怎樣設計與改進實驗報告書

一、設計與改進實驗所應遵循的原則

設計、改進實驗是有明確目的的，那就是更好地發揮實驗在化學教學中的作用，不是為“改”而改，也不是標新立異。因而，設計、改進實驗必須遵循如下的原則：

（一）以教學大綱為依據，緊密結合教材內容

教學大綱是指導教學的綱領性檔案，它規定了教學內容的範圍和深度，實驗的改進或增補，應是嚴格遵循大綱的要求，不能“超綱”，也不能隨意降低標準。教材是教和學的依據，教材的編排循序漸進、銜接緊密，形成了完整的科學知識體系。實驗的編排是這一知識體系的重要組成部分。因此，實驗的設計與改進，應首先明確該實驗在教材中的作用。增補是否有價值，是否有助於化學概念的形成，化學原理的說明，增補與改進均應在不違背教學大綱的要求，不違背教材編排科學性的前提下進行。同時實驗安排的時機也應有機地溶入教材的整體之中。

（二）遵循實驗教學自身的科學性、系統性

優秀的教材在實驗教學編排上也應自成體系，有其自身的規律。如對儀器的認識、使用是由簡到繁、漸次增多；各種實驗基本技能的訓練由教師示範到學生逐步掌握應有計劃的安排；又如對學生觀察、分析能力的培養也是循序漸進的；組織學生結合教材自己設計實驗習題更應在有一定知識及技能積累的條件下進行。因此，進行實驗設計與改進，必須遵循實驗教學自身的規律性，違背了學生的認識規律，就會適得其反。例如，對國中化學的增補與改進實驗，宜裝置簡單、原理涉及單一，操作簡便，隨著學生接觸的實驗多了，化學知識更豐富了，再逐步提高實驗的綜合性和複雜程度。

（三）實驗的設計與改進，要有利於全面提高學生的素質

前面已經論述過，實驗的目的，不僅在於知識的傳授和實驗技能的訓練，其重要作用還在於全面提高學生的素質。目前課本上的大部分實驗雖都經過長期教學實踐的檢驗是行之有效的，但多數是驗證性實驗。而探索性實驗是從發展學生思維能力出發，將實驗變成學生創造性學習的手段。在教師的指導下，通過學生親自探索新知、親自實驗，去認識化學概念和規律，有利於對學生進行科學方法的初步訓練。為此，教師要精心設計實驗教學過程，儘量設法提高每個實驗的智力價值，使整個教學過程充滿啟發性、思考性。例如在國中可設計一組探究性實驗使學生形成分子的概念及認識分子的性質。

（四）實驗的設計與改進應考慮教學法的因素

實驗的設計與改進應符合教學法的需要，應有利於調動學生的學習興趣和積極性。例如，新課的講授往往以單獨的實驗為宜，複習課則可設計，增補綜合系列實驗，以實驗為線索引導學生進行復習，如鹵素性質綜合實驗等。並進實驗課的設計應注意如何把演示實驗簡化，使之儀器簡單，需時少，易成功，無危險。一般一節課只應安排2～3個實驗。

（五）力求儀器裝置簡單、效果明顯、直觀性強

實驗現象應使全班學生都能觀察到，儀器裝置簡化的目的是為了突出重點，便於觀察。當簡單性與直觀性發生矛盾時，應服從直觀性的需要。

（六）提高實驗的成功率，改進需時較長的實驗

演示實驗是為配合課堂教學內容進行的，時間過長會影響知識的講授。為保證實驗在預定的時間內順利完成，教師應探究實驗原理，尋找最佳反應條件，研究反應物的數量關係和形態，考慮影響實驗的各種因素。提高實驗成功率，使實驗準確及時完成，是實驗改進的重要課題。

（七）確保安全，防止汙染

中學化學涉及一些易燃、易爆、腐蝕性強及有毒氣體逸出的實驗。在實驗教學中確保學生的安全，防止中毒及汙染也是實驗設計與改進的重要課題。這可從改進儀器裝置，增加防護措施，提高實驗技巧等多方面加以研究。

二、實驗設計與改進的思路與方法

（一）革新設計思想，巧妙構思

實驗的設計與改進，本身是一項研究，是一種創造。不墨守陳規，是革新與創造的精髓。因此，成功的實驗設計與改進，來源於立意的創新、構思的巧妙。這就要求教師在明確化學反應原理的基礎上，有較廣博的知識，要熟悉化學、物理學、生物學等學科的實驗方法，要了解國內外化學實驗設計與改進的動態。下面介紹的幾個實驗是近年來中學化學實驗改革的成果，都很有新意。

