例谈中学化学实验研究课题的发掘

例谈中学化学实验研究课题的发掘
介绍了发掘实验研究课题的基本途径和方法,说明了实验研究对于提升中学化学教师素质的重要性。

实验课题发掘
在教学过程中进行教学研究是中学化学教师的职责之一,也是许多中学化学教师深感头痛的任务之一。

中学化学教学研究的内容十分广泛,其中,中学化学实验的研究是中学化学教学研究的基本而重要的内容之一。

笔者在以往的教学中曾经研究撰写了一些论文发表在«化学教育»、«化学教学»、«中学化学»等专业杂志上,在我所发表的39篇论文中, 有21篇是专门研究化学实验或其主要内容是研究化学实验的论文。

在此,笔者联系个人的研究实际及阅读有关专业杂志的体会谈谈中学化学实验研究课题的发掘问题,希望能给那些对教学研究深感头痛的老师带来一点有益的启示。

1 关注实验中出现的异常现象
有谁见过铜与浓硝酸在室温下难以发生反应的现象吗?估计见过此现象的老师不多,笔者在冬天做此实验时见到过此现象。

笔者初见铜与浓硝酸在室温下难以发生反应的现象时,感到非常意外,笔者以为是浓硝酸有问题,于是就连续用两瓶未启封的浓硝酸重做此实验,连续两次的实验结果均是铜与新启封的浓硝酸在室温下难以发生反应。

笔者于是对此异常现象进行了专门研究,发现铜与浓硝酸在室温下难以发生反应的原因是当时的室温太低(低于
9℃),并通过研究提出了低温时铜与浓硝酸反应的实验的改进意见。

笔者据此研究撰写的论文«低温时铜与浓硝酸的反应»发表在2019年第7期«化学教学»上,这是笔者首次在化学教学的专业杂志上发表论文,这对笔者个人开展后续的教学研究具有很大的鼓舞作用。

万事开头难,开展教学研究也需要一个好的开头。

现行化学教材中的实验都是在一定条件(浓度、温度、体积等)下进行的,而在我们做教材上的实验时,往往会或多或少地偏离原实验的反应条件,也可能出现实验操作失误的现象,反应条件的偏离或实验操作失误往往会导致实验过程中异常现象的出现,这是十分正常的事。

只要我们认真做实验、认真观察实验现象,就能发现实验中的异常现象。

如果发现了异常的实验现象就认真研究、探讨出现异常实验现象的原因的话,那就比较容易出教研成果。

如果发现了异常的实验现象,却把它不当一回事,甚至采取唬弄的办法把它唬弄过去的话,那就不可能出教研成果。

2 重视现有实验的改进研究
在现有的实验中,有许多实验都存在着这样或那样的缺陷,有的实验现象不够明显、有的实验装置过于复杂、有的实验试剂用量太大、有的实验污染严重,对于这样的实验就要进行研究改进,改进的目标就是要努力实现实验现象的显着化、实验装置的简洁化、实验试剂的微量化、环境保护的绿色化。

现行高中化学教材中乙酸乙酯在纯水、酸溶液、碱溶液中的水解速率的比较实验是通过闻气味的方法进行的,笔者以往在化学教
学杂志上曾看到过有关此实验的改进方法,可改进后的实验仍然是通过闻气味的方法来比较反应速率的。

笔者一直对这种闻气味的方法不够满意,但也没有想到更好的改进办法。

最近,笔者在«化学教育»[1]杂志看到的乙酸乙酯的水解实验方法如下:用三支型号相同的小试管各取等体积的纯水、酸溶液、碱溶液,并各加两滴红墨水,再向三支试管里加入等体积的乙酸乙酯,然后将三支试管同时放入水浴中加热,加热一段时间后比较三支试管里上下两段液柱高度的变化。

