創(chuàng)新性微型化學(xué)實驗和新技術(shù)實驗在教學(xué)中的應(yīng)用天津王旭達

1、創(chuàng)新性微型化學(xué)實驗和新技術(shù)實驗在教學(xué)中的應(yīng)用王旭達實驗中學(xué)天津市300074摘要：化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，新課改以全新的理念確立了實驗在教學(xué)中的重要地位和作用。為了適應(yīng)新課程的教學(xué)理念，更好的發(fā)揮實驗在教學(xué)中的功能，就必須加快對化學(xué)實驗的創(chuàng)新性研究。本文主要從創(chuàng)新性微型實驗和新技術(shù)實驗傳感器的使用這兩個方面研究了它們在教學(xué)中的應(yīng)用，這兩項實驗不僅體現(xiàn)了綠色化學(xué)理念,而且在培養(yǎng)學(xué)生的實驗探究能力、創(chuàng)新精神、科學(xué)素養(yǎng)等方面還起著重要作用。關(guān)鍵詞：化學(xué)實驗微型化學(xué)實驗現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)實驗傳感器新課改的教學(xué)理念強調(diào)：基礎(chǔ)教學(xué)的任務(wù)不僅是傳授知識，更重要的是讓學(xué)生改變單一的接受性學(xué)習(xí)，通過研究性學(xué)

2、習(xí)、參與性學(xué)習(xí)、體驗性學(xué)習(xí)、實踐性學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生終身學(xué)習(xí)的愿望和能力，促使學(xué)生知識技能、情感態(tài)度與價值觀的整體發(fā)展。化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，化學(xué)實驗是中學(xué)化學(xué)教學(xué)內(nèi)容的重要組成部分，也是中學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的基本方法。近幾年，隨著國內(nèi)外高中化學(xué)課程改革的深入發(fā)展，中學(xué)化學(xué)實驗的創(chuàng)新性研究也在不斷的進行，微型化學(xué)實驗和新技術(shù)實驗逐步應(yīng)用到中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，與傳統(tǒng)化學(xué)實驗相比，創(chuàng)新性微型化學(xué)實驗和新技術(shù)實驗以其各自的優(yōu)勢更好的適應(yīng)了新課程的教學(xué)理念，充分的發(fā)揮了實驗在教學(xué)中的功能，在培養(yǎng)學(xué)生的綠色化學(xué)意識、創(chuàng)新精神、用現(xiàn)代化科學(xué)新技術(shù)開展探究的能力等方面還起著重要作用。一、微型化學(xué)實驗所謂微型化

3、學(xué)實驗，就是以盡可能少的化學(xué)試劑來獲取所需化學(xué)信息的實驗方法與技術(shù)。微型化學(xué)實驗是80年代美國Dana WMayo博士首先提出的。它的核心就是使“實驗藥品微量化，實驗儀器微型化”，其特點是：降低藥品用量，它的化學(xué)試劑用量一般只為常規(guī)實驗用量的幾十分之一乃至幾千分之一，但其效果卻可以達到準(zhǔn)確、明顯、安全、環(huán)保。與傳統(tǒng)實驗相比較，在減少環(huán)境污染，節(jié)約實驗經(jīng)費的同時，還可使我們在較短的時間內(nèi)，完成規(guī)定的實驗內(nèi)容，克服常規(guī)實驗的不足，獲得更準(zhǔn)確、更可靠的實驗信息。因此,在開展微型化學(xué)實驗教學(xué)中有意識進行綠色化學(xué)教育,可以達到事半功倍的效果。中學(xué)階段的實驗主要有性質(zhì)實驗、物質(zhì)制備實驗、定量實驗和綜合實驗

4、。定量實驗一般利用常規(guī)實驗進行；其它的實驗都可能改成微型實驗進行。有的實驗結(jié)果對環(huán)境沒有太大的影響，而有的實驗對環(huán)境會造成一定的污染。對環(huán)境影響不大的實驗可利用常規(guī)實驗進行，對環(huán)境影響大的實驗，盡可能利用微型實驗進行。如氯氣的制取和性質(zhì)、二氧化硫的制取和性質(zhì)、濃稀硝酸的性質(zhì)、乙烯乙炔的制取和性質(zhì)等，對環(huán)境的污染較大，盡可能設(shè)計成微型實驗進行。目前微型實驗的設(shè)計主要有三種途徑：1 使用標(biāo)準(zhǔn)的微型實驗儀器目前，中國微型化學(xué)實驗研究中心已經(jīng)研制出標(biāo)準(zhǔn)的微型實驗儀器，它是由塑料微型儀器和玻璃微型儀器結(jié)合組成。使用方便，快捷。在學(xué)習(xí)元素化合物性質(zhì)、和一些有刺激性氣味、有毒物質(zhì)的制備時,可選用微型化學(xué)實驗

