怎樣設(shè)計與改進(jìn)實驗報告書
一、設(shè)計與改進(jìn)實驗所應(yīng)遵循的原則
設(shè)計、改進(jìn)實驗是有明確目的的，那就是更好地發(fā)揮實驗在化學(xué)教學(xué)中的作用，不是為“改”而改，也不是標(biāo)新立異。因而，設(shè)計、改進(jìn)實驗必須遵循如下的原則：
（一）以教學(xué)大綱為依據(jù)，緊密結(jié)合教材內(nèi)容
教學(xué)大綱是指導(dǎo)教學(xué)的綱領(lǐng)性文件，它規(guī)定了教學(xué)內(nèi)容的范圍和深度，實驗的改進(jìn)或增補，應(yīng)是嚴(yán)格遵循大綱的要求，不能“超綱”，也不能隨意降低標(biāo)準(zhǔn)。教材是教和學(xué)的依據(jù)，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。實驗的編排是這一知識體系的重要組成部分。因此，實驗的設(shè)計與改進(jìn)，應(yīng)首先明確該實驗在教材中的作用。增補是否有價值，是否有助于化學(xué)概念的形成，化學(xué)原理的說明，增補與改進(jìn)均應(yīng)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。同時實驗安排的時機也應(yīng)有機地溶入教材的整體之中。
（二）遵循實驗教學(xué)自身的科學(xué)性、系統(tǒng)性
優(yōu)秀的教材在實驗教學(xué)編排上也應(yīng)自成體系，有其自身的規(guī)律。如對儀器的認(rèn)識、使用是由簡到繁、漸次增多；各種實驗基本技能的訓(xùn)練由教師示范到學(xué)生逐步掌握應(yīng)有計劃的安排；又如對學(xué)生觀察、分析能力的培養(yǎng)也是循序漸進(jìn)的；組織學(xué)生結(jié)合教材自己設(shè)計實驗習(xí)題更應(yīng)在有一定知識及技能積累的條件下進(jìn)行。因此，進(jìn)行實驗設(shè)計與改進(jìn)，必須遵循實驗教學(xué)自身的規(guī)律性，違背了學(xué)生的認(rèn)識規(guī)律，就會適得其反。例如，對初中化學(xué)的增補與改進(jìn)實驗，宜裝置簡單、原理涉及單一，操作簡便，隨著學(xué)生接觸的實驗多了，化學(xué)知識更豐富了，再逐步提高實驗的綜合性和復(fù)雜程度。
（三）實驗的設(shè)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，實驗的目的，不僅在于知識的傳授和實驗技能的訓(xùn)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驗雖都經(jīng)過長期教學(xué)實踐的檢驗是行之有效的，但多數(shù)是驗證性實驗。而探索性實驗是從發(fā)展學(xué)生思維能力出發(fā)，將實驗變成學(xué)生創(chuàng)造性學(xué)習(xí)的手段。在教師的指導(dǎo)下，通過學(xué)生親自探索新知、親自實驗，去認(rèn)識化學(xué)概念和規(guī)律，有利于對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)方法的初步訓(xùn)練。為此，教師要精心設(shè)計實驗教學(xué)過程，盡量設(shè)法提高每個實驗的智力價值，使整個教學(xué)過程充滿啟發(fā)性、思考性。例如在初中可設(shè)計一組探究性實驗使學(xué)生形成分子的概念及認(rèn)識分子的性質(zhì)。
（四）實驗的設(shè)計與改進(jìn)應(yīng)考慮教學(xué)法的因素
實驗的設(shè)計與改進(jìn)應(yīng)符合教學(xué)法的需要，應(yīng)有利于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。例如，新課的講授往往以單獨的實驗為宜，復(fù)習(xí)課則可設(shè)計，增補綜合系列實驗，以實驗為線索引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行復(fù)習(xí)，如鹵素性質(zhì)綜合實驗等。并進(jìn)實驗課的設(shè)計應(yīng)注意如何把演示實驗簡化，使之儀器簡單，需時少，易成功，無危險。一般一節(jié)課只應(yīng)安排2～3個實驗。
（五）力求儀器裝置簡單、效果明顯、直觀性強
實驗現(xiàn)象應(yīng)使全班學(xué)生都能觀察到，儀器裝置簡化的目的是為了突出重點，便于觀察。當(dāng)簡單性與直觀性發(fā)生矛盾時，應(yīng)服從直觀性的需要。
（六）提高實驗的成功率，改進(jìn)需時較長的實驗
