新課程理念下微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的探究*

竇麗娜 靳建華 劉玉榮

河南師范大學(xué) 河南新鄉(xiāng) 453007

☆創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)☆

新課程理念下微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的探究*

竇麗娜 靳建華 劉玉榮

河南師范大學(xué) 河南新鄉(xiāng) 453007

基礎(chǔ)教育新課程要求化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化，我們針對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)存在的種種不足，開(kāi)展了微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，從材料的搜集、藥品的配制到實(shí)驗(yàn)操作的全過(guò)程都由學(xué)生親自動(dòng)手完成,提高了學(xué)生的動(dòng)手能力,增強(qiáng)了學(xué)生環(huán)境保護(hù)的意識(shí)。

微型化學(xué)實(shí)驗(yàn) 新課程理念 化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化

高等院校的重要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，我們培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)該具有“搜集和處理信息的能力、獲取新知識(shí)的能力、分析和解決問(wèn)題的能力、科學(xué)探究能力以及交流合作的能力”?；瘜W(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，化學(xué)實(shí)驗(yàn)也是普通高中化學(xué)課程的重要組成部分，化學(xué)課程的許多內(nèi)容需要實(shí)驗(yàn)引用，這是其它課堂教學(xué)無(wú)法替代的。我們通過(guò)開(kāi)展微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)成專(zhuān)業(yè)知識(shí)及科學(xué)素養(yǎng)的能力，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)及認(rèn)知方式的轉(zhuǎn)變，同時(shí)實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綠色化。

一、微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)涵義

微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)(“Micro scale chemical experiment或者是Micro scale laboratory)，簡(jiǎn)寫(xiě)為M.L。它從20世紀(jì)80年代初期在部分發(fā)達(dá)國(guó)家中首先推行的，是由美國(guó)的Mayo博士和他的同事們于1982年開(kāi)始研究試用的一種新型的實(shí)驗(yàn)方法，是基于傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)在理論上的微型化，也是為減少資源消耗和化學(xué)污染而發(fā)展起來(lái)的一種化學(xué)實(shí)驗(yàn)的新方法、新技術(shù)，是化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法的變革。中國(guó)微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究中心主任周懷寧認(rèn)為，微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)是在微型的化學(xué)儀器進(jìn)行的化學(xué)實(shí)驗(yàn)。其試劑用量是常規(guī)的1/1000～1/10，用量比常規(guī)實(shí)驗(yàn)用量節(jié)省90%左右。學(xué)生在學(xué)習(xí)化學(xué)的過(guò)程中，利用微型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究活動(dòng)，會(huì)不由自主地節(jié)約藥品，微型化的實(shí)驗(yàn)儀器在一定程度上限制了藥品的使用，也就培養(yǎng)了學(xué)生的節(jié)約意識(shí)。

我國(guó)于1988年末開(kāi)始由十幾所院校組成了微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)課題研究協(xié)作組，本著立足于國(guó)內(nèi)教學(xué)和各個(gè)學(xué)校的實(shí)際情況，在部分學(xué)校中采用實(shí)行的，能使操作者對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行綜合規(guī)劃具有靈活性，綜合性和創(chuàng)造性。在當(dāng)今大力推行新課程改革的情況下，微型實(shí)驗(yàn)符合新課改的三維體系目標(biāo)，充分體現(xiàn)了自主化、人性化以及以人為本的情感價(jià)值培養(yǎng)的理念。

二、微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)舉例

在“化學(xué)教學(xué)論實(shí)驗(yàn)”及“化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與研究”的課程中實(shí)施的微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，改變了一人做大家看的局面，使學(xué)生由被動(dòng)接受式變成了主動(dòng)探索式。高等院校對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)既要通過(guò)知識(shí)的傳授過(guò)程來(lái)完成，也要進(jìn)行自身的教育教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)來(lái)體現(xiàn)，而微型實(shí)驗(yàn)正是符合這些要求。

1.濾紙的系列微型實(shí)驗(yàn)

(1)用濾紙進(jìn)行焰色反應(yīng)。濾紙實(shí)驗(yàn)：用鑷子夾取蘸有金屬鹽濃溶液的濾紙片，或者把濾紙片用蒸餾水濕潤(rùn)，撒上少量金屬鹽的固體粉末，放在酒精燈火焰上灼燒。

常規(guī)實(shí)驗(yàn)：是蘸取元素溶液在酒精燈焰上灼燒。

(2)用濾紙做金屬鈉與水的反應(yīng)(見(jiàn)圖1)：

圖1 鈉與水的微型實(shí)驗(yàn)