5、,把集氣瓶、燒瓶、啟普發(fā)生器等微型化。例如：H2S和SO2氣體的制備及性質(zhì)實驗實驗儀器：微型氣體發(fā)生器、V形側(cè)泡反應(yīng)管、側(cè)泡具支試管、尖嘴管、直形通氣管、直角形通氣管、止氣夾、微型酒精燈、滴管膠頭。實驗操作：以側(cè)泡具支試管作為制備氣體的微型發(fā)生器，在左邊氣體發(fā)生器中加入約0.5g硫化亞鐵，上方滴管吸入稀硫酸。在右邊氣體發(fā)生器中加入約2mL濃硫酸，在其管口插有根一銅條。在V形側(cè)泡反應(yīng)管的側(cè)泡處分別加入1-2滴紫色石蕊試液和品紅溶液，在V形處加入幾滴高錳酸鉀溶液。實驗現(xiàn)象：夾緊止氣夾，加熱裝濃硫酸的側(cè)泡具支試管，沸騰后把銅條插入酸液下，這時可以看到管中有SO2氣泡出現(xiàn)，且濃硫酸慢慢變籃色。觀察V形

6、側(cè)泡反應(yīng)管中各處的實驗現(xiàn)象，紫色石蕊試液變紅色說明SO2溶于H2O生成亞硫酸，用酒精燈加熱該處溶液又變?yōu)樽仙f明亞硫酸不穩(wěn)定；品紅溶液褪色說明SO2具有漂白性，用酒精燈加熱該處褪色的品紅溶液紅色又復(fù)出現(xiàn)；高錳酸鉀溶液褪色說明SO2具有還原性易被氧化劑氧化。擠壓左邊的膠頭滴管使稀H2SO4加入側(cè)泡具支試管中，與硫化亞鐵接觸，即有H2S生成，打開止氣夾，使生成的H2S進入微型氣體發(fā)生器中與SO2接觸，經(jīng)過反應(yīng)，在微型氣體發(fā)生器管壁上附著一層淡黃色的固體，這是反應(yīng)生成物單質(zhì)硫。實驗設(shè)計評價：H2S和SO2氣體都是對環(huán)境造成污染的有毒氣體，使用標(biāo)準(zhǔn)化微型實驗儀器組裝的實驗裝置，試劑用量比常規(guī)實驗節(jié)約7

7、0%左右，可以大大降低有毒氣體的排放，并且這套實驗裝置將H2S和SO2兩種氣體的制備融合在一起，實驗儀器組裝簡便，安全性高，反應(yīng)時間短，在有限的時間中讓學(xué)生做更多的實驗，獲取更多的知識。同樣這套裝置也適用乙烯的制備及性質(zhì)實驗。2.創(chuàng)新性的設(shè)計微型實驗在沒有微型實驗儀器的情況下，可利用一次性醫(yī)用器材或生活中的一些用品，經(jīng)過創(chuàng)新性設(shè)計后，組裝成實驗裝置，效果也很好。例如用醫(yī)用小藥瓶和注射器設(shè)計的微型實驗裝置來進行氣體的制備和性質(zhì)檢驗，或進行一些綜合性實驗，也都能取得較好的效果。例如：乙炔氣體的制備與性質(zhì)實驗。實驗步驟及現(xiàn)象：如圖所示組裝好儀器，在2、3、4號小藥瓶中分別加入CuSO4溶液、酸性KM

8、nO4溶液、溴水，在1號小藥瓶中加綠豆大小的一小塊電石，再加一小團棉花，用注射器向電石上滴兩滴飽和食鹽水，反應(yīng)進行一會兒，號小瓶CuSO4溶液的作用是除去產(chǎn)生的H2S、PH3等雜質(zhì)，3號小瓶酸性KMnO4溶液褪色證明乙炔具有還原性、4號小瓶溴水褪色證明乙炔能發(fā)生加成反應(yīng)，再點燃最后出口的氣體，因為反應(yīng)產(chǎn)生的乙炔量少，導(dǎo)管較細(xì)，燃燒時產(chǎn)生的黑煙現(xiàn)象明顯但量少，對環(huán)境的影響不大。實驗設(shè)計評價：乙炔具有刺激性氣味，對人體和環(huán)境都會造成危害，將它的制備和性質(zhì)實驗改成微型實驗后，由于實驗中使用了極少的藥品，自然產(chǎn)生的廢氣、廢液也是很少，實驗過程既安全又環(huán)保，同時大大節(jié)省了實驗時間，留下更多的時間供師生反

