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关键词:喷泉实验拓展;二氧化碳与氢氧化钠;趣味性实验
中图分类号:G632 文献标识码:B 文章编号:1002-7661(2014)10-243-01
喷泉实验是高一化学中的一个趣味性实验,也是一个重要的实验,在实验教学中的地位举足轻重,富有探究意义。对喷泉实验进行深入的研究不仅有助于学生掌握多种气体的性质和反应,其原理的拓展和迁移还可以应用于有关装置的气密性检查、装置中液体的倒吸、排水集气和排水量气等实验操作和实验现象。设计喷泉实验之前必须了解喷泉实验的原理:通过物理学中的压强改变(主要是减少)使液体通过大气压强进入容器中形成的现象。
喷泉实验是课本叙述和演示的一个重要实验,也是高考常考内容,并且题型的设计屡有创新,难度也在变化中递增。我们通过实验操作、讨论、计算,不仅要了解溶于水的气体,由压强变化形成美丽的喷泉的定性认识,更要掌握气体和溶液、或气体和气体只要压强变化都能形成这一实验现象的本质。
深层思索:瓶内外压强的显著差异导致了喷泉现象。也就是说,喷泉是一种外在表现形式,显示的是瓶内外气体压强的差异。那么,是否可以通过其他外在形式来显示压强的变化呢?
一般要求气体溶解度较大(理论上1:1溶解即可,但实际要求较大)。可以通过增压使气体与水(或其它液体)接触后,也可通过减压直接将水(或其它液体)吸入。若是滴管引发的,则滴管中所能挤出的水的多少、气体溶解度大小、烧瓶体积大小、导管粗细、导管高度都可能成为喷泉实验成功与失败的关键。即挤入液体溶解完气体后形成相对压强减小程度、能使液柱上升的高度等都是实验成功的关键。一般来讲,烧瓶小些为好,导管细些、短些实验更容易成功。
这里列举一些能做喷泉实验的组合:
1、NH3、HCl、HBr、HI等这些在水中溶解度大的气体、NO2或V(NO2):V(O2)为4:1的混合气体或V(NO):V(O2)为4:3的混合气体,都可与水配组做喷泉实验;
2、CO2、SO2、H2S、H2 NO2、Cl2溶解度不大的等酸性气体不能与水配组形成喷泉,但可以与NaOH溶液配组形成喷泉,且NaOH溶液浓度越大,效果就越好;
3、有机气体与有机溶剂配组形成喷泉;
4、O2、N2、H2等不溶于水的气体,设计一定实验条件将其反应掉,也能形成喷泉。
5、液体是盐酸或硫酸时,NH3等碱性气体。
所以能做喷泉实验的组合有很多,总之能使气体大量溶解于水(溶液)中或能与溶液反应即可形成。由喷泉实验的启示,我们设计氢氧化钠跟二氧化碳反应的喷泉实验。
【反应原理】
CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O
【实验用品】
仪器:微型气体发生器、塑料多用滴管、微型集气瓶、带导管的单孔橡皮塞、T形管、100mL、烧杯胶皮管、橡皮塞、火柴、酒精灯
药品:稀盐酸(1:2)、石灰石(或大理石)、1mol/LNaOH溶液蓝色石蕊试纸
【实验装置】
【实验过程】
1、仪器组装
装置主要有发生装置和收集装置两部分组成:
从中间剪开一只塑料多用滴管,将一只玻璃导管塞进带有细径的一半,制成套有去底塑料多用滴管的玻璃管,将细径部分插入T形管内并用胶皮管连接密封好。按上图所示连接组装仪器。
2、检查装置的气密性
在微型集气瓶的瓶口塞紧一只橡皮塞,将套有去底塑料多用滴管的玻璃管的下端插入盛有少量水的小烧杯中。用手挤压胶头,导管口有气泡产生,松开手,导管内上升一小段水柱,过一会儿,液面不下降,说明装置不漏气,气密性良好。
3、制取并收集、检验二氧化碳
在微型气体发生器底部的凹坑内加入适量细小的石灰石,在塑料多用滴管内吸入稀盐酸,插入微型气体发生器的支管内,塑料多用滴管和支管之间用胶皮管密封连接。在微型集气瓶的瓶口塞一团棉花,挤压胶头,使稀盐酸进入微型气体发生器,开始反应并制取二氧化碳,用向上排气法在微型集气瓶内收集二氧化碳。过一会儿用燃着的木条检验二氧化碳。然后用湿润的蓝色石蕊试纸置于微型集气瓶口,半分钟后可以看到蓝色石蕊试纸变红。
4、二氧化碳溶与氢氧化钠溶液反应的喷泉实验
用橡皮塞塞紧微型集气瓶的瓶口,再制取少量二氧化碳,排除细径内的空气。然后再反复挤压几次胶头(滴管内少量的稀盐酸已经消耗完),促使二氧化碳被氢氧化钠吸收。一会儿,可以看到氢氧化钠溶液通过细径被吸进微型集气瓶中,形成喷泉。最后整个实验装置内都有大量液体。
【实验优点】:
1、装置简单,便于组装和操作。
2、可以自由的控制反应物的用量。
3、实验现象明显,趣味性十足。
本实验是在氨的喷泉实验的基础上进行的改进和和扩展,使学生知道喷泉实验不只是局限于用易溶的气体与液体来做。同时通过本实验的探究可以激发学生的学习兴趣,并且有助于培养学生的发散思维.让学生从实验中理解原理,并培养了自己的实验操作能力和科学研究的方法,懂得了实践出真知的辩证科学原理。
通过该实验的探究使学生知道了喷泉实验不只是局限于类似氨的溶于水的设计方案,比如本实验中互相反应的气体和溶液也可以完成喷泉实验的设计。类似的组合还有很多,学生可以根据喷泉实验的原理自主设计一些其他的喷泉组合。在完成实验探究的同时,能体验到实践活动中的乐趣,并能够提升自己的动手能力和丰富自己的科学视野,在科学探究的学习路上渐行渐远。
参考文献:
[1] 周之云.二氧化碳的制取及喷泉实验.教学仪器与实验,1993,(04)
关键词:氨气;教学实录
文章编号:1008-0546(2012)12-0064-04 中图分类号:G633.8 文献标识码:B
doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2012.12.030
一、设计思想
“氨气”是必修一第四章第四节的教学内容,教学时从合成氨工业与人类生产与生活密切相关出发,结合氨气中氮元素的化合价(-3价——最低价),通过观察实验、分析实验现象展开对氨气性质的讨论。
本节课以实验为主线来构建学生学习的知识主线,同时穿插氨气在生产、生活中的应用去丰富教学内容,“应用”是本节课的又一主线。
二、教学实录及评析
1.引入新课
师:氮是自然界植物生长所必须的元素,虽然空气中有大量的N2,但是我们必须将大气中游离态的氮转化为化合态的氮才能被植物吸收,这个过程就是氮的固定。人工固氮的方法是将N2与H2反应生成氨气,一个看似非常简单的反应,人类历经百年还在一直研究着,历史上至少有两次诺贝尔化学奖与合成氨的反应有关。
1918年的诺贝尔化学奖得主哈伯发明了工业化合成氨气的方法。在资源匮乏的当时人们是这样评价这项发明的:这项发明“使人类从此摆脱了依靠天然氮肥的被动局面”,人类可以用“利用空气制造面包”“解决世界粮食危机”。
在短短的13年后,1931年诺贝尔化学奖再次与合成氨有关。德国科学家卡尔·博施改进了哈伯首创的高压合成氨法,找到了合适的氧化铁型催化剂,使合成氨生产工业化规模扩大,这种方法叫“哈伯——博施法”。
人类为什么对氨气如此感兴趣,它具有怎样的性质和用途呢?让我们一起来认识它!
