怎样设计与改进实验报告书
一、设计与改进实验所应遵循的原则
设计、改进实验是有明确目的的，那就是更好地发挥实验在化学教学中的作用，不是为“改”而改，也不是标新立异。因而，设计、改进实验必须遵循如下的原则：
（一）以教学大纲为依据，紧密结合教材内容
教学大纲是指导教学的纲领性文件，它规定了教学内容的范围和深度，实验的改进或增补，应是严格遵循大纲的要求，不能“超纲”，也不能随意降低标准。教材是教和学的依据，教材的编排循序渐进、衔接紧密，形成了完整的科学知识体系。实验的编排是这一知识体系的重要组成部分。因此，实验的设计与改进，应首先明确该实验在教材中的作用。增补是否有价值，是否有助于化学概念的形成，化学原理的说明，增补与改进均应在不违背教学大纲的要求，不违背教材编排科学性的前提下进行。同时实验安排的时机也应有机地溶入教材的整体之中。
（二）遵循实验教学自身的科学性、系统性
优秀的教材在实验教学编排上也应自成体系，有其自身的规律。如对仪器的认识、使用是由简到繁、渐次增多；各种实验基本技能的训练由教师示范到学生逐步掌握应有计划的安排；又如对学生观察、分析能力的培养也是循序渐进的；组织学生结合教材自己设计实验习题更应在有一定知识及技能积累的条件下进行。因此，进行实验设计与改进，必须遵循实验教学自身的规律性，违背了学生的认识规律，就会适得其反。例如，对初中化学的增补与改进实验，宜装置简单、原理涉及单一，操作简便，随着学生接触的实验多了，化学知识更丰富了，再逐步提高实验的综合性和复杂程度。
（三）实验的设计与改进，要有利于全面提高学生的素质
前面已经论述过，实验的目的，不仅在于知识的传授和实验技能的训练，其重要作用还在于全面提高学生的素质。目前课本上的大部分实验虽都经过长期教学实践的检验是行之有效的，但多数是验证性实验。而探索性实验是从发展学生思维能力出发，将实验变成学生创造性学习的手段。在教师的指导下，通过学生亲自探索新知、亲自实验，去认识化学概念和规律，有利于对学生进行科学方法的初步训练。为此，教师要精心设计实验教学过程，尽量设法提高每个实验的智力价值，使整个教学过程充满启发性、思考性。例如在初中可设计一组探究性实验使学生形成分子的概念及认识分子的性质。
（四）实验的设计与改进应考虑教学法的因素
实验的设计与改进应符合教学法的需要，应有利于调动学生的学习兴趣和积极性。例如，新课的讲授往往以单独的实验为宜，复习课则可设计，增补综合系列实验，以实验为线索引导学生进行复习，如卤素性质综合实验等。并进实验课的设计应注意如何把演示实验简化，使之仪器简单，需时少，易成功，无危险。一般一节课只应安排2～3个实验。
（五）力求仪器装置简单、效果明显、直观性强
实验现象应使全班学生都能观察到，仪器装置简化的目的是为了突出重点，便于观察。当简单性与直观性发生矛盾时，应服从直观性的需要。
（六）提高实验的成功率，改进需时较长的实验
演示实验是为配合课堂教学内容进行的，时间过长会影响知识的讲授。为保证实验在预定的时间内顺利完成，教师应探究实验原理，寻找最佳反应条件，研究反应物的数量关系和形态，考虑影响实验的各种因素。提高实验成功率，使实验准确及时完成，是实验改进的重要课题。
（七）确保安全，防止污染
中学化学涉及一些易燃、易爆、腐蚀性强及有毒气体逸出的实验。在实验教学中确保学生的安全，防止中毒及污染也是实验设计与改进的重要课题。这可从改进仪器装置，增加防护措施，提高实验技巧等多方面加以研究。
二、实验设计与改进的思路与方法
