怎樣設計與改進(jìn)實(shí)驗報告書(shū)

　　一、設計與改進(jìn)實(shí)驗所應遵循的原則

　　設計、改進(jìn)實(shí)驗是有明確目的的，那就是更好地發(fā)揮實(shí)驗在化學(xué)教學(xué)中的作用，不是為“改”而改，也不是標新立異。因而，設計、改進(jìn)實(shí)驗必須遵循如下的原則：

　　（一）以教學(xué)大綱為依據，緊密結合教材內容

　　教學(xué)大綱是指導教學(xué)的綱領(lǐng)性文件，它規定了教學(xué)內容的范圍和深度，實(shí)驗的改進(jìn)或增補，應是嚴格遵循大綱的要求，不能“超綱”，也不能隨意降低標準。教材是教和學(xué)的依據，教材的編排循序漸進(jìn)、銜接緊密，形成了完整的科學(xué)知識體系。實(shí)驗的編排是這一知識體系的重要組成部分。因此，實(shí)驗的設計與改進(jìn)，應首先明確該實(shí)驗在教材中的作用。增補是否有價(jià)值，是否有助于化學(xué)概念的形成，化學(xué)原理的說(shuō)明，增補與改進(jìn)均應在不違背教學(xué)大綱的要求，不違背教材編排科學(xué)性的前提下進(jìn)行。同時(shí)實(shí)驗安排的時(shí)機也應有機地溶入教材的整體之中。

　　（二）遵循實(shí)驗教學(xué)自身的科學(xué)性、系統性

　　優(yōu)秀的教材在實(shí)驗教學(xué)編排上也應自成體系，有其自身的規律。如對儀器的認識、使用是由簡(jiǎn)到繁、漸次增多；各種實(shí)驗基本技能的訓練由教師示范到學(xué)生逐步掌握應有計劃的安排；又如對學(xué)生觀(guān)察、分析能力的培養也是循序漸進(jìn)的；組織學(xué)生結合教材自己設計實(shí)驗習題更應在有一定知識及技能積累的條件下進(jìn)行。因此，進(jìn)行實(shí)驗設計與改進(jìn)，必須遵循實(shí)驗教學(xué)自身的規律性，違背了學(xué)生的認識規律，就會(huì )適得其反。例如，對初中化學(xué)的增補與改進(jìn)實(shí)驗，宜裝置簡(jiǎn)單、原理涉及單一，操作簡(jiǎn)便，隨著(zhù)學(xué)生接觸的實(shí)驗多了，化學(xué)知識更豐富了，再逐步提高實(shí)驗的綜合性和復雜程度。

　　（三）實(shí)驗的設計與改進(jìn)，要有利于全面提高學(xué)生的素質(zhì)

　　前面已經(jīng)論述過(guò)，實(shí)驗的目的，不僅在于知識的傳授和實(shí)驗技能的訓練，其重要作用還在于全面提高學(xué)生的素質(zhì)。目前課本上的大部分實(shí)驗雖都經(jīng)過(guò)長(cháng)期教學(xué)實(shí)踐的檢驗是行之有效的，但多數是驗證性實(shí)驗。而探索性實(shí)驗是從發(fā)展學(xué)生思維能力出發(fā)，將實(shí)驗變成學(xué)生創(chuàng )造性學(xué)習的手段。在教師的指導下，通過(guò)學(xué)生親自探索新知、親自實(shí)驗，去認識化學(xué)概念和規律，有利于對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)方法的初步訓練。為此，教師要精心設計實(shí)驗教學(xué)過(guò)程，盡量設法提高每個(gè)實(shí)驗的智力價(jià)值，使整個(gè)教學(xué)過(guò)程充滿(mǎn)啟發(fā)性、思考性。例如在初中可設計一組探究性實(shí)驗使學(xué)生形成分子的概念及認識分子的性質(zhì)。

