创新教育与绿色化学实验的研究与应用
1 化学教学中创新教育模式的研究
化学是一门以实验为基础的学科,在化学教学中,要 培养学生的创新精神,必须遵循思维科学的规律。人的大脑两半球基本上是以不同的方式进行思维的[1],左脑倾向于对抽象材料(概念、数字、理论)形成概念、作出判断、用推理的方式进行抽象思维;右脑则通过对形象材料、表象的加工改造进行形象思维。一个人的思维分为三种:抽象(逻辑)思维、形象(直觉)思维和灵感(顿悟)思维。创造思维是思维的最高形式,创造活动是通过抽象思维和形象思维协同进行的。通过对创造过程四个阶段的研究结果说明,形象思维在创新过程中,起着关键的作用[2]。所以,我国着名科学家钱学森说[3]:“我建议把形象思维作为思维科学的突破口。”
2 绿色化学实验是实施化学教学创新教育模式的重要保证
绿色化学(Green chemistry)是一门从源头上阻止污染的化学[6],把绿色化学思想贯穿在化学教学的全过程中,一方面是为了从小培养有强烈环保意识的人,另一方面绿色化学实验本身就是化学教学中实施创新教育的重要内容和必要保证。
让学生在课堂上边学边做实验,应该具备以下基本条件:
(1)有适合于学生在课堂上操作的小型、便携、易掌握、能快捷装配的实验仪器;
(2) 取药品方便,实验安全,试剂用量少,产生的废液少,几乎没有毒气污染。
2.1 绿色化学实验的研究
目前我们主要在以下方面进行了初步的研究与教学实践:
(1)研究新的绿色的化学实验:根据化学教学需要,发现、设计或选择没有污染和安全的实验取代那些污染严重或危险性大的实验。
(2)深入对微型化学实验的研究:在能获取所需化学实验信息的前提下,采用“尽可能少剂量实验”,以减少或消除实验废物。
2.2 绿色化学实验研究实例
不同浓度的HNO3与Cu的反应,是证实不同浓度的HNO3氧化性不同的典型实验,在高中和大学的化学实验里都有。为了能保留这一典型实验,又不污染环境,我们进行了无毒气污染的Cu与HNO3反应实验研究,并在淅川一高高一年级57人的实验班中进行了教学实践检验。
2.2.1 实验过程
铜与硝酸反应
仪器:微型化学实验操作台120mm×200mm、10mL的双颈烧瓶、小胖肚滴管(每毫升约20滴)、连接管、U形管反应器。
试剂:浓HNO3(0.5mL)、细铜屑(芝麻大小的约6粒)。
材料:PH试纸(0.5cm2)。
学生在1分钟内安装好了实验装置(如图1所示)。向双颈烧瓶内放入4粒左右的铜屑;将吸入了浓HNO3的小胖肚滴管紧塞在双颈烧瓶的左颈上;把2粒铜屑放入U形管反应器的弯管处,并向弯管处滴入约6滴蒸馏水(水刚好封住弯管);把润湿的PH试纸放在U形管反应器的右管口(只留约0.2mm的缝)。
向双颈烧瓶内先滴入约4滴浓HNO3,Cu与浓HNO3反应,双颈烧瓶内立即充满了红棕色的NO2气体:
当双颈烧瓶内的反应减缓时,可以再逐滴滴入4滴浓HNO3,使不断产生的少量NO2气体,能缓缓通入U形管中的水里,充分与水反应,生成稀HNO3。
在这过程中,我们可以明显地观察到:起初放入U型管内水中的铜屑,没有与水反应,但当NO2通人水中后,慢慢地发现铜的表面产生了气泡,生成的气体是无色的NO气体:
3Cu+8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
NO气体升到U形管管口,被空气中的氧气氧化:
2NO+O2=2NO2
生成的NO2气体与U形管管口上润湿的PH试纸里的水反应,生成HNO3,使PH试纸变红。当PH试纸变红后,可以把用水或碱液润湿的小棉花球放在U形管管口上,把产生的剩余NO2吸收掉。
为了验证是NO2与水生成HNO3使PH试纸变红,而不是NO与水反应使PH试纸变红(NO几乎不溶于水)。
把稀硝酸与铜反应生成的无色NO,直接通人水中,结果,经过较长时间不能使水中的PH试纸变红,而洗气头出口处的NO气体与空气中O2反应生成NO2后,与管口润湿的PH试纸里的水反应生成HNO3使PH试纸变红。
2.2.2 实验的优点
(1)前一步反应的有毒产物是下一步反应的反应物,使前一步的有毒产物能得到很好的利用,在实验过程中几乎没有毒气散发在实验场所的空气里:
(2)与常规实验相比较,这个实验能较好地显示出浓硝酸与稀硝酸、NO与NO2的区别与联系。
(3)该实验的试剂用量少,仅为常规量的十分之一左右,使实验的废弃物大大减少,而实验现象明显。
(4)该套仪器装置小巧,使用方便。
3 绿色化学实验研究的展望
在化学教学过程中,绿色化学实验不仅能使实验者在良好的实验环境中工作和学习,而且能使学生在实验过程中培养预防化学污染的思想和学习消除或尽可能减少毒气污染的实验技术。对绿色化学实验的研究,将为我们在化学教学中实施创新教育作出应有的贡献。
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