高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新的研究首師大附屬密云中學(xué)

PAGEPAGE6關(guān)于課題《高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新的研究》的成果報(bào)告執(zhí)筆人：課題組長孫奇文中學(xué)化學(xué)教學(xué)的魅力在于化學(xué)實(shí)驗(yàn)，對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，實(shí)驗(yàn)才能充滿生命和活力，保持其在化學(xué)教學(xué)中的獨(dú)特魅力。在教學(xué)中，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，常能起到事半功倍的作用。改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)，不僅可以幫助教師更好地完成實(shí)驗(yàn)，使之有良好的實(shí)驗(yàn)效果，也能增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和能力。一、課題研究的主要成果課題的主要研究成果有四項(xiàng)：實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新案例；不安全、不易成功的常見實(shí)驗(yàn)的視頻16個(gè)；實(shí)驗(yàn)展示課例10節(jié)；北京市級(jí)獲獎(jiǎng)?wù)撐?篇。下面就實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新案例分類進(jìn)行整理如下：（一）化學(xué)反應(yīng)原理的模擬:1.合成氨的模擬：制氮?dú)庋b置制氫氣裝置濃硫酸石棉和鐵粉酚酞溶液高中化學(xué)里的合成氨是一個(gè)非常重要的內(nèi)容，可是教材沒有安排實(shí)驗(yàn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)，效果很好。2.鐵的腐蝕的快速模擬：分別用氯化鈉溶液和稀醋酸潤濕兩支具支試管，向鐵粉中加入少量的炭粉,混合均勻后,撒入兩支具支試管，幾分鐘后打開止水夾,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象鐵粉+炭粉+飽和食鹽水有色溶液鐵粉+炭粉+稀醋酸有色溶液鐵銹蝕的過程比較慢，不容易在課堂上看到結(jié)果，這個(gè)實(shí)驗(yàn)把把鐵生銹的條件進(jìn)行夸張，鐵釘換成了鐵粉，增大了接觸面積;加入炭粉，構(gòu)成微型原電池;不是泡在溶液中,只是潤濕試管壁增大了氧氣的供應(yīng)，效果非常明顯。3.H2-Cl2燃料電池參照電解食鹽水的實(shí)驗(yàn)，向Ｕ形管里加入飽和食鹽水（滴數(shù)滴洗滌液等發(fā)泡劑），液面高度使電極浸在電解液里約1cm；接通電源電解食鹽水，生成的氫氣、氯氣在Ｕ形管左右兩邊里形成大量泡沫，用彈簧夾封閉兩支管，防止氫氣、氯氣外逸。撤去電源用導(dǎo)線連接電表（萬用電表或毫安表）、大號(hào)發(fā)光二極管和電極線（如圖2），電表指針偏移，發(fā)光二極管亮起來。利用此裝置也可以來演示氫氣氧氣燃料電池，但效果不如H2-Cl2燃料電池，電表指針可以偏移，發(fā)光二極管不會(huì)亮起來。4.相似也可以不相溶相似相溶是化學(xué)上的一個(gè)非常重要的原理，可是學(xué)生對(duì)其理解不深，濫用很容易出錯(cuò)，我們多方查找資料設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過多次試驗(yàn)改進(jìn)，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到相似也可以不相溶。取二支試管，都各加入10mL水和10mL乙醇，然后在溶液中滴入二滴鹽酸，再加入二滴百里酚藍(lán)，可以看到溶液呈黃色。