（一）革新设计思想，巧妙构思
实验的设计与改进，本身是一项研究，是一种创造。不墨守陈规，是革新与创造的精髓。因此，成功的实验设计与改进，来源于立意的创新、构思的巧妙。这就要求教师在明确化学反应原理的基础上，有较广博的知识，要熟悉化学、物理学、生物学等学科的实验方法，要了解国内外化学实验设计与改进的动态。下面介绍的几个实验是近年来中学化学实验改革的成果，都很有新意。
1．一氧化氮气体简易发生器
由于一氧化氮气体极易与空气中的氧气化合而生成红棕色的二氧化氮气体，学生难以从实验现象上直观地得出稀硝酸与铜反应生成无色一氧化氮气体的结论。而改进的一氧化氮气体简易发生器（图16），利用一氧化氮气体不溶于水的性质，用稀硝酸盛满整个试管而将空气排出，避免了生成的一氧化氮与空气中氧气接触的可能。并将一氧化氮的制备与性质实验融为一体，即可清楚地看出实验的主要产物：无色的一氧化氮气体和蓝色的硝酸铜溶液，打开橡皮管夹又可演示一氧化氮与氧气反应生成红棕色二氧化氮气体，同时避免了二氧化氮气体污染空气。这一实验改进，构思巧妙，装置简单，直观性强，具有新颖性。
2．一氧化碳还原氧化铜实验
用锥形瓶或集气瓶收集一瓶一氧化碳，将瓶口用胶塞塞紧。取粗铜丝打磨干净后绕成螺旋状并插入一个与瓶口合适的胶塞中。手持胶塞将铜丝加热，离开火焰后表面要确实看到生成黑色氧化铜，趁热插入瓶中，铜丝由黑色瞬间被还原成光亮的'红色，可重复做2～5次，倒入石灰水，石灰水变混浊证明有二氧化碳生成。
这是对原教材中实验的改进，仪器装置简单，操作方便，效果明显，易于观察，且减少了一氧化碳的逸出。
3．吸氧腐蚀实验
本实验为增补课本实验空白而设计。可使学生直观形象地看到吸氧腐蚀有电流产生，是电化腐蚀，加强对吸氧腐蚀机理的认识。
实验装置如图17，将废钢锯条用砂纸打亮，从中间折断，溶液呈微酸性，pH值为6。
实验时，每从导管鼓入一次空气流，即可看到电流计指针发生一次明显的摆动。此实验装置简单，材料易得，操作方便省时，现象明显，并可连续使用。
4．焰色反应效果改进实验
碱金属元素的焰色反应实验，现行教材是用铂丝蘸取检测液在酒精灯上灼烧观察。由于铂丝蘸取溶液很少，焰色反应很快消失，学生不易看清，特别是用蓝色钴玻璃观察钾更困难。
若改用同时点多盏焰色反应灯，能长时间观察金属的焰色反应。可废物利用将青霉素药瓶制作成焰色反应灯。由于酒精灯用乙醇做燃料，而乙醇火焰带黄色，对焰色有严重干扰。将燃料由乙醇改为甲醇，在灯芯上撒放少许粉状检测物，再用深色竖板做背景衬底，点燃灯芯，可观察到鲜明的被测元素焰色反应。
用滴管往小瓶内加入甲醇溶液不超过2／3容积，放入灯芯即可使用。由于点灯法增大了火焰的可见度，用甲醇做燃料，大大降低了对焰色反应的严重干扰，即使观察钾的焰色也不必用钴玻璃。灯芯上添加检测物后，可以保持较长时间使用。小瓶上要贴有标签，并设置瓶盖（可用眼药瓶底部）。
（二）采用其它学科的实验仪器和方法
当代科学技术的发展，使得新知识，新技术不断涌现，各学科之间相互渗透，相互促进成为科技进步的明显特征之一。化学实验也不再是传统的自我封闭的体系。一些其它学科仪器和电子元器件已成为广泛通用和普及的了。根据化学实验设计与改进的原则和方向，引入一些新的仪器或电子元器件，对革新实验往往会收到事半功倍的效果。下面的一些实例，也出自各地教师的研究成果。
1．化学实验中发光二极管、三极管、音乐集成块、压电陶瓷发声器等的应用