评析:新课引入从氨气在人类生产、生活的应用出发,联系到和氨气合成有关的诺贝尔化学奖,让学生知道NH3与我们密切相关,从而激发学生学习的兴趣。
2.氨气的物理性质
师:展示一盛满氨气的圆底烧瓶,请同学观察其颜色,并提出是否有同学愿意闻一下氨气的味道。
生:(面带难色)不愿意去闻氨气的味道。根据自己的生活经验可知:氨气是一种无色、有刺激性气味的气体,密度比空气小。
师:(展示图片)阿拉斯加输油管道是世界上第一条伸入北极圈的原油管道,所经地区的冬季温度一般在-48℃至-51℃之间,为了保持原油在管道中一定的流速,需要维持沿线的油品温度在60℃左右。这样的温度会使管道周围的冻土融化,而使管线塌陷。
大家在图片上看到在输油管道的两侧有成千上万根支架,这些支架中充有液氨(液氨在标准状况下的沸点:-34℃),在支架的顶部是很多散热片,这些液氨有什么作用呢? 你能分析一下在这些支架中液氨的状态变化吗?
生:输油管中原油的热量使液氨气化,液氨气化时吸收大量的热,使环境温度急剧降低,从而防止冻土融化。同时氨气在支架的顶部的散热片中与环境进行热交换,在-48℃至-51℃气温下又转化成了液氨,如此反复。
师:这体现了氨气什么样的性质呢?
生:氨气很容易液化,液氨气化时吸收大量的热,使环境温度降低,因此氨常用作制冷剂。
评析:关于氨气可以做制冷剂,在以往的教学中只是一句话的介绍,学生很难留下深刻的影响,通过介绍阿拉斯加的输油管道,分析输油管道两侧支架中液氨的状态变化及作用,让学生在生动的实际应用中掌握知识。
师:除了以上一些物理性质,氨气在水中的溶解度大小如何呢?我们来看一个有趣的实验。倒置的圆底烧瓶中充满了干燥的氨气,用带有玻璃管和滴管的塞子塞紧瓶口。滴管中事先盛满了水,玻璃管的一端升入到滴有酚酞的烧杯中。挤压滴管,使少量的水进入烧瓶。
师:为什么能看到红色的喷泉?
生:氨气是一种极易溶于水的气体。
师:(追问)为什么描述时加了“极易”二字,哪些现象可以证明你的结论?
生:将滴管中的水挤入烧瓶后,滴管的胶头变扁。打开止气夹后水被迅速的压入到烧瓶中,并伴有“嘶嘶”的声音。可以预测这一滴管的水几乎溶解了烧瓶中所有的氨气,从而造成烧瓶内外产生了很大的压强差。因此氨气是一种极易溶于水的气体。
评析:在演示氨气的喷泉实验时,引导学生体会氨气极易溶于水中“极易”这两个字在实验现象中的体现。
师:(总结)
一、氨的物理性质
氨是一种无色、有刺激性气味的气体
标准状况下,氨的密度为0.771g·L-1
氨易液化,可作制冷剂
氨极易溶于水 在标准状况下的溶解性约为1∶700
3.氨气的化学性质
(1)氨的碱性
师:喷泉实验中喷出的溶液为什么显红色呢?
生:氨气溶于水后,溶液呈碱性,使酚酞试液变红。
师:氨气溶于水后,大部分与水结合生成一水合氨。一水合氨中有一小部分(约1%)电离呈NH4+和OH-,因此氨水显碱性,而且是弱碱。
NH3+H2O■NH3·H2O■NH4++OH-
师:大家能否比较一下氨水和之前提到的液氨中存在微粒的区别?
生:填表比较。
评析:在介绍完阿拉斯加输油管道的两侧支架中液氨的作用后,结合氨气的喷泉实验比较氨水和液氨中存在的微粒,从微观层面对认识氨水和液氨联系与区别,这样的课堂教学设计很自然,学生对于知识的掌握也变成了一件水到渠成的事。
师:一水合氨不稳定,很容易分解生成氨气和水。(演示)用两根玻棒分别蘸取浓HCl和浓氨水,将两根玻棒靠近但不接触。
生:(观察现象)有白烟生成。
生:(解释现象)浓氨水分解产生的氨气挥发出来与浓盐酸挥发出的HCl气体结合生成了NH4Cl固体。(书写方程式)NH3+HCl=NH4Cl。
生:(惊喜地发现)盛有浓氨水和浓盐酸的试剂瓶打开瓶盖后,在两试剂瓶瓶口上方中间靠近浓HCl的一侧产生了大量的白烟。为什么烟是出现在靠浓盐酸这一侧呢?
生:(讨论)从分子量可知NH3分子比HCl分子小,因此NH3分子迁移的速度比HCl快,白烟生成在靠近浓盐酸这一侧,
师:其他强酸的浓溶液和浓氨水反应时会有类似的现象吗?
生:浓硝酸也是挥发性酸,推测现象应该和浓HCl类似。而浓硫酸不具挥发性,只有将它与氨水混合接触后才能发生反应。
生:(设计实验)提议将浓硝酸和浓氨水的试剂瓶靠近摆放,并分别打开试剂瓶,即可观察到与浓盐酸相似的现象:在靠近浓硝酸的一侧有白烟生成。
师:(总结)
二、氨气的化学性质
1、与酸反应
■ 和易挥发性酸反应 有白烟生成
NH3+HCl=NH4Cl
NH3+HNO3=NH4NO3
■ 和难挥发性酸反应
2NH3+H2SO4=(NH4)2SO4
NH3+H2SO4=NH4HSO4
评析:这段内容的教学将实验观察和知识内容有机地结合起来,在实施过程中并没有按照原先设计好的方式进行,而是由学生“惊喜的发现”而展开的一系列的讨论,这种“生成性”的教学方式使得课堂更加开放、丰富、多变,充分激发了学生的创造精神和智慧潜能。
(2)氨的还原性
①氨的催化氧化
师:右图为常见含氮的化合物中氮元素的化合价,NH3中N元素为-3价,是N的最低价态,化合价只能升高,因此NH3除了具有酸性外,NH3还可能具有什么性质?
生:还原性。
师:上课一开始大家就知道:合成氨是人类科技发展史上的一项重大突破,它被大量用于制尿素,铵态氮肥以及硝酸。工业上制备尿素,铵态氮肥以及硝酸的过程中都利用了氨气的还原性,以Pt作催化剂,O2作为氧化剂,将氨氧化为NO(4NH3+5O2■4NO+6H2O),再进一步转化为其他产品。我们可以在课堂上演示这个反应的过程。
生:(推测)用Pt作催化剂,氨的催化氧化的反应中生成NO,它将迅速和氧气结合生成NO2气体,因此在实验中可能会观察到有红棕色气体生成。
师:(演示)在酒精灯上加热铂丝至红热,插入到盛有浓氨水的锥形瓶中。
生:(观察现象,惊讶)铂丝保持红热,并没有看到红棕色的气体,而是在浓氨水的液面上缓缓的生成了很多白烟。
师:铂丝为什么能持续红热呢?生成的白烟是什么呢?为什么没有看到红棕色气体呢?