往其中一支加入5g碳酸鉀，塞上塞子，振蕩，溶液變藍(lán)色并分成兩層，無色的水層和藍(lán)色的有機(jī)層。極性溶劑乙醇與水互溶，是它們之間存在氫鍵作用，碳酸鉀破壞了這種作用，使酒精和水分層。（二）化學(xué)實(shí)驗(yàn)的深化與完善1.Fe(OH)2快速轉(zhuǎn)化成Fe(OH)3的實(shí)驗(yàn)Fe(OH)2轉(zhuǎn)化成Fe(OH)3的實(shí)驗(yàn)方法是把新制出的白色Fe(OH)2試管振蕩，試管內(nèi)的物質(zhì)變成灰綠色，再振蕩變成紅褐色的Fe(OH)3。可是，直至下課了，除了在試管壁上有少量的紅褐色痕跡外，試管內(nèi)的物質(zhì)仍為灰綠色。我們補(bǔ)充了一種在濾紙上完成Fe(OH)2快速轉(zhuǎn)化成Fe(OH)3的實(shí)驗(yàn)方法：取一張濾紙，先用水濕潤，平鋪在玻璃片上，再滴一些鹽酸將濾紙酸化，而后把試管里的灰綠色物質(zhì)倒在濾紙上，用玻棒將其攤開，片刻間灰綠色物質(zhì)變成紅褐色。向?qū)W生展示，紅褐色在白色濾紙的襯托下很清晰，可見度很大。2.濃硫酸使蔗糖炭化實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)皿里裝進(jìn)適量NaOH溶液,把100mL的燒杯放在NaOH溶液里，100mL的燒杯加入蔗糖、水和濃硫酸，攪拌后開始產(chǎn)生氣體時(shí)，上罩一只250mL的燒杯（NaOH溶液應(yīng)封閉250ml的燒杯下口），SO2被NaOH溶液吸收。在大燒杯里面放上一朵有色的花，還可觀察濃硫酸和蔗糖發(fā)生炭化反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的SO2使紅色消退的過程。3．焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)把濾紙切割成1.5×10cm的紙條，把要做焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)用的各種鹽的名稱用鉛筆分別寫在濾紙條上，將濾紙條分別浸泡在各種鹽的飽和溶液里，片刻后取出，晾干。點(diǎn)燃酒精燈，用鑷子夾持含有不同鹽的濾紙?jiān)跓粞嫔献茻?，高溫的燈焰就?huì)呈現(xiàn)不同色彩。教師演示實(shí)驗(yàn)或?qū)W生分組實(shí)驗(yàn)都可采用。4.鐵與水蒸氣反應(yīng)的改進(jìn)在制取水蒸氣的試管上改加一只雙孔橡膠塞，一個(gè)孔用導(dǎo)管與裝鐵粉石棉絨的玻璃管連接，另一個(gè)孔裝上玻璃導(dǎo)管，再連接5cm長的乳膠管，用彈簧夾夾住乳膠管。開始加熱試管和裝鐵粉石棉絨的玻璃管時(shí)，先把試管上夾乳膠管的彈簧夾取下，讓水蒸氣排到空氣中，當(dāng)鐵粉石棉絨被酒精噴燈燒成紅熱狀態(tài)時(shí)，用彈簧夾夾住向空氣中排水蒸氣的乳膠管，大量水蒸氣和鐵粉石棉絨接觸，水蒸氣和鐵粉發(fā)生置換反應(yīng)，尾端產(chǎn)生的氫氣通入盛有洗衣粉水溶液的蒸發(fā)皿中，可以用火柴點(diǎn)燃這些泡泡，能聽到爆鳴聲，證明生成了氫氣，成功地完成實(shí)驗(yàn)。5.制取乙酸乙酯的改進(jìn)教材上的實(shí)驗(yàn)方法中，生成的乙酸乙酯排在碳酸鈉溶液的上方，乙酸乙酯和碳酸鈉溶液都是無色透明的液體，學(xué)生僅能聞到乙酸乙酯的香味，很難觀察乙酸乙酯的存在。碳酸鈉是強(qiáng)堿弱酸鹽，水解后其溶液顯堿性，制乙酸乙酯前向碳酸鈉溶液里滴幾滴酚酞試液，碳酸鈉溶液變?yōu)榧t色，生成的乙酸乙酯浮在碳酸鈉溶液的上部，界面清晰，學(xué)生看得清，聞得到，實(shí)驗(yàn)效果大為提高。6.噴泉實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)噴泉實(shí)驗(yàn)?zāi)z頭滴管雖已蓄滿水，但倒置后一部分水進(jìn)入了膠頭中，滴管中沒有充滿水，擠壓時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)擠不出水的現(xiàn)象，導(dǎo)致整個(gè)實(shí)驗(yàn)的失敗，大大降低了實(shí)驗(yàn)的成功率。