9、思、交流，更利于學(xué)生的思維開闊和發(fā)展。再如：利用微型實驗進行氯氣和SO2氣體的漂白性對比實驗步驟及現(xiàn)象：A瓶中：無水Na2SO3晶體，注射器：濃硫酸，制備SO2氣體的發(fā)生裝置；B瓶中：KClO3晶體，注射器：濃鹽酸，制備氯氣的發(fā)生裝置；C,D,E三個瓶中各裝一個浸水的有色布條；F，G兩個瓶中加入紫色石蕊試液。將注射器中的試劑加入藥瓶中產(chǎn)生氯氣和SO2氣體，觀察現(xiàn)象；氯氣經(jīng)過的D瓶中布條最先褪色，SO2氣體經(jīng)過的E瓶中布條稍后褪色，說明氯氣和SO2氣體都具有漂白性，而C瓶中的紅色布條褪色不明顯，說明氯氣和SO2氣體混合與水反應(yīng)后生成硫酸和鹽酸，失去了漂白性。氯氣經(jīng)過的F瓶中的紫色石蕊試液先變紅后

10、褪色，說明氯氣溶于水生成顯酸性物質(zhì)，且產(chǎn)生的次氯酸具有強漂白性使石蕊褪色；SO2氣體經(jīng)過的G瓶的紫色石蕊試液只變紅不褪色，說明SO2的漂白性具有選擇性，它能和某些有色物質(zhì)結(jié)合生成不穩(wěn)定的無色物質(zhì)。實驗設(shè)計評價：這套實驗裝置將氯氣和SO2的制備進行微型化處理，使得操作簡便，且對環(huán)境的污染減小，實驗現(xiàn)象明顯，能夠?qū)β葰夂蚐O2的漂白原理進行準(zhǔn)確的說明。3設(shè)計“點滴化”實驗在傳統(tǒng)的教學(xué)實驗中，為了在一套實驗裝置中驗證一種物質(zhì)的多種化學(xué)性質(zhì)，往往采用多個試管并列的實驗方法。組裝儀器所需時間較長，試劑加入量較大，前后實驗可能互有影響。如果利用微型實驗方法，按照事先設(shè)計好的方案，置A、B、C、D于點滴板或

11、表面皿上，然后按順序滴加另一種試劑，使反應(yīng)體系陣列化，就會同時觀察到所有的變化，適時地進行比較、分析和歸納，其情景將和傳統(tǒng)方法完全不同。例如：將探究氯氣化學(xué)性質(zhì)的實驗設(shè)計成“點滴化”微型實驗，使用到的儀器有:直徑為6cm的培養(yǎng)皿;直徑為9cm的培養(yǎng)皿(作蓋子)，滴管。實驗步驟：將小培養(yǎng)皿放在白紙上，在培養(yǎng)皿的不同位置分別滴加濃度為0.1mol·L1的Na2SO3(含BaCl2)溶液、KI（含淀粉溶液）、NaOH（含酚酞）溶液、FeSO4（含KSCN）溶液、橙汁各1滴，每種液滴彼此分開，圍成半徑小于培養(yǎng)皿的圓形（如圖所示），在圓心處放置2粒KClO3晶體，向KClO3晶體滴加一滴濃鹽酸

12、，立即將作蓋子的大培養(yǎng)皿蓋好，觀察現(xiàn)象。實驗現(xiàn)象：觀察氯酸鉀與濃鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生黃綠色氣體氯氣；亞硫酸鈉被氯氣氧化成硫酸鈉，遇氯化鋇產(chǎn)生白色沉淀；氯氣將碘離子氧化成碘單質(zhì)使淀粉變藍色；氫氧化鈉酚酞溶液的紅色逐漸褪去；硫酸亞鐵被氧化成硫酸鐵遇硫氰化鉀顯紅色；氯氣溶解到橙汁溶液中產(chǎn)生次氯酸的漂白性使橙汁變?yōu)闊o色。實驗設(shè)計評價：使用這套微型實驗裝置研究氯氣的化學(xué)性質(zhì)，效果相當(dāng)好，它的最大優(yōu)點就是氯氣自發(fā)彌散取代了將反應(yīng)物混合，現(xiàn)象快速明顯，立即就能觀察到反應(yīng)現(xiàn)象，中學(xué)生很容易就能掌握這組實驗的操作過程和實驗技術(shù)，而且藥品用量少，大大降低了氯氣對實驗室的污染程度。此外,該實驗所用儀器均為透明的玻璃儀器，因