　　（四）實(shí)驗的設計與改進(jìn)應考慮教學(xué)法的因素

　　實(shí)驗的設計與改進(jìn)應符合教學(xué)法的需要，應有利于調動(dòng)學(xué)生的學(xué)習興趣和積極性。例如，新課的講授往往以單獨的實(shí)驗為宜，復習課則可設計，增補綜合系列實(shí)驗，以實(shí)驗為線(xiàn)索引導學(xué)生進(jìn)行復習，如鹵素性質(zhì)綜合實(shí)驗等。并進(jìn)實(shí)驗課的設計應注意如何把演示實(shí)驗簡(jiǎn)化，使之儀器簡(jiǎn)單，需時(shí)少，易成功，無(wú)危險。一般一節課只應安排2～3個(gè)實(shí)驗。

　　（五）力求儀器裝置簡(jiǎn)單、效果明顯、直觀(guān)性強

　　實(shí)驗現象應使全班學(xué)生都能觀(guān)察到，儀器裝置簡(jiǎn)化的目的是為了突出重點(diǎn)，便于觀(guān)察。當簡(jiǎn)單性與直觀(guān)性發(fā)生矛盾時(shí)，應服從直觀(guān)性的需要。

　　（六）提高實(shí)驗的成功率，改進(jìn)需時(shí)較長(cháng)的實(shí)驗

　　演示實(shí)驗是為配合課堂教學(xué)內容進(jìn)行的，時(shí)間過(guò)長(cháng)會(huì )影響知識的講授。為保證實(shí)驗在預定的時(shí)間內順利完成，教師應探究實(shí)驗原理，尋找最佳反應條件，研究反應物的數量關(guān)系和形態(tài)，考慮影響實(shí)驗的各種因素。提高實(shí)驗成功率，使實(shí)驗準確及時(shí)完成，是實(shí)驗改進(jìn)的重要課題。

　　（七）確保安全，防止污染

　　中學(xué)化學(xué)涉及一些易燃、易爆、腐蝕性強及有毒氣體逸出的實(shí)驗。在實(shí)驗教學(xué)中確保學(xué)生的安全，防止中毒及污染也是實(shí)驗設計與改進(jìn)的重要課題。這可從改進(jìn)儀器裝置，增加防護措施，提高實(shí)驗技巧等多方面加以研究。

　　二、實(shí)驗設計與改進(jìn)的思路與方法

　�。ㄒ唬└镄略O計思想，巧妙構思

　　實(shí)驗的設計與改進(jìn)，本身是一項研究，是一種創(chuàng )造。不墨守陳規，是革新與創(chuàng )造的精髓。因此，成功的實(shí)驗設計與改進(jìn)，來(lái)源于立意的創(chuàng )新、構思的巧妙。這就要求教師在明確化學(xué)反應原理的基礎上，有較廣博的知識，要熟悉化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科的實(shí)驗方法，要了解國內外化學(xué)實(shí)驗設計與改進(jìn)的動(dòng)態(tài)。下面介紹的幾個(gè)實(shí)驗是近年來(lái)中學(xué)化學(xué)實(shí)驗改革的成果，都很有新意。

　　1．一氧化氮氣體簡(jiǎn)易發(fā)生器

　　由于一氧化氮氣體極易與空氣中的氧氣化合而生成紅棕色的二氧化氮氣體，學(xué)生難以從實(shí)驗現象上直觀(guān)地得出稀硝酸與銅反應生成無(wú)色一氧化氮氣體的結論。而改進(jìn)的一氧化氮氣體簡(jiǎn)易發(fā)生器（圖16），利用一氧化氮氣體不溶于水的性質(zhì)，用稀硝酸盛滿(mǎn)整個(gè)試管而將空氣排出，避免了生成的一氧化氮與空氣中氧氣接觸的可能。并將一氧化氮的制備與性質(zhì)實(shí)驗融為一體，即可清楚地看出實(shí)驗的主要產(chǎn)物：無(wú)色的一氧化氮氣體和藍色的硝酸銅溶液，打開(kāi)橡皮管夾又可演示一氧化氮與氧氣反應生成紅棕色二氧化氮氣體，同時(shí)避免了二氧化氮氣體污染空氣。這一實(shí)驗改進(jìn)，構思巧妙，裝置簡(jiǎn)單，直觀(guān)性強，具有新穎性。