演示實驗是為配合課堂教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行的，時間過長會影響知識的講授。為保證實驗在預(yù)定的時間內(nèi)順利完成，教師應(yīng)探究實驗原理，尋找最佳反應(yīng)條件，研究反應(yīng)物的數(shù)量關(guān)系和形態(tài)，考慮影響實驗的各種因素。提高實驗成功率，使實驗準(zhǔn)確及時完成，是實驗改進(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驗。在實驗教學(xué)中確保學(xué)生的安全，防止中毒及污染也是實驗設(shè)計與改進(jìn)的重要課題。這可從改進(jìn)儀器裝置，增加防護(hù)措施，提高實驗技巧等多方面加以研究。
二、實驗設(shè)計與改進(jìn)的思路與方法
�。ㄒ唬└镄略O(shè)計思想，巧妙構(gòu)思
實驗的設(shè)計與改進(jìn)，本身是一項研究，是一種創(chuàng)造。不墨守陳規(guī)，是革新與創(chuàng)造的精髓。因此，成功的實驗設(shè)計與改進(jìn)，來源于立意的創(chuàng)新、構(gòu)思的巧妙。這就要求教師在明確化學(xué)反應(yīng)原理的基礎(chǔ)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)科的實驗方法，要了解國內(nèi)外化學(xué)實驗設(shè)計與改進(jìn)的動態(tài)。下面介紹的幾個實驗是近年來中學(xué)化學(xué)實驗改革的成果，都很有新意。
1．一氧化氮氣體簡易發(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)生難以從實驗現(xiàn)象上直觀地得出稀硝酸與銅反應(yīng)生成無色一氧化氮氣體的結(jié)論。而改進(jìn)的一氧化氮氣體簡易發(fā)生器（圖16），利用一氧化氮氣體不溶于水的性質(zhì)，用稀硝酸盛滿整個試管而將空氣排出，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)實驗融為一體，即可清楚地看出實驗的主要產(chǎn)物：無色的一氧化氮氣體和藍(lán)色的硝酸銅溶液，打開橡皮管夾又可演示一氧化氮與氧氣反應(yīng)生成紅棕色二氧化氮氣體，同時避免了二氧化氮氣體污染空氣。這一實驗改進(jìn)，構(gòu)思巧妙，裝置簡單，直觀性強，具有新穎性。
2．一氧化碳還原氧化銅實驗
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與瓶口合適的膠塞中。手持膠塞將銅絲加熱，離開火焰后表面要確實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(fù)做2～5次，倒入石灰水，石灰水變混濁證明有二氧化碳生成。
這是對原教材中實驗的改進(jìn)，儀器裝置簡單，操作方便，效果明顯，易于觀察，且減少了一氧化碳的逸出。
3．吸氧腐蝕實驗
本實驗為增補課本實驗空白而設(shè)計�？墒箤W(xué)生直觀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(rèn)識。
實驗裝置如圖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。
實驗時，每從導(dǎo)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。此實驗裝置簡單，材料易得，操作方便省時，現(xiàn)象明顯，并可連續(xù)使用。
4．焰色反應(yīng)效果改進(jìn)實驗
堿金屬元素的焰色反應(yīng)實驗，現(xiàn)行教材是用鉑絲蘸取檢測液在酒精燈上灼燒觀察。由于鉑絲蘸取溶液很少，焰色反應(yīng)很快消失，學(xué)生不易看清，特別是用藍(lán)色鈷玻璃觀察鉀更困難。
若改用同時點多盞焰色反應(yīng)燈，能長時間觀察金屬的焰色反應(yīng)�？蓮U物利用將青霉素藥瓶制作成焰色反應(yīng)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(yán)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，點燃燈芯，可觀察到鮮明的被測元素焰色反應(yīng)。
用滴管往小瓶內(nèi)加入甲醇溶液不超過2／3容積，放入燈芯即可使用。由于點燈法增大了火焰的可見度，用甲醇做燃料，大大降低了對焰色反應(yīng)的嚴(yán)重干擾，即使觀察鉀的焰色也不必用鈷玻璃。燈芯上添加檢測物后，可以保持較長時間使用。小瓶上要貼有標(biāo)簽，并設(shè)置瓶蓋（可用眼藥瓶底部）。
（二）采用其它學(xué)科的實驗儀器和方法
當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使得新知識，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，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。化學(xué)實驗也不再是傳統(tǒng)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(jù)化學(xué)實驗設(shè)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，對革新實驗往往會收到事半功倍的效果。下面的一些實例，也出自各地教師的研究成果。
