中学化学实验绿色化之初探.doc
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1、中学化学实验绿色化之初探 探究、创新能力的培养 【内容摘要】作为一门特殊的学科,化学实验的正确操作和实验现象对于验证化学理论十分的重要,尤其是初学者的兴趣方面,起到不可预料的作用。但是有时候控制不好温度、浓度、气压等实验条件都会造成实验现象和实验结果的偏差,大大影响实验者的学习兴趣。南宁市虽然大力提倡将科学探究作为课程改革的突破口,从而激发学生的主动性和创新意识,促进学生积极主动地学习。但据笔者观察,由于实验条件的限制,比如仪器和药品的有限,实际上各个学校还是九年级化学课本中的学生实验直接搬用,无法体现学生的合作探究创新能力,更不要说在教学中体现实验绿色化了。【关键词】中学化学实验 绿色化 实
2、验探究 创新 微型 实效化学的生动有趣与引人入胜之处在于,化学现象的复杂多变,而又如此的贴近生活,具有很强烈的实在感;化学实验呈现出的物质世界的神奇变化与鲜明直观的化学现象,是学生对化学学习产生兴趣的主要源泉。南宁市自2003年实行新课改以来,就大力提倡将科学探究作为课程改革的突破口,从而激发学生的主动性和创新意识,促进学生积极主动地学习,使获得化学知识和技能的过程成为理解化学、进行科学探究、联系社会生活实际和形成科学价值观的过程。这几年各省市的中考题,无一例外的都将学生的探究和创新能力作为考核的压轴部分,尤其观察南宁市2007年2011年的中考题,探究思想呼之欲出、创新意识非常强烈。然而学生
3、通过手段在获取知识的同时,也在向环境释放着“三废”,其自身也处在污染之中。和当今大力宣传倡导保护环境的思想背道而驰。因此必须对现有的中学化学实验进行绿色化设计。中学化学实验绿色化设计是根据绿色化学的思想和特点,用预防化学污染的新技术,在改革传统化学实验的基础上发展起来的“集约型”的化学实验方法。现行九年级教材中对学习的基本实验技能、对具体实验没有作详细的规定限制,而是在教材中(上册)给出动手做实验48个,活动与探究实验10个,拓展实验2个以及一些课外家庭实验实践活动。不过大多数学校由于实验条件的有限,教材中的学生实验大多数所需药品较多、实验过程不够环保,能基本完成学生实验实属不错了。笔者在这几
4、年的实验过程教学当中发现,当前的实验教学局限性很多:1客观因素(1)时间上:课程标准要求每周开课3节,而我校在每周开课能做到4.5节的情况下仍然觉得时间不足,因为课堂演示实验和学生实验就占了很大一部分时间,我始终坚信做好一个实验就像是“慢工出细活”。(2)空间上:加上教材中的实验装置略显笨重不够灵活,对实验成功的要求也比较高,有的实验很不容易成功、有的实验现象不明显不方便观察、有的实验容易造成环境污染等等不利于学生观察实验的因素。2客观因素(1)教材中的化学实验目的性太强,是典型的“为了实验而实验”,大多数仪器也是围绕着教材来进行生产和加工的,造成现有的实验条件对于课本是“生搬硬套”,所以实验
5、现象往往不尽如人意,导致我们的学生只会过多的思考实验为什么会失败而不会深入了解实验装置应该如何改进等。(2)加上平时现行的各种教辅练习中,习题都过于注重实验现象和实验结果,所以造成学生在实验过程中只是注重“观察”、“记录”,而很少去“反思”、“探究”,学生无法对知识点进行深层次的挖掘和思考,当然也得不到应有的提高,学生在长期这样的“题海战术”中早已经形成思维定位。如果再继续这样让学生只是“做实验”,而不去培养学生“还可以怎么做实验”,那么我们的探究能力培养从何说起,更说培养21世纪最需要的创新人才了。 一、从学生的根本需要去宣传非常有必要进行绿色化实验要培养孩子们进行化学实验的绿色化探究,就必