生:铂丝持续红热说明反应放热;生成的白烟是NH4NO3;没有看到红棕色气体,是由于氨催化氧化生成的NO与O2结合生成NO2,NO2随即与空气中的水蒸气生成HNO3,HNO3再与浓氨水挥发出的氨气结合生成NH4NO3固体,这就是白烟。
师:NH3NONO2HNO3的转化过程就是工业上合成硝酸、铵态氮肥的主要原理。
师:氨的催化氧化中除了Pt可以作催化剂,Cu也可以作催化剂。同样我们也可以在课堂上演示Cu催化氧化的过程。
师:(演示)将铜丝绕成螺旋状,在酒精灯上加热至红热,再插入盛有氨水的锥形瓶中。
生:(观察现象)铜丝保持红热。锥形瓶内没有白烟生成。
生:(分析)根据现象结合N元素的价态变化,-3价的N元素的价态升高,结合反应现象,推测氧化产物应该是N2。
(书写化学方程式)4NH3+3O2■2N2+6H2O
师:催化剂不同,氨催化氧化的产物也不同。科学界中广被传说的“第三位小数的胜利”就和这个反应有关。英国物理学家雷利测定氮气的密度时,发现从空气里分离出来的氮气每升质量是1.2572克,而由NH3的催化氧化制得的N2每升质量是1.2505克。经多次测定,两者质量相差仍然是几毫克。可贵的是雷利没有忽视这种微小的差异,通过反复的实验,他从空气中分离出了很少量没被发现的、较重且极不活泼的稀有气体。
评析:Pt作催化剂的氨的催化氧化是工业生产中的一个非常重要的反应,在课堂上可以演示学生觉得特别兴奋,而且学生根据方程式推测的实验现象与实际观察到的现象不一致,进一步激发学生去思考问题,解决问题,通过讨论学生了解了化学反应的层次性。同时将Cu作催化剂的氨的催化氧化的产物和现象与Pt的做比较,让学生了解催化剂的选择性,同时一小段化学史的介绍会给课堂增添了一些色彩,让学生体会科学家认真细致的研究态度。
②氨气与氯气的反应
师:在学习非金属的时候我们会经常提起另一种具有氧化性的气体Cl2,它会和氨反应吗?(演示实验)两瓶体积相同的集气瓶中分别收集了氯气和氨气,将氨气的集气瓶倒置在氯气的集气瓶上,抽出玻片。
生:(观察现象)黄绿色的Cl2迅速扩散,集气瓶中有燃烧的现象,同时产生浓郁白烟,黄绿色渐渐褪去。
师:燃烧现象说明了什么?白烟是什么?氧化产物是什么?
生:燃烧现象说明Cl2具有很强的氧化NH3的能力,白烟是NH4Cl。在反应中Cl元素的价态降低,说明一定有其他元素的价态升高,而NH3分子中H 元素的价态为+1价,只有-3价的N 元素的价态可以升高,根据实验现象,推测氧化产物应该是N2。(书写方程式)8NH3+3Cl2=6NH4Cl+N2
师:(追问)这个反应中氨气与氯气的物质的量之比为8∶3,而我们实验时,氨气与氯气的体积是相同的,如果发生了上面的这个反应,氯气应该是过量的,那么为什么集气瓶中的氯气会褪成无色呢?
师:(提示)实验中氨气与氯气的体积相同,也就是说反应中3mol的氯气得到6mol电子转化为6mol的Cl(-1价),同时2mol的 NH3失去6mol的电子生成1mol N2,剩余1mol NH3与1mol Cl(-1价)结合成NH4Cl,那么还有5mol的Cl(-1价)转化成了什么?
生:HCl 。(书写方程式)2NH3+3Cl2=N2+6HCl
师:等物质的量的NH3和Cl2相混合,所得不同还原产物的物质的量之比是多少?
生:等物质的量的NH3和Cl2相混合,同时发生上述两平行反应时,得到的还原产物n(NH4CI)∶n(HCI)=1∶5
生:(提问)等物质的量的NH3和Cl2反应能否这样理解:NH3首先与Cl2发生氧化还原反应,生成N2和HCl,然后过量的NH3会和生成的HCl反应生成NH4Cl。
师:(肯定、总结)
师:工业上利用NH3与Cl2的反应产生白烟的现象检查氯气管道是否漏气。
评析:这部分的教学内容要求学生不仅是对宏观现象的细致观察,而且要借助反应的定量关系去解决“集气瓶中的黄绿色为什么能慢慢褪去”这个问题。在思考、讨论的同时学生也逐渐体会到了隐藏在显性现象后面的隐性反应(递进的反应过程)。根据实验现象“定量”的分析化学反应也是学生应有的一种的思维方法。
师:(总结)
2、氨气的还原性
4.氨气的用途
师:
评析:课堂结束和开始的新课引入遥相呼应,而且也对这节课的主要内容做了总结。
一、“氨铵盐”的核心内容及其教学价值
从物质分类的角度看,溶于水,溶液呈碱性,是学生在中学阶段接触到的唯一一种碱性气体,由此推测氨气可以与酸反应,转化为铵态氮;从价态的角度看,N处于最低价(-3价),具有还原性,可以被氧化,转化为硝态氮,而且氮元素是学生在中学阶段接触到的变价最为丰富、最为复杂的元素。通过氨气性质的探讨,有助于学生建立从物质的所属类别和核心元素化合价这两个角度学习某一具体物质性质的思路和方法。
氨是非金属氢化物的重要代表(新课程中唯一一种系统研究的氢化物)。通过本节学习,有助于学生初步形成氢化物—单质—氧化物—含氧酸—含氧酸盐的非金属的知识体系。同时,上一单元中学生对于钠、铝、铁的学习为本节课的学习奠定了知识和方法基础。特别是本单元对于硫的化合物的学习,学生进一步理解了元素观的一些基本观点。通过本节课的教学有助于学生深刻理解:无论金属元素还是非金属元素,都存在着自身的系列变化,即由同种元素组成的不同物质间可以相互转化。而变化系列中都有两条线:一条是氧化还原线;另一条是非氧化还原线,即常说的离子反应线。最终将学生的认识转化为氮元素的单质及其化合物转化的二维关系图。转化关系图,既可以预测其他含氮物质的性质,也能寻找相应的反应路径。比如,寻找实验室制备氨气的途径,在选修1第四章寻找含氮()废水的净化路径等等。
二、学生学习“氨铵盐”的基础与困难分析
关于“氨”,学生现有的知识水平是:在初中对于铵态氮肥已有初步的认识,前面又学习了氮和硫的氧化物的知识,知道了由的转化路线,初步形成了研究非金属及其化合物的一般步骤和方法。但是学生对于从物质类别和化合价变化两个角度认识物质的性质还有很大欠缺,而这既是元素观的基本内涵,也是学生应该掌握的重要方法。通过本节课的学习,学生应该在这方面得到长足的发展。
通过前三个单元的学习,学生有了一定的实验技能和分析、观察能力,但在对比学习和实验设计方面缺乏训练。而且对刚升入高中不久的学生来说,大部分学生的抽象思维比较弱,不太会灵活运用所学知识,学习方法上往往更多地习惯死记硬背,不习惯对知识的理解记忆和独立思考,在动手探究能力方面则更为欠缺。因此,教师应该让学生通过观察、讨论、实验探究等方式理解和掌握氨和铵盐的性质,通过建构和应用“含氮物质间转化的二维关系图”发展对物质间转化的认识。
三、基于实验支持的“氨 铵盐”教学活动设计
1.整体教学结构
氮及其化合物是高中化学教学的重要内容,是学生在中学阶段所学习的元素化合物知识的重要组成部分。为了整体把握氮元素家族不同物质间的转化,将必修模块和选修模块做了重新布局和组合,力求学生对元素观的理解呈现螺旋上升的趋势。简单分解如下。
必修1:将第四章3、4两节内容重组,把含硫元素的物质和含氮元素的物质分别集中,突出“元素中心”,通过物质间的转化研究物质的性质、制法等。即将硫、二氧化硫、三氧化硫、硫酸、硫酸盐作为一个整体,将氨(铵盐)、一氧化氮、二氧化氮、硝酸、硝酸盐作为一个整体。对于含氮化合物的学习,借鉴鲁科版教材思路,与人教版教材整合,分三课时完成教学内容。即将氮气、一氧化氮、二氧化氮作为第一课时,氨气和铵盐作为第二课时,硝酸和硝酸盐作为第三课时。第一课时熟悉几种常见的含氮物质,了解自然界中由氮气转变为硝酸盐的过程;第二课时构建含氮物质间转化的二维关系图;第三课时直接运用转化关系预测并验证硝酸的性质。
选修1:以含氮污水的处理为素材,进一步从离子反应和氧化还原角度,深入探究含氮物质间的转化,由必修阶段对含同种元素物质间转化的研究,过渡到按照预定的方向和目标改造物质。
高三总复习阶段:运用化学反应原理分析氮元素化合物间转化的条件,进一步体现化学的应用价值和社会价值。
通过本节内容的学习进一步巩固和深化了氧化还原反应、离子反应理论。更为重要的是,本节课通过从物质转化的角度,利用二维关系图预测性质,寻找反应路径,有助于学生从以物质为中心、记忆单个物质的性质转变为以元素为中心、从宏观上整体把握常见含氮物质间的转化,为学生学习元素化合物提供了工具和方法。本节课的整体教学结构如图1。
2.关键教学环节
观念和方法的形成不可能在一节课内完成,因此本教学设计将课前、课中、课后有机结合,使学生思维循序渐进,呈现螺旋上升的趋势。学生通过课前预习,将前一节课学习过的含氮物质初步画在二维关系图上(以物质类别为横坐标,以氮元素主要化合价为纵坐标)。课上通过实验完善二维关系图,并应用二维图寻找实验室制氨的途径。课后进一步应用二维关系图预测硝酸的性质。本教学设计中的主干知识采用实验建构,用图示加深理解,用化学方程式进行强化。以下三个关键教学环节的设计和实施体现了上述教学构想。
(1)预习交流,推测性质的教学活动设计
[活动2]组织小组讨论:请你依据二维关系图,预测氨的化学性质,并说明预测依据。从学生的讨论结果看,多数学生能从氨中氮元素的化合价预测出氨能被氧化,具有还原性。而对于氨与酸反应的预测更多的是借助于氨水显碱性的经验,而不是由氨的所属类别推测出的。通过活动发现,学生对于氢化物比较陌生,缺乏系统性认识。
(2)实验探究,建构转化关系的教学活动设计
[实验1]教师演示,氨气溶于水的喷泉实验(见图2)。
[问题]在喷泉实验中观察到什么现象?分析原因。实验中体现了氨的哪些性质?