　　2．一氧化碳還原氧化銅實(shí)驗

　　用錐形瓶或集氣瓶收集一瓶一氧化碳，將瓶口用膠塞塞緊。取粗銅絲打磨干凈后繞成螺旋狀并插入一個(gè)與瓶口合適的膠塞中。手持膠塞將銅絲加熱，離開(kāi)火焰后表面要確實(shí)看到生成黑色氧化銅，趁熱插入瓶中，銅絲由黑色瞬間被還原成光亮的'紅色，可重復做2～5次，倒入石灰水，石灰水變混濁證明有二氧化碳生成。

　　這是對原教材中實(shí)驗的改進(jìn)，儀器裝置簡(jiǎn)單，操作方便，效果明顯，易于觀(guān)察，且減少了一氧化碳的逸出。

　　3．吸氧腐蝕實(shí)驗

　　本實(shí)驗為增補課本實(shí)驗空白而設計�？墒箤W(xué)生直觀(guān)形象地看到吸氧腐蝕有電流產(chǎn)生，是電化腐蝕，加強對吸氧腐蝕機理的認識。

　　實(shí)驗裝置如圖17，將廢鋼鋸條用砂紙打亮，從中間折斷，溶液呈微酸性，pH值為6。

　　實(shí)驗時(shí)，每從導管鼓入一次空氣流，即可看到電流計指針發(fā)生一次明顯的擺動(dòng)。此實(shí)驗裝置簡(jiǎn)單，材料易得，操作方便省時(shí)，現象明顯，并可連續使用。

　　4．焰色反應效果改進(jìn)實(shí)驗

　　堿金屬元素的焰色反應實(shí)驗，現行教材是用鉑絲蘸取檢測液在酒精燈上灼燒觀(guān)察。由于鉑絲蘸取溶液很少，焰色反應很快消失，學(xué)生不易看清，特別是用藍色鈷玻璃觀(guān)察鉀更困難。

　　若改用同時(shí)點(diǎn)多盞焰色反應燈，能長(cháng)時(shí)間觀(guān)察金屬的焰色反應�？蓮U物利用將青霉素藥瓶制作成焰色反應燈。由于酒精燈用乙醇做燃料，而乙醇火焰帶黃色，對焰色有嚴重干擾。將燃料由乙醇改為甲醇，在燈芯上撒放少許粉狀檢測物，再用深色豎板做背景襯底，點(diǎn)燃燈芯，可觀(guān)察到鮮明的被測元素焰色反應。

　　用滴管往小瓶?jì)燃尤爰状既芤翰怀�過(guò)2／3容積，放入燈芯即可使用。由于點(diǎn)燈法增大了火焰的可見(jiàn)度，用甲醇做燃料，大大降低了對焰色反應的嚴重干擾，即使觀(guān)察鉀的焰色也不必用鈷玻璃。燈芯上添加檢測物后，可以保持較長(cháng)時(shí)間使用。小瓶上要貼有標簽，并設置瓶蓋（可用眼藥瓶底部）。

　�。ǘ�）采用其它學(xué)科的實(shí)驗儀器和方法

　　當代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使得新知識，新技術(shù)不斷涌現，各學(xué)科之間相互滲透，相互促進(jìn)成為科技進(jìn)步的明顯特征之一�；瘜W(xué)實(shí)驗也不再是傳統的自我封閉的體系。一些其它學(xué)科儀器和電子元器件已成為廣泛通用和普及的了。根據化學(xué)實(shí)驗設計與改進(jìn)的原則和方向，引入一些新的儀器或電子元器件，對革新實(shí)驗往往會(huì )收到事半功倍的效果。下面的一些實(shí)例，也出自各地教師的研究成果。

