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真实性原则。化学课外小实验,必须是学生亲自参与、自己动手或者是小组合作完成,这就要求实验的设计要真实,实验的过程与步骤要真实,实验现象的记录要真实,实验的结果要真实,实验报告要真实。决不能抄袭照搬他人的作品,不能凭空臆造实验现象和实验结果,也不能以理论去剪裁事实。化学小实验要实事求是,追求实验的真实性。
创新性原则。创新是课外小实验的灵魂,化学课外小实验贵在创新,没有创新的课外小实验是没有吸引力和生命力的。在学生设计的化学课外小实验中,对教材中实验装置的改进是创新,巧妙的设计思路是创新,寻找到恰当的替代品是创新,验证课本中的概念、原理是创新,将学到的化学知识应用于生活实践是创新,自己独立设计化学实验更是创新。所以,评价一个课外小实验的关键,就在于有没有创新。
趣味性原则。化学课外小实验有一个重要的特点,那就是将趣味性与化学知识、化学技能及生活实际有机结合。学生在动手实验的过程中,不仅学习了知识与技能,更重要的是从巧妙的实验设计、奇妙的实验现象中享受到了探索的乐趣,体验到了学习的快乐,被激发出了强烈的创新欲望和灵感,并逐渐变得敢于质疑、勤于思考、积极动手、大胆创新。因此,一个有趣的化学小实验,往往会成为学生坚持不懈地开展课外实验的催化剂。
客观性原则。在评价学生设计的课外小实验时,教师还要遵循客观性原则,即要对实验的各个方面、各个环节做出实事求是的客观评价。不足的方面、错误的地方均应指出,并说明理由,提出改进意见,不能有意回避。而对于好的实验设计,如设计新颖、构思巧妙、操作简便、现象明显、误差分析到位、实验反思深刻等优点,教师都要给予充分的肯定。
激励性原则。一个课外小实验做完后,学生都会将自己的实验作品、实验成果视为“宝贝”,期待得到教师的肯定。这时,教师的一句赞扬、一个肯定都会使他们增添无穷的信心和极大的动力。所以,在进行实验评价时,教师在指出学生不足的同时,更多地要找出其优点及时表扬,哪怕是一个不太成熟甚至是一个失败的课外小实验,老师也要对学生的积极态度给予肯定,千万不能打击学生的积极性。
二、化学课外小实验的评价策略
教师在指导学生进行课外小实验的过程中,需要让学生明白各项原则的内容及意义,并依据这些原则去设计、去动手做实验,以保证化学课外小实验顺利、高效地进行。
实验活动小组成员之间也要根据小实验的评价原则,对其他成员的设计方案、实验过程、实验效果、实验报告等情况进行评价,通过相互讨论,汲取他人的优点,发现自己的不足并加以改进。然后,教师参考学生的互评结果和学生参与的积极性,评出优秀个人、优秀小组,并给予一定的奖励,如一支笔、一个笔记本等。教师的评价要以激励为主,表扬面要宽。另外,评价一定要及时,不可滞后。
一、从小处和基础着手,培养学生的基础实验能力
1.学生的实验能力需要在实验过程中逐步培养提高
学生的实验能力的形成和发展是循序渐进、日积月累的,因此在新课教学中,教师要重视学生实验的基本内容教学。每一个学生实验都应该让学生明确此实验的目的、实验原理和方法、实验所控制的条件、实验所需要的器材及这些器材的使用方法、实验操作步骤、实验的注意事项、实验的数据处理方法和实验结论分析等,并要求学生认真做好每个学生实验。
2.注意培养学生的良好实验习惯,形成科学的实验素养
实验操作具有条理性,实验操作的全过程包括仪器调节、观察操作、仪器整理。教师要有意识地培养学生良好的实验习惯,使之形成科学的实验素养。同时实验操作必须具有可行性和相对准确性。在操作过程中有意识地让学生讨论实验的可行性和可操作性,避免学生以后自己设计实验时纸上谈兵。在测量型实验中逐步让学生学会分析误差来源,认真讨论误差来源,分析如何减小误差。在讨论中活跃思路,在思考中形成严肃认真、一丝不苟的实验风格。
二、培养学生“制订计划与设计实验”的意识与能力
1.放手,让学生经历“制订计划与设计实验”的过程
“制订计划与设计实验”是科学探究过程中重要的环节。它要求探究者从操作的角度把猜想与假设具体化、程序化,为科学探究的具体实施作出规划。传统的物理教材和教学对物理知识和问题的处理多为呈现式和验证式。学生较少经历自主设计实验、探究物理问题的过程。学生便会形成按图索骥、照搬程序、机械实验的习惯,学生的创造力无法萌芽。放手让学生经历“制订计划与设计实验”的过程,已成当务之急。放手,让学生经历,就是培养学生探究设计能力的一项基本策略。设计实验对初学物理的学生来说是很难的。这就像幼儿学走路一样,如果大人担心其跌倒,不放手让其独立行走,那么,幼儿就很难学会走路。“经历”是幼儿学会走路的必然过程,同样也是学生学会设计的必然过程。
2.引导,让学生尝试考虑影响问题的主要因素,建立控制变量的初步意识
“制订计划与设计实验”研究物理问题,需要考虑影响问题的因素,以便确定观察、测量对象等事项。具体的物理学及其相关问题,有的是由多个因素共同造成的,即一个因变量对应着多个自变量,要确认每个自变量的关系就要控制其他变量的变化。这对于初学物理的初中学生来说具有一定的难度,对于教者来说其基本的策略是“引导”。
(1)引导学生进行案例学习,建立控制变量的意识