6、需得让孩子产生探究的欲望。化学学科的快速发展,在造福人类的同时,也给人类生存环境带来了有史以来最严重的危机。为此,近几年来化学学术界提出了“绿色化学”的全新概念。当然,对于只有十几岁的孩子,更容易让学生关注的是追星、电视剧和流行的网络文化,你和他们谈论“绿色化学”无疑等同于和只会种田种菜的农民讨论国家领导人换届一样有些高不可攀,也等同于和只会洗衣做饭的家庭主妇去讨论今天股市行情如何一样有点遥不可及。学生自然无法获得亲身体会,所以在日常教学中多次的渗透现有的科学技术快速发展造成环境的严重污染和气候的恶劣剧变,展示一些现实中触目惊心的图片。例如“白色污染”、“温室效应”、“臭氧层空洞”、“沙尘暴”
7、和各种水污染,再适当播放后天、2012、北京奥运环保和难以忽视的真相等非常有代表性的环保记录片,让学生了解到由于化学技术的飞速发展、各种能源的泛滥使用造成环境的破坏,促使学生从内心上关注环境,先是在日常的化学实验中不浪费药品,珍惜水、电等能源,再进一步去对实验的绿色化进行关注和探究。再充分的整合于教学中提高学生的动手和创新能力。旨在激发学生学习化学的兴趣、帮助学生掌握科学的研究方法和提升学生的思维品质。二、选择无污染的化学物质进行绿色化实验设计,培养学生的创新能力在目前的教学中,对于课堂很难演示的实验,老师往往借助媒体播放录像或动画演示,有的甚至忽略。有的实验对药品的需求量比较多,如果时间不够
8、或其他因素的限制,对实验的成功有着很大的影响。让学生依据实验原理,对实验进行巧妙的设计,改变学生意识中一直沿用的传统的实验方法,既达到了对中学化学实验进行绿色化设计的目的,又培养了学生的创新意识和能力。 【案例1】对制取氧气的实验方案设计:在现行人教版教材中关于氧气的制取无非2种常见方案,一个是加热分解高锰酸钾,另一个是用二氧化锰催化分解过氧化氢,但是前者需要加热耗能多,而且过后试管太脏不容易清洗,而后者反应过快不利于收集氧气且制取氧气后的二氧化锰一般都是直接随水冲入下水道,既浪费又容易污染环境。所以,在鼓励学生去查阅资料和设计验证之后,不难得出下列较为环保的实验方案。并将学生的实验心得总结如
9、下: 实验药品1高锰酸钾2氯酸钾3过氧化氢4过氧化氢5过氧化氢实验条件加热加热及二氧化锰二氧化锰土豆或猪肝氢氧化钙优点分析反应速度适中氧元素转化率 很高生成物无害,无需加热,节能反应物分解得 比较彻底快速分解,气体均匀连续缺点分析2个产物不容易分离产物不易分离且反应速度较慢二氧化锰对环境有害有白沫,难以 收集到气体氧转化率50100505050反思方案4中,反应后土豆变化不大可以用来形容继续炒土豆丝让学生了解催化剂的化学性质在反应前后没有改变,而猪肝几乎变熟了则说明反应是放热的。方案5:过氧化氢H2O2快速分解,气体均匀连续导出,且Ca(OH)2与水易分离,对环境不会产生污染。通过分解的对比得
10、知方案5是最佳设计,它的设计对环境是友好的,符合可持续发展的思想,也完全符合中学化学实验的绿色化设计。【案例2】碳单质还原氧化铜的实验这几年来的教学,除了氢气的爆炸实验之外,觉得最难成功的就是碳单质的还原性实验,因为这个实验既要严格控制碳粉和氧化铜的质量比例,如氧化铜过量则容易生成氧化亚铜,又要使用酒精喷灯,实验时间过长,而且就算这样都未必能看到氧化铜变红,有时候试管还会被高温烧变形。在学生认识到这个实验能使氧化铜还原的是碳单质,我上课时候无意的一句话“很多含有碳单质的物质都能还原氧化铜”,促使学生多方查阅资料并通过以下几种方案的实验验证。第一种情况:针对还原剂碳单质的改进还原剂改进炭黑1B铅
11、笔石蜡沥青花生瓜子核桃物质的壳麦片和纸巾胡椒粉反应条件加热加热加热加热加热加热加热现象不明显较为明显很明显不明显较为明显较为明显较为明显优点分析实验现象明显的都是不需要高温耗能,而且很短的时间即可成功缺点方面的研究或心得体会反应物不能充分接触铅笔芯越粗石墨含量越大越明显不一定是碳单质的还原,同时生成许多烟尘和水,需对副产物的干扰影响进行排除。且试管十分难清洗干净。但可由此启发学生认识工业生产中环境保护的重要性,今后的生活中应当以环境为第一的国民意识和自我保护意识。反思石蜡、花生壳、麦片、胡椒粉等虽然实验现象非常明显,学生为此十分的兴奋。但是过程中产生的浓烟经过新鲜鸡血证明含有少量的一氧化碳不宜