　　1．化學(xué)實(shí)驗中發(fā)光二極管、三極管、音樂(lè )集成塊、壓電陶瓷發(fā)聲器等的應用

　　半導體發(fā)光二極管是一種將電能轉化為光能的電子器件，具有耗電省及靈敏度高的特點(diǎn)，利用若干發(fā)光二極管和小功率晶體管可制作簡(jiǎn)單的直流放大電路。利用輸入電壓的變化，經(jīng)放大后，能使不同數的發(fā)光二極管依次發(fā)光。用此裝置可證明不同溶液導電能力的差異。由于不同溶液導電能力不同，輸入電壓也將發(fā)生相應變化，此時(shí)發(fā)光二極管發(fā)光的個(gè)數也不同，直觀(guān)形象地說(shuō)明了溶液導電能力的差異。

　　“水的電離度受溫度影響實(shí)驗”，“金屬活潑性實(shí)驗”，“氫氧化鋇溶液和稀硫酸溶液的中和反應”等實(shí)驗均可運用上述裝置。目前，各地推薦的實(shí)驗改進(jìn)、教具改革成果中，很多項目使用發(fā)光二極管、三極管等電子器件。這不僅使實(shí)驗現象直觀(guān)、鮮明，也開(kāi)拓了學(xué)生的思路。

　　2．利用投影器做化學(xué)投影實(shí)驗

　　在簡(jiǎn)單裝置中進(jìn)行的化學(xué)實(shí)驗一般都可以利用投影器投影。實(shí)驗現象被投影放大后，使一些只有細微變化的現象，變得易于觀(guān)察，使遠離演示臺的學(xué)生也能看清。由于投影實(shí)驗只需在較小的器皿內進(jìn)行，還可以節約藥品。實(shí)驗投影的方式分為豎直投影和水平投影兩種。豎直投影時(shí)，銀幕上得到的影像是側視實(shí)驗的效果；而水平投影時(shí)，銀幕上得到的影象是俯視實(shí)驗時(shí)的效果，教師可根據所做實(shí)驗在觀(guān)察上的要求來(lái)設計投影的方式。水平投影一般在結晶皿內進(jìn)行，如金屬鈉與水反應、電解銅等實(shí)驗均能得到較好的效果。豎直投影實(shí)驗，一般在扁平投影反應槽內進(jìn)行，可用于金屬活動(dòng)性比較、原電池、膠體電泳等實(shí)驗。

　�。ㄈ�）從探索最佳反應條件上改進(jìn)實(shí)驗

　　實(shí)驗的研究與改進(jìn)，一種是新的構思、新的設計，另一種則是對原教材中那些反應條件不易掌握，反應時(shí)間較長(cháng)，效果不明顯的實(shí)驗加以改進(jìn)，使之更適合教學(xué)需要。這還包括原教材中的實(shí)驗設計無(wú)可挑剔，但結合本校具體條件做起來(lái)不盡理想的。在不改變原設計構思的情況下，研究的方向主要是探索最佳的反應條件，因為化學(xué)反應的發(fā)生與進(jìn)行是受到多種因素制約的，首先是決定于反應物的組成、結構、性質(zhì)與相互間的作用，其次還要受到外界多種因素與實(shí)驗程序的影響。因此，化學(xué)反應條件的研究與控制是實(shí)驗成敗的關(guān)鍵之一。影響化學(xué)反應的速度與程度和實(shí)驗現象的鮮明與準確的客觀(guān)因素是眾多的。常見(jiàn)的客觀(guān)條件有反應物的濃度、用量的配比、純度、溫度，反應物間的接觸面積，反應體系的壓強、溫度、光照及溶劑，反應介質(zhì)的pH值，實(shí)驗的程序，電化學(xué)反應所需要的電流強度與電壓等等。這方面的研究與探索對提高實(shí)驗教學(xué)質(zhì)量具有十分現實(shí)的意義。

