摘要 阐述了设计和改进化学实验的原则，探讨了设计和改进化学实验的思路和方法，用10个案例分别介绍了改进实验装置、选择合适的反应条件、自制非常规仪器用品、开发微型化学实验及设计探究实验等研究成果。
关键词 中学化学 实验设计 实验改进
化学是一门以实验为基础的自然科学。化学实验具有获知、激情、求真、循理、育德等教育功能，对提高学生的创新精神、实践能力和绿色环保意识有着特殊的教育价值。现行中学教科书中的某些实验，因各种各样的原因，或是趣味性差，或是不环保，或是实验现象不明显，或是成功率不高。因此，对其进行重新设计和改进，让学生与趣味化、生活化、微型化、绿色化的实验为伴是化学教师努力的方向。
1 实验设计与改进应遵循的原则
（1）科学性原则 做到实验原理准确无误，实验方案设计科学，实验装置设计合理，实验操作符合要求。
（2）直观性原则 实验现象明显，感官度高。能通过可见（气体，沉淀）、可感（热，光，气味）、可称（质量增减）、可辨（颜色变化）等现象判断实验的进程。
（3）简约性原则 取材容易，装置简单，缩短实验时间，简化实验操作，突出创造性。
（4）安全性原则 贯彻“安全第一”的思想。减少药品用量，防止易燃、易爆、腐蚀性及有毒物质污染环境，严禁危害人身安全。
（5）可行性原则 设计改进实验应考虑学校的实验条件和学生的学情，并由教师亲手实验验证，确保实验达到预期效果。
2 实验设计与改进的策略与方法
设计和改进实验的策略与方法通常包括以下几个方面。
2.1 巧妙构思，改进常规实验装置
教科书上介绍的有些化学实验仪器和装置已有百余年的历史。例如酒精灯、贮气瓶、水电解器、启普发生器等。教师通常把这些内容视为经典，在习惯定势的作用下，不断进行简单重复，常常忽略了学生求新求异的欲望。所以，在教学中用简约、绿色化思想改进常规陈旧仪器装置具有重要意义。
［例1］[HT]H2、CO2、O2等气体的制取。取1根铜质导线去掉塑料外皮，将它烧红，在胶塞中间烫一孔。胶塞与具支试管连接，在铜丝的下端连接细铜丝编成的网兜，即可用于快速制取H2、CO2、O2等气体（说明：制气时，试管内盛双氧水或酸液，铜网内装二氧化锰、锌或大理石，在铜丝上涂上一层凡士林以便能上下滑动，见图1）。
［例2[DK]］[HT] 炭粉吸附色素实验。把适量炭粉加入到盛有品红稀溶液的试管中，振荡，试管内分散系呈黑色，红色是否消失不得而知。过滤后滤液呈无色，但过滤慢且操作复杂。可将一团棉花塞入上述盛品红稀溶液和炭粉的试管中，用玻璃棒将棉花慢慢压至管底，可见到上层液体无色。这种另类过滤操作简单，速度快，效果好(见图2)。
2.2 正交实验，选择合适的反应条件
对那些受催化剂、药品比例、温度、压强、时间、介质等诸因素影响的实验，要想获得最佳反应条件，必须利用正交实验设计法进行研究。正交实验设计法是利用正交表来安排实验。使用正交法能从众多的不同条件搭配中，选出少量的最具“代表性”的实验条件，并能对影响实验结果的各个因素的重要程度进行定量分析，以实现最大限度的节能、省时、防毒、防污染效果。
［例3］ 炭还原氧化铜实验。为得到光泽性好的块状金属铜和消除实验中CO的污染是改进本实验的目的，关键在于研究最佳反应条件。理论上，炭与氧化铜的质量比是1∶13.3。实验证明，炭与氧化铜质量比以1∶10至1∶12为宜。反应物的总量也会影响实验效果，太多、太少均不好，用约2 g为宜。用颗粒细的炭黑比木炭好。反应物混合均匀，适度压实，使颗粒间紧密接触。由于本实验是固相反应，要求使用酒精喷灯加热。当反应混合物开始发红或燃烧时应及时撤灯，以免试管底部熔化。
本实验中CO的污染常常被忽视［1］。事实上，炭与金属氧化物反应时会生成CO和CO2。温度越高，CO越多。把教科书上盛石灰水的试管换成具支试管，并在具支侧管点燃CO气体，会有几厘米长的蓝色火焰，实验后组织学生探究CO的来源，破除思维定势，培养学生求异思维能力。
2.3 因地制宜，自制非常规仪器用品
融知识性、科学性、趣味性、创造性为一体的自制、改进非常规仪器用品，不仅可以激发学生学习化学的兴趣，还可以体验创造成功的快乐，激励学生勇于探索，大胆创新。
［例4］自制和改造仪器。如用牛皮纸信封做成漏斗［2］，再涂以蜡或树脂涂料，实用且不易摔碎。用135胶卷暗盒制作的酒精灯增温护焰罩，能使酒精充分燃烧，焰高是原来的1.5～2倍，其他一些代用品如输液管、塑料瓶等在实验中均可派上用场。