我們改用一個(gè)5ml的注射器來代替膠頭滴管，實(shí)驗(yàn)前將注射器注滿水，實(shí)驗(yàn)時(shí)，推動(dòng)注射器柱塞，百分百能噴出水柱。5ml的注射器與膠頭滴管粗細(xì)大小相似，不影響原實(shí)驗(yàn)裝置的效果，而且改進(jìn)后，操作簡單方便，提高了實(shí)驗(yàn)的成功率。7.乙醇在銅催化下與氧氣反應(yīng)生成乙醛的實(shí)驗(yàn)把細(xì)銅絲團(tuán)放于中間，用酒精燈預(yù)熱銅絲4～5分鐘，發(fā)現(xiàn)銅絲由紅色變黑色。用鑷子夾一小團(tuán)棉花蘸取2～3mL無水酒精，放于硬質(zhì)玻璃管的最左端，裝上氣唧，硬質(zhì)玻璃管的右端放入少量白色CuSO4粉末，塞好橡皮塞，把另一端橡皮塞中的導(dǎo)管伸入盛有新制氫氧化銅溶液的試管中。把酒精燈一直放在銅絲部位加熱，片刻后，銅絲由黑色變成亮紅色，此時(shí)鼓動(dòng)一兩次氣唧，銅絲又馬上變黑色；停止鼓動(dòng)，片刻后，銅絲又會(huì)變成亮紅色，如此反復(fù)，銅絲顏色由紅-黑-紅一直在變化，白色CuSO4粉末也逐漸變藍(lán)色，說明有水生成，也可以看到右邊的新制氫氧化銅溶液的試管中在鼓動(dòng)氣唧時(shí)有氣泡產(chǎn)生。取下新制氫氧化銅溶液的試管，這時(shí)試管中已經(jīng)含有乙醛。用試管夾在酒精燈上加熱，可以看到溶液逐漸產(chǎn)生磚紅色沉淀，現(xiàn)象明顯，可以證明產(chǎn)生了乙醛。（三）化學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新1.化學(xué)實(shí)驗(yàn)室氣體發(fā)生器馬永利老師2011年設(shè)計(jì)、制成新型的實(shí)驗(yàn)儀器—化學(xué)實(shí)驗(yàn)室氣體發(fā)生器，解決了實(shí)驗(yàn)室制備有毒氣體對(duì)環(huán)境的污染和影響師生健康等有史以來沒有解決的問題，已由中華人民共和國國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局授予實(shí)用新型專利權(quán)。該儀器榮獲第32屆北京青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員科技創(chuàng)新項(xiàng)目科技制作類一等獎(jiǎng)，第27屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新項(xiàng)目制作類三等獎(jiǎng)。2.過氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)有不少化學(xué)教師做“口含玻管對(duì)包裹了過氧化鈉的棉花吹氣，棉花燃燒”的實(shí)驗(yàn)，從而說明過氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)，生成碳酸鈉和氧氣。我們做了如下改進(jìn)：在一個(gè)500mL的燒杯底部一側(cè)粘一段蠟燭頭，在另一側(cè)倒放一只50Ml的小燒杯，小燒杯上放一片鐵片，防止棉花燃燒把小燒杯燒裂，大燒杯里放入適量的碳酸鈉或碳酸氫鈉，點(diǎn)燃蠟燭，把包了過氧化鈉固體的棉花放在小燒杯上，向大燒杯里滴加鹽酸，二氧化碳大量放出，我們會(huì)看到燃燒的蠟燭首先熄滅，片刻后棉花燃燒起來。3.長時(shí)間觀察鈉的金屬光澤教材上鈉的金屬光澤實(shí)驗(yàn)是用刀子切割鈉，觀察新切割斷面鈉的金屬光澤。此法有兩點(diǎn)不足：①鈉在空氣中極易氧化，所以斷面迅速被氧化成灰色；②斷面可見度太小。我們做了如下兩種改進(jìn)：1）長期保存：取兩只大小不同的試管，小試管插入大試管里，兩管壁之間的間隙盡可能小。先加熱大試管，減少試管里的空氣含量。取花生米大小的一塊鈉，切去表面氧化層，放入大試管里，在酒精燈上繼續(xù)加熱，與其同時(shí)也加熱小試管的底部，待到鈉熔化時(shí)，把小試管插入大試管底部，液態(tài)鈉充滿兩試管壁之間，立即用熔化的蠟燭封閉兩試管口的空隙，使鈉和空氣隔絕。