半导体发光二极管是一种将电能转化为光能的电子器件，具有耗电省及灵敏度高的特点，利用若干发光二极管和小功率晶体管可制作简单的直流放大电路。利用输入电压的变化，经放大后，能使不同数的发光二极管依次发光。用此装置可证明不同溶液导电能力的差异。由于不同溶液导电能力不同，输入电压也将发生相应变化，此时发光二极管发光的个数也不同，直观形象地说明了溶液导电能力的差异。
“水的电离度受温度影响实验”，“金属活泼性实验”，“氢氧化钡溶液和稀硫酸溶液的中和反应”等实验均可运用上述装置。目前，各地推荐的实验改进、教具改革成果中，很多项目使用发光二极管、三极管等电子器件。这不仅使实验现象直观、鲜明，也开拓了学生的思路。
2．利用投影器做化学投影实验
在简单装置中进行的化学实验一般都可以利用投影器投影。实验现象被投影放大后，使一些只有细微变化的现象，变得易于观察，使远离演示台的学生也能看清。由于投影实验只需在较小的器皿内进行，还可以节约药品。实验投影的方式分为竖直投影和水平投影两种。竖直投影时，银幕上得到的影像是侧视实验的效果；而水平投影时，银幕上得到的影象是俯视实验时的效果，教师可根据所做实验在观察上的要求来设计投影的方式。水平投影一般在结晶皿内进行，如金属钠与水反应、电解铜等实验均能得到较好的效果。竖直投影实验，一般在扁平投影反应槽内进行，可用于金属活动性比较、原电池、胶体电泳等实验。
（三）从探索最佳反应条件上改进实验
实验的研究与改进，一种是新的构思、新的设计，另一种则是对原教材中那些反应条件不易掌握，反应时间较长，效果不明显的实验加以改进，使之更适合教学需要。这还包括原教材中的实验设计无可挑剔，但结合本校具体条件做起来不尽理想的。在不改变原设计构思的情况下，研究的方向主要是探索最佳的反应条件，因为化学反应的发生与进行是受到多种因素制约的，首先是决定于反应物的组成、结构、性质与相互间的作用，其次还要受到外界多种因素与实验程序的影响。因此，化学反应条件的研究与控制是实验成败的关键之一。影响化学反应的速度与程度和实验现象的鲜明与准确的客观因素是众多的。常见的客观条件有反应物的浓度、用量的配比、纯度、温度，反应物间的接触面积，反应体系的压强、温度、光照及溶剂，反应介质的pH值，实验的程序，电化学反应所需要的电流强度与电压等等。这方面的研究与探索对提高实验教学质量具有十分现实的意义。
1．木炭还原氧化铜实验反应条件的研究
为得到光泽性好的块状金属铜是改进本实验的目的，关键在于研究最佳反应条件。
首先要解决的是木炭和氧化铜的用量比，理论上，木炭与氧化铜的质量比是1∶13．3。但若按此量，木炭的用量实际上会不足，因为试管中的空气会消耗一定量木炭。因而木炭用量要比理论值偏高，实验证明，木炭与氧化铜质量比以1∶10至1∶12为宜。反应物的总量也会影响实验效果，太多、太少均不好，如用15×150mm的试管以1.6克为宜。反应物颗粒要细，混合均匀，适度压实，使颗粒间紧密接触，目的是增大反应物的接触面。另一课题是研究反应温度及灯具，由于本实验是固相反应，要求使用高温灯加热，最宜控制掌握的是使用加铁纱网罩的大火酒精灯，还要考虑此反应是放热反应，当反应物开始发红，猛烈燃烧时应及时撤走酒精灯，便于观察反应继续进行直至反应完全。
2．利用正交试验设计法研究反应最佳条件