　　1．木炭還原氧化銅實(shí)驗反應條件的研究

　　為得到光澤性好的塊狀金屬銅是改進(jìn)本實(shí)驗的目的，關(guān)鍵在于研究最佳反應條件。

　　首先要解決的是木炭和氧化銅的用量比，理論上，木炭與氧化銅的質(zhì)量比是1∶13．3。但若按此量，木炭的用量實(shí)際上會(huì )不足，因為試管中的空氣會(huì )消耗一定量木炭。因而木炭用量要比理論值偏高，實(shí)驗證明，木炭與氧化銅質(zhì)量比以1∶10至1∶12為宜。反應物的總量也會(huì )影響實(shí)驗效果，太多、太少均不好，如用15×150mm的試管以1.6克為宜。反應物顆粒要細，混合均勻，適度壓實(shí)，使顆粒間緊密接觸，目的是增大反應物的接觸面。另一課題是研究反應溫度及燈具，由于本實(shí)驗是固相反應，要求使用高溫燈加熱，最宜控制掌握的是使用加鐵紗網(wǎng)罩的大火酒精燈，還要考慮此反應是放熱反應，當反應物開(kāi)始發(fā)紅，猛烈燃燒時(shí)應及時(shí)撤走酒精燈，便于觀(guān)察反應繼續進(jìn)行直至反應完全。

　　2．利用正交試驗設計法研究反應最佳條件

　　當原實(shí)驗給定的條件不詳，效果較差又無(wú)文獻可查時(shí)，應利用正交試驗設計法進(jìn)行研究。正交試驗設計法，簡(jiǎn)稱(chēng)正交法，它利用正交表來(lái)安排試驗。對那些受諸因素影響的實(shí)驗，要想獲得最佳反應條件，如果盲目試驗，不僅增加試驗次數，延長(cháng)周期，造成人力物力的浪費，有時(shí)還會(huì )因試驗次數多得驚人以致無(wú)法進(jìn)行。使用正交法能從眾多的不同條件搭配中，選出少量的最具“代表性”的試驗，并能對影響試驗結果的各個(gè)因素的重要程度給予定量的估計。正交法是一種科學(xué)方法，一項科學(xué)試驗要想達到預期的目的，除了正確的指導思想外，采用科學(xué)方法也是試驗成敗的關(guān)鍵。

　�。ㄋ模┎捎么�用品，自己動(dòng)手設計制作簡(jiǎn)單的專(zhuān)用儀器

　　由于學(xué)校條件，實(shí)驗室設備及經(jīng)費的限制，使部分學(xué)校不能按質(zhì)按量完成教材規定的實(shí)驗教學(xué)內容。為解決這一問(wèn)題，因地制宜采用代用品，自己動(dòng)手設計制作簡(jiǎn)單的儀器，是一項大有作為的研究課題�，F舉幾例說(shuō)明。

　　1．用紅磷做“自燃”實(shí)驗

　　白磷劇毒，易燃，一般中學(xué)不具備保存條件。但若將一般實(shí)驗室中易得到的紅磷轉化成白磷做自燃實(shí)驗，不但補足了教材中應做的實(shí)驗，還擴展了學(xué)生的知識面。

　　取紅磷2克裝入大試管中，把10厘米長(cháng)的濾紙條卷成螺旋狀裝入試管中，配上有直角導管的膠塞，并將導管插入盛有水的試管中。加熱紅磷，紅磷升華為磷蒸氣，被濾紙吸附。停止加熱，換上無(wú)孔膠塞（此時(shí)紅磷已轉化為白磷），待用。實(shí)驗時(shí)，用鑷子夾出紙條，白磷遇空氣即燃。