通过重现他人已进行过的探究案例,使学生得到启示。如伽利略在惯性原理发现之前做的斜槽小球实验,就采用了控制变量的方法,固定第一斜槽的角度,控制同质量的小球滚到斜槽底端时的速度相同,看小球在第二斜槽上运动的距离。改变第二斜槽的坡度使之不断减小,小球会运动得很远;使槽轨更光滑,小球将运动得很远、很远。再如,研究弹簧的弹力大小与哪些因素有关?人们猜想弹力的大小与弹簧被拉伸的长度和弹簧自身的一些条件(材料、形状)有关。这里主要有两方面的因素影响弹簧的弹力大小。设计实验时先控制一个量不变,用相同的弹簧,让其拉伸不同的长度,测量弹力与长度改变的关系;然后选用不同材料和形状的弹簧,控制同样的拉伸长度做实验。弹簧被拉伸和被压缩相同长度时弹力一样吗?探究者还进行了这方面的实验。
(2)引导学生尝试采用列举和归类的方法,寻找影响问题的因素
对表象异样、本质相同的因素进行归类合并,设计实验。如影响蒸发快慢的因素有哪些?教师可让学生利用已有的生活经验进行列举,提出各种猜想。学生可能会提出如下一些猜想:①含有水分的物体运动越快蒸发越快;②向水面吹风,水分蒸发加快;③水温越高水分蒸发越快;④敞口容器中水分蒸发得快;⑤水分暴露在空中的面积越大,水分蒸发越快。针对这些猜想组织学生讨论:这些现象从本质上看有哪些是相同的?在学生讨论的基础上引导学生将影响蒸发快慢的因素归类为三项因素:水面空气流速(①②④);温度(③);水的表面积(④⑤),从而采用控制变量法设计三个实验,进行研究。
三、在筛选猜想中设计实验
关键词: 化学实验设计 类型和内容 教学策略
一、化学实验设计对发展学生科学探究能力的意义
所谓化学实验设计,是指学生在实施化学实验之前,根据一定的化学实验目的和要求,运用有关的化学知识与技能、科学过程与方法,对化学实验的仪器、装置、步骤和操作方法进行规范的一种规则。化学实验设计对于发展学生的科学探究能力、提高他们的科学素养具有重要的意义。首先,它可以激发学生的化学学习兴趣。学生根据自己所学的化学知识,独立地或在教师启发下,设计出各种实验方案,成功地解决化学实验问题,从而产生成功后的喜悦,激发起更大的学习热情,成为进一步学习的强劲动力。其次,设计化学实验方案需要学生灵活地和创造性地运用所学的化学基本能力和创造能力。最后,进行化学实验设计还需要学生掌握各种科学方法(如实验、测定、实验条件的控制、假说等),具有严肃认真、一丝不苟和敢于创新的精神,有利于学生认识和掌握科学过程与科学方法,形成正确的化学实验态度、情感与价值。
二、化学实验设计的类型和内容
根据不同的标准,我们可以将高中化学实验教学中的实验设计划成不同的类型。根据实验在化学教学认识过程中的作用,它可以分为:
1.启发性(或探索性)实验的设计。
这类实验是在课堂教学中配合其他化学知识的学习进行的,多采取随堂实验的形式。在引导学生进行设计时,我们要注意效果明显、容易操作、时间短和安全可靠。
2.验证性实验的设计。
这类实验目的主要是验证化学假说和理论,多采取学生实验课或边讲边实验的形式。在引导学生进行设计时,除了上述要求外,我们还要注意其作为证据对猜想与假设是否具有较强的说服力。
3.运用性实验的设计。
这类实验的目的是综合运用所学的化学知识和技能,通过化学实验解决一些与化学有关的实际问题。在引导学生进行设计时,我们要注意灵活性和综合性,尽可能设计多种方案,并加以比较,进而进行优选。
根据化学实验的工具,它可划分为以下两种类型:
(1)化学实验仪器、装置和药品的改进或代替。
(2)化学实验方法的改进。一方面,这主要是由于高中化学教课书中,有的实验因装置过于繁杂、操作不太方便、方法不合适、可见度较低而影响化学教学效果,因此需要改进方案,重新设计。另一方面,由于高中生受到种种条件的限制,常会发生缺少某些仪器、药品的情况,因而需要自制一些仪器和代用品,采用微型实验,所以也需要对实验重新进行设计。
三、化学实验设计的原则
1.科学性原则。
科学性是指实验原理、实验程序和操作方法必须与化学理论知识和化学实验方法论相一致,这是化学实验设计的首要原则。例如Na2S和Na2SO3的鉴别,在试剂的选择上就不宜选用硝酸等具有氧化性的酸;在操作程序的设计上,应先溶解,取少量溶液,然后加试剂,而不能溶解后就加入试剂。
2.可行性原则。
可行性是指设计化学实验时所运用的实验原理在实施时切实可行,所选用的化学实验药品、仪器、设备和方法在中学的条件下能够得到满足。例如NaCl、Na2SO4的鉴别,有的学生常选用AgNO3做试剂,认为AgCl难溶、Ag2SO4微溶,从而把两者加以区分。事实上,这种方法所依据的原理在实施时是不可行的。因为硫酸银不稳定,很容易分解成难溶的氧化银。
3.绿色化原则。
绿色化学是21世纪化学科学的一个重要发展方向,也是中学化学教学中,学生应树立的基本化学观念之一。绿色化学倡导从源头上就尽可能地消除或减少有毒、有害化学物质对环境的影响,要想实现这一目标,必须首先从化学实验设计做起。在化学实验设计中体现绿色化学思想,就要遵循化学实验设计的绿色化原则,即在化学反应原料的选择、化学反应的条件的选择、化学反应的产物、化学实验的操作等环节都要贯彻绿色化学思想。
四、发展学生化学实验设计能力的教学策略
1.尽可能为学生提供进行化学实验设计的机会。
化学实验设计能力,是实验探究能力的重要组成部分。进行化学实验设计的过程,也就是学生经历制定实验探究活动计划,发展实验探究能力的过程。因此,我们在化学实验教学中,要尽可能多地为学生创造进行化学实验设计的机会,使学生在化学实验设计的过程中,体会实验设计的重要性,认识实验设计应遵循的基本原则,初步掌握化学实验设计的基本方法。