一根閃亮的"鈉棒"就做好了，可以長期保存。2）臨時(shí)操作：取兩片同樣大?。?0cm×10cm）的玻片，取花生米大小的一塊鈉，切去表面氧化層，放入兩玻片之間，兩手用力轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓玻片，質(zhì)地柔軟的鈉塊在兩玻片間展開，形成有銀白色金屬光澤的"鈉餅"，可保留十多分鐘不會(huì)氧化。4.氫氣在氯氣中燃燒的實(shí)驗(yàn)一只T形玻璃三通管（直管較粗的），用一根較細(xì)點(diǎn)的尖嘴玻璃導(dǎo)管安上小膠塞連接在T形三通管的直管一端，尖嘴低于外管口5mm；打開制氫氣的活塞，氫氣從內(nèi)管排出，點(diǎn)燃，可觀察到氫氣在空氣中燃燒的火焰；打開制氯氣的活塞，氯氣從內(nèi)、外管壁的空隙間排出，包圍在氫氣火焰外面，火焰立即變成蒼白色；用集氣瓶罩在火焰上2-3秒鐘收集燃燒后的氣體；關(guān)閉氯氣導(dǎo)管，又可觀察到氫氣在空氣中燃燒的火焰。向集氣瓶里注入1/3體積的水，振蕩幾下，滴入幾滴石蕊試液，立即呈現(xiàn)紅色，證明是顯酸性。5.電解池離子的電荷及運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)原電池和電解池中電解質(zhì)導(dǎo)電是靠陰陽離子的定向運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，在教學(xué)中怎樣讓學(xué)生看到離子的運(yùn)動(dòng)方向，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩種實(shí)驗(yàn)方法：1)濾紙法：取一張濾紙，用硫酸鉀溶液將其濕潤，在左右兩邊壓上銅片電極，電極的正中位置滴加硫酸銅飽和溶液與高錳酸鉀濃溶液的混合液。電極接通6V直流電源，藍(lán)色的Cu2+向負(fù)極銅片一方運(yùn)動(dòng)，紫色的MnO4-向正極銅片一方運(yùn)動(dòng)。數(shù)分鐘后，負(fù)極銅片一邊藍(lán)色逐漸加深，正極銅片一邊紫色逐漸加深。2)U形管法：設(shè)計(jì)制出取一套如圖所示的U形管，首先關(guān)閉中間長頸漏斗上的活塞閥。向U形管里注入大半管硫酸鉀溶液，再向長頸漏斗里注入硫酸銅飽和溶液與高錳酸鉀濃溶液的混合液，慢慢開啟活塞閥，藍(lán)紫色的混合液流到U形管的圓弧處，把兩只碳棒電極（或者銅片電極）插入U(xiǎn)形管左右兩邊的硫酸鉀溶液里。電極接通6V直流電源，藍(lán)色的Cu2+向負(fù)極一方運(yùn)動(dòng)，紫色的MnO4-向正極一方運(yùn)動(dòng)。數(shù)分鐘后，負(fù)極一邊藍(lán)色逐漸加深，正極一邊紫色逐漸加深。6.濃硫酸吸水性實(shí)驗(yàn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)在教材上沒有安排，同學(xué)只知道濃硫酸有吸水性，并沒有感性認(rèn)識(shí)，因此我們?cè)O(shè)計(jì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)：取一只干燥的溫度計(jì)記錄溫度計(jì)的讀數(shù)，在水銀球部分蘸上適量的濃硫酸掛在鐵架臺(tái)上，下面放上一個(gè)玻璃片，防止?jié)饬蛩岬蔚借F架臺(tái)上，并觀察溫度計(jì)的讀數(shù)變化，就會(huì)發(fā)現(xiàn)讀數(shù)明顯升高，說明濃硫酸吸收了空氣中的水分，放出了熱量使溫度升高，這間接的表明了濃硫酸的吸水性。7.氧氣發(fā)生器由學(xué)生陳旭提出設(shè)想，馬永利老師協(xié)助指導(dǎo)制作完成，參加第32屆北京市青少年科技創(chuàng)新大賽，獲三等獎(jiǎng)。O2發(fā)生器的結(jié)構(gòu)：將MnO2粉末用粘合劑固定在長頸漏斗末端，實(shí)驗(yàn)時(shí)，將其插入H2O2中。