1．化學(xué)實驗中發(fā)光二極管、三極管、音樂集成塊、壓電陶瓷發(fā)聲器等的應(yīng)用
半導(dǎo)體發(fā)光二極管是一種將電能轉(zhuǎn)化為光能的電子器件，具有耗電省及靈敏度高的特點，利用若干發(fā)光二極管和小功率晶體管可制作簡單的直流放大電路。利用輸入電壓的變化，經(jīng)放大后，能使不同數(shù)的發(fā)光二極管依次發(fā)光。用此裝置可證明不同溶液導(dǎo)電能力的差異。由于不同溶液導(dǎo)電能力不同，輸入電壓也將發(fā)生相應(yīng)變化，此時發(fā)光二極管發(fā)光的個數(shù)也不同，直觀形象地說明了溶液導(dǎo)電能力的差異。
“水的電離度受溫度影響實驗”，“金屬活潑性實驗”，“氫氧化鋇溶液和稀硫酸溶液的中和反應(yīng)”等實驗均可運用上述裝置。目前，各地推薦的實驗改進(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。這不僅使實驗現(xiàn)象直觀、鮮明，也開拓了學(xué)生的思路。
2．利用投影器做化學(xué)投影實驗
在簡單裝置中進(jìn)行的化學(xué)實驗一般都可以利用投影器投影。實驗現(xiàn)象被投影放大后，使一些只有細(xì)微變化的現(xiàn)象，變得易于觀察，使遠(yuǎn)離演示臺的學(xué)生也能看清。由于投影實驗只需在較小的器皿內(nèi)進(jìn)行，還可以節(jié)約藥品。實驗投影的方式分為豎直投影和水平投影兩種。豎直投影時，銀幕上得到的影像是側(cè)視實驗的效果；而水平投影時，銀幕上得到的影象是俯視實驗時的效果，教師可根據(jù)所做實驗在觀察上的要求來設(shè)計投影的方式。水平投影一般在結(jié)晶皿內(nèi)進(jìn)行，如金屬鈉與水反應(yīng)、電解銅等實驗均能得到較好的效果。豎直投影實驗，一般在扁平投影反應(yīng)槽內(nèi)進(jìn)行，可用于金屬活動性比較、原電池、膠體電泳等實驗。
�。ㄈ⿵奶剿髯罴逊磻�(yīng)條件上改進(jìn)實驗
實驗的研究與改進(jìn)，一種是新的構(gòu)思、新的設(shè)計，另一種則是對原教材中那些反應(yīng)條件不易掌握，反應(yīng)時間較長，效果不明顯的實驗加以改進(jìn)，使之更適合教學(xué)需要。這還包括原教材中的實驗設(shè)計無可挑剔，但結(jié)合本校具體條件做起來不盡理想的。在不改變原設(shè)計構(gòu)思的情況下，研究的方向主要是探索最佳的反應(yīng)條件，因為化學(xué)反應(yīng)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(yīng)物的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與相互間的作用，其次還要受到外界多種因素與實驗程序的影響。因此，化學(xué)反應(yīng)條件的研究與控制是實驗成敗的關(guān)鍵之一。影響化學(xué)反應(yīng)的速度與程度和實驗現(xiàn)象的鮮明與準(zhǔn)確的客觀因素是眾多的。常見的客觀條件有反應(yīng)物的濃度、用量的配比、純度、溫度，反應(yīng)物間的接觸面積，反應(yīng)體系的壓強、溫度、光照及溶劑，反應(yīng)介質(zhì)的pH值，實驗的程序，電化學(xué)反應(yīng)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驗教學(xué)質(zhì)量具有十分現(xiàn)實的意義。
1．木炭還原氧化銅實驗反應(yīng)條件的研究
為得到光澤性好的塊狀金屬銅是改進(jìn)本實驗的目的，關(guān)鍵在于研究最佳反應(yīng)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，木炭的用量實際上會不足，因為試管中的空氣會消耗一定量木炭。因而木炭用量要比理論值偏高，實驗證明，木炭與氧化銅質(zhì)量比以1∶10至1∶12為宜。反應(yīng)物的總量也會影響實驗效果，太多、太少均不好，如用15×150mm的試管以1.6克為宜。反應(yīng)物顆粒要細(xì)，混合均勻，適度壓實，使顆粒間緊密接觸，目的是增大反應(yīng)物的接觸面。另一課題是研究反應(yīng)溫度及燈具，由于本實驗是固相反應(yīng)，要求使用高溫?zé)艏訜�，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(yīng)是放熱反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)物開始發(fā)紅，猛烈燃燒時應(yīng)及時撤走酒精燈，便于觀察反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行直至反應(yīng)完全。
2．利用正交試驗設(shè)計法研究反應(yīng)最佳條件