2.增强发展学生化学实验设计能力的计划性。
增强发展化学实验设计能力的计划性是发展学生的化学实验设计能力很重要的一个方面。我们应根据化学实验教学内容的特点、学生知识与技能的基础和能力发展水平,有目的、分阶段地制定化学实验设计能力的发展计划。
【关键词】微型;实验;功能;设计
微型化学实验,就是以节约原料简化装置为前提来取得化学信息,其效果要求达到现象明显、安全环保、操作简便为目的的实验方法和技术。20世纪80年代初,微型化学实验起源于美国,是一种被认可的、并以体现“绿色化学”理念为核心的、化学实验新技术和新方法。被赞誉为化学实验里的一场革新。本文对微型化实验的功能和微型化实验设计进行研究分析以顺应新课程教学改革对化学实验课的要求。
一、微型化实验的功能
1.微型化的实验教学,是对化学实验课的发展和补充,是培养学生实验能力、提高实验技能的重要途径,也是对教师传统实验课的实施和实验技能的挑战。
2.微型化的实验教学,能充分张扬学生的个性,激发学生的潜能。
3.微型试验不仅能满足学生的求知需求,而且微型化学实验仪器具有容易携带、不易破碎、经济环保等优点,使每个学生都有条件实现自己的实验设计,体验化学的乐趣。
4.微型试验更能体现启发性、探索性教学。
5.化学实验的微型化可以让更多的学生参与到化学实验的操作体验中来,通过准备阶段、设计方案到实验的实施及产品的获取、结论的得出,培养了学生严谨的科学态度。
二、微型化实验设计
1.微型化实验设计的原则
型化实验设计的原则不仅遵循化学实验的原则还有自身的特点。
(1)科学性是实验设计的首要原则。微型化实验设计过程中虽然要求简捷,但仍然要符合客观事实,不能凭空设计。
(2)其次是安全性原则。安全性要求对环境无污染,对人身无伤害。
(3)微型化原则。实验设计能够体现微型实验仪器小巧便携、不易破碎、经济环保、操作易行等优点。
2.微型化实验设计的方案
实验设计的方案的形式有多种,内容主要包括实验名称、实验目的和实验设计的思路等八个主要方面。
(1)实验名称:明确验证物质的制备、性质或者用途。
制备SO2并验证其性质实验
(2)实验目的和实验设计的思路。明确实验的目的,设计合理、科学,选择最佳途径。通过实验,实现哪些实验的微型化。
①对SO2制备、性质、及尾气处理实验进行微型化改进,经济环保、操作易行。
②培养培养了学生的环保意识、资源意识、安全意识、创新意识。
(3)实验原理:运用了哪些实验原理,验证哪些性质。
运用SO2气体的制备及检验SO2性质漂白性、氧化性、还原性、酸性氧化物性质。
(4)实验器材和用品:根据实验目的和实验设计的思路选择恰当的实验器材和用品。
水槽一个、100mL小烧杯、250mL大烧杯、滤纸条
(5)实验步骤:体现微型化实验的要求,更加简便,节约原料,环保及实验过程中有关注意事项。
步骤:
①把20.0克亚硫酸钠固体放入100mL的小烧杯里,把100mL的小烧杯放在装适量浓度约为5moL/LNaOH溶液的培养皿里(可用水槽代替)。
②将一个250mL的干燥大烧杯底部粘上一条湿润的PH试纸(可用蓝色石蕊试纸代替),一条浸有品红溶液的滤纸条,一条浸有高锰酸钾溶液的滤纸条,一条浸有硫化氢溶液的滤纸条。
③向小烧杯中的亚硫酸钠固体上滴加浓硫酸, 立即盖上250mL的大烧杯(NaOH溶液应封闭250ml烧杯下口),多余的SO2被培养皿里的NaOH溶液吸收。
注意事项:步骤②中将一个250mL的干燥大烧杯底部粘上三条纸条时,操作不能太慢,滤纸条上的溶液不能太多也不能太少,否则实验现象不佳。
(6)实验现象:通过现象验证了什么性质,与预期的效果怎样。
现象:
①通过PH试纸变红色不褪色,证明二氧化硫是酸性氧化物。
②通^使浸有品红溶液的滤纸褪色,证明二氧化硫有漂白性。并能与①对比说明二氧化硫漂白性的局限性。
③通过使浸有硫化氢溶液的滤纸表面产生淡黄色固体说明二氧化硫有氧化性。化学反应方程式:SO2+2H2S=3S+2H2O
④通过使浸有高锰酸钾溶液的滤纸褪色,证明二氧化硫有还原性而不是漂白性。
化学反应方程式:5SO2+2KMnO4+2H2O=K2SO4+2MnSO4
+2H2SO4
⑤多余的SO2被培养皿里的NaOH溶液吸收。有害气体不会外泄,保护了工作环境。化学反应方程式是:2NaOH+SO2
=Na2SO3+H2O
效果:显色效果明显,课堂效果较好。
(7)实验装置:新旧实验装置对比,清晰直观展现微型化实验的功能。
(8)与传统实验相比的创新点:运用对比的方法,写出实验的创新点。
与传统SO2实验原理(如图)对比:通过对SO2性质实验进行改进,打破常规思路中,该装置中不仅有SO2的制取装置、性质检验装置、还要有尾气处理装置,该设计的创新点是装置简单,药品用量少,操作易行,便于携带,低碳环保。
通过微型化实验的设计,学生们不但需要熟练掌握实验操作技能,还需要对知识灵活变通;既要动脑又要动手,甚至还要查阅资料,从设计实验到实验的实施,学生综合实验能力逐步提高,并真真切切体会到化学的神奇,从而带动学生对化学的热爱,激发潜能,培养出素质人才。这正是新课程教学改革对化学实验课的要求。
【参考文献】
[1]刘贵银.化学实验教学中创造能力的培养,《化学教学》
1.1实验的设计应符合从源头上消除污染的原则
