从化学实验创新谈培养师生的科学精神

李德前 魏海 李伟 马逸群

摘要： 为培养师生的科学精神，注重在化学教学中开展实验创新活动。结合10个实验创新案例，围绕实验方法、实验原理、实验装置和实验过程等方面进行实验改进与设计，从而提高实验创新的效益、发展教师实施素质教育的能力，同时促进学生敢于质疑、勇于探究并不断完善其理性思维。

关键词： 化学实验； 创新案例； 科学精神

文章编号： 1005-6629（2018）4-0065-05 中图分类号： G633.8 文献标識码： B

科学精神是现代人的基本品格，但它却是中国学生最为缺乏的核心素养[1]。在化学教学中开展实验创新活动，是培养师生科学精神的重要举措。

多年来，笔者及所在的名师工作室对实验创新乐此不疲，并引导中学生参与其中，这不仅提高了教师实施素质教育的能力，也培养了学生勇于探究、敢于质疑的科学精神。在实验创新时，笔者注重围绕化学实验系统的“实验手段”和“实验对象”[2]进行实验改进和设计，收到了事半功倍的效果。下面结合10个实验创新案例进行阐述，旨在抛砖引玉。

1 改变实验方法

不可否认，方法常常比知识更重要。化学实验大多具有相对固定的科学方法和操作要领，好的实验方法可以使操作简约、现象明显、过程流畅、结论准确。但有的化学实验因其方法不够科学、操作不甚合理，既影响实验的直观性与结论的准确性，也影响学生对化学知识的理解、科学方法的认识[3]。

围绕“实验方法”进行实验改进时，要从物质的组成、物质的性质、实验原理、实验条件等方面寻找创新点，进而谋划新的实验方法。

案例1 点燃蜡烛刚熄灭时的白烟

进行该实验，人们习惯于采用“吹气法”将蜡烛熄灭，虽然方便，但白烟因此分散（不易被引燃）。针对该实验进行改进时，师生可以逆向思考[4]： 如果蜡烛粗、棉芯粗，则蜡烛熄灭时产生的白烟就多；如果将蜡烛罩灭而不是吹灭，则白烟集中。可见，采用“罩灭粗蜡烛火焰”的方法产生的白烟既多又集中，很容易被点燃，而且实验的可操作性强、重复性好。

新实验的主要操作是：

（1） 提前自制粗蜡烛（可将废旧的蜡烛熔化、倒模）。

（2） 点燃自制的粗蜡烛，用小规格的集气瓶将粗蜡烛轻轻罩灭，然后将集气瓶轻轻提起，同时将燃着的火柴靠近白烟顶端（见图1），此时不仅点燃了白烟，而且远离火柴的蜡烛也被引燃了。

图1 罩灭粗蜡烛火焰产生的白烟易被引燃

案例2 “烧碱具有潮解性”实验

教师演示该实验通常是将固体烧碱放置在表面皿里，一般需要10分钟左右才能看到烧碱表面变潮，显然“静置法”不利于该实验的课堂演示。有一次做此实验，学生不小心碰翻了表面皿，但固体烧碱都附着在表面皿的内壁而没有脱落，这一意外现象不正好说明氢氧化钠固体具有良好的吸水性吗？

于是，笔者将“烧碱具有潮解性”实验由“静置法”改为“颠簸法”，这一独特的操作方法能使学生对烧碱的潮解性过目不忘。其主要操作是：

（1） 取7～8粒小颗粒状烧碱，分散放置在表面皿上，然后轻轻用力颠簸表面皿。

（2） 颠簸8～9次，就有固体烧碱因为吸水而粘在表面皿上（难以弹跳起来）；继续颠簸下去，能弹起的固体烧碱越来越少。

（3） 不到2分钟，所有固体烧碱都因为吸水而黏附在表面皿上。

案例3 探究盐酸中哪种粒子能使石蕊变红

该实验通常采用中和法（向滴有石蕊试液的红色盐酸中逐滴加入适量的氢氧化钠溶液，溶液会由红变紫）。为了培养学生的发散思维，深化对酸的知识理解与应用，可以根据盐酸的微观组成（含有H+、 Cl-、 H2O三种微粒），设计出另外三种方法[5]。