當(dāng)原實驗給定的條件不詳，效果較差又無文獻(xiàn)可查時，應(yīng)利用正交試驗設(shè)計法進(jìn)行研究。正交試驗設(shè)計法，簡稱正交法，它利用正交表來安排試驗。對那些受諸因素影響的實驗，要想獲得最佳反應(yīng)條件，如果盲目試驗，不僅增加試驗次數(shù)，延長周期，造成人力物力的浪費，有時還會因試驗次數(shù)多得驚人以致無法進(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(jié)果的各個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(dá)到預(yù)期的目的，除了正確的指導(dǎo)思想外，采用科學(xué)方法也是試驗成敗的關(guān)鍵。
�。ㄋ模┎捎么闷�，自己動手設(shè)計制作簡單的專用儀器
由于學(xué)校條件，實驗室設(shè)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(guī)定的實驗教學(xué)內(nèi)容。為解決這一問題，因地制宜采用代用品，自己動手設(shè)計制作簡單的儀器，是一項大有作為的研究課題�，F(xiàn)舉幾例說明。
1．用紅磷做“自燃”實驗
白磷劇毒，易燃，一般中學(xué)不具備保存條件。但若將一般實驗室中易得到的紅磷轉(zhuǎn)化成白磷做自燃實驗，不但補足了教材中應(yīng)做的實驗，還擴(kuò)展了學(xué)生的知識面。
取紅磷2克裝入大試管中，把10厘米長的濾紙條卷成螺旋狀裝入試管中，配上有直角導(dǎo)管的膠塞，并將導(dǎo)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，換上無孔膠塞（此時紅磷已轉(zhuǎn)化為白磷），待用。實驗時，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(shè)計的實驗裝置
原教材中為引出催化劑概念而設(shè)計了三個實驗，很費時間�，F(xiàn)在用一個自制的簡單儀器，可使三個實驗用一個連續(xù)的實驗代替。
儀器如圖18。A為自制彎曲試管，B為氯酸鉀，C為二氧化錳。實驗時，首先加熱二氧化錳，檢驗無氧氣放出。再加熱氯酸鉀至熔化，有氧氣放出。移開火焰，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。此實驗由于簡潔，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驗
用托盤天平稱量實驗備用的燒杯的質(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)生觀看天平指針發(fā)生偏移。這一實驗由于種種原因往往不易成功。分析原因，有時是由于實驗室的天平被腐蝕而不夠靈敏所致；稱量與感量不匹配等。如用250毫升燒杯稱量二氧化碳和空氣，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(yīng)當(dāng)用再大一些的容器。再有集氣瓶的體積也應(yīng)與燒杯的體積相匹配，集氣瓶的體積應(yīng)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。將懸有兩個紙袋的杠桿支架起來并保持平衡，將其懸掛在鐵架臺上。用大燒杯收集滿二氧化碳，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，再向另一端的紙袋里倒入二氧化碳，杠桿又恢復(fù)平衡。本著就地取材，因陋就簡的精神，可制作多種實用的儀器。如用廢牛皮紙信封做成漏斗，再涂以蠟或樹脂涂料實用且不易摔碎。用易拉罐，有機玻璃、泡沫板，聚光電珠等制作高亮度丁達(dá)爾現(xiàn)象實驗器，實驗現(xiàn)象十分明顯；用135膠卷暗盒制作的酒精燈增溫護(hù)焰罩，能使酒精充分燃燒，焰高是原來的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(yīng)等高溫實驗。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。
4．液封除毒氣化學(xué)儀器的自制
在中學(xué)化學(xué)課本的演示實驗中，有一些實驗會產(chǎn)生污染物，對師生健康有害。如二氧化硫、氯氣等，可在現(xiàn)有儀器的條件下加工制成具有防毒氣逸出的裝置，使實驗更加安全，也有利于對學(xué)生進(jìn)行環(huán)境保護(hù)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)實驗。
使用代用品或制作簡單儀器，應(yīng)力求操作規(guī)范，并應(yīng)向?qū)W生說明規(guī)范實驗的內(nèi)容。做到既增補了因儀器、藥品不足而減少的實驗，同時又鼓勵學(xué)生的創(chuàng)造性，提高他們的學(xué)習(xí)興趣和實驗技能。
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