目前有机化学实验的设置主要从锻炼学生实验操作技能的角度出发,对有机化学实验的内容进行设计。很少考虑到设置的有机化学实验会对实验室的环境带来什么污染问题,因为会有不同的声音说,实验室规模这么小,能带来多大的环境污染?其实此言差矣,如果有机化学实验设计不当,不但会给进行实验的同学身体上带来伤害,并且同学们也认为有机化学实验和人们眼中传统的化工产业同样是高毒、高污染的。其实,不只是普通民众一说到化学或化工就与“环境污染严重”等字眼联系到一块。在我们学习化工专业的同学中也存在这种言论,如果不能正确引导化工或化学专业的学生正确认识化工行业所带来的环境污染问题,会导致整个社会对化工行业的抵触。这两年,民众集体抵制的“PX”项目就是因为民众对“对二甲苯”行业认识不够所引起的社会反响。因此,我们在有机化学实验设置中,就应考虑到正确引导学生对化学学科正确价值观,让同学们意识到有机化学实验乃至化工行业可从源头上减少或消除环境问题,目前化工行业所引起的不良影响是化学技术发展落后所导致的。随着化学技术的飞速发展,绿色化学的理念深入人心,人们眼中的传统化工行业的面貌会焕然一新。作为高校教育者,首先在有机化学实验的设置上,应尽量选取避免产生有机废液等副产物的有机化学反应。反应原料尽量使用低毒或无毒的化学试剂,反应溶剂尽量选择环境友好的溶剂,最好是采用水相反应,甚至是无溶剂的化学反应,这样即减少了学生接触有毒有机溶剂的机会,也杜绝有毒有机溶剂的排放,以免造成不良的社会影响。
1.2实验的选取应充分考虑原子经济性的原则
原子经济性(Atomeconomy)是由斯坦福大学的Trost首次提出的,是绿色化学的一个核心概念。绿色化学中的“原子经济性”是指在精细化学品合成过程中,合成方法和工艺应遵循将所用的所有原材料尽可能多的转化到最终产物中,尽量降低副产物生成的原则[4]。这样既节约了资源,又避免了环境污染。在有机化学实验课的设置上,体现绿色化学中的原子经济性理念,通过设置一些原子经济性较高的有机化学实验,让学生深刻认识到有机化学实验也可以做到低污染甚至零污染排放。可适当选择一些经典的高原子经济性化学反应,例如:Click反应、康尼查罗反应(Cannizzaroreaction)、狄尔斯-阿尔德反应(Diels-Alderreaction)。
1.3实验的选取应体现现代化学技术的进步和发展
化学学科飞速发展,有机化学尤为突出,为了提高产率,缩短反应时间,有机工作者探索了很多方法。微波促进的合成方法自1986年首次报道至今已有二十年的历史,目前已经广泛应用于有机化学领域[5]。但是,在本科有机化学实验教学中却很少使用,借助微波技术进行有机反应,反应速度较传统的加热方法快数十倍甚至上百倍。以肉桂酸的合成为例,传统加热方法和微波促进的方法均可制备。因此,应该给学生提供更广阔的选择,让学生自愿选择一种加热方法,实验结束后,比较两种不同加热方式所得到的实验结果,用事实证明两种加热方法优劣,这样学生对实验的原理认识更直观、更深刻。还要鼓励学生自己查阅文献的能力,尝试其他先进技术在同一种反应中的应用,这样更能调动学生获取知识的主观能动性。
1.4反应用量应采用微量级别
传统有机化学实验一般采用克级规模的反应用量。其实我们有机化学实验的初衷是通过实验过程来验证课堂上所学的理论知识的正确性,通过实验现象加深对理论知识的理解和巩固。因此,大量化学试剂的使用会增加资源的浪费。微量反应同样可达到传统规模用量实验教学的效果,同时节省了资源,也降低了有机废物的排放。
2结论
【关键词】大学;绿色化学;实验体系;构建;设想
【中图分类号】O6-4【文献标识码】B【文章编号】2095-3089(2017)32-0019-01
化学学习的学习离不开实验,实验是培养人才的关键之所在。通过化学实验,学生的思维能力和实际操作和观察能力都会得到提升,将抽象思维形象化并根植于大脑中。化学实验课程中会涉及到各种类型、不同属性的化学药品及实验器材,而化学反应本身就会生成其他的物质,对环境造成部分不可知的影响,同时实验室长期应用必然会排放出一些废气和废水,对环境的污染也是不可忽视的。绿色化学的主旨就是要倡导最大限度地降低实验过程和后续处理的污染程度,给人们的生活和生产提供安全的空间环境。因此,在大学化学实验中开展绿色化学活动,具有一定的现实意义。
一、培养、提升绿色化学环保意识
化学专业的学生的主要任务是对化学的专业知识进行学习,进而将所学应用到实际的解决问题当中。但是在学习的过程中,首先要对绿色化学的观念进行熟知。因为,绿色化学不仅关系到化学实验的成功与否,还会影响到人们的生活环境。教师应该在上课伊始就给学生们灌输绿色化学的相关理念,在实验当中将绿色化学思想融入到课程当中去。具有绿色化学理念的化学人才才能够适应社会发展的需要,在可持续发展战略中才能贡献自己的力量。
二、构建绿色化学实验课程体系
1.对实验室教学资源进行优化
化学试验室中有很多种不同类型的实验器材和实验药品,为了对这些仪器仪表进行管理,往往会花费很大的人力、财力和物力。如果实验器材出现了陈旧或者是精准度不达标的情况,必然会影响到化学实验的精准性以及环境的保护。因此,要想构建绿色的化学实验课程体系,首先应该从实验器具开始,根据教学内容度实验条件以及教学层次进行改进和完善,为绿色化学实验的实施提供保障。
2.更新实验选题