与闻气味的方法相比,在实验操作方法基本相同的前提下,此方法具有现象明显、便于全班同学观察的优点。

由此改进实验可见,只要我们扩展思路,积极开动脑筋想办法,有些实验还是有很大的改进空间的。

笔者虽然也曾有几个改进实验论文发表在有关的化学教学杂志上,但和上述乙酸乙酯水解实验的改进相比,笔者改进实验的思路还是比较狭窄的。

在今后的实验改进研究中,笔者还要进一步扩展思路。

3 尽量用实验解答学生提出的疑难问题
有一次上化学课时,在讨论混合物的分离时,笔者的一个学生坚持认为可以用分液的方法分离苯和溴苯。

他说的方法是向苯和溴苯的混合物中加水,苯浮到水上,溴苯沉到水下,通过分液就可以将苯和溴苯分离。

该学生的理由是苯的密度小于水的密度,溴苯的密度大于水的密度,且二者都不溶于水。

学生的观点是错误的,但也有其合理性,所以学生对我的说理总是将信将疑,我于是就设计了如下一个实验做给学生看。

用一支小试管取2mL水,再向试管里加
入0.5mL苯,然后逐滴加入CCl4(我校实验室当时无溴苯),加到一定程度后,苯和CCl4的混合物就一起下沉到水下了,没有分三层的现象。

该实验胜过所有的说理,学生接受了我的观点。

笔者据此实验撰写的论文«液体的下沉实验»发表在2019年第10期«中学化学»上。

化学是一门实验科学,现有的化学理论都是有关实验现象的概括和总结。

到目前为止,还有许多实验现象只能用实验来证明,难以用有关的理论来透彻地分析说明。

当遇到难以用化学理论分析说明的化学问题时,我们就要尽量研究开发出相应的实验来向学生进行实验证明。

4 要关注实验过程中的所有现象
笔者在用Na3SO3和浓H2SO4制取SO2后,出现了这么一个疑难问题,制取SO2后的试管里形成了一种难溶于水的蜡状固体,这使得制取SO2后的试管很难洗涤。

通过查阅有关资料知该固体的主要成分是Na3H(SO4)2,经研究知Na3H(SO4)2易溶于热水、难溶于冷水。

笔者的解决办法是向沾有大量蜡状固体Na3H(SO4)2的试管中加适量冷水后加热,将溶解后的液体趁热倒出。

笔者据此研究撰写的论文«制取SO2后的蜡状固体及其洗涤»发表在2019年第9期«化学教学»上。

此研究是一个很容易被忽视的问题,因为许多老师做完实验后是不洗涤仪器的(交给实验员处理),不洗涤仪器就不可能发现该问题。

因此,我们要注意实验过程的完整性,要关注整个实验过程中
的所有实验现象,特别是要关注容易被忽视的废物处理问题,这样也可以出实验研究成果。

2019年诺贝尔化学奖获得者下村修就是从维多利亚多管水母中分离生物发光蛋白质——水母素后,将产物(实际上就是当时的实验废弃物)倒入水池后,在离开实验室时,在回头观望的那一眼里发现绿色荧光蛋白质的。

5 研究中学化学中出现的假想实验
陈元庆老师在«认识化学假象实验及其危害»[2]一文中指出:假象实验〝应是来源于基本化学原理的、但是未经实验验证的化学实验。

这些实验有些可以得到验证,有些那么与事实相矛盾。

〞陈元庆老师«认识化学假象实验及其危害»一文中对假象实验的出现、危害及其研究进行了比较详尽的表达,笔者在此结合自己的研究实际对假想实验谈一点体会。

在全日制普通高级中学教科书(必修加选修)化学教材(人教社)中有如下一道练习题:
二氧化硫和氯气都有漂白作用,现把二者以等物质的量混合,让混合物通过湿的有色布条时,其漂白效果是( )。

A.和氯气单独通过时相同
B.和二氧化硫单独通过时相同
C.是二者作用效果之和
D.可能失去漂白作用
该题的参考【答案】是D。

该题中所说的实验可以说是一个典型的假想实验,其假想的内容是SO2和Cl2的混合气体通过湿的有色布条时,只发生SO2和Cl2之间的氧化还原反应,SO2和Cl2均不和有色布条上的色素发生反应。

笔者经认真分析后认为:SO2、Cl2和色素三者之间可能存在竞争反应。

笔者通过实验研究得出的结
论是:等物资的量的SO2和Cl2的混合物有漂白作用,其漂白作用比纯Cl2的漂白作用弱,其原因是SO2对Cl2的漂白作用有一定的抵消作用。