(3)利用濾紙進(jìn)行電化學(xué)實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)圖2)：

圖2 鈉與水常規(guī)實(shí)驗(yàn)

例如電解飽和食鹽水：將一塊濾紙平放在玻璃板上，用氯化鈉酚酞溶液充分濕潤(rùn)，分別用碳棒、鐵釘做成陰陽(yáng)電極，處理過(guò)的濾紙輕輕將電極卷入其中，并接通電源。通電兩分鐘后，立即打開(kāi)裹有碳棒的一段濾紙，滴入一滴碘化鉀—淀粉溶液，濾紙變藍(lán)，證明有氯氣生成，再打開(kāi)另一端，發(fā)現(xiàn)濾紙變紅，證明NaOH在陰極生成。

又如Fe(OH)3膠體的電泳(見(jiàn)圖3)，在一方形玻璃板上貼一張浸過(guò)KNO3溶液的濾紙P，A、B為兩個(gè)夾紙用的鐵夾，鐵夾濾紙間各墊一個(gè)碳棒做電極，A為陽(yáng)極，B為陰極，在兩極中間平放一浸過(guò)Fe(OH)3膠體的濾紙條S。接通直流電源(電壓為16V即可)，5到6分鐘濾紙條靠陰極一側(cè)顏色變深，10分鐘后濾紙條靠陰極一側(cè)紅褐色加深，并擴(kuò)展到濾紙P上。

(4)濾紙上的連續(xù)實(shí)驗(yàn)：在一張濾紙的中心處，滴一滴飽和的溴化鈉溶液，待其濕潤(rùn)之后，再滴上一滴氯水，濾紙呈現(xiàn)黃色的斑點(diǎn)。在呈黃色的斑點(diǎn)處，再滴上一滴碘化鉀溶液，濾紙上的斑點(diǎn)顏色變?yōu)闇\褐色。在淺褐色的斑點(diǎn)處，再滴一滴淀粉溶液，濾紙上的斑點(diǎn)變?yōu)闇\藍(lán)色。該系列實(shí)驗(yàn)用濾紙代替了常規(guī)的試管，變間歇實(shí)驗(yàn)為連續(xù)實(shí)驗(yàn)，節(jié)約了時(shí)間，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯而又有趣。

2.實(shí)驗(yàn)所用試劑量少，節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，部分藥品還可以回收利用。例如實(shí)驗(yàn)室乙醇氧化成乙醛的微型實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)圖4)。

圖4 乙醇氧化成乙醛的微型實(shí)驗(yàn)

步驟：(1)用學(xué)生自制的玻璃彎曲管，在彎曲處加入5滴5%的重鉻酸鉀溶液，同時(shí)滴加2滴稀硫酸溶液，并且使之搖勻。(2)在上述溶液中繼續(xù)加入2滴乙醇溶液，并且用酒精燈加熱彎曲管底部。(3)加熱反應(yīng)并觀察反應(yīng)現(xiàn)象，液體顏色由橙紅色變?yōu)榫G色，用銀氨溶液檢驗(yàn)生成的物質(zhì)為醛類(lèi)物質(zhì)。交警檢驗(yàn)司機(jī)酒后開(kāi)車(chē)的監(jiān)測(cè)儀就是根據(jù)這個(gè)原理制成的。

其原理是：K2Cr2O7+4H2SO4+3C2H5OH=K2SO4+Cr2(SO4)3+7H2O+3CH3CHO K2Cr2O7+4H2SO4+3CH3CHO=K2SO4+Cr2(SO4)3+4H2O+ 3CH3COOH

又如在彎曲管內(nèi)加入少量的二氧化錳，用滴管滴加幾滴濃鹽酸，進(jìn)行氯氣的半微量制取。利用這套裝置還可以進(jìn)行亞硫酸氧化成硫酸的實(shí)驗(yàn)等等。

3.微型實(shí)驗(yàn)使實(shí)驗(yàn)更加安全

在實(shí)驗(yàn)操作的過(guò)程中，有毒有害的氣體對(duì)操作者產(chǎn)生較大的危害。而微型實(shí)驗(yàn)的操作，可以改善實(shí)驗(yàn)室環(huán)境更有利于實(shí)驗(yàn)操作的安全性。

例如：在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中二氧化硫是常用的氣體，采用微型實(shí)驗(yàn)的裝置就可以減少?gòu)U氣的排出。