［例5] 电解水实验。将粗保险丝敲打成长15 cm，宽1 cm，厚约2 mm的长条。尾部约3 cm不打扁，将尾部穿过橡胶塞。用此电极和24 V电源电解1∶4的稀硫酸，30 s之内就可产生约20 mL H2，氢气和氧气体积比接近2∶1。
2.4 突破常规，调整药品种类及用量
调整实验药品及用量，积累一些小技巧，使实验更安全，更环保，效果更明显。
［例6］配制较浓的石灰水。 在略显浑浊的石灰水中，加入少量固体氯化钠(化学纯)，振荡，浑浊的石灰水会变澄清。这说明氯化钠可以增大Ca(OH)2在水中的溶解度，即氯化钠对氢氧化钙有增溶作用。因此，将过量的石灰和水混合之后再加入适量的氯化钠，振荡后即可得到较大浓度的石灰水。
［例7］培植铜树。化学课本彩图插页上漂亮的“铜树”培植可用如下方法：用粗实的铝条插入氯化铜溶液中培植铜树，反应速率很快，生成的铜树既粗大，又附着牢固，不易脱落。氯化铜溶液太浓反应速率太快，太稀反应很慢。用饱和氯化铜溶液与水按体积比1∶4相混合较好。如果用廉价的硫酸铜代替氯化铜，必须在硫酸铜溶液中加少许食盐［3］，否则反应速率太慢。
2.5 设计微型实验，防止污染环境
微型实验具有节省试剂，减少污染，缩短时间，降低能耗等优点。
［例8］注射器实验［4］。
塞封住，即可观察到红棕色的气体，压出溶液，吸入少量水，封住，可观察到气体减少，变成无色。再吸入少量空气，气体又变成红棕色。可重复进行上述操作，整个过程没有氮氧化物逸出而污染空气(见图3)。
（2）SO2和H2S反应。用30 mL的无色细口瓶收集一瓶湿的SO2气体，塞上橡皮塞，取50 mL的注射器，收集H2S气体，用小胶头套住针筒；实验时，将针筒(拔去胶头)套上7号针头，插入胶塞中，把H2S气体慢慢推压到细口瓶中，瓶壁上很快有淡黄色固体出现。
［例9］滤纸实验。用滤纸作为载体特别适合于有颜色变化及溶液导电性的微型实验。
（1）液体的导电性实验［5］。在滤纸的中央滴上几滴液体，将电流计、电池串联在一起，把2个表笔分别同时接触滤纸中间的湿润部位（注意：2个表笔不能接触），若是酸、碱、盐溶液可以观察到电流计指针偏转。
（2）酸、碱溶液与指示剂的反应。在滤纸2个部位分别滴上一滴氢氧化钠溶液，再在有氢氧化钠溶液的部位分别滴上一滴石蕊试剂和酚酞试剂，即可观察到滤纸上的颜色变化。
2.6 设计探究实验，突出化学学科特征
探究性实验能促使学生主动积极开展科学探究，从而获得知识，培养能力，学习科学研究的方法，感受科学探究的艰辛与喜悦。
［例10］证明分子间有间隔。取酸式滴定管和碱式滴定管各1支，在尖咀处用胶管相连，向碱管中加入水，向酸管中加入1/2容积的混有少量红墨水的酒精溶液(见图4)。旋开活塞，使水进入酸管至酒精液面达管口为止，用胶塞
塞紧管口，胶塞与酒精之间，不留空隙，关闭酸管活塞，将酸管反复倒转几次，使混合液颜色均一，发现胶塞与液面之间产生了约1 cm的距离。
［例11］检验中和反应生成的水。中和反应一般是酸、碱溶液混合，是否生成水不易检验。可将固体胆矾加热使之完全变成白色，在3支干燥试管里，分别加入少量白色无水硫酸铜粉末。在2支试管里，都加入少量干燥的氢氧化钠固体，用橡皮塞塞紧，第3支试管里加入少量无
水醋酸。此时可见3支试管中的无水硫酸铜均没有颜色变化。但当把第3支试管里的无水醋酸倒入一支装有无水硫酸铜和氢氧化钠固体混合物的试管里时( 用一支试管用作对比)，可见混合物逐渐变成蓝色。这证明氢氧化钠和醋酸反应生成了水，水与硫酸铜反应生成蓝色的胆矾(见图5)。
总之，在教学中根据教学内容的特点，对某些实验进行重新设计和改进，既能培养学生求异创新的精神，激发学生学习化学的兴趣，又能促进学生对知识的理解和掌握，不失为一种重要而有效的化学教学手段。
参考文献
［1］ 尉红,娄志武.化学教育，2005，(11)：31
［2］ 徐文菁.化学教育，2005，(10)：52-53
［3］ 刘怀乐.化学教学，2005，(11)：4
［4］ 孙旭,黄新阶.中学化学教学参考,2006，(1,2)：24
［5］ 国家教委教学仪器研究所编.初中化学实验大全.北京：电子工业出版社，1992：542
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