[设计意图]氨的主干知识是水溶液呈碱性。此实验设计有两个功能:功能之一是丰富学生对于气体溶于水的实验方法设计。通过氯气、二氧化硫、二氧化氮的学习,学生已经知道了几种验证气体在水中溶解性的实验方法。本实验则更加直观,使学生印象深刻。功能之二是由喷泉的颜色引出氨水的碱性,自然过渡到氨的化学性质,建立起氨与氨水的联系。
[实验2]实验视频,“变色蝴蝶”实验(见图3)。
[问题]“变色蝴蝶”实验中观察到什么现象?如何解释这一现象?
[设计意图]通过纸蝴蝶由白变红,加热后又由红变白的现象分析,形成对可逆反应的深层认识。与实验1结合,突出了氨的水溶液呈碱性这一主干知识,形成对氨气与氨水之间实现相互转化的完整认识。
[实验3]学生分组实验,氨气与氯化氢的反应(见图4)。
在培养皿一侧滴入1滴浓盐酸,另一侧滴入1滴浓氨水(二者不要接触),立即盖上表面皿并不再打开,观察现象。再把整套装置颠倒过来,观察培养皿底部生成物的颜色和状态。
[问题]氨气以氮肥的身份进入人们的视野。通过学习你认为氨气和氨水适合做氮肥吗?为什么?有没有什么方法可以解决这个问题?
[设计意图]植物是通过根部吸收氮肥,而氨气难于作用于植物根部,氨气转变为氨水之后,虽然能够被植物吸收,但是由于氨水不稳定,会造成肥分损失,也不适合作氮肥。气态的(氨气)不行,液态的(氨水)不好,学生的思维自然想到要转变为固态的铵盐。但是由氨气直接转变为铵盐,还是先转变为氨水,再转变为铵盐,学生的想法是模糊的,更多的学生更倾向于后者。此实验设计正可以解决上述疑问,同时从另一角度补充了学生对于氢化物的认识。根据物质的所属类别和化合价,按照实际需要和预设方向改造物质,并通过实验探究提供实证,既是学习元素化合物的方法和思路,更是学习元素化合物的意义。
[实验4]学生分组实验,与浓NaOH溶液的反应(见图5)。
[问题1]参照的产品使用注意事项,推测铵盐可能具有哪些性质?
[问题2]观察两瓶不同存放方式的碳酸氢铵,找出不正确存放的那一瓶。你是依据什么找出来的?
[问题3]打开盛有碳酸氢铵的广口瓶,闻气味,试写反应方程式。
[问题4]依据二维关系图推测铵盐与碱反应可能的生成物是什么?
[设计意图]通过实验探究逐步建构含氮物质之间的可能转化关系,形成对氨、氨水、铵盐之间转化的完整认识。同时有助于学生从辩证的角度理解物质间的转化。从氨、氨水到铵盐的转化通过与酸反应实现,反过来由铵盐到氨或氨水的转化就要通过与碱反应实现。这样就为研究物质的性质和物质间的转化提供了工具和方法上的支持。
(3)总结应用教学活动设计
[问题2]如何认识和使用二维关系图?
[问题3]请你利用二维关系图寻找适合于实验室制的反应路线。
一、选择恰当的教学方法
化学课堂教学的掌控机制,在很大程度上就是刺激学生集中注意力,调动学生学习的积极性。从美学的角度讲,引起人们审美注意的一个重要因素,是客观对象的新异性和多样性。因而,课堂教学方法是否新颖、是否多样,也是取决能否有效的实施课堂教学掌控的重要因素。
首先,教师要克服教学方法模式化的倾向,追求教法的新颖性,以新颖的形式激发学生的求知欲,使之保持稳定的注意力。课堂教学必须改变教师讲、学生听的“注入式”陈旧模式,建立以学生主动参与活动为主的新模式,确实把学生置于教学的主置。教师不能越俎代庖地代替学生学习,而应重在诱导、引导、指导,让学生积极活动,主动参与,真正成为课堂的主人。教师引路,学生走路,使学生在教师的指导下,通过自学、思考、讨论、训练、实践等多种学习活动,独立的获得知识,培养能力。
其次,教师不能总是用某种单一的教学方法,堂堂用、年年用,而要追求教法的灵活性和多样性,要积极采用现代教育教学方法中的精华部分,以不断变化的信息去刺激学生的接受欲望,使之形成持久的注意力。陈旧的、呆板的教学方法,使学生感到索然无味,学习情绪低落。相反,选择和运用多种教学方法,使学生兴趣盎然。总之,教学方法只有符合学生的年龄特点、心理特征和认识规律,才能对课堂教学具有稳固的调控功能。
二、积极培养学生的学习兴趣
兴趣是人们力求认识某种事物或爱好某种活动的心理倾向,是推动学生学习活动的内在动力。如果教师能够激发起学生学习的浓厚兴趣,那么,课堂教学的主动权就牢牢的掌握在教师手里。
在化学教学中利用学生的求知欲和对化学的好奇心,将其转化为学生的求知欲望,进而转化为学习的兴趣,这样使学生的学习变被动为主动。在课堂教学中教师要善于运用多种手段,激发学生的学习兴趣。如:运用生动形象的语言、直观教具、演示实验、多媒体手段、联系生活生产实际、创设化学意境等。例如,学习“氨气的性质”时,先演示“喷泉”实验,活跃课堂气氛,学生抱着好奇心观察自己意想不到的现象,这种兴趣比较具体,但它的作用短暂且不稳定。然后我就提出问题:“喷泉形成的原因,它体现了氨的那些性质”?通过学生自己的思考和老师的启发,有学生指出喷泉产生的原因是由于瓶中气压小于外界大气压,而瓶中气压之所以减小是由于瓶中的氨气溶于水而造成的。这样的解释得到了所有同学的肯定,从而也总结出了氨的一个重要的性质-----氨极易溶于水。随后进一步启发引导,蒸馏水在实验前后颜色的变化,说明烧瓶中的溶液为碱性,总结其原因是由于氨溶于水后,与水反应生成了一水合氨,它是一种弱电解质,在水中发生部分电离产生了氢氧根离子。通过反应原理的介绍,进一步介绍反应过程和一水合氨的电离过程,加深了同学们的影响。这种过程的兴趣就转化为理解兴趣,具有较强的稳定性和持久性。然后顺藤摸瓜似的提出更深层次的问题:“常温下气体在某溶剂中的溶解度至少要达到多少才能用于喷泉实验?”“存放啤酒的仓库为什么要保持较低的温度?”“汽水瓶未打开而置于较高的温度会有什么后果?”“是不是只有气体与水才能形成喷泉实验?”等学生兴趣更浓,他们利用所学知识进行积极思考,解释上述问题,这种兴趣为创造性兴趣,它具有更强的稳定性和持久性的特点。