　　2．為引出催化劑概念而設計的實(shí)驗裝置

　　原教材中為引出催化劑概念而設計了三個(gè)實(shí)驗，很費時(shí)間�，F在用一個(gè)自制的簡(jiǎn)單儀器，可使三個(gè)實(shí)驗用一個(gè)連續的實(shí)驗代替。

　　儀器如圖18。A為自制彎曲試管，B為氯酸鉀，C為二氧化錳。實(shí)驗時(shí)，首先加熱二氧化錳，檢驗無(wú)氧氣放出。再加熱氯酸鉀至熔化，有氧氣放出。移開(kāi)火焰，使試管直立，二氧化錳落入加熱的氯酸鉀中，檢驗有氧氣迅速放出。此實(shí)驗由于簡(jiǎn)潔，有利于概念的引出，已被選入北京市的新編教材中。

　　3．二氧化碳比空氣重的實(shí)驗

　　用托盤(pán)天平稱(chēng)量實(shí)驗備用的燒杯的質(zhì)量后，把集氣瓶中的二氧化碳慢慢地向燒杯里傾倒，讓學(xué)生觀(guān)看天平指針發(fā)生偏移。這一實(shí)驗由于種種原因往往不易成功。分析原因，有時(shí)是由于實(shí)驗室的天平被腐蝕而不夠靈敏所致；稱(chēng)量與感量不匹配等。如用250毫升燒杯稱(chēng)量二氧化碳和空氣，其質(zhì)量差是0.1705克，如果用感量0.2克的天平則指示不出明顯變化，所以應當用再大一些的容器。再有集氣瓶的體積也應與燒杯的體積相匹配，集氣瓶的體積應等于或大于燒杯的體積，容器是否干燥也很重要。為了提高演示成功率，可改成一種自制天平。將懸有兩個(gè)紙袋的杠桿支架起來(lái)并保持平衡，將其懸掛在鐵架臺上。用大燒杯收集滿(mǎn)二氧化碳，然后將二氧化碳慢慢傾注到一端的紙袋里。杠桿失去平衡時(shí)，再向另一端的紙袋里倒入二氧化碳，杠桿又恢復平衡。本著(zhù)就地取材，因陋就簡(jiǎn)的精神，可制作多種實(shí)用的儀器。如用廢牛皮紙信封做成漏斗，再涂以蠟或樹(shù)脂涂料實(shí)用且不易摔碎。用易拉罐，有機玻璃、泡沫板，聚光電珠等制作高亮度丁達爾現象實(shí)驗器，實(shí)驗現象十分明顯；用135膠卷暗盒制作的酒精燈增溫護焰罩，能使酒精充分燃燒，焰高是原來(lái)的1．5～2倍，處于半氣化狀態(tài)，加罩的酒精燈適用于木炭還原氧化銅、甲烷制取、焰色反應等高溫實(shí)驗。其它一些代用品或廢棄物如輸液管、塑料瓶等均可派上用場(chǎng)。

　　4．液封除毒氣化學(xué)儀器的自制

　　在中學(xué)化學(xué)課本的演示實(shí)驗中，有一些實(shí)驗會(huì )產(chǎn)生污染物，對師生健康有害。如二氧化硫、氯氣等，可在現有儀器的條件下加工制成具有防毒氣逸出的裝置，使實(shí)驗更加安全，也有利于對學(xué)生進(jìn)行環(huán)境保護的教育。圖19中的液封集氣瓶，可進(jìn)行多種有害氣體性質(zhì)實(shí)驗。

　　使用代用品或制作簡(jiǎn)單儀器，應力求操作規范，并應向學(xué)生說(shuō)明規范實(shí)驗的內容。做到既增補了因儀器、藥品不足而減少的實(shí)驗，同時(shí)又鼓勵學(xué)生的創(chuàng )造性，提高他們的學(xué)習興趣和實(shí)驗技能。

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