化学教学实验的设计与评价
为了提高化学实验教学的质量,充分发挥化学实验教学丰富的素质教育功能,常常需要设计一些新的化学教学实验.对化学教学实验的改进实际上亦属实验设计的范畴———对原有的实验进行重新设计,设计化学教学实验是一个化学教师必须具备的一种教研能力.评价化学教学实验,也是一个化学教师必须具备的一种教研能力.
在实验教学研究活动中,评价化学教学实验与设计化学教学实验同样重要,可以这样说,不懂得评价,就难以做到精益求精,也就难以设计出优秀的化学教学实验.
因此,如何设计和评价化学教学实验是一个很值得探讨的问题.本文结合若干实例就此提出一些看法,与各同行共同研讨.
设计和评价化学教学实验应遵循以下几个共同的原则.1.目的性原则
从应用场合和教学目的来看,化学教学实验可分为演示实验、学生实验、课外活动实验三大类,各类实验都有各自的特点.演示实验大多是密切联系课堂讲授内容而进行的化学实验,具有实验装置简洁明快、实验操作严格规范、实验现象鲜明易察、实验过程耗时较少等特点.安排演示实验的目的是配合课堂讲授内容给学生提供感性认识,帮助阐明科学概念和化学原理,同时向学生示范规范的实验操作,培养学生观察和描述实验现象、发现和解决问题的能力.学生实验则具有安全性高、操作难度小、容易成功的特点.安排学生实验的目的是巩固学生所学的理论知识,培养学生严谨的科学态度、良好的实验习惯和动手能力.课外活动实验的特点是不受教学大纲的限制,内容丰富新颖,趣味性强.安排这类实验是为了拓宽学生的知识面,激发学生学习化学的兴趣,巩固和提高学生的实验技能,锻炼学生运用化学知识解决实际问题的能力,培养学生的创新意识.
三类实验中,前二类具有更多的共性.在设计化学教学实验时应考虑到它们的共性和差异.例如,设计前二类实验时,不应过分地为突出趣味性而附加一些不必要的、能产生声光色效果的装置,以避免实验时声光色效果喧宾夺主而影响教学效果.
2.科学性原则
化学教学实验的科学性是指整个实验(装置、操作步骤、说明)符合物理学和化学原理,能够反映客观事实和规律.简言之,就是合理性.一个优秀的化学教学实验,应该具有严谨的科学性.忽视科学性是化学教学实验常见的问题之一.
例如,高中化学课本《化学》第二册(必修)关于溴与乙烯加成的演示实验,把溴水的褪色完全归因于溴与乙烯发生加成反应生成1,2-二溴乙烷,其科学性就不够严谨.事实上,即使不存在生成1,2-二溴乙烷的反应,溴水也会褪色,因为乙烯与溴水可发生下面的反应:
这是一个可用于制备邻溴乙醇的反应,不能认为是一个可忽略的副反应.若将实验中的试剂溴水改为溴的四氯化碳溶液,其科学性就严谨得多.
下面再以《化学教学》1997年第9期第10页“乙烯与溴反应的拓宽实验”为例作一分析.不难看出,这个实验的设计思路源于文献记载的实验事实:溴蒸气对乙烯的加成必须借助于极性物质.„在容器上分别涂以石蜡、十六碳醇、硬脂酸,则反应速度随涂料的极性变大而相应地变大.„在涂以石蜡中的速度只有在普通玻璃容器中的速度的1/17[见高振衡《物理有机化学》下册,高教出版社,251(1983)]:„反应在非极性溶剂中进行时,极性物质如极性的容器壁,极性的溶剂如氯化氢、水等使反应速度加快[见南京大学化学系《有机化学》下册,人民教育出版社,89(1997)];乙烯与溴在干燥的四氯化碳中几乎不作用,若加一点水后,反应就顺利发生,说明烯烃加卤作用需要极性条件[见沈阳药学院《有机化学》人民卫生出版社,36(1978)].作者想通过此实验说明器壁物质的极性大小和溶液中极性物质对烯烃加溴速度的影响,深化、拓宽学生对烯烃加溴反应的认识.因此,实验中设置了无涂层(2)、有石蜡涂层(3)、有硬脂酸涂层(4)、无涂层(5)等4支试管(各序号为原文所注),(2)、(3)、(4)号试管各装2毫升溴的无水四氯化碳溶液,(5)号试管装溴水和四氯化碳.
按设计意图,(5)号试管由于有极性物质水和试管壁极性物质的共同影响,反应最快;(2)、(3)、(4)号试管的溶液不含极性物质(水),它们的反应速度取决于试管壁物质极性的大小,而试管壁物质极性大小的次序是硬脂酸(4)>玻璃(2)>石蜡(3),因此这三支试管对应的反应速度具有(4)>(2)>(3)的次序.