在绿色化学实验课程体系建设的过程中,实验内容是最为重要的部分。有些教学内容已经出现了重复、陈旧的现象,应该进行必要的调整,否则会影响到实验资源的消耗,污染程度也会加大。另外,在选择具体实验项目时,相关的人员应该从科学性和全面性等方面来进行分析和探究,设计新的绿化化学实验内容。实验反应物要以无毒、无公害原则为主。化学实验需要充分结合生活生产实际,保证实验的实用性,又要有趣味性,通過实验来激发学生的学习兴趣和探究动力。
3.改进实验教学手段
首先,对实验方案进行调整。实验项目以及内容需要得到不断地优化,实验药品可以进行重复应用,比如前一项实验的最终产物可以最为后一项实验的原料,只要原料性质没有发生变化,重复利用就是一种绿色实验的体现。学生要对化学实验的每一个环节都加强重视,提前预习,操作技能必须要掌握。为了减少环境污染,实验人员可以以对实验教学手段进行优化处理。比如,实验项目的选择顺序需具有一定的科学性,使用实验仪器仪表时也要考虑到节省能耗的原则。如果实验内容能够得到连续化和系统化,相互衔接,资源的消耗以及污染程度就会大大降低。
其次,开展微型化学实验。微型化学实验是近年来化学实验所提倡的一种实验模式。微型化学实验就是利用较少的试剂来获得一定的化学实验结论。如微流控技术、微反应器技术等。试剂用量虽少,但是性质不变,因此,实验的准确性也可以得到保证。实验产生的污染物也会减少,环境污染程度也会降低。从这一点上看,实验的安全性以及实验人员的健康都得到了保障。
4.探索绿色化学实验评价模式
绿色化学实验评价模式主要可以从三个方面来考虑,包括评价内容、评价方式以及评价主体等方面。实验教师的实验设计、学生实验的过程以及产物的处理等方面都应该作为评价内容。另外,实验评价方式可以采用两种形式,一种是实验结果的精准度,另一种则可以是实验的绿色程度。评价主体的多元化可以提现在教师评价、学生互评等模式。总之,实验评价模式的转变对构建绿色化学实验具有一定的影响性。
三、实验三废要及时处理
实验废物的处理要及时,如果实验的产物可以应用到其他实验当中,就可以节约很大一部分实验药品。化学试验室也要做好制度建设,实现规范化管理。化学实验不仅要提取实验结果,更应该将环境保护放到首位。实验三废不能随意倾倒,以免影响到周围的环境。如果废弃物是固体,管理人员应该对其进行收集,统一存放,最终进行彻底处理。实验产生的废水、废物、废气不仅会影响到实验人员的健康,还会随着空气传播到大气当中,影响范围越来越大,因此,绿色化学实验进行的前提就是最大限度地降低污染。安全、环保的实验才具有重要的意义,否则以环境为代价获得的经济效益不会具有长久性。
四、总结
通过以上分析和探讨,大学化学专业的学生培养和提升自身的绿色化学意识意义重大,在具体的实践当中也应该将绿色化学的理念融入到实验当中。在这一过程中,不断改进和完善教学内容、科学地进行实验选题,对教学手段和方法进行完善,同时从教学评价模式以及实验环境等方面加强重视。另外,涉及到最直接的方面就是实验产生的三废问题,科学、妥善地处理好实验三废也是提倡绿色化学实验的重要保障。
参考文献
[1]钟国清;化学实验教学的绿色化改革与实践[J];实验技术与管理;2011年12期.
[2]李军,王小风,杨淑琼;绿色化学实验教学的研究[J];实验技术与管理;2012年01期.
[3]阿拉腾敖其尔;化学教学中增强绿色化学教育的思考[J];内蒙古电大学刊;2013年02期.
一、开放化学实验的原则
开放实验的内容必须符合科学性及可性行,且有一定的趣味性、新颖性、先进性、实践性和创造性。尤其要注意有利于开发智力,培养能力和创新精神的科学活动。内容要与教材同步或稍超前或相关(既运用现有的知识或稍加学习就能解决的实验),并且与生产、生活和先进的科学技术知识紧密结合,这样有利于训练学生的观察能力、实验能力、研究能力、思维能力及解决问题能力等,使学生学会利用科学的方法去研究科学。开放实验必需根据学生的志趣爱好、性格特点、认知水平和潜能等不同,以学生自愿参加为原则,这样学生会变被动为主动,积极参与实践,同时,也会比较自觉地接受教育,遵守实验纪律,以利于开放实验的顺利进行。
二、开放化学实验的类型
(1)技能型实验
这类实验是以实验基本操作技能培养为目标,提高学生实验操作能力和规范正确的动手能力。例如:玻璃细工(包括:断、熔、拉、弯、吹、封等);仪器的洗涤;简单仪器制作;常用仪器的操作;仪器的连接和组装等。
(2)配合型实验
这类实验是配合课堂教学开展的,随教学进度拟好循序渐进的训练计划,主要是对课堂教学内容验证、延伸、拓宽、加深。例如:灼烧贝壳制取生石灰;鸡蛋壳跟酸反应;冷却蜡烛火焰收集炭黑;晶体的制备(硫酸铜晶体、硫代硫酸钠晶体的制备);从胃舒平中鉴定氢氧化铝等。
(3)趣味型实验
化学实验兴趣是个体对化学实验特殊的心理活动倾向,是为了获得关于化学实验的知识、经验、体验或者解决化学问题而带有情绪色彩的意向活动。这类实验对培养和激发学生对化学实验的兴趣有着积极的促进作用。例如:滴水生烟;自制植物指示剂;化学震荡;化学刻花;用电写字;自制豆腐;树叶照片的制作;柠檬电池等。
(4)应用型实验
这类实验其目的是培养学生实践能力,让学生把学到的化学知识应用于实际,进一步增强其学习本学科的兴趣。例如:衣物的化学去渍法;用活性炭作净水器;自制波尔多液;测定酸雨PH值;从海带中提取碘;自制肥皂;吸烟中有害成分的简易检验等。
(5)探究型实验