笔者据此研究撰写的论文«等量的SO2和Cl2的混合物没有漂白作用吗?»发表在2019年第12期«化学教学»上。

发现假想实验要求教师要有批判、怀疑的精神,一个缺乏批判精神的人、一个奉教材和资料为经典的人是不可能发现假想实验的。

要证明假想实验之假,就要认真分析假想实验存在的问题、设计科学合理的实验方案、认真进行实验研究,这样就可以得出科学正确的结论。

这就是说,只要化学教师有科学的态度、求实的精神、踏实的作风,就一定能判断出现行化学教材和化学资料中的化学实验的真伪,并取得相应的科研成果。

6 注意发现并研究中学化学中出现的假想方程
〝假想方程〞是本人提出的一个概念,假想方程就是从理论上分析好像科学合理、实际上经不起实验验证的错误的化学方程式。

有谁怀疑过如下化学方程式的正确性吗?
CH3CHO+2Cu(OH)2 CH3COOH+Cu2O+2H2O
这是几十年来存在于我国各种版本的高中化学教材中的一个化学方程式,可该化学方程式是错误的,错误的原因是CH3COOH和Cu2O 不能共存,笔者通过实验研究撰写的论文«CH3COOH和Cu2O不能共存»发表在2018年第4期«化学教育»杂志上。

有关此类问题,笔者还发现了2019年春季高考题中被定为正确【答案】、而实际错误的如下离子方程式(原题中的D项)。

D.明矾溶液加热水解生成沉淀
Al3++3H2O Al(OH)3↓+3H+
笔者由此开展研究撰写的论文«明矾水解及其应用原理的深入探讨»发表在2019年第3期«化学教学»上。

假想方程是理论推导的结果,只要我们在教学中认真做化学实验,并将实验现象与化学方程式联系起来认真分析,还是比较容易发现假想方程的。

笔者之所以怀疑离子方程式Al3++3H2O
Al(OH)3↓+3H+的正确性,就是在实验中从未发现AlCl3和
Al2(SO4)3等物质在蒸馏水配制的溶液中水解出Al(OH)3沉淀。

7 实验研究开发新实验
研究开发新实验是一项难度较大的工作,笔者近几年比较成功地开发出了氮化镁的制取及其性质实验。

起初,笔者在一个偶然的机会里发现镁粉(哈尔滨试剂厂生产的较大颗粒的镁粉)燃烧的产物与镁条的燃烧产物有点不同,笔者就对该现象进行了专门研究,并根据此研究撰写了一篇题为«镁条与镁粉燃烧实验的比较及有关应用»发表在2019年第2期«中学化学»上。

在后来的实验中,笔者发现«镁条与镁粉燃烧实验的比较及有关应用»一文中的实验还存在着一些缺陷,笔者又对该实验进行了反复的研究和改进,最终完成了题为«氮化镁的制取及其性质实验»的实验研究论文,该论文已被«化学教育»杂志录用、即将发表。

«氮化镁的制取及其性质实验»中所述的实验与«镁条与镁粉燃烧实验的比较及有关应用»中所述的实验相比,前者所述的实验在操作上绝对安
全、在现象上更加明显、在效果上富有观赏性和趣味性。

通过该实验的研究,笔者认为:要开发新实验,就要处处留心、并善于观察、善于发现,只有发现了可供开发的
课题,才能开发出新实验。

开发了新实验,还要不断完善新实验,使新实验成为操作简单、现象明显、安全可靠的实验,这样的新实验才可能让大家乐于接受、才具有较大的推广价值。

总的来说,开发新实验是一个长期而又艰苦的过程,只要化学教师具有吃苦练耐劳和持之以恒的精神,就能开发出比较完美的新实验。

在中学化学的教学研究中,除了对专门发掘的实验研究课题进行实验研究外,其它的课题研究也常常需要进行一些实验研究。

本人曾就离子方程式〝Fe2++ClO-——〞的书写问题指导学生开展研究性学习,所撰写的论文«一道离子方程式〝研究性学习〞的教学»发表在2019年第9期«化学教育»上,该研究性学习实际上是以实验探究为主的教学活动。

总之,积极认真地做好实验、不断发掘实验研究课题进行实验研究既是中学化学教师开展教研活动的基本内容,又是提升中学化学教师素质的重要途径。