（1） 归纳法： 将石蕊试液分别滴入其他几种酸溶液中，均变为红色。因为不同的酸溶液中均含有H+，从而证明盐酸中的H+能使石蕊试液变红色。

（2） 排除法： 将石蕊试液滴入氯化钠或氯化钾溶液后不变色。由于氯化钠或氯化钾溶液中均含有Cl-、 H2O，从而证明不是Cl-、 H2O使石蕊试液变红，进而说明盐酸中的H+能使石蕊试液变红色。

（3） 化气法： 向滴有石蕊试液的红色盐酸中加入足量的金属镁，溶液会由红变紫。该反应中H+与金属镁发生置换反应，变为氢气而离开实验体系，从而证明是盐酸中的H+使石蕊试液变红色。

2 改换实验原理

实验原理是化学实验的灵魂。通过改变原实验的物理或化学原理进行实验，可谓独辟蹊径，使实验教学耳目一新。

改换实验原理进行实验创新，主要针对物质的性质、制备实验以及探究物质组成的实验等，但要注意保留原实验的教学意图和教育功能。

案例4 “探究微粒运动”实验

现行九年级化学教科书中均选用浓氨水和酚酞试液去探究微粒的运动性，虽然该试剂组合现象明显，但氨水的用量大，实验过程对环境也有一定的污染。

笔者引导学生另选几组对环境友好的药品设计实验，都能出现明显的实验现象[6]，同样说明了微粒的运动性。

（1） 图2-a实验： 实验原理是CoCl2（蓝色）+6H2OCoCl2·6H2O（红色）。主要操作是按图2-a装好试剂、连好装置，一般3～4分钟后蓝色硅胶就会变红；由于水与硅胶间隔一段距离，因此硅胶变红说明水分子在不断运动。若使用热水做此实验，不到1分钟，蓝色硅胶就会变红，这又说明温度升高分子运动速率加快。

（2） 图2-b实验： 实验原理是浓盐酸（或浓醋酸）挥发出来的HCl气体（或醋酸蒸气）能使湿润的蓝色石蕊试纸变红色。主要操作是按图2-b装好试剂、连好装置，不到1分钟，即可看到中下部湿润的石蕊试纸从上往下逐渐变红，这不仅说明HCl（或醋酸）分子在不断运动，还说明HCl气体（或醋酸蒸气）的密度比空气大。

图2 利用其他试剂组合探究微粒的运动性

案例5 利用钢铁锈蚀原理测量空气中氧气的体积含量

现行九年级化学教科书上“测量空气中氧气的体积含量”实验，都是采用磷燃烧消耗氧气的化学原理（同时涉及水与氧气等量替换的物理原理）。在学习钢铁锈蚀的条件后，教师可以启发学生使用暖宝宝中的发热剂（主要成分是铁粉、活性炭、食盐和水）来代替红磷；并指导学生参考课本上的燃磷法实验装置，设计出图3所示的两种改进方案。

圖3 利用钢铁锈蚀原理测量空气中氧气的体积含量

由于改进后实验的耗氧原理是常温下的缓慢氧化，而且使用了生活中的物品进行实验，因此特别适合学生课外探究。有关的操作是：

（1） 图3-a实验： 按图3-a装好耗氧剂，快速连好装置；不到2分钟，就有水流入广口瓶内；最终流入广口瓶中水的体积约占瓶子容积的1/5，说明空气中氧气的体积含量约为1/5。

（2） 图3-b实验： 按图3-b装好耗氧剂，快速连好装置（注射器活塞的起始位置在20mL刻度处，且润滑性良好）；不到1分钟，注射器活塞就慢慢向前移动；最终活塞处于16mL刻度处，说明空气中氧气的体积含量约为1/5。