三、锤炼教学语言的表达能力
人类的语言是传递,表达情感以及学习和保存信息的重要手段。在化学教学中,知识的传递、思维的引导、认识的提高、能力的培养处处都需要语言这个载体来实施。化学教学无论采取什么样的形式和方法,都离不开教师的语言。因此,对化学课堂教学的有效调控,在一定程度上取决于教师的语言组织和表达能力。
首先,化学教学语言要有一定的科学性和准确性。具体的讲,在表达概念、原理、结论和规律时,语言表达要做到精练、准确,不说半截句,不含糊其辞,也不拖泥带水。不然,就会主次不分明,就会有点“荒草多了,苗就看不清”的味道。例如:加聚反应与缩聚反应,虽是合成高分子化合物的两大反应,两个概念只有一字之差,但区别很大。加聚反应是由不饱和的单体聚合成高分子的反应,其产物只有一种高分子化合物。缩聚反应的单体一般含有两种或两种以上能相互作用的官能团(两个或两个以上易断裂的共价键)的化合物,产物中除一种高分子化合物外,还生成有小分子。可见,两个概念的本质区别就在于有无小分子生成,教师必须表达的清楚、准确。
其次,化学课堂教学语言要讲究艺术性。如:注入一点幽默味,不但能活跃课堂气氛,吸引学生的注意力,而且还能增强教学的艺术性和欣赏性,更能培养学生的学习兴趣,启迪科学思维,给学生以愉悦的享受。例如,在介绍纳米时,温馨地提示学生:纳米是一个单位,它不是一种米,它可能没有泰国香米好吃哟!以前有个学生送我一个“纳米保温杯”,我打开一看就是一般的保温杯,我惊奇地发现在保温杯的夹层中容纳了几粒米,我终于明白了这就是他所谓的“纳米杯”。融入一点生活味,使他们感受到身边的化学物质和化学变化,增强学习的兴趣,加深学生对化学知识在生活实际中应用的认识。例如,在讲到焰色反应时,可给学生简要介绍产生焰色反应的实质,然后推广到节日里霓虹灯的发光原理,最后再联系到现在高级汽车上配置的氙气大前灯的工作原理,加深学生对焰色反应是物理变化的理解。又如当讲到相似相溶原理时,可引导学生思考:①家庭装修后,用常用的什么物质可有效吸收涂料中挥发的有害物苯、甲醛的污染?②洗衣服脱色时,可加点食盐防脱色,请解释原因。添加一点人文味,培养学生良好的人生观、价值观、道德观、审美观,塑造学生追求真善美的高尚人格。例如,在学习浓H2SO4性质时,我向全班学生回放清华大学学生刘海洋用浓H2SO4泼狗熊事件。
总之,化学课堂教学语言只有做到科学性和艺术性的统一,才能使课堂教学处于一种有张有弛、生动活泼、饶有趣味的良性运作状态。
四、控制好上课时的情绪
教师的情绪直接影响着学生的情绪,是影响学生注意力最敏感的因素之一。学生学习情绪的高低,课堂气氛活跃不活跃,很多时候是与教师的情绪同步的。因此,课堂教学氛围首先决定于教师的激情,若教师表情冷漠、呆板、情绪低落,学生的求知欲就会消炎云散,课堂如一潭死水,无声无息之后,一无所得,如何谈课堂效益。
首先,教师在课堂上始终都应该情绪饱满,精神抖擞,目光有神,满怀激情,对上好课充满信心。这样,学生势必就会潜移默化地受到教师这种激情的感染,精神振奋,情绪高涨。其次,教师在讲解不同的教材内容时,表现出不同的精神。用热情自豪的神情讲述我国化学家在科学上取得的成就,用严肃忧虑的神情讲述我国当前面临的环境污染问题、资源短缺等问题,用充满信心的神情讲述化学对我国今后发展的重大作用。这样,学生就会情不自禁地与教师的喜、怒、忧、乐产生共鸣,达到“未听曲调先有情”的境界。
关键词:伪探究;知识迁移;教学艺术原则;教学艺术形式
中图分类号:G642.3 文献标识码:B 文章编号:1002-7661(2014)03-005-02
化学喷泉实验的相关知识出现在人教版必修一第四章《非金属及其化合物》第四节《氨、硫酸、硝酸》第一课时,以氨气――水的喷泉实验作为载体,以探究氨气的理化性质为目的。通过喷泉实验的实验现象使学生了解氨的性质(水溶液呈碱性、极易溶于水、挥发性等)。整体实验设计思路与原理不仅具有代表性,而且难度适中,学生容易接受。但是本节内容中对于喷泉实验的介绍不够全面,问题探讨也不够深入,而本节内容又属于重要考点,因此,加以扩展极具必要性。针对此种情况,许多专家学者以及一线教师都加以论述,文章数量颇丰、种类繁多。但阅读了一些喷泉实验教学设计或改进的论文后,深觉上述问题并未得到从根本上的解决,经过总结以往文献存在以下问题。
1、多以喷泉实验装置的改进、优化、美化为主要内容,一味的求新求异,忽略了学生的理解与接受水平与实验本身的目的。造成课上效果好,课下学生复习困难,反馈效果差的效果。与化学教学艺术的基本原则相违背,后文将详细论述。
2、实验几乎全部为演示实验,缺乏与学生的互动性。笔者通过反复实验,氨气的喷泉实验从实验的准备到操作对于实验者要求并不高,而且实验本身危险性不大。在课堂上完全可以给学生分组实验操作的机会,而在实践中发现、分析、解决问题也符合化学作为一门实验学科的理念。
3、缺乏思维延伸与知识迁移。氨气喷泉实验演示结束后,由于教材未再涉及化学喷泉的相关内容,许多教师便不再提及,把关于化学喷泉实验的问题放到习题中解决,遇到一道讲解一道,但这种方法的弊端在于知识传输不系统、逻辑性差。学生很难通过几道习题就掌握关于化学喷泉实验的全部知识。关于解决此类问题的尝试方法详见后文关于多种教学思维共存的论述与附录教学设计。
4、伪探究思路明显,逃避验证性思维。氨气喷泉实验的目的在于探究氨气的相关性质,但在实际课堂讲授中学生往往只对实验现象感兴趣而对于探究目的不明确,许多教师为了响应新课标重视探究的理念依然把探究思维强加于学生,认为验证性思维是落后的,殊不知在科学探究的过程中实验本身的作用就是验证猜想的工具。一味的强调探究流程反而使课堂效率降低,学生对于实验本身关注度不够。
一、设计理念
1、在教学中体现化学教学艺术的基本特征