这个实验在设计上有多处缺陷:其一,上述4支试管装的是溴的四氯化碳溶液,(3)号和(4)号试管的涂层没有意义.因为石蜡和硬脂酸均易溶于四氯化碳,溴的四氯化碳溶液一注入试管中,石蜡涂层和硬脂酸涂层便迅速溶解,液面以下的管壁均无涂层存在.然而,实验却使学生相信:(3)号和(4)号试管是有涂层的.可以预料,如果没有其它因素的影响,(2)号和(3)号试管内溴溶液的褪色速度肯定没有差别.其二,作为对比试验,原文(5)号试管中“装有2毫升溴水的四氯化碳溶液”是何意令人费解,按一般的理解,应该是指装有2毫升溴水和2毫升四氯化碳,若是这样,(5)号试管内的液体便是一个二相体系,与(2)、(3)、(4)号试管的均相体系显著不同,因此,对比试验的意义不大.其三,在乙烯的发生装置与(2)号试管之间没有设置阻隔乙醇(气)和水(气)的装置,这将导致大量的乙醇(气)和水(气)进入(2)号试管并冷凝下来,(2)号试管中的溴溶液因此而含有大量的极性物质水和乙醇,试管中溴溶液的无水条件亦因此而失去意义.其四,从催化剂表面所能达到的温度、乙醇蒸气与催化剂表面的接触面积较小和接触时间较短、实验操作等几个方面综合分析,实验中的乙烯发生装置不可能产生足够的乙烯供对比试验用,大量的乙醇气化后将直接进入(2)号试管.
总而言之,该实验的科学性有失严谨,不能圆满地实现作者的设计意图.3.安全性原则
“一朝被蛇咬,十年怕井绳.”在化学教学实验中,如果发生燃烧、爆炸或中毒事故,不仅会给教师和学生造成人身伤害,而且还将严重地影响到学生今后学习化学课程的兴趣和积极性,甚至还会永远给学生留下“化学实验很危险”的潜意识.因此,设计化学教学实验时,对实验的安全性必须给予足够的重视,要做到万无一失.从近年发表在各种化学教学刊物上的实验设计看,实验设计者对化学因素可能引起的安全问题都非常注意,但对物理因素可能引起的安全问题却常有忽视.后种情况主要反映在对实验装置中密闭的玻璃容器内的气压大于外压时所存在的“爆炸”隐患认识不足.例如,《化学教学》杂志1997年第1期第11页“加热硫酸铜晶体的封闭装置”一文的实验、1998年第7期第5页“中学化学实验的简约化方向”一文中将氧化铜与氢气封闭在安瓿瓶内做氢气还原氧化铜的实验、《化学教育》杂志1987年第4期第23页“一种可控制污染的演示实验装置”一文的实验,都存在内压过高时会发生爆炸的潜在危险.
物理性事故隐患之所以容易被忽视,主要是因为设计者不了解普通玻璃容器的抗压特性.实验用的玻璃容器,外形大多呈凸曲面形,这种几何形状使玻璃容器尽管玻壁很薄,却能抵抗强大的外压,但是,对来自容器内部的压力,玻壁的抗压能力却很弱,可谓“不堪一击.”因此,设计实验中的封闭装置时,为了消除因内部高压所产生的潜在危险,一般是通过设置液封装置或使用弹性材料(如气球)来封闭,使容器内的压力与大气压力不至于相差太大.
如果反应必须在高压下进行,那么就要使用高压釜或耐压的玻璃封管.有关这样的实验,已超出了中学化学和大学基础化学课程的范围,本文不赘.4.简易性原则
这个原则中的“简”是指实验装置要简洁、实验操作要简便、实验原理要简明.“简”原则对演示实验和学生实验尤为重要.一般说来,符合“简”原则的实验将有利于突出重点,有利于集中学生的注意力,有利于学生观察实验现象,有利于学生掌握实验原理和操作要领.
原则中的“易”是指实验仪器、药品和其它材料要常见易得,实验装置要易装易拆,实验要容易成功.
显然,符合简易性原则的实验将更易于推广应用,因此也更有价值.
《化学教学》杂志1996年第3期第12页“可控式喷泉实验装置”一文的演示实验就是一个很好地体现了这个原则的成功实验.而1996年第1期第10页“二个实验的改进”一文中“加一次氨水可演示喷泉10-15次”的实验,作为演示实验,相比之下,就显得太复杂.但是,若作为课外活动实验,后者则更好,其装置的工作原理对培养学生的实验设计能力将更有帮助.
《化学教学》杂志1997年第10期第9页“把水加入Ｈ2ＳＯ4使水沸腾的实验”也是一个很好地体现这个原则同时又能很好地体现安全性原则的实验,这个实验最大的优点还在于它可以让学生在这个“危险”的实验中以“想多近都可以”的距离仔细地观察实验现象.5.创新性和优越性原则
化学教学实验设计属于应用研究,像其它科学研究工作一样,贵在创新.创新程度的高低,是衡量一个创新实验价值大小的重要标准.一个优秀的实验设计,一定具有较高程度的创新性,但是,一个创新程度较高的实验则未必是一个优秀的实验,还要看它是否比已发表的同类实验更加优越.为此,在设计一个实验之前,必须掌握尽可能全面的关于同类实验和相关实验的文献资料,在深入研究资料的基础上,提出自己的设计方案,经反复试验、比较、优化,获得肯定的效果后,再付诸应用和交流.不要片面地为了“创新”而设计,只“新”不优的实验是没有多大价值的.更不要在未查阅过同类实验的有关文献资料的情况下进行盲目设计,这样常会重复别人已做过的工作,设计出与别人相同的实验,与别人相同的设计成果一旦公开发表,就有掠美、抄袭或剽窃之嫌