当原实验给定的条件不详，效果较差又无文献可查时，应利用正交试验设计法进行研究。正交试验设计法，简称正交法，它利用正交表来安排试验。对那些受诸因素影响的实验，要想获得最佳反应条件，如果盲目试验，不仅增加试验次数，延长周期，造成人力物力的浪费，有时还会因试验次数多得惊人以致无法进行。使用正交法能从众多的不同条件搭配中，选出少量的最具“代表性”的试验，并能对影响试验结果的各个因素的重要程度给予定量的估计。正交法是一种科学方法，一项科学试验要想达到预期的目的，除了正确的指导思想外，采用科学方法也是试验成败的关键。
（四）采用代用品，自己动手设计制作简单的专用仪器
由于学校条件，实验室设备及经费的限制，使部分学校不能按质按量完成教材规定的实验教学内容。为解决这一问题，因地制宜采用代用品，自己动手设计制作简单的仪器，是一项大有作为的研究课题。现举几例说明。
1．用红磷做“自燃”实验
白磷剧毒，易燃，一般中学不具备保存条件。但若将一般实验室中易得到的红磷转化成白磷做自燃实验，不但补足了教材中应做的实验，还扩展了学生的知识面。
取红磷2克装入大试管中，把10厘米长的滤纸条卷成螺旋状装入试管中，配上有直角导管的胶塞，并将导管插入盛有水的试管中。加热红磷，红磷升华为磷蒸气，被滤纸吸附。停止加热，换上无孔胶塞（此时红磷已转化为白磷），待用。实验时，用镊子夹出纸条，白磷遇空气即燃。
2．为引出催化剂概念而设计的实验装置
原教材中为引出催化剂概念而设计了三个实验，很费时间。现在用一个自制的简单仪器，可使三个实验用一个连续的实验代替。
仪器如图18。A为自制弯曲试管，B为氯酸钾，C为二氧化锰。实验时，首先加热二氧化锰，检验无氧气放出。再加热氯酸钾至熔化，有氧气放出。移开火焰，使试管直立，二氧化锰落入加热的氯酸钾中，检验有氧气迅速放出。此实验由于简洁，有利于概念的引出，已被选入北京市的新编教材中。
3．二氧化碳比空气重的实验
用托盘天平称量实验备用的烧杯的质量后，把集气瓶中的二氧化碳慢慢地向烧杯里倾倒，让学生观看天平指针发生偏移。这一实验由于种种原因往往不易成功。分析原因，有时是由于实验室的天平被腐蚀而不够灵敏所致；称量与感量不匹配等。如用250毫升烧杯称量二氧化碳和空气，其质量差是0.1705克，如果用感量0.2克的天平则指示不出明显变化，所以应当用再大一些的容器。再有集气瓶的体积也应与烧杯的体积相匹配，集气瓶的体积应等于或大于烧杯的体积，容器是否干燥也很重要。为了提高演示成功率，可改成一种自制天平。将悬有两个纸袋的杠杆支架起来并保持平衡，将其悬挂在铁架台上。用大烧杯收集满二氧化碳，然后将二氧化碳慢慢倾注到一端的纸袋里。杠杆失去平衡时，再向另一端的纸袋里倒入二氧化碳，杠杆又恢复平衡。本着就地取材，因陋就简的精神，可制作多种实用的仪器。如用废牛皮纸信封做成漏斗，再涂以蜡或树脂涂料实用且不易摔碎。用易拉罐，有机玻璃、泡沫板，聚光电珠等制作高亮度丁达尔现象实验器，实验现象十分明显；用135胶卷暗盒制作的酒精灯增温护焰罩，能使酒精充分燃烧，焰高是原来的1．5～2倍，处于半气化状态，加罩的酒精灯适用于木炭还原氧化铜、甲烷制取、焰色反应等高温实验。其它一些代用品或废弃物如输液管、塑料瓶等均可派上用场。
4．液封除毒气化学仪器的自制
在中学化学课本的演示实验中，有一些实验会产生污染物，对师生健康有害。如二氧化硫、氯气等，可在现有仪器的条件下加工制成具有防毒气逸出的装置，使实验更加安全，也有利于对学生进行环境保护的教育。图19中的液封集气瓶，可进行多种有害气体性质实验。
使用代用品或制作简单仪器，应力求操作规范，并应向学生说明规范实验的内容。做到既增补了因仪器、药品不足而减少的实验，同时又鼓励学生的创造性，提高他们的学习兴趣和实验技能。