1．一氧化氮氣體簡易發生器

由於一氧化氮氣體極易與空氣中的氧氣化合而生成紅棕色的二氧化氮氣體，學生難以從實驗現象上直觀地得出稀硝酸與銅反應生成無色一氧化氮氣體的結論。而改進的一氧化氮氣體簡易發生器（圖16），利用一氧化氮氣體不溶於水的性質，用稀硝酸盛滿整個試管而將空氣排出，避免了生成的一氧化氮與空氣中氧氣接觸的可能。並將一氧化氮的製備與性質實驗融為一體，即可清楚地看出實驗的主要產物：無色的一氧化氮氣體和藍色的硝酸銅溶液，開啟橡皮管夾又可演示一氧化氮與氧氣反應生成紅棕色二氧化氮氣體，同時避免了二氧化氮氣體汙染空氣。這一實驗改進，構思巧妙，裝置簡單，直觀性強，具有新穎性。

2．一氧化碳還原氧化銅實驗

用錐形瓶或集氣瓶收集一瓶一氧化碳，將瓶口用膠塞塞緊。取粗銅絲打磨乾淨後繞成螺旋狀並插入一個與瓶口合適的膠塞中。手持膠塞將銅絲加熱，離開火焰後表面要確實看到生成黑色氧化銅，趁熱插入瓶中，銅絲由黑色瞬間被還原成光亮的紅色，可重複做2～5次，倒入石灰水，石灰水變混濁證明有二氧化碳生成。

這是對原教材中實驗的改進，儀器裝置簡單，操作方便，效果明顯，易於觀察，且減少了一氧化碳的逸出。

3．吸氧腐蝕實驗

本實驗為增補課本實驗空白而設計。可使學生直觀形象地看到吸氧腐蝕有電流產生，是電化腐蝕，加強對吸氧腐蝕機理的認識。

實驗裝置如圖17，將廢鋼鋸條用砂紙打亮，從中間折斷，溶液呈微酸性，pH值為6。

實驗時，每從導管鼓入一次空氣流，即可看到電流計指標發生一次明顯的擺動。此實驗裝置簡單，材料易得，操作方便省時，現象明顯，並可連續使用。

4．焰色反應效果改進實驗

鹼金屬元素的焰色反應實驗，現行教材是用鉑絲蘸取檢測液在酒精燈上灼燒觀察。由於鉑絲蘸取溶液很少，焰色反應很快消失，學生不易看清，特別是用藍色鈷玻璃觀察鉀更困難。

若改用同時點多盞焰色反應燈，能長時間觀察金屬的焰色反應。可廢物利用將青黴素藥瓶製作成焰色反應燈。由於酒精燈用乙醇做燃料，而乙醇火焰帶黃色，對焰色有嚴重干擾。將燃料由乙醇改為甲醇，在燈芯上撒放少許粉狀檢測物，再用深色豎板做背景襯底，點燃燈芯，可觀察到鮮明的被測元素焰色反應。

用滴管往小瓶內加入甲醇溶液不超過2／3容積，放入燈芯即可使用。由於點燈法增大了火焰的可見度，用甲醇做燃料，大大降低了對焰色反應的嚴重干擾，即使觀察鉀的焰色也不必用鈷玻璃。燈芯上新增檢測物後，可以保持較長時間使用。小瓶上要貼有標籤，並設定瓶蓋（可用眼藥瓶底部）。

（二）採用其它學科的實驗儀器和方法

當代科學技術的發展，使得新知識，新技術不斷湧現，各學科之間相互滲透，相互促進成為科技進步的明顯特徵之一。化學實驗也不再是傳統的自我封閉的體系。一些其它學科儀器和電子元器件已成為廣泛通用和普及的了。根據化學實驗設計與改進的原則和方向，引入一些新的儀器或電子元器件，對革新實驗往往會收到事半功倍的效果。下面的一些例項，也出自各地教師的研究成果。