这类实验让学生通过自己的观察、探究、分析实验提供的素材,发现其中的知识、科学原理,最后得出结论。这有利于发展学生的智能结构,提高学生解决实验问题的能力。例如:研究铁的锈蚀条件;确定石蜡的组成元素;硫酸铜晶体中结晶水含量的测定;空气成分的测定;黄铜中含铜量的测定;化肥有效成分测定等。
(6)设计型实验
这类实验让学生通过实验方法的改进、实验装置的改进、实验操作及实验步骤的改进、实验习题的设计等训练,有目的地提高学生的综合实验设计能力。例如:简易启普发生器的设计;防倒吸装置的设计;金属钠与水反应实验的改进;一氧化氮气体制备和性质实验的改进;碳和浓硫酸反应产物的鉴定等。
三、开放化学实验的实践
(1)开放实验的形式
可以由教师开出实验“菜单”,供学生自由选择实验内容。也可以由学生开出实验“菜单”,即学生根据自己的需求和设想提出实验申请,教师帮助审定后予以开放。参加实验的学生可以是固定的、也可以是流动的,即学生可以根据实验内容自行作出是否参加实验的决定。每次开放实验提供两个实验“菜单”,提前一周公布,供学生选择预约。学生开出的实验“菜单”,也必需提前一周提出申请,教师根据学生的预约和申请情况做好开放实验的准备。
(2)开放实验的要求
学生根据实验的内容,必须明确通过实验来解决什么问题,要求能灵活地综合运用化学知识技能,选择科学、有效和简捷的实验方法,周密地设计可行和合理的化学实验方案。要求能恰当地选择、使用化学仪器和试剂,正确地、独立地、有条不紊地进行化学实验操作和化学实验观察,客观、完整和规范地记录实验过程、条件、现象和结果。要求能对获得的化学实验事实、数据、资料进行恰当的加工,形成科学的化学概念、判断和推理,发现规律、解决问题。要求能准确、清晰、全面地表述实验内容、过程和结果,且规范地撰写实验报告。教师要把化学实验能力的培养、思想教育贯穿于全部实验过程中,突出以学生为主体,教师为主导的作用。帮助学生研究和制订切实可行的实验方案,并逐个审阅,全程指导。要加强安全教育并对每个可能引起事故的实验有足够的分析和认识,给予一定的帮助。
(3)开放实验的安排
首先应根据学校的实验条件和学生的认识水平,研究和制定切实可行的开放实验计划,计划要求有时间、地点、人数、仪器、药品、主讲教师、中心解决或研究的问题等。每一次开放实验的内容均由备课组的一位教师承担主讲,其余教师均参与辅助指导和管理,也可以启用各班经过培训的化学小骨干参与管理。开放实验的具体准备工作由实验老师和备课组老师共同承担。
一、化学实验设计的意义
化学实验设计对于发展学生的科学探究能力、提高他们的科学素养具有重要意义。实验设计是运用知识和求新创造的过程。在这个过程中,不仅有旧知识的运用,而且有对新知识的探求。学生实验设计技能的发展,往往说明他们的迁移能力、创造性和思维能力有较快的发展。通过科学实验,他们能学会如何控制或改变实验条件,选择什么样的仪器来实施实验,如何运用规律来解释自然现象,如何由诸多的现象归纳出本质的结论,如何探索科学规律,等等。实验设计让学生直接接触科学研究的方法,使学生对预感、推测、试验以及独立解决问题的可能性有正确的认识。实验设计是各种科学知识的综合运用,是较高层次的实验能力。实验设计的教学意义主要有以下几点:
(一)激发学生的化学学习兴趣。学生根据自己所学的化学知识,独立或在教师启发下,设计出各种实验方案,成功地解决化学实验问题,从而产生成功后的喜悦,激发起更大的学习热情,成为进一步学习的强劲动力。
(二)获得亲身参与研究探索的体验。美国教育家波利亚曾指出:“获取知识的最佳途径是自己的体验,因为自身体验最清楚,也最容易得出其中的内在规律、性质和联系。”科学实验强调学生通过自主参与一些类似于科学家从事科学研究的学习活动,获得亲身体验和产生积极情感,逐步形成一种在日常学习和生活中喜爱质疑、乐于探究、努力求知的心理倾向,产生运用所学知识解决实际问题,并且有所发现、有所发明、有所创造的积极欲望。
(三)提高发现问题和解决问题的能力。设计化学实验方案需要学生灵活地、创造性地运用所学的化学基础知识和化学实验基本技能,可以发展他们解决化学实验问题的能力和创造能力。实验的过程围绕着一个需要解决的问题而展开,学生直接参与研究,并最终使问题得以解决。学生在实验研究过程中,会激活自身储备的知识,通过解决实际问题的探索性活动,提高自己解决问题的能力。
(四)学会分享与合作。合作的意识与能力是现代人所应具备的基本素质。在以往的课堂教学情境中,学生间的交流与合作缺乏充分的机会与条件,而实验则为学生提供一个有利于沟通与合作的良好空间,学生得以在这个过程中发展乐于合作的团队精神,学会交流和分享研究的信息、创意及成果,并在欣赏自己的同时,也学会欣赏别人。
(五)培养科学态度,增强社会责任感。学生在实验的过程中,通过认真、踏实的探究,会逐渐养成严肃认真、一丝不苟、尊重他人意见的正确实验态度,形成严谨的科学作风和克服困难的意志品质,有利于学生认识和掌握科学过程与科学方法、不满足于现状的进取精神,同时也懂得了科学知识对于自然、社会与人的意义和价值。
二、中学化学实验设计的原则
在学生具备了一定的化学基础知识、掌握了一定的化学实验操作技能的基础上,有目的的提出一些实验问题,要求学生按照实验目的要求,根据已学过的实验原理和方法,设计出新的实验方案,这是培养学生实事求是、独立思考、开拓创新精神和能力的重要途径。
