化學實驗設計策略在高中化學創新實驗研究中的應用案例

石春婷，李紫薇

（伊犁師范學院 化學與環境科學學院，新疆 伊寧 835000）

化學上的一般事實性規律如果只通過講解灌輸給學生，不利于學生創新思維的發展。若是運用化學實驗獨特的現象呈現給學生，不僅可以幫助學生理解，還可以幫助學生加深記憶。怎樣將事實性規律設計成適宜的實驗，這對師生來說就是一個復雜的問題。運用實驗設計策略去設計化學實驗，可以取得良好的實驗效果。化學實驗設計的策略是指進行實驗設計時所采用的方式和方法[1]。雖然化學實驗設計策略具有一般性和普遍性，對于各種不同類型的實驗都適用，但是在實際進行實驗設計的過程中，需要我們針對不同的類型的實驗，通過對化學實驗案例進行分析，將化學實驗設計策略轉化為適用于特定實驗的具體方案。在實驗設計的過程可以運用一個策略，也可以多種策略結合使用。

本研究采用突出主要問題策略、實驗目標反推策略、希望點列舉策略和實驗目標分析策略設計了高中化學創新實驗“鈉與水的反應”和“銅與濃稀硝酸反應”的2個案例。

（1）突出主要問題策略：將實驗簡單化，突出實驗中不能解決的若干問題，聯系生活實際進行發散性思考，最終將復雜問題解決。

（2）目標分析策略：從已知推向未知，劃分出一個一個小步驟，逐步去完成，最終去設計好實驗。

（3）希望點列舉策略：通過對實驗進行研究和分析，列出希望點，使問題本來的目的聚集成焦點，再制定具體的解決方案。

（4）目標反推策略：分析實驗的目的和已有條件，根據實驗目的去反推到最初的條件，然后再正向分析已有條件，逐步解決實驗設計中出現的問題。

1 中學化學實驗創新設計案例分析

1.1 鈉與水反應的實驗創新設計

1.1.1 問題的提出

鈉與水的反應是化學必修一第三章第一節的內容，在整個教材中占有重要的地位[2]。選擇鈉作為代表性活潑金屬與水反應，說明了鈉的性質這一知識點的重要性。在教學過程中，既強調鈉的化學性質也要注重鈉的物理性質的學習。鈉與水反應的實驗具有一定的危險性，新課標將其設計為演示實驗。為了激發學生的學習興趣，加深學生對理論知識的理解，本研究在實驗安全性上實行了改進，讓每個學生都參與到課堂教學之中。另外，教材中鈉與水反應的實驗不夠完善，不能對反應產物進行驗證，比如如何驗證NaOH、H2的生成。

1.1.2 實驗創新的思路

金屬鈉的取用和用量不易控制，本研究采用突出主要問題策略進行發散性思考，將鈉固定在大頭針上，放置于學生不能拿到的位置。采用實驗目標反推策略對生成的氫氣進行驗證。驗證氫氣最方便的方法就是點燃，故需要一個帶尖嘴的玻璃儀器。采用希望點列舉的策略將鈉與水的反應設計成密閉體系。將固定好的鈉放入錐形瓶中，但不能與錐形瓶中的水接觸，鈉應離水面有一定的距離。怎樣使鈉與水接觸而發生反應呢？實驗選用長頸漏斗作為加水的儀器，并將其固定在大頭針旁。

1.1.3 實驗創新的過程

1.1.3.1 實驗原理

2Na+2H2O＝2NaOH+H2；酚酞遇堿變紅。

1.1.3.2 實驗試劑與儀器

試劑：金屬鈉、水、酚酞、火柴。儀器：錐形瓶、大頭針、帶尖嘴活塞、小燒杯、橡膠塞、長頸漏斗。

1.1.3.3 實驗裝置圖

實驗裝置如圖1所示。

1.1.3.4 實驗步驟

①準備一個50 mL的帶橡膠塞的錐形瓶，先把一個大頭針插入橡膠塞中，再將橡膠塞塞入錐形瓶中。在大頭針底部與錐形瓶處于同一平面的錐形瓶外部做標記，做好標記后將橡膠塞取出，在錐形瓶中加水至所做標記的位置。如圖1所示，將長頸漏斗嵌入橡膠塞中。②在煤油中取出鈉，用小刀將其切成正方形，邊長約0.5 cm。將鈉插入到大頭針后，將橡膠塞插入到錐形瓶中待用。③在小燒杯中裝適量的水，倒入長頸漏斗，打開如圖1止水夾，加水至水面恰與鈉接觸停止加水，然后關閉活塞。④先點燃火柴并靠近尖嘴處，打開止水夾觀察現象。

圖1 鈉與水反應

1.1.3.5 注意事項

①錐形瓶中加水不能過多，否則會與水反應。②倒水進入錐形瓶時注意打開止水夾，保證氣壓相等。③生成的H2量少，檢驗時一定要先點燃后放氣。④不能使用普通針，在插入橡膠塞時容易彎曲且不易插入。