13、此，教師也可以用投影來做演示，以增強實驗的效果。同樣的裝置還可以用于SO2化學(xué)性質(zhì)的研究，選取一個培養(yǎng)皿作容器，向里滴加反應(yīng)試液，另一個培養(yǎng)皿作蓋子封住SO2氣體，由于藥品用量少，已經(jīng)大大降低了有毒氣體對實驗室的污染程度，但是兩個表面皿相扣，密封效果不會做到百分百，還是會有很少量SO2氣體溢出，對環(huán)境造成污染，因此，此裝置可作進一步的改進，在作容器的培養(yǎng)皿下方，再放一個大培養(yǎng)皿，在大培養(yǎng)皿中加入NaOH溶液，這樣蓋上蓋子后，NaOH溶液起到水封的效果，溢出的SO2氣體就會和NaOH溶液發(fā)生反應(yīng)，避免了對大氣的污染。實驗步驟：將小培養(yǎng)皿放在大培養(yǎng)皿中，在小培養(yǎng)皿的不同位置分別滴加一滴酸性KMnO

14、4溶液、一滴品紅溶液、一滴氫硫酸溶液、一滴紫色石蕊溶液、再放一張滴有氨水顯藍色的PH試紙，每種液滴彼此分開，圍成半徑小于培養(yǎng)皿的圓形（如圖所示），在圓心處放置少量無水亞硫酸鈉晶體，向無水亞硫酸鈉晶體滴加兩滴濃硫酸，再立即將培養(yǎng)皿的蓋子蓋好，最后向大培養(yǎng)皿中加入NaOH溶液，進行水封，觀察現(xiàn)象。實驗現(xiàn)象：無水亞硫酸鈉晶體與濃硫酸反應(yīng)產(chǎn)生SO2氣體；紫色KMnO4溶液褪色體現(xiàn)SO2的還原性，品紅溶液紅色褪去體現(xiàn)SO2的漂白性；氫硫酸溶液中產(chǎn)生黃色混濁物硫單質(zhì)，體現(xiàn)SO2的氧化性；紫色石蕊溶液變紅體現(xiàn)SO2是酸性氧化物；滴有氨水顯藍色的PH試紙逐漸變紅，說明SO2與NH3.H2O 反應(yīng)生成顯酸性的物

15、質(zhì)。實驗設(shè)計評價：這套裝置以小見大，在一個培養(yǎng)皿中用很少量的化學(xué)試劑，同時將SO2的酸性、漂白性、氧化性、還原性一一展現(xiàn)，設(shè)計巧妙，功能性強，操作方便，環(huán)境污染很小，很好的發(fā)揮了實驗在教學(xué)中的功能，開拓了學(xué)生從事實驗設(shè)計的思路，培養(yǎng)了研究化學(xué)實驗的興趣，提高了課堂效率。通過以上微型化學(xué)實驗在教學(xué)實踐中的應(yīng)用，可以總結(jié)出微型化學(xué)實驗的以下特點。1 微型化學(xué)實驗體現(xiàn)了綠色化學(xué)理念。綠色化學(xué)的目標(biāo)是研究和尋找能充分利用無毒害原材料，最大限度地節(jié)約能源，在各環(huán)節(jié)都實現(xiàn)凈化和無污染反應(yīng)途徑。實驗教學(xué)與綠色化學(xué)聯(lián)系最為直接，化學(xué)實驗綠色化是社會發(fā)展的需要，也是學(xué)生身心健康發(fā)展的需要，因此，為了實現(xiàn)綠色化學(xué)

16、的理念，中學(xué)化學(xué)實驗必須進行改革創(chuàng)新。發(fā)展微型化實驗，使實驗儀器微型化，實驗藥品微量化，與傳統(tǒng)實驗相比較，大大減少了有毒有害物質(zhì)的排放，降低了環(huán)境污染，但實驗效果卻可以達到準(zhǔn)確、明顯、安全、環(huán)保。2 微型化學(xué)實驗有利于提高學(xué)生動手操作能力，培養(yǎng)實驗創(chuàng)新精神。在一些化學(xué)實驗中涉及到的化學(xué)實驗藥品或生成的化學(xué)物質(zhì)具有一定的毒害性，有些學(xué)生在化學(xué)實驗中會心存畏懼，害怕傷害到自己而不敢動手實驗，這種情況影響了他們對化學(xué)實驗的興趣和積極性。在教學(xué)中引入微型化學(xué)實驗，能夠很好的解決上述問題，實驗裝置的微型化，會降低膽小學(xué)生的畏懼心理，增加學(xué)生動手操作的機會，有利于增強學(xué)生的實驗?zāi)芰ΑＲ恍┣擅畹奈⑿突瘜W(xué)實驗