(一)目的性原则。目的性原则是指在科学实验设计的整个过程中,对实验原理、用品、装置、步骤、方法以及实验结果等方面的设计,都应围绕实验的目的与要求进行。例如,一氧化碳还原氧化铜的实验中,实验的目的是说明一氧化碳具有还原性,可把氧化铜中的铜还原成单质,本身被氧化成二氧化碳。因此,实验设计的立足点就是如何将黑色的氧化铜转化为红色的铜,如何将一氧化碳转化为二氧化碳,并将其检验出来。然后据此选择实验试剂、仪器、装置、反应条件、操作步骤和方法,并组装多种有利于黑色氧化铜转化为红色铜的实验装置。
(二)科学性原则。科学性原则是指设计的实验原理、实验方法、实验装置、实验操作等必须与科学理论知识和科学实验方法相一致。例如,检验某种无色溶液中是否含有CO32-离子,就不能通过加入盐酸,看是否有使澄清石灰水变浑浊的气体产生的方法来检验。因为若有HCO3-离子、SO32-离子、HSO3-离子的存在,此实验中都可以产生相似的现象,因而有失原理、方法的科学性。
(三)可行性原则。可行性原则是指在设计科学实验时,从实验原理、实验实施到实验结果的产生,在实施时切实可行,所选用的化学实验药品、仪器、设备和方法在中学化学实验条件下能够得到满足。例如NaCl、Na2SO4的鉴别,有的学生常选用AgNO3做试剂,认为AgCl难溶、Ag2SO4微溶,从而把两者加以区分。事实上,这种方法所依据的原理在实施时是不可行的。因为硫酸银不稳定很易分解成难溶的氧化银。
(四)安全性原则。安全性原则是指在设计实验方案时必须考虑实验过程中的安全,尽量避免使用有毒药品和进行具有危险性的实验操作,如果必须使用,应在所设计的化学实验方案中详细写明注意事项,以防造成环境污染和人身伤害。
(五)简便性原则。简便性原则要求在实验设计时,要考虑到实验材料容易获得、实验装置简化、实验药品便宜、实验操作简便、实验量化简单、实验步骤少和实验时间短等问题。这样,可以避免学生在实验设计中陷入一些繁琐的过程中,而忽视科学实验中的关键问题,如对实验原理的思考,对实验现象的分析等。
(六)绿色化原则。绿色化学是二十一世纪化学科学的一个重要发展方向,也是中学化学教学中学生应树立的基本化学观念之一。绿色化学倡导从源头上就尽可能地消除或减少有毒、有害化学物质对环境的影响,要想实现这一目标,必须从化学实验设计做起。在化学实验设计中体现绿色化学思想,要求在化学反应原料的选择、化学反应条件的选择、化学反应的产物、化学实验的操作等环节都要贯彻绿色化学思想。
三、中学化学实验设计方法举要
传统的中学化学实验大多以验证性为主,由此招致不少的批评,许多人主张应将验证性实验改为探索性或研究性实验。其实,验证性实验和探索性、研究性实验各有不可替代的作用,关键是如何有效地发挥它们的功效,不管哪种形式的实验都可有创新的设计。中学化学实验设计的常用方法有:
(一)缺陷改进法。缺陷改进法指通过发现现有实验的缺陷,把现有实验的缺陷进行改革或革新的方法。改进首先是发现问题,而创新就是要解决现有的问题,每发现一个缺陷、提出一个问题,也就是找到了一个创新的课题。
如:空气中氧气的含量的实验测定。如图1所示,利用红磷燃烧消耗空气中的氧气(4P+5O2 2P2O5),从而使容器内形成压力差,打开止水夹后,水进入容器内。进入容器中的水的体积,可粗略地认为是空气中所含氧气的体积。
该实验在设计原理上就存在不合理之处。我们知道,反应物浓度越小,反应的速率越慢。燃烧进行时,集气瓶中氧气的浓度越来越小,到一定的限度(此时还残留一定量的氧气)时,燃烧就会停止。这也是有些物质不能在空气中燃烧,但能在氧气中燃烧的原因。因此,从这个意义上说,利用燃烧试图除尽空气中的氧气,是难以达到目的的。维持红磷燃烧需要的氧气浓度相对较高,因此就更无法除尽氧气了。另外,该实验装置可能发生气体泄漏的地方也较多,加之将燃烧着的红磷伸入集气瓶中时会加热了内部的空气,使之外逸,这些都会导致实验现象达不到预期的效果。
要做好该实验,关键要注意以下几点:①用更易燃烧的可燃物代替红磷(如白磷);②装置的气密性要好;③燃烧匙伸入集气瓶中的速度要快,并塞紧塞子(最好没有这一步骤)。
基于以上分析与思考,可将原实验进行如下改进设计:
(1)用凸透镜将太阳光聚焦到白磷,使白磷燃烧。此法可以防止燃烧匙伸入集气瓶时气体的散逸。如图2。
(2)用水浴加热的办法使白磷燃烧,也可以防止燃烧匙伸入集气瓶内气体的散逸。白磷的着火点仅400C,水温稍高,足以使白磷着火燃烧。如图3。做此实验时,盛白磷的广口瓶不能直接放入沸水中,也以免广口瓶因骤热而爆裂。可先用温水淋浴后,再将热水注入外面的大烧杯中。
(3)用钟罩代替集气瓶进行实验,如图4所示。钟罩下方敞口,气体受热膨胀时,可将水压出一部分从产生减压作用。用此法可减少了气体泄漏的可能,准确性比原实验方案高。
(4)在一端封闭的粗玻璃管内放一小粒白磷,用胶塞塞住,并将其推入到玻璃管中部,记下位置。用酒精灯微微加热白磷,使之燃烧,可观察到白磷燃烧有大量白烟生成,胶塞被推向外侧(右侧)。待装置冷却,胶塞逐渐向内侧(左侧)移动,根据胶塞停止时的位置,确定空气中氧气的体积。如图5。
对化学实验进行观察、研究、分析,发现其缺陷,并在此基础上探索改进,就可以对化学实验进行创新。缺陷改进法创新化学实验的一般步骤为:①选定化学实验;②找出实验的缺陷;③针对缺陷研究改进方案。