3 替换实验装置

实验装置是进行化学实验的载体，它直接关系到实验的成败及效益的高低。通过改进实验装置，能使一些疑难实验变得简单易行。

基于实验装置进行实验改进，要针对现有的装备条件，并体现实验用品简约化、生活化、常规化。

案例6 “测定溶液的导电性”实验

现行九年级化学教科书上“测定溶液的导电性”实验使用干电池、石墨电极、小灯泡等几种物品组成测试装置，每次使用前都要组装，很麻烦。能否创建一个简单的固定装置呢？笔者启发学生采用缩一缩、换一换、组一组等技法，将发光二极管、纽扣电池与导线组合，终于制成了图4所示的简易导电性测量仪[7]。

图4 用简易导电性测量仪检测溶液是否导电

使用简易导电性测量仪进行实验特别方便，它不仅可以测量溶液的导电性，还可以验证金属或非金属的导电性。其主要操作是：

（1） 试验溶液的导电性时，先将待检物质溶于水制成溶液，然后将导电性简易测量仪的两极伸入溶液中片刻，若二极管发光则说明溶液导电。

（2） 验证金属或非金属的导电性时，直接将导电性简易测量仪的两个极点接触待测物，如果二极管发光则说明此物质导电。

案例7 “探究钢铁锈蚀条件”实验

现行九年级化学教科书上“探究钢铁锈蚀条件”的实验，仅使用5根铁钉分别进行5个试管实验，既使实验需要6～7天的时间，耗时过长，也使实验教学不连贯。师生经过一番探讨认为，可以增加铁的表面积（增加铁钉用量或使用超细铁丝），并将分散的5个试管实验整合为集成化装置，于是便有了图5所示的一气呵成的实验体系[8]。

图5 “探究钢铁锈蚀条件”实验的改进装置

新实验的主要操作是：

（1） 按图5装好药品（各广口瓶内均盛装15g蓬松的铁丝棉），快速连好装置。

（2） 2～3分钟后，观察到红色的水缓慢流入乙瓶中、较快流入丙瓶中，甲集气瓶中则一直没有水流入。

（3） 对比甲、乙装置实验现象及氮气化学性质可知，铁生锈需要水和氧气；对比乙、丙装置实验现象可知，食盐的存在会加速钢铁锈蚀的速率[9]。

案例8 检验蜡烛燃烧的产物

现行九年级化学教科书上检验蜡烛燃烧产物的实验，虽然操作简便但实验效果不明显（主要原因是烧杯不冷且不易捕获燃烧产物）。笔者引导学生思考： 能不能更换实验仪器、改变实验试剂，并将捕获蜡烛燃烧产物与检验蜡烛燃烧产物的几种实验用品组合起来[10]？经过多次尝试，师生研制出如图6所示的新装置。

图6 检验蜡烛燃烧产物的新装置

新实验的主要操作是：

（1） 按图6装入试纸、连好装置。

（2） 点燃蜡烛，待其正常燃烧后轻轻后拉注射器活塞，将燃烧产物吸入玻璃管内。一会儿，干燥的蓝色石蕊试纸变红色，干燥的黄色氯化钯试纸变蓝色，说明石蕊试纸接触到了水和二氧化碳、氯化钯试纸接触到了水和一氧化碳，所以蜡烛燃烧的产物有水、二氧化碳和一氧化碳。

4 优化实验过程

无论哪种形式的中学化学实验，都不宜步骤繁琐、观察点过多、耗时太长、有害物质泄露等。那些仪器简明、过程简约、现象直观、安全环保的化学实验，不仅提高课堂效率，而且增强实验效果，因此对化学实验过程进行优化也是实验改进的重要途径。

决定化学实验过程的因素较多（如装置、原理、方法、物质等），因此优化实验过程，要注重对实验仪器、实验方法、实验用品等进行加一加、减一减、合一合、改一改措施等。

案例9 “一氧化碳还原性”实验

在演示一氧化碳还原氧化铜或氧化铁的实验时，“排尽玻璃管内空气”这一过程很是困扰实验者，因为按照课本上的常规操作是难以及时知道玻璃管内的空气是否排完。笔者及所在团队经过反复尝试，最终采用等量替换法[11]进行创新设计，因此优化了实验过程。