17、設(shè)計，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，刺激了學(xué)生創(chuàng)造性思維，開闊了學(xué)生的實驗設(shè)計思路，有利于培養(yǎng)學(xué)生的實驗創(chuàng)新精神。3 微型化學(xué)實驗提高了課堂教學(xué)的效率。實驗儀器微型化節(jié)省了組裝實驗的時間，實驗藥品微量化使化學(xué)反應(yīng)的時間也大大縮短，這樣在課堂上留下更多的機會供師生反思、交流，更利于學(xué)生的思維開闊和發(fā)展，提高課堂教學(xué)的效率。二、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于中學(xué)實驗教學(xué)化學(xué)學(xué)科的發(fā)展與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進步密切相關(guān)，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的最新研究成果不斷引入到化學(xué)研究中,使人們對客觀世界的認(rèn)識更加深入、全面。先進的傳感器技術(shù)和計算機的整合為化學(xué)實驗教學(xué)注入新的活力。近年來迅速發(fā)展的化學(xué)傳感器主要是利用敏感材料與被測物質(zhì)中的分

18、子、離子或生物質(zhì)相互接觸時所引起的電極電勢、表面化學(xué)勢的變化或所發(fā)生的表面化學(xué)反應(yīng)或生物反應(yīng)，由此直接或間接的轉(zhuǎn)換為電信號?；谶@個原理根據(jù)不同的應(yīng)用課題設(shè)計出各種各樣的化學(xué)傳感器。這些化學(xué)傳感器攜帶方便、使用簡單、得到結(jié)果迅速、靈敏度高，對在傳統(tǒng)實驗中遇到的一些難題，使用傳感器技術(shù)可以解決這些問題。例如：酸堿中和滴定實驗中的教學(xué)難點是：酸堿中和滴定的過程中如何判斷恰好完全反應(yīng)即不同變色范圍的指示劑的選擇。如何選擇指示劑就要理解酸堿中和滴定過程中pH存在的突躍。在傳統(tǒng)的酸堿中和滴定實驗中，學(xué)生很難真實的感受到pH的突躍的存在，但使用pH傳感器就可以解決這一難題。在酸堿中和滴定實驗中將pH傳感器

19、與高精度滴定計配合使用，可以測定出混合溶液在滴定過程中pH的變化情況，再利用計算機將pH隨濃度的變化以圖像形式顯示出來，即可直接得到酸堿中和滴定曲線。根據(jù)觀察滴定曲線，學(xué)生可以直觀的認(rèn)識到滴定過程中pH的突躍是客觀存在的。學(xué)生在觀察實驗中指示劑的變色點的同時，關(guān)注著計算機中繪制的酸堿滴定曲線，就可以得出結(jié)論，變色點附近pH變化顯著，指示劑的變色點不是反應(yīng)終點，雖然滴定終點pH不等于7，但引起的實驗誤差并不大，這就確保了酸堿中和滴定這一分析方法的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。因此，化學(xué)傳感器的使用將教學(xué)中的難題輕松化解。再如：傳感器應(yīng)用于研究濃度對化學(xué)平衡的影響實驗實驗原理：FeCl3 (黃色)+ KSCN(

20、無色)Fe(SCN)3(紅色)+3KCl(無色),通過增大此平衡體系中反應(yīng)物Fe3+或SCN-的濃度,引起平衡體系紅色加深,從而判斷平衡向正向移動。傳統(tǒng)實驗是在試管中進行操作，由于Fe(SCN)3的顏色本身很深，在另外兩支試管中滴加FeCl3溶液或KSCN溶液后，觀察溶液顏色變深這一實驗現(xiàn)象并不是十分明顯，使用化學(xué)傳感器中的色度計就可以解決這一視覺問題。色度計的工作方式是將光照到溶液上并測量光透過的百分比，通過計算機繪制圖線，根據(jù)透光率的大小推斷溶液顏色的深淺。如圖所示，先做一份蒸餾水的標(biāo)準(zhǔn)液，透過率為，第二條綠色線是FeCl3 和 KSCN溶液混合后生成的Fe(SCN)3的透光率，接近，第三條紫色線是在Fe(SCN)3溶液中再滴加FeCl3溶液后測試的透光率，接近6，第四條藍色線是在Fe(SCN)3溶液中再滴加KSCN溶液后測試的透光率，接近1，透光率越低說明溶液的顏色越深，很清楚的說明，增大反應(yīng)物濃度，平衡正向進行。傳感器進