(二)整合法。就是将一些相关的化学实验按某些内在联系或特征进行新的整合,设计新的实验方案的实验创新方法。爱因斯坦曾说过:“为了满足人类的需要而找出已知装置的新的组合的人就是发明家。”同样,将已有的化学实验按一些共同特征或功能进行合理整合,使其具有某种新的功能也是对原有化学实验的一种创新。
例如验证“二氧化碳与水的反应”的化学性质,一般教材上都是将二氧化碳气体通入到滴加了紫色石蕊试液的蒸馏水的试管里,振荡,观察到紫色石蕊变成红色的现象。同此作出判断,二氧化碳与水发生了反应,反应后生成了一种酸。这对于学习化学不久的初三学生来说,会存在很大的困惑:首先是第一次接触到酸碱指示剂,对酸能使紫色石蕊变红色的事实不知道;其次,干燥的二氧化碳能不能也使石蕊也变成红色呢?为了能更好的解释清楚这些问题,可以将这个实验设计成如下图所示方案:
用吸水性较好且有一度强度的纸折四朵小花,将其完全浸入石蕊试液中,取出晾干后,再浸入石蕊试液中,取出晾干。直到纸花变成明显的紫色为止。
向第一朵小花上喷稀醋酸(或稀盐酸等),纸花变红色。说明石蕊试液遇酸变红色;
向第二朵小花喷水,纸花不变色。说明水不能使石蕊变红色;
将第三朵纸花放入集满二氧化碳的集气瓶中。纸花也不变色,说明二氧化碳不能使石蕊变色。
第四朵纸花先喷水湿润,再放入集满二氧化碳的集气瓶中。纸花变红色。说明此时有酸存在,是二氧化碳与水反应的产物碳酸。
取出第一朵和第四朵变色的纸花,分别放在酒精灯火焰上加热。第一朵纸花不变色,第四朵纸花变紫色。由此说明碳酸不稳定,遇热分解。
这个实验设计将酸使酸碱指示剂(石蕊)变色实验、二氧化碳与水反应生成酸、碳酸不稳定等实验巧妙的整合在一起。装置简单、操作简便、无污染、实验现象明显、趣味性浓,学生容易接受。
运用整合法创新化学实验时应注意:①整合实验应是在对原先实验进行变形的基础上再将它们进行的有机融合,并不是简单的拼凑在一起;②整合后的实验应易于操作,仪器装置应简明;③要有新的实验效果。
(三)反向思维法。对于某一化学实验,其仪器装置都有特定的要求和用途,但并非绝对不可改变。同样,完成某一实验也绝非只能用某一种仪器装置。进行化学实验设计,涉及仪器装置应遵循“一装(置)多用”或“一用多装(置)”的原则,做到“变式思考”,达到科学合理、简单易行、便于操作。反向思维法是沿着事物的相反方向,用反方向探求的思维方式对现有的实验设计进行思考,从而提出新的实验设计的一种实验创新方法。如从实验的相反功能或性质,去设想和寻求解决问题的新途径,从而获得新的实验设计。例如在演示完用碳棒(惰性电极)电解CuCl2溶液的实验后,引导学生弄清电解原理后,将原实验中阴阳两根电极(此时阴极碳棒上已附着红色的铜)调换再进行电解,可观察到一段时间后已改成阳极的碳棒上附着的铜消失了。显然,将阴阳两极调换后,可以为非惰性电极作阳极时的电解原理的学习打下基础。又如,课本中制备溴苯的实验中是将溴和苯先加入烧瓶,然后向烧瓶中再加入铁粉(即溴和苯静、铁粉动),由于反应物已全部加入烧瓶,加入催化剂后,反应剧烈无法控制,导制溴挥发并从导管溢出而达不到预期目的。基于这个考虑,可将实验操作改为:先将铁粉加入烧瓶,将溴和苯的混合液加入分液漏斗,通过分液漏斗的活塞来控制滴加液体的速度,从而克服原实验的不足。
化学实验设计的方法很多,在实际设计过程中,所使用的方法也并不是单一的,往往是多种方法的综合应用。化学实验设计的创新永无止境,各种现代化媒体与化学实验的结合也为实验创新提供了广阔的领域,只要勇于探索,一定会有更多更好的创新实验设计方案涌现出来。
化学实验的重要性,促使了教师在化学教学中对实验教学的不断探索。2010年,贵州开始实施新课程方案,在新课改下的化学实验教学应该怎样进行呢?笔者经过近两年的探索,对此有了一点看法。
新课改改变了老课程的教学模式,改变了以往以教师为中心的方式,更多地以学生为主,以学生的主动学习、探索为主,更大程度地调动学生学习的积极性。
(1)调动学生积极实验的主观能动性。新课程改革下不再严格区分演示实验和学生实验,在学校条件允许以及实验内容允许的客观条件下,尽量给学生动手实验的机会。学生自己动手实验,不仅可以培养学生动手能力、观察能力、分析问题的能力,而且可以激起学生学习的兴趣,有效地调动学生积极实验的主观能动性。美国华盛顿大学校园里有这样的一副条幅:“我听说了,就忘记了;我看见了,就领会了;我做了,就理解了。”这副条幅清晰可见地指出了学生自己动手实验的重要性。
(2)重视教师在实验教学中的作用。让学生自己动手实验,不是说教师就完全放手了,而是给教师增加了更多的工作。在实验教学中,我认为教师可以这样做:
①熟练掌握实验目的、实验要求、实验步骤、实验风险。化学实验体系有三要素:选择作为实验对象的物质体系;适当的仪器装置和必要的安全措施;合理的实验步骤和规范的操作技术。教师只有自己对实验了如指掌,才能对学生的实验以及实验过程中千变万化的情况进行指导和处理。
②实验教学中教师要注重“5R”原则。“5R"原则就是通过减少非再生和减少非环保产品的使用,从而减少资源的损耗和污染的排放,最终实现降低生产成本和保护环境资源的多重目的。从环保的角度而言,教师在实验教学中可以渗透“5R”原则,将理论学习与社会建设紧密的联系起来,增强学生的社会责任感。例如“5R”原则中的“再生原则”,教师就可以引导学生合理使用化学实验用品,激发学生动手、动脑的改进实验,注重资源的再生,让实验更加环保。