1．化學實驗中發光二極體、三極體、音樂整合塊、壓電陶瓷發聲器等的應用

半導體發光二極體是一種將電能轉化為光能的電子器件，具有耗電省及靈敏度高的特點，利用若干發光二極體和小功率電晶體可製作簡單的直流放大電路。利用輸入電壓的變化，經放大後，能使不同數的發光二極體依次發光。用此裝置可證明不同溶液導電能力的差異。由於不同溶液導電能力不同，輸入電壓也將發生相應變化，此時發光二極體發光的個數也不同，直觀形象地說明了溶液導電能力的差異。

“水的電離度受溫度影響實驗”，“金屬活潑性實驗”，“氫氧化鋇溶液和稀硫酸溶液的中和反應”等實驗均可運用上述裝置。目前，各地推薦的實驗改進、教具改革成果中，很多專案使用發光二極體、三極體等電子器件。這不僅使實驗現象直觀、鮮明，也開拓了學生的思路。

2．利用投影器做化學投影實驗

在簡單裝置中進行的化學實驗一般都可以利用投影器投影。實驗現象被投影放大後，使一些只有細微變化的現象，變得易於觀察，使遠離演示臺的學生也能看清。由於投影實驗只需在較小的器皿內進行，還可以節約藥品。實驗投影的方式分為豎直投影和水平投影兩種。豎直投影時，銀幕上得到的影像是側視實驗的效果；而水平投影時，銀幕上得到的影象是俯視實驗時的效果，教師可根據所做實驗在觀察上的要求來設計投影的方式。水平投影一般在結晶皿內進行，如金屬鈉與水反應、電解銅等實驗均能得到較好的效果。豎直投影實驗，一般在扁平投影反應槽內進行，可用於金屬活動性比較、原電池、膠體電泳等實驗。

（三）從探索最佳反應條件上改進實驗

實驗的研究與改進，一種是新的構思、新的設計，另一種則是對原教材中那些反應條件不易掌握，反應時間較長，效果不明顯的實驗加以改進，使之更適合教學需要。這還包括原教材中的實驗設計無可挑剔，但結合本校具體條件做起來不盡理想的。在不改變原設計構思的情況下，研究的方向主要是探索最佳的反應條件，因為化學反應的發生與進行是受到多種因素制約的，首先是決定於反應物的組成、結構、性質與相互間的作用，其次還要受到外界多種因素與實驗程式的影響。因此，化學反應條件的研究與控制是實驗成敗的關鍵之一。影響化學反應的速度與程度和實驗現象的鮮明與準確的客觀因素是眾多的。常見的客觀條件有反應物的濃度、用量的配比、純度、溫度，反應物間的接觸面積，反應體系的壓強、溫度、光照及溶劑，反應介質的pH值，實驗的程式，電化學反應所需要的電流強度與電壓等等。這方面的研究與探索對提高實驗教學質量具有十分現實的意義。

1．木炭還原氧化銅實驗反應條件的研究

為得到光澤性好的塊狀金屬銅是改進本實驗的目的，關鍵在於研究最佳反應條件。

首先要解決的是木炭和氧化銅的用量比，理論上，木炭與氧化銅的質量比是1∶13．3。但若按此量，木炭的用量實際上會不足，因為試管中的空氣會消耗一定量木炭。因而木炭用量要比理論值偏高，實驗證明，木炭與氧化銅質量比以1∶10至1∶12為宜。反應物的總量也會影響實驗效果，太多、太少均不好，如用15×150mm的試管以1.6克為宜。反應物顆粒要細，混合均勻，適度壓實，使顆粒間緊密接觸，目的是增大反應物的接觸面。另一課題是研究反應溫度及燈具，由於本實驗是固相反應，要求使用高溫燈加熱，最宜控制掌握的是使用加鐵紗網罩的大火酒精燈，還要考慮此反應是放熱反應，當反應物開始發紅，猛烈燃燒時應及時撤走酒精燈，便於觀察反應繼續進行直至反應完全。

2．利用正交試驗設計法研究反應最佳條件

當原實驗給定的條件不詳，效果較差又無文獻可查時，應利用正交試驗設計法進行研究。正交試驗設計法，簡稱正交法，它利用正交表來安排試驗。對那些受諸因素影響的實驗，要想獲得最佳反應條件，如果盲目試驗，不僅增加試驗次數，延長週期，造成人力物力的浪費，有時還會因試驗次數多得驚人以致無法進行。使用正交法能從眾多的不同條件搭配中，選出少量的最具“代表性”的試驗，並能對影響試驗結果的各個因素的重要程度給予定量的估計。正交法是一種科學方法，一項科學試驗要想達到預期的目的，除了正確的指導思想外，採用科學方法也是試驗成敗的關鍵。