在授课过程中注意教学艺术的形象性,在演示实验的过程中教师应将实验装置、操作步骤及实验现象通过语言进行描述,方便学生分析实验,也能规范学生本身的化学语言。多使用现代教学媒体辅助教学,把不能再课堂上演示的实验放到屏幕上。比如对于药品与装置的知识迁移过程中教师引导学生改进后的装置或者药品组合不可能全部的通过现场实验来进行效果的检验,对此可以收集一些其他种类化学喷泉实验的视频供学生观看,更有效地激发学生兴趣,帮助学生理解与记忆。而利用多种手法来辅助教学也是化学教学艺术综合性的体现。在实验过程中创造性也十分重要,创造可以是教师的也可以是学生的。比如笔者在课堂演示实验中就将教材中的装置进行改装,用医用注射器代替了胶头滴管,注射器的刻度使得学生更直观的观察到教师向烧瓶中注入水的体积,使得实验从定性向定量的方向进步,另一方面也增加了注入烧瓶中水的量使得更多的气体溶解到水中,提高了实验的成功率。而对于教师而言由创造性派生出的即兴性也适用于该实验的演示,比如如果在准备过程中氨气不纯,可能导致喷泉无法正常引发,那么利用注射器可以直接抽出一些气体,人为的制造压强差,使烧杯中的水进入烧瓶开始大量溶解进而引发喷泉,或者利用失败的演示实验直接引导学生分析失败原因等即兴应变能力是教师应该具备的。
2、在教学中遵循化学教学艺术的基本原则
化学教学艺术的创造活动不是随心所欲,异想天开的。化学教学艺术以审美创造为核心,要求教师必须按照美的规律,遵循美的法则进行化学教学艺术的创造。在这里以形势与内容相统一的原则为例,在问题一中提到现行文献多以喷泉实验装置的改进、优化、美化为主要内容,一味的求新求异,忽略了学生的理解与接受水平与实验本身的目的。这就使形势内容的不够统一,例如一些教师为了追求课堂演示效果一开始就搭建了一套复杂的实验装置,尽管可能成功率更高且实验效果更好,但对于刚刚接触喷泉实验的学生群体来说接受起来十分困难,更谈不上分析实验装置与现象进而得出结论了。对于喷泉实验,多样的演示形式可以帮助学生理解设计思路与原理,但应明确表现形式必须与教学内容相统一,达到高度和谐,使教学内容通过教学艺术形式得以充分的表达,而教学内容又是为教学目的服务的,所以在创新形式的过程中要明确教学目标,知识拓展、思维迁移要适度,由浅到深,针对学生的课堂反馈情况及时调整教学形式与难度,最大程度的提高知识传递效率,使得教学设计本身更具实用性。
教师在进行化学实验课时,为了使学生有一个更为直观的体验,经常会使一些有害气体暴露在空气中,这些气体会对大气环境和实验操作者们产生困扰。利用气球来收集这些有害气体,不仅能够保护环境,实现可持续发展,而且能够废物利用,变废为宝。
在一氧化碳还原氧化铜的实验中,首先通入一氧化碳,在导管后面系上一个气球,但在加热前必须先检查一下一氧化碳的纯度,然后点燃酒精灯将玻璃管内的物质加热,实验完成后先熄灭酒精灯,最后再通入一会儿一氧化碳直到试管冷却。在试验中,由于一氧化碳是有害气体,容易造成空气污染,所以加入气球让其能够对没有参加反应的一氧化碳进行收集,在一定程度上能够减轻一氧化碳的流失对环境造成的破坏,同时,还能将收集起来的气体重新应用于实验当中,实现资源的重复利用。
2.验证气体的溶解性
如果一些气体的溶解性较大,那么就可以利用喷泉实验来验证。在证明氯化氢以及氨等气体的溶解性时就是采用的该种方式。将气球应用在实验中来证明气体的溶解性相较于采用其他装置来说具有装置简单、操作方便等优点。具体操作方式如下:
提前准备一只干燥的气球,并在其出口处插入一个双孔橡皮塞,其中一个孔和有水的胶头滴管相连接,而另一个孔则主要是通人氯化氢或者是氨等气体,然后利用胶头滴管向气球内持续滴入水,直至气球膨胀到一定程度时,停止滴水,并用止水夹将进气管夹住,在捏胶头滴管时会发现气球的膨胀程度开始减小,出现收缩的现象,主要是因为气球内的气体溶于水后使内外出现了气压差。由此可见,利用气球这一实验便可验证气体的溶解性。
3.探究二氧化碳的密度
在初中化学实验课中,为了使学生了解二氧化碳的密度,教师可以将二氧化碳的密度与空气的密度进行比较。首先准备红色气球以及绿色气球和一个大烧杯,然后将两个气球放人大烧杯中,并在红色和绿色气球内分别灌入空气和二氧化碳气体,再将一集气瓶中的二氧化碳倾倒入大烧杯中,会发现其中一只气球会浮上来,用手轻轻按压该气球,气球就又会浮上来,而浮上来的气球则是灌入空气的气球,由此可见,二氧化碳的密度比空气的密度大。或者在红、绿色气球内分别装入等质量的空气和二氧化碳,然后比较两个气球的体积大小,红色气球的体积要比绿色气球的体积大,说明绿色气球的密度较大。由此可见,根据气球的大小来判断两种气体的密度也是非常容易的。同时,教师可以根据这一点引导学生思考二氧化碳密度低于空气有哪些作用,例如灭火、促进植物特别是低矮农作物的光合作用等都是学生可以思考的方向。
“兴趣是最好的老师”,这是大家耳熟能详的一句名言。从学生兴趣入手,通过实验创设问题情境,激发学生的探究欲望,不仅可以提高学生主动参与的积极性,还能把课堂上学习的自“还”给学生。如果学生不能积极主动的参与,就不可能有发现问题、发展能力的机会,更谈不上创新精神和创新能力的培养。课堂实验教学是培养学生科学探究能力的主阵地,在教学中,教师要想尽一切办法,设置和创设丰富的问题情境,让学生能自主体验实验的过程和获得实验成功的喜悦,使他们学习化学的兴趣更浓,探索、创新的动机更强烈。
例如,在讲氨的结构和性质时(苏教版《必修1》专题四),首先创设喷泉实验的问题情境,然后教师讲解氨跟水发生了化学反应,并在氨水中存在以下动态平衡:
NH3+H2ONH3?H2ONH4++OH-,运用动态平衡的规律,组织讨论下列问题:
①氨水中可能存在那些微粒?氨水跟液氨有区别吗?②氨水应该如何保存?理由是什么③为什么在氨水中加固体生石灰可以制备氨气?④夏天打开浓氨水瓶子应注意什么?⑤怎样鉴别某气体是氨气?