1.1.3.6 實驗的優點

對產生的H2進行了驗證，彌補了課本實驗的不足。同時增強了實驗的安全性。改演示實驗為學生分組實驗，增強了學生的動手能力，培養了學生實事求是的態度。

1.2 銅與濃、稀硝酸反應的實驗創新設計

1.2.1 問題的提出

銅與濃、稀硝酸反應涉及的有關知識需要實驗事實的支撐。例如，銅的性質不活潑，一般不與酸發生反應，但硝酸具有強氧化性，可以將Cu氧化成Cu(NO3)2，同時硝酸被還原。HNO3濃度不同所具有的氧化性也不同，濃、稀HNO3分別與Cu反應后會被還原成什么物質？在現行的人教版教材中，由于NO2有毒氣體的生成而選擇忽視實驗[2]。為了加深學生對理論知識的理解，培養學生動手、動腦和觀察的能力，有必要從實驗的視角了解濃、稀HNO3的性質。從實驗設計的角度來看，實驗的連貫性較為重要，因此，本實驗設計更注重實驗的連貫性。Cu與濃HNO3反應劇烈，現象明顯，考慮反應生成物NO2與H2O會進一步發生反應生成HNO3，而生成的稀HNO3可作為反應物與Cu發生反應，從而設計出連續的一體化的實驗。實驗過程產生的有毒氣體不利于師生的身心健康。教師可以根據反應的原理、實驗目標以及前后知識的聯系引導學生去思考，并參與到實驗的設計中，完善實驗方案。在這個設計的過程中，學生的思維能力得到了鍛煉，有助于學生朝著創新型人才的方向發展。

1.2.2 實驗創新的思路

實驗裝置的一體化設計，在教材中Cu與濃、稀HNO3反應是分開進行的。濃、稀HNO3氧化性質不同。Cu與濃硝酸反應生成的二氧化氮可以和水反應生成稀HNO3，實驗前僅制作濃HNO3即可，這樣還可以節約藥品。

實驗設計分3個步驟進行：①實驗過程中所需要稀硝酸的制備。采用實驗目標反推策略，稀硝酸由水與NO2反應生成，故另一裝置事先應裝好水，反應過程將生成的NO2通入即可生成稀硝酸。②采用實驗目標分析策略對現象進行逐一分析。將Cu片放入具支試管中反應生成NO2，具支試管內溶液變藍，U型管內有氣泡生成，溶液藍色變淺。③驗證NO生成。運用實驗目標反推策略驗證NO的生成，在U型管的左側，用洗耳球鼓入空氣，NO與O2反應生成NO2，U型管內氣體變紅。

1.2.3 實驗創新的過程

1.2.3.1 反應原理

1.2.3.2 實驗試劑和儀器

試劑：銅片、濃HNO325 mL、蒸餾水100 mL。儀器：U型管、具支試管、橡膠塞若干、洗耳球、蝴蝶架兩個、橡膠管若干、玻璃導管若干。

1.2.3.3 實驗裝置

實驗裝置如圖2所示。

圖2 銅與濃、稀HNO3反應

1.2.3.4 實驗步驟

①如圖2用橡皮塞塞緊具支試管，向U型管中加水至高于彎管處1 cm，用帶玻璃導管的塞子塞上右側U型管口，從左往右依次用橡膠管將整個裝置連接起來。②實驗前檢查裝置氣密性，用手微熱或酒精燈微熱，若發現U型管左右液面一高一低即氣密性良好，否則重新搭建裝置。③將銅片分別放置于U型管和具支試管內，觀察現象。④反應開始后待U型管內有氣泡生成，溶液變藍，用洗耳球向U型管左端鼓入空氣，觀察現象。

1.2.3.5 注意事項

①若要保證生成的稀硝酸可以和銅反應，就要保證生成的二氧化氮的量足夠。②在實驗的過程中注意安全，塞緊瓶塞，防止壓強過大瓶塞被沖出，從而導致二氧化氮泄露污染空氣。

1.2.3.6 實驗的優點

①整個裝置處于一個密閉的體系，沒有污染。②實驗的過程不用制取稀硝酸。③具支試管中有紅棕色氣體和藍色沉淀生成，現象明顯。④實驗將含氮物質的轉化綜合利用起來，提升學生綜合分析能力。

2 結語

化學實驗設計策略是對大量的實驗設計方案進行分析總結得出的結論，這個結論可以指導我們如何去進行實驗設計。教師在一定的方針、策略指導下，才能更加明確實驗創新的方向。例如在本研究中，鈉與水反應創新設計運用了突出主要問題策略、實驗目標反推策略和希望點列舉策略；銅與濃稀硝酸反應的創新設計活用了實驗目標反推策略和實驗目標分析策略。教師在進行實驗設計時，可以從不同的角度分析問題，從而對書本上不完善的實驗進行改進完善，也可以將理論性強的知識設計成趣味性化學實驗，更好地去幫助學生理解化學理論性知識，激發學生學習興趣。對化學實驗設計的策略進行研究是站在一定的高度對化學實驗設計方法的一個規律性的總結設計，具有一定的意義。