設(shè)計(jì)O2發(fā)生器的基本思想和目的，是用簡單的實(shí)驗(yàn)方法證明MnO2不是作為反應(yīng)物參與反應(yīng)，而是反應(yīng)的催化劑。8.蠟燭燃熄展示杯由學(xué)生李秋月提出設(shè)想，馬永利老師協(xié)助指導(dǎo)制作完成，參加第32屆北京市青少年科技創(chuàng)新大賽，未獲獎(jiǎng)。將蠟燭燃熄演示杯平放在桌面上。將長度為0.5厘米的小蠟燭固定在細(xì)玻璃管的頂部。在玻璃高腳杯中加入適量的大理石（或石灰石），點(diǎn)燃蠟燭。將稀鹽酸沿杯壁倒入高腳杯中，稀鹽酸與石灰石反應(yīng)產(chǎn)生CO2，隨著CO2量的逐漸增加，燃著的蠟燭慢慢熄滅。9.氮?dú)庋鯕獍l(fā)生器由學(xué)生于玥鑫提出設(shè)想，馬永利老師協(xié)助指導(dǎo)制作完成，參加第32屆北京市青少年科技創(chuàng)新大賽，獲三等獎(jiǎng)。將N2、O2發(fā)生器與220V電源接通，打開電源開關(guān)，調(diào)整電壓，玻璃管內(nèi)兩極間發(fā)生放電現(xiàn)象，N2、O2化合生成NO2，玻璃管內(nèi)的空氣逐漸變?yōu)樽攸S色。10.酸堿氣體檢溢器電極電極發(fā)光二極管此設(shè)計(jì)相當(dāng)于玻璃片，用時(shí)在兩個(gè)電極之間滴上一滴蒸餾水，蓋在集氣瓶上，當(dāng)氣體收集滿瓶后，氣體溶于水中，開始導(dǎo)電，指示燈亮，表示集滿。2012年在北京市教委、北京市基礎(chǔ)教育系統(tǒng)舉辦的自制教具評(píng)選活動(dòng)中制作的“酸堿氣體檢溢器”優(yōu)化了酸堿性氣體收集、驗(yàn)滿過程中氣體逸散的問題，榮獲一等獎(jiǎng)。（四）化學(xué)實(shí)驗(yàn)中非專業(yè)儀器的合理使用1.鈉的燃燒試驗(yàn)取一根白色粉筆，用小刀在小頭兒挖出一個(gè)比綠豆略大的凹坑，放入綠豆大小的一塊鈉，直接放到酒精燈上加熱，很快就可以看到鈉劇烈燃燒起來，燃燒產(chǎn)物與白色的粉筆對(duì)比也很明顯，也免去了用坩堝做實(shí)驗(yàn)之后，會(huì)在坩堝產(chǎn)生一片弄不掉的污漬的麻煩。2.氫氣、氯氣在光照條件下反應(yīng)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)教材所給的是點(diǎn)燃的鎂條來引發(fā)反應(yīng)，但在實(shí)際操作往往需要好幾根鎂條才能引發(fā)反應(yīng)，反應(yīng)不容易控制，可做如下改進(jìn)：用照相機(jī)閃光燈代替鎂條作光源，使用礦泉水瓶代替集氣瓶，使用蘸有飽和食鹽水的濾紙代替，安全又快捷。3.礦泉水瓶的妙用1）瓶蓋上鉆一個(gè)小孔，灌滿水當(dāng)做洗瓶用。2）制成過濾柱演示水的凈化。把礦泉水瓶剪去瓶底，將瓶蓋換成一個(gè)帶導(dǎo)管的膠塞，然后按順序?qū)⒚藁?、活性碳、?xì)沙、粗沙放入瓶內(nèi)，這樣就制成了一個(gè)過濾柱。圖示如下：3）礦泉水瓶可作少量氣體貯氣瓶用集氣瓶集滿氣體，加上膠塞導(dǎo)管止水夾，攜帶方便。當(dāng)需要用氣體時(shí)，打開止水夾，擠壓水瓶氣體即可導(dǎo)出。4）做鈉與水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣燃燒試驗(yàn)取礦泉水瓶灌水到膠塞蓋到的位置，取膠塞安上尖嘴玻璃管，在膠塞上扎入一根針，針尖上扎上一塊鈉，蓋上膠塞，反應(yīng)開始后，不用驗(yàn)純就可點(diǎn)燃，安全又簡捷。二、成果的應(yīng)用情況1.所有改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)示例，已經(jīng)在教研中心教研活動(dòng)中作專題總結(jié)，全縣各個(gè)高中校都在選用。2．典型實(shí)驗(yàn)16個(gè)的視頻，已錄制成光盤，提供給縣教研中心供全縣教師選用，并且掛在密云縣教育資源網(wǎng)上，效果良好。3、實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范課