通过放手让学生去做、去想、去讨论,培养了他们的科学态度,同时根据实验归纳总结出氨的性质、组成、制备、储存、检验等,既活跃了思维,变静态为动态,同时也将知识系统化,网络化,提高学生分析问题和解决问题的能力。这种以“趣”引路,以“情”导航,把僵化呆板的课堂教学变成了充满活力的学习乐园。学生实验成功后,就会领略到成功的喜悦,使学习的兴趣和创新的动机得到了充分的培养。
二、创设实验“异常”, 激发探究欲望。
质疑和想象,是探求知识,发现问题、解决问题的开始,是一种敢于创新的精神。针对中学生对化学实验的好奇、好问,探索欲望强的特点,教师要大胆对实验进行改进,才能培养学生的创新思维能力。多数学生读书期间迷信课本、相信老师,由来以久,这显然与现代教育观念相背离。所以在实验教学中,适当创设“异常”,可以激发学生探究的欲望,培养学生善于动脑,分析问题、解决问题的能力,而不是对知识被动的接受。
例如,蔗糖水解的实验:蔗糖溶液中加入少量稀硫酸,水浴加热一段时间,冷却后加入银氨溶液微热。
异常现象:试管内壁未出现银镜。
原因分析:蔗糖、淀粉等糖类水解产物中虽有葡萄糖,但由于水解液中含有催化作用的硫酸,它能与碱性的银氨溶液反应。
处理方法:在加银氨溶液之前,先加氢氧化钠中和至碱性。
通过学生讨论、多层次的分析和揭示,不仅使学生较好地巩固了教学内容,而且也激发了学生的科学思维,充分体现了创设“异常”的重要性。正是这些过程,同学们既要动脑,又要动手,开阔了学生的视野,激发了学生的创新意识,锻炼了学生的动手能力,培养了学生的创新能力。
三、改进化学实验,提高实验能力。
实验能力是学生在化学方面可持续发展的必要条件,实验也是创新精神培养的重要途径。>文秘站:设计为探究性实验,可以极大的激发和满足不同层次学生的探究与创新欲望,学生通过探究过程中的动手和动脑,锻炼和培养了自己的创新能力。
例如:在学习氯气溶于水,与水反应的性质,可以先完成课本上的演示实验,然后引导学生观察,分析现象,得出氯水的性质。接下来可以设计,若将氯水加到盛有酚酞的氢氧化钠溶液中,会有什么现象?让学生去做该实验。实验现象:红色褪去。让学生分析其原因。经过讨论,得到了两个结论:一是氯水显酸性,中和了碱。二是氯水中的次氯酸有漂白性。到底是什么原因呢?引导学生思考,用什么方法可以验证。经过讨论,终于得到结论:继续加氢氧化钠,看现象,若变红,则结论一正确,若不变红,则结论二正确。如此设计实验,不仅激发了学生的学习兴趣和思维激情,使学生投入到探究活动中,学生的学习积极性得到充分发挥,也提高了学生的创新能力。
四、实验生活化,促进智能发展
化学贴近生活、贴近社会,探究生活、社会中的化学问题,解决生活中的实际问题,体现了“从生活走向社会,从化学走向社会”的特征,使学生体验生活离不开化学,化学就在身边。 教师选择适当的生活素材,让生活走进课堂,既培养了学生的学习兴趣,又拓展了实验的功能,培养了学生的探究能力。
例如,在学习生活中常见的金属铁的锈蚀及防护时,知道钢铁在大气里的锈蚀主要是电化学锈蚀。铁的电化学锈蚀分为吸氧腐蚀和析氢腐蚀两种。当处于酸性介质环境中,在表面吸收了二氧化碳、二氧化硫等气体,而发生析氢腐蚀。电极反应是:
负极(铁)Fe–2e=Fe2+
正极(杂质)2H++2e=H2
如果钢铁表面的水膜是很弱的酸性或是中性溶液,发生吸氧腐蚀,电极反应是:
负极(铁)Fe-2e=Fe2+
正极(杂质)O2+2H2O+4e=4OH-
钢锈蚀主要是吸氧腐蚀造成的。负极和正极生成的Fe2+和OH-结合生成Fe(OH)2,再被氧化生成Fe(OH)3和它脱水产物Fe2O3·xH2O是红褐色铁锈的主要成分。
为了研究铁生锈的条件,指导学生突出“水分”和“空气”两个因素,设计几个对比实验。取几个新制铁钉(表面都有一层镀锌层),留下一个有镀锌层新铁钉,其余均用盐酸或砂纸摩擦去掉表面的镀锌层,分别进行下列实验。
1.将去掉镀锌层的铁钉放入(1)号敞口的空试管中。
2.将去掉镀锌层的铁钉放入(2)号敞口的空试管中。
3.将去掉镀锌层的铁钉
放入盛有少量自来水的(3)号试管中。 4.将去掉镀锌层的铁钉放入盛有少量生石灰的(4)号试管中,管口用胶塞堵严。
5.将去掉镀锌层的铁钉放入盛有饱和了二氧化碳的水的(5)号试管中(铁钉全部浸入水中)。
6.将去掉镀锌层的铁钉放入盛有新鲜冷开水的(6)号试管中,铁钉全部浸入水中,表面用少量植物油液封。
论文摘要:化学实验是培养创新型人才的重要方式。以人为本,营造创新氛围;设计实验,引导发散思维;探索性实验,培养创新意识和实验设疑,构建创新情境是基于化学实验环境中创新能力的培养的四大具体做法。
化学是一门以实验为基础的自然科学,化学实验是培养创新型人才的重要方式。作为一名化学教育工作者,我们应该把培养学生创造性思维方法渗透到化学教学中。让化学教学过程成为再现式思维和创造性思维有机结合的典范,教师要尽可能把教学过程设计成发现问题——分析问题——解决问题的创造型模式,着力营造“情感共呜沟通,信息反馈畅通,思维活泼流畅,创造精神涌动”的最佳意境。充分利用化学的“先天资源”——实验可以将培养创新能力的目标展示在颜色、状态、气味、色彩等可视、可闻、可嗅的感性知识中,必要时,还可以通过分析推理上升到理性知识。
1以人为本,营造创新氛围
“兴趣是最好的老师”,只有学生对化学知识及规律产生拥有欲,对化学科学有着强烈的探索欲望,并抱有将所知化学知识应用于日常生活造福人类的动机,才可能激发创新潜能,才可能产生创新欲望。集色、态、味、光、声于一体的化学实验会给学生强烈的感觉刺激,从而引起学生的兴趣,激发学生的求知欲,如钠与水反应、镁条燃烧、喷泉实验、爆炸实验、铝热反应、银镜实验等。但这种好奇与兴趣是本能的、不稳定的认识倾向,还应激发社会性动机使之成为主导动机,方才起着持久、稳定、强有力的动力和维持、调控作用。如善于创设问题情境激思激趣;理论联系实际,讲解化学在尖端科技工农业生产、环境保护、日常生活中的巨大作用,讲述结晶牛胰岛素的合成,侯德榜制碱法等化学史激发学生为祖国富强而发奋学习的社会性动机等。另外,化学教师良好的教师形象——生动、准确的讲授,准确熟练的操作,热情真诚的关心鼓励,幽默大方的举止等因素在培养和强化学生学习化学的兴趣和动机中也起着不可忽视的情感作用。
2设计实验,引导发散思维
实践是创新的摇篮,实验设计是一个动手动脑并可培养学生各方面能力的过程。通过学生自己思考设计实验,既可以培养学生动手动脑解决问题的能力,又可以培养学生的发散思维能力和创新设计的能力,如:在学习氨的物理性质时,教师要求学生设计一套能够形成喷泉的装置。教师在组织学生开展实验设计时,可以和学生一起讨论、指导。氨气易溶于水能形成喷泉,氯化氢气体行不行?形成喷泉的原因是什么?实验装置可以做那些改进?此时学生思维活跃,大胆联想,认真设计,努力创新,设计出了很多方案。不少学生的设计图原理正确,设计新颖,并把化学与物理知识进行了充分的综合。让同学们互相介绍自己的设计思路和实验方法,共同进行可行性讨论,大家在手脑并用的活动中迸发出了创造的火花。此设计过程既激发了学生的创新意识,调动了学生的学习积极性,又培养和锻炼了学生的创新思维能力,收到事半功倍的教学效果。
3探索性实验,培养创新意识
探索性实验是指在化学实验的基础上,通过科学的分析综合等思维过程来获取知识,这一过程要求学生有较多的思考和讨论,学生处于一种主动探索知识的状态,对培养学生的创新能力非常有利。比如,学习具体元素及其化合物时,可以把自己假设成正在研究这部分知识的科学家,在巳知的理论与知识的指导下进行实验探究发现。在学习一些理论知识时也可以采用探索法。例如在学习原电池的原理时,首先演示“番茄原电池”(用铜片、锌片、导线、音乐卡和西红柿组成)趣味实验,设问:这个简单构造为什么能使音乐卡发出声音?在激起学生探究欲望的同时,鼓励学生讨论质疑:音乐卡发声肯定有电流通过,电流从何而来?若用茄子或黄瓜代替番茄行不行?直接用稀酸代替番茄效果是不是更好?是什么原理?
