實驗方案的實驗創新方法。愛因斯坦曾說過，為了滿足人類的需要而找出已知裝置的新的組合的人就是發明家。同樣，將已有的化學實驗按一些共同特征或功能進行合理整合，使其具有某種新的功能也是對原有化學實驗的一種創新。

例如驗證“二氧化碳與水的反應”的化學性質，一般教材上都是將二氧化碳氣體通入到滴加了紫色石蕊試液的蒸餾水的試管里，振蕩，觀察到紫色石蕊試液變成紅色的現象。同時作出判斷，二氧化碳與水發生了反應，反應后生成了一種酸。這對于學習化學不久的初三學生來說，會存在很大的困惑：首先是第一次接觸到酸堿指示劑，對酸能使紫色石蕊變紅色的事實不知道；其次，干燥的二氧化碳能不能使石蕊也變成紅色呢？為了能更好地解釋清楚這些問題，可以將這個實驗設計成如下圖所示方案：

用吸水性較好且有一定強度的紙折四朵小花，將其完全浸入石蕊試液中，取出晾干后，再浸入石蕊試液中，取出晾干。直到紙花變成明顯的紫色為止。

向第一朵小花上噴稀醋酸（或稀鹽酸等），紙花變紅色，說明石蕊試液遇酸變紅色；

向第二朵小花噴水，紙花不變色，說明水不能使石蕊變紅色；

將第三朵紙花放入集滿二氧化碳的集氣瓶中，紙花也不變色，說明二氧化碳不能使石蕊變色；

第四朵紙花先噴水濕潤，再放入集滿二氧化碳的集氣瓶中，紙花變紅色，說明此時有酸存在，是二氧化碳與水反應的產物碳酸。

取出第一朵和第四朵變色的紙花，分別放在酒精燈火焰上加熱。第一朵紙花不變色，第四朵紙花變紫色。由此說明碳酸不穩定，遇熱分解。

這個實驗設計將酸使酸堿指示劑（石蕊）變色實驗、二氧化碳與水反應生成酸、碳酸不穩定等實驗巧妙地整合在一起。裝置簡單、操作簡便、無污染、實驗現象明顯、趣味性濃，學生容易接受。

運用整合法創新化學實驗時應注意：（1）整合實驗應是在對原先實驗進行變形的基礎上再將它們進行有機融合，并不是簡單地拼湊在一起；（2）整合后的實驗應易于操作，儀器裝置應簡明；（3）要有新的實驗效果。

三、反向思維法

對于某一化學實驗，其儀器裝置都有特定的要求和用途，但并非絕對不可改變。同樣，完成某一實驗也絕非只能用某一種儀器裝置。進行化學實驗設計，涉及儀器裝置應遵循“一裝（置）多用”或“一用多裝（置）”的原則，做到“變式思考”，達到科學合理、簡單易行、便于操作。反向思維法是沿著事物的相反方向，用反方向探求的思維方式對現有的實驗設計進行思考，從而提出新的實驗設計的一種實驗創新方法。如從實驗的相反功能或性質，去設想和尋求解決問題的新途徑，從而獲得新的實驗設計。例如在演示完用碳棒（惰性電極）電解CuCl2溶液的實驗后，引導學生弄清電解原理后，將原實驗陰陽兩根電極（此時陰極碳棒上已附著紅色的銅）調換再進行電解，可觀察到一段時間后已改成陽極的碳棒上附著的銅消失了。顯然，將陰陽兩極調換后，可以為非惰性電極作陽極時的電解原理的學習打下基礎。又如，課本中制備溴苯的實驗中是將溴和苯先加入燒瓶，然后向燒瓶中再加入鐵粉（即溴和苯靜、鐵粉動），由于反應物已全部加入燒瓶，加入催化劑后，反應劇烈無法控制，導制溴揮發并從導管溢出而達不到預期目的。基于這個考慮，可將實驗操作改為：先將鐵粉加入燒瓶，將溴和苯的混合液加入分液漏斗，通過分液漏斗的活塞來控制滴加液體的速度，從而克服原實驗的不足。

化學實驗設計的方法很多，在實際設計過程中，所使用的方法也并不是單一的，往往是多種方法的綜合應用。化學實驗設計的創新永無止境，各種現代化媒體與化學實驗的結合也為實驗創新提供了廣闊的領域，只要勇于探索，一定會有更多更好的創新實驗設計方案涌現出來。

（作者單位：江蘇省蘇州市吳江區八坼中學）