12、推行。第二种情况:针对氧化剂氧化铜的改进氧化剂的改进铜绿分解生成的新制氧化铜铜丝磨后螺旋状,酒精灯上灼烧至变黑后伸入氧气瓶充分氧化铜片表面的氧化物用砂纸除去,在酒精灯上加热后伸入氧气瓶充分氧化表面实验装置分析铜绿分解生成的新制氧化铜和石墨、石蜡反应还原氧化铜,条件简单,反应效果明显。需时2分钟。取出带铜丝的橡皮塞,放入冷水中,洗去表面的炭粉。则可观察到原本黑色的氧化铜变为红色的铜,整个过程4分钟覆盖有氧化铜的铜片代替氧化铜粉末具有操作简便、现象明显、便于观察现象的特点,且铜片可以循环使用,在很大的程度上节约了药品。需时3分钟。比起教材中直接用碳粉和氧化铜粉末在酒精喷灯的条件下还原出铜单质,这些
13、成功的方案在于需要的时间都比较短且实验现象比价明显,便于课堂演示。所使用的物品均来自生活,大大体现了学生的创新能力和化学实验的生活化。不过课本原有的实验并非一无优点,起码在还原出来的铜能保持红热(证明该反应是放热的)这一点,后面的改进实验都较难做到。化学实验呈现出的物质世界的神奇变化与鲜明直观的化学现象,是学生对化学学习产生兴趣的主要源泉。化学通过实验和图形潜移默化地、巧妙地绕过了存在于微观和宏观世界之间认识上的鸿沟,使得物质的化学结构和化学变化成为可以用简明扼要的、有严格语法规则的化学语言来描述的、具体而且富有想象力的符号组合;通过从已知到未知的联想,物质的基本性质和反应的主要特点,可以或多
14、或少地做到“尽收眼底”。总的来说,在“选择无污染的化学物质进行绿色化实验设计,培养学生的创新能力”方面,除了鼓励学生用生活中的常见物品大胆尝试之外,作为引导者的教师,可以多从物质的本质去引导学生“为什么这个实验可以用这种物质”、“这个实验还能用哪些物质”,自发的产生“为什么”的强烈求知欲,从而产生探索化学的浓厚兴趣。但是,如果学生对具体的化学物质并无了解,又不进行实地观察或进行实验,就会成为一种也许只对考试有用的符号游戏,失去了对化学体系的实体感,也就体会不到学习化学的兴趣。如果观察和实验只局限于验证教材上对某个问题所做的解释或理论,而忽视了对化学体系的全面观察和分析,给学生的印象也许最多像一
15、次有趣的魔术表演罢了。三、对有毒或产生污染化学反应进行绿色化实验设计,培养学生的探究能力一谈到环保,许多学生就会认为这是国家的事,与己无关。以教育界为例:全国有数以百万计的中学化学实验室,每天都有大批学生在做各种化学实验,虽然每次排放污染物的量不大,但由于实验日复一日,年复一年地进行,这种积少成多“聚沙成塔”的污染不容忽视。中学化学教学过程中,无论是演示实验还是学生实验,常常是有毒的物质参加反应或产生有污染的物质,若处理不当,对环境会造成污染。而且作为实验的第一人,其实最直接受到污染的就是教师和学生。针对这一问题,有必要引导学生积极思维,进行创新,对实验进行绿色化设计。1绿色化实验设计之灵活多
16、变的微型化“廉租房”所谓微型化学实验,就是以尽可能少的化学试剂来获取所需化学信息的实验方法与技术。虽然它的化学试剂用量一般只为常规实验用量的几十分之一乃至几千分之一,但其效果却可以达到准确、明显、安全、方便和防止环境污染等目的。但把注意力过分集中于微型仪器的设计和制造的做法,只应是从无到有的启蒙阶段的着重点,把传统的演示和教学实验由常规方法转为微型化的工作,是推广初期所必须的,如果仅止于此是不够的。我们需要发掘和设计一些更能发挥微型化学实验优势且能紧密结合学科特点的化学实验体系,为开展探究性学习提供条件,为新课程模块教学提供资源,以此充实化学教学内容和推进化学教学改革。虽然当今微型化化学已经有
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