指导学生带着疑问自己动手设计实验探究:铜片、锌片分别插入稀硫酸各有何现象?H+在铜片上得到的电子从何而来?如何证明导线上有电流通过?
在学生实验的基础上,教师再利用多媒体课件形象直观地模拟微观离子运动和电子转移,进行精讲讨论,总结归纳原电池的原理、构成条件、两极反应和能量转化等。最后进行知识的迁移扩展:让学生讨论铜-锌原电池的缺点,根据原电池的原理设计一个实用电池,探究干电池的结构和电极反应,研究原电池反应与金属腐蚀和环境污染。通过这此途径,可以激励学生在延续探究中创新。
4实验设疑,构建创新情境
古人十分重视“疑”对于“进学”的作用,所谓“小疑则小进,大疑则大进”,此处的“进”肯定包括了思维的创新。孔子的教学方法中有“不愤不启,不悱不发”之说,即主张趁着学生心中有疑,苦苦思索而想不通时,才去启发他,想讲而讲不明白时,才去开导他。借助实验,创设“愤悱”情境,正是创新教学之佳途。
在讲铝这一章Al(OH)3一节时,课本强调Al(OH)3具有两性,在制备Al(OH)3时加入适量NaOH,若过量则得不到Al(OH)3,如何体会好适量的含义,及在什么环境下Al(OH)3能稳定存在呢?对此疑点可用实验来解决。甲、乙两生分别制取Al(OH)3,所用的试剂相同,即用同一瓶的NaOH溶液和同一瓶的Al2(SO4)3溶液,不同的是甲往盛有NaOH溶液的试管中加入Al2(SOn)3,乙往盛有Al2(SO4)3溶液的试管中加NaOH溶液。甲的实验现象是:先出现白色沉淀,振荡试管沉淀消失,当这种现象重复数次后,再加入Al2(SO4)3溶液后,无论怎样振荡试管沉淀都不消失了,而且随着Al2(SOn)3溶液的继续加入,出现的沉淀越来越多。乙的实验现象是:随着NaOH溶液的加入出现沉淀且振荡试管不消失,但随着NaOH的增加,沉淀逐渐溶解,且NaOH越多,沉淀溶解的就多,最后沉淀全部溶解,再也无白色沉淀。同样的试剂,同样的实验,只是取溶液的先后不同,为什么实验现象不同呢?带着这样的问号,师生一起分析实验现象并作出解释,不仅有利于学生掌握知识,而且使学生体会到突破常规思考方式、进行创造性思考的乐趣,可以激发学生培养创造性思维的自觉性。
5科技活动,展现创新能力
创新活动的基础是科技活动,科技活动的开展状况深刻地左右着创新活动。为此在工作中必须想方设法开展科技活动。从课外兴趣小组开始,建立初步的创新活动的基础。通过教师的指导,充分发挥学生的创新能力,利用现有条件,想方设法开展课外科技活动。比如:可以先让学生完成课本上的家庭小实验;再结合课本,适当补充学习一些课外知识,拓宽知识面,进行一些趣味性而有意义的实验;引导学生撰写科技小论文,充分展示学生的创新才华等。
下面,仅就以实验教学为主要途径,培养学生形成物质特性、化学变化规律、基本理论三类概念,谈谈个人浅见,请先哲和同行们指教。
一、提供真实、鲜明、主动的化学实验,培养学生形成物质特性概念
反映物质本质特性概念的实验,教材中作了统筹安排。为了深刻说明物质特性的概念,教师精心设计的实验,应该是真实的、鲜明的、生动的,直观性强,现象明显,易于激发学生形成化学概念。例如:培养学生形成酸本质特性的概念时,教材安排了盐酸与石蕊试液、锌、铁、铁锈、氢氧化铜溶液、硝酸银溶液反应一组实验,通过引导学生观察上述实验,培养学生认识盐酸能与指示剂、多种活泼金属、金属氧化物、某些盐反应,与碱起中和反应等化学特性,于是,引导学生推论酸本质特性的概念。
真实的化学实验,就是让学生观察物质的本质属性。化学实验就是通过学生视觉、听觉、嗅觉来形成感性认识的,只有提供直接作用于感官的真实实验,才能有助于学生形成思维,加深对反映物质特性的化学概念的理解,例如,反应生成的沉淀、物质的溶解、颜色的变化、有气味或有颜色气体的逸出,都是帮助学生直接观察物质发生变化的直接感知,使学生信服地形成物质特性的概念。
教师在演示盐酸与碱一氢氧化钠溶液反应的实验,是说明酸与碱反应的特性,可是,事实说明,盐酸溶液与氢氧化钠溶液反应的实验,就不同于盐酸与氢氧化铜溶液反应的实验。因为前者反应时看不到任何明显现象,而后者则看到了有蓝色的氢氧化铜,现象鲜明。所以,我们设计、安排化学实验时,首先要考虑实验的鲜明性,才能使学生注意化学反应,使物质特性更明朗、更完整,更生动真实,从而有助于学生形成清晰的化学概念。
同样反映物质特性的化学概念,由于提供实验不同,会得到不同效果。例如,氨气易溶于水的特性实验,用一支大试管盛满氨气后倒置水中,水会在试管内上升,反应出氨易溶于水的强溶解性。可是换成“喷泉”实验,就更加形象、生动,效果明显。由此观之,只有生动、鲜明、真实的化学实验去刺激学生大脑兴奋中心,才能有助于学生形成深刻的化学概念,使具有物质特性的化学概念在学生大脑中深深打上烙印。
二、提供典型、系列的实验,培养学生形成各类反应的化学概念
化学反应中有许多类似反应遵循着一定的反应规律。为了帮助学生掌握各类反应的概念,我们要安排、设计好一系列化学反应的实验,培养学生归纳、概括这些反应的规律。例如,在化学基本反应类型的教学中,我们借助木炭、硫粉、铁丝、红磷等物质在氧气中燃烧的实验,其中有非金属与金属的典型代表物质,通过这些典型、系列的化学反应,指导、培养学生基本上形成抽象的化合反应概念。此外,分解反应、置换反应和复分解反应的化学反应概念,也都是通过典型、系列的化学实验后,归纳、总结而形成的。
指导、培养学生形成各类反应的化学概念时,还必须安排、设计正确反映概念内涵的感性实验,让学生在观察的基础上,通过分析、推理、综合、归纳、总结,直至思维加工,把获得的感性知识进行深化,即把零碎的、片面的感性知识,进行科学的概括总结。例如,当学生做了木炭燃烧的生成二氧化碳和蜡烛燃烧生成水和二氧化碳的实验,教师必须引导学生分析前者燃烧生成一种物质,而后者燃烧生成两种物质的本质区别,从而培养学生正确形成化合反应的概念,否则学生容易产生凡是与氧气燃烧的反应就是化合反应的错误概念。为此,教材安排了证明蜡烛燃烧生成二氧化碳和水的实验,使学生清晰看到蜡烛燃烧生成二氧化碳和水这两种物质的反应。这样的实验对学生正确形成化合反应概念内涵提供了典型的、必要的认识。
三、提供具有说服力的实验,培养学生形成化学基本理论的有关概念
化学基本理论的有关概念,比较抽象,学生较难理解。通过实验教学,提供具有说服力的实验,使学生获得一定的、有说服力的感性知识,对理解抽象的化学基本理论概念较为有利。例如:“电离”的概念,是比较抽象的。因为学生不能通过感官,直接感觉到物质电离后自由离子移动的过程,学生难以接收这样的化学结论。