步驟：(1)在一只小試管中加入少量的固體亞硫酸鈉，并且在試管口處塞上一雙孔橡皮塞；(2)在一孔內(nèi)插入帶有稀硫酸的膠頭滴管，在另外一孔內(nèi)插入玻璃導(dǎo)管；(3)用膠頭滴管逐漸滴加濃硫酸，并少許加熱；(4)用濕潤(rùn)的品紅試紙放到玻璃管口處，當(dāng)品紅試紙變藍(lán)時(shí)證明有二氧化硫氣體產(chǎn)生，開(kāi)始收集氣體。該反應(yīng)是從反應(yīng)的量上減少，并且操作起來(lái)相對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)要簡(jiǎn)單的多，可以簡(jiǎn)易的制取少量的SO2。

反應(yīng)原理：Na2SO3(固)+ H2SO4Na2SO4+H2O+SO2

4.微型實(shí)驗(yàn)在操作的過(guò)程中減少了剩余廢液的排放

例如實(shí)驗(yàn)室制取氫氣并驗(yàn)證氫氣的爆鳴實(shí)驗(yàn)。

步驟：(1)用丟棄的醫(yī)藥塑料瓶作為反應(yīng)溶液，在瓶口處加一個(gè)雙孔橡皮塞，并在瓶中加入少量的鋅粒；(2)用少量洗滌劑配成洗滌液，在一孔處插入一裝有稀硫酸的膠頭滴管，另外一孔插入細(xì)玻璃管，擠壓膠頭滴管逐漸加入硫酸；(3)在玻璃管口處蘸取少量洗滌液，待有氣泡產(chǎn)生時(shí)，點(diǎn)燃?xì)馀?、觀察現(xiàn)象。

該實(shí)驗(yàn)不會(huì)產(chǎn)生太多酸性廢棄液，并且現(xiàn)象明顯，安全性較高，還具有較高的趣味性，并且產(chǎn)生的氣泡會(huì)在空中上升，這樣也就證明了氫氣比空氣輕，有利于學(xué)生自己進(jìn)行操作。

5.利用微型實(shí)驗(yàn)還可以做到實(shí)驗(yàn)組合的綠色化。即在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過(guò)程中，盡量尋找各單元或者實(shí)驗(yàn)之間的聯(lián)系，確立其一實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物與另外一實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物的聯(lián)系，以減少?gòu)U棄物的排放，提高試劑的利用率。例如環(huán)己烯環(huán)已酮、己二酸的制備其原料都是環(huán)己醇。在教學(xué)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)。

除此之外，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程中我們還開(kāi)展了利用注射器的密閉性作為反應(yīng)容器，如Cu和稀硝酸的反應(yīng)等；藥片壓膜代替點(diǎn)滴板開(kāi)展眾多小型實(shí)驗(yàn)，如食鹽或食品中碘的檢測(cè)；將收集的輸液管改為實(shí)驗(yàn)中所用的導(dǎo)管；丟棄的噴霧香水瓶和花露水瓶作為生活小實(shí)驗(yàn)中的噴霧器等等。

三、結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)儀器具有體積小質(zhì)量輕造價(jià)低等特點(diǎn)，部分儀器還可以從現(xiàn)實(shí)生活中尋找替代品。讓學(xué)生自己組裝實(shí)驗(yàn)儀器裝置，為他們提供了實(shí)驗(yàn)操作的機(jī)會(huì)，采用微型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，更能夠促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)如何自主地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，如何用學(xué)過(guò)的知識(shí)來(lái)解決問(wèn)題或者發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律等，同時(shí)也能夠更加激發(fā)學(xué)習(xí)的動(dòng)力。

另外，在微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，盡量使用最小量的藥品，符合綠色化學(xué)的要求。當(dāng)然微型實(shí)驗(yàn)本身也具有一定的局限性，就其儀器來(lái)講，相對(duì)于常規(guī)儀器比較小，在清洗方面要有微型的用具，一些需要定性定量測(cè)定的物質(zhì)還必須采用常規(guī)實(shí)驗(yàn)。微型實(shí)驗(yàn)的儀器與操作和實(shí)際生產(chǎn)工藝的差距較大，由微型實(shí)驗(yàn)探索得到的反應(yīng)條件，應(yīng)進(jìn)行放大試驗(yàn)后方可應(yīng)用。所以在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，不能完全用微型實(shí)驗(yàn)替代常規(guī)實(shí)驗(yàn)，而是兩者相互結(jié)合?？傊?，微型實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高等院校很有必要開(kāi)展，它符合新一輪課程改革的理念。

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2009-09-28

竇麗娜，碩士研究生。靳建華(通訊作者)，理學(xué)碩士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師。

*本文系河南省教育廳教基[2009]252號(hào)河南省高中新課程實(shí)驗(yàn)研究項(xiàng)目。