新实验的主要操作是：

（1） 按图7装好药品、连好装置。

图7 “一氧化碳还原氧化铜”的改进实验

（2） 轻推针筒活塞缓缓通入一氧化碳，当通入18mL的一氧化碳时，细玻璃管内空气基本上排尽。

（3） 点燃酒精灯，加热氧化铜……

案例10 探究二氧化碳与氢氧化钠溶液的反应

现行九年级化学教科书上没有安排二氧化碳与氢氧化钠溶液反应的实验（仅给出化学方程式），在一些涉及化学教育的文献中则刊载了很多相关的实验方案（如利用两个塑料瓶进行对比实验）。笔者引领学生仅用一个塑料瓶进行先后对比（见图8），改变了传统的实验过程，更加简约地显示出二氧化碳与氢氧化钠溶液发生了化学反应。

图8 探究二氧化碳与氢氧化钠溶液反应的改进实验

新实验的主要操作是：

（1） 用向上排空气法，在250mL塑料瓶里收集满二氧化碳气体。

（2） 向充满二氧化碳的塑料瓶里一次性注入5mL水，迅速塞緊瓶塞；轻轻振荡，发现塑料瓶变瘪很不明显。

（3） 再向该塑料瓶里一次性注入5mL氢氧化钠溶液，然后迅速塞紧瓶塞；轻轻振荡，发现塑料瓶快速、明显地变瘪。

（4） 对比塑料瓶两次变瘪的程度可知，二氧化碳与氢氧化钠溶液发生了化学反应。

5 结束语

开展化学实验创新活动，既可以激发师生的质疑精神、增强师生的研究意识，又能够发展师生的理性思维、增强师生的创造力，久而久之就能育涵师生的科学精神。虽然改进后的化学实验算不上完美无缺，但在实验创新的过程中师生都经历了思考、实践、探索的过程，尤其训练了学生的求异思维，促进了学生的方法积累和知识建构。

总之，基于化学实验系统中的“实验手段”和“实验对象”进行实验，能使化学实验的创新点更加具体、改进实验的思路更加清晰、实验创新的成效更为显著。作为一线化学教师，要把化学实验的创新作为学生核心素养发展的助推器，从而全面落实立德树人的根本任务。

参考文献：

[1]刘庆昌.人文底蕴与科学精神——基于《中国学生发展核心素养》的思考[J].教育发展研究， 2017，（4）： 35～41.

[2]范杰.化学实验论[M].太原： 山西科学技术出版社， 2001： 19～22.

[3]冯志进.关于初中化学实验改进的思考[J].实验教学与仪器， 2017， 34（7～8）： 55～56.

[4]李德前.例谈初中化学实验创新的思维方法[J].化学教学， 2013，（3）： 65～68.

[5]李德前.化学实验教学中培养学生的质疑能力[J].化学教学， 2012，（2）： 54～56.

[6]马逸群，魏海.“探究微粒运动实验”系列设计[J].化学教学， 2014，（8）： 58～60.

[7]张玲.导电性测试实验改进[J].教学仪器与实验， 2008，（5）： 24～24.

[8]朱红杰，秦光献.铁钉锈蚀条件的探究实验改进[J].中国现代教育装备， 2016，（12）： 47～49.

[9]王程杰.关注氯离子效应在实验中的应用[J].化学教学， 2015，（12）： 53～56.

[10]马逸群，朱红杰.妙用创新技能引领学生改进化学实验——以“检验蜡烛燃烧的产物”实验为例[J].教学月刊·中学版， 2017，（Z1）： 92～95.

[11]李德前，朱晓伟.例谈初中化学定性实验的定量化设计[J].教学月刊·中学版， 2015，（Z2）： 118～120.