（四）採用代用品，自己動手設計製作簡單的專用儀器

由於學校條件，實驗室裝置及經費的限制，使部分學校不能按質按量完成教材規定的實驗教學內容。為解決這一問題，因地制宜採用代用品，自己動手設計製作簡單的儀器，是一項大有作為的研究課題。現舉幾例說明。

1．用紅磷做“自燃”實驗

白磷劇毒，易燃，一般中學不具備儲存條件。但若將一般實驗室中易得到的紅磷轉化成白磷做自燃實驗，不但補足了教材中應做的實驗，還擴充套件了學生的知識面。

取紅磷2克裝入大試管中，把10釐米長的濾紙條捲成螺旋狀裝入試管中，配上有直角導管的膠塞，並將導管插入盛有水的試管中。加熱紅磷，紅磷昇華為磷蒸氣，被濾紙吸附。停止加熱，換上無孔膠塞（此時紅磷已轉化為白磷），待用。實驗時，用鑷子夾出紙條，白磷遇空氣即燃。

2．為引出催化劑概念而設計的實驗裝置

原教材中為引出催化劑概念而設計了三個實驗，很費時間。現在用一個自制的簡單儀器，可使三個實驗用一個連續的實驗代替。

儀器如圖18。A為自制彎曲試管，B為氯酸鉀，C為二氧化錳。實驗時，首先加熱二氧化錳，檢驗無氧氣放出。再加熱氯酸鉀至熔化，有氧氣放出。移開火焰，使試管直立，二氧化錳落入加熱的氯酸鉀中，檢驗有氧氣迅速放出。此實驗由於簡潔，有利於概念的引出，已被選入北京市的新編教材中。

3．二氧化碳比空氣重的實驗

用托盤天平稱量實驗備用的燒杯的質量後，把集氣瓶中的二氧化碳慢慢地向燒杯裡傾倒，讓學生觀看天平指標發生偏移。這一實驗由於種種原因往往不易成功。分析原因，有時是由於實驗室的天平被腐蝕而不夠靈敏所致；稱量與感量不匹配等。如用250毫升燒杯稱量二氧化碳和空氣，其質量差是0.1705克，如果用感量0.2克的天平則指示不出明顯變化，所以應當用再大一些的容器。再有集氣瓶的體積也應與燒杯的體積相匹配，集氣瓶的體積應等於或大於燒杯的體積，容器是否乾燥也很重要。為了提高演示成功率，可改成一種自制天平。將懸有兩個紙袋的槓桿支架起來並保持平衡，將其懸掛在鐵架臺上。用大燒杯收集滿二氧化碳，然後將二氧化碳慢慢傾注到一端的紙袋裡。槓桿失去平衡時，再向另一端的紙袋裡倒入二氧化碳，槓桿又恢復平衡。本著就地取材，因陋就簡的精神，可製作多種實用的儀器。如用廢牛皮紙信封做成漏斗，再塗以蠟或樹脂塗料實用且不易摔碎。用易拉罐，有機玻璃、泡沫板，聚光電珠等製作高亮度丁達爾現象實驗器，實驗現象十分明顯；用135膠捲暗盒製作的酒精燈增溫護焰罩，能使酒精充分燃燒，焰高是原來的1．5～2倍，處於半氣化狀態，加罩的酒精燈適用於木炭還原氧化銅、甲烷製取、焰色反應等高溫實驗。其它一些代用品或廢棄物如輸液管、塑料瓶等均可派上用場。

4．液封除毒氣化學儀器的自制

在中學化學課本的演示實驗中，有一些實驗會產生汙染物，對師生健康有害。如二氧化硫、氯氣等，可在現有儀器的條件下加工製成具有防毒氣逸出的裝置，使實驗更加安全，也有利於對學生進行環境保護的教育。圖19中的液封集氣瓶，可進行多種有害氣體性質實驗。

使用代用品或製作簡單儀器，應力求操作規範，並應向學生說明規範實驗的內容。做到既增補了因儀器、藥品不足而減少的實驗，同時又鼓勵學生的創造性，提高他們的學習興趣和實驗技能。