整合实验装置

整合实验装置（共4篇）

整合实验装置 篇1

人教版普通高中课程标准实验教科书《化学. 选修6》第二单元课题一中《渗析分离实验》(在教材第16 至17 页)的实验装置图如下(见图1)

本人根据该装置进行多次演示实验发现有如下缺点:

1. 用淀粉胶体和氯化钠溶液装入半透膜并制作成半透膜袋,此过程操作复杂。

2. 将半透膜袋悬挂在横跨烧杯(先装入一定量的蒸馏水备用)的玻璃棒上,此操作费时又费力。

总的来说就是操作不简易、费时又费力。

为了避开以上缺点,本人在实验器具上做了改进和创新,设计并制作出了一种简易的渗析分离实验器。

一、 简易渗析分离实验器的整体结构图(图2 见下页)

二、简易渗析分离实验器的说明

1. 实验器结构:在普通烧杯直径所在面上加入一块多孔的面ABCD,且紧靠边AD、边DC和边CB位置处分别有2mm宽的方槽AlDl、DlCl和ClBl,三槽相互连通(简称方槽AlBlClDl,见图3),方槽功能在于用来嵌置半透膜。

2. 制作工艺:实验器(图2)中面ABCD(带有多孔)、方槽AlBlClDl、烧杯四周及底部均采用玻璃材料一体化烧制而成。

3. 实验器的半透膜选择与安装

(1)半透膜材料的选择与剪裁

咱们可以采用的半透膜有动物材料(嗉囊、肠衣、鱼鳔、鸡蛋的卵膜、动物的膀胱等)、植物材料(海带、阔叶植物的叶片、洋葱表皮等)、化工材料(玻璃纸等),现将相关半透膜材料的各种参数做如下对比:

根据上表中材料性能、材料的面积与厚度和膜的制备等参数,选择海带作为本实验的半透膜材料是最合理的。

将已浸泡的海带(厚度稍小于2mm,面积合适)用剪刀剪裁成面积和ABCD的面积相同的备用材料。

(2)安装半透膜:将剪裁好的海带嵌置在方槽里,在这儿特别要说明的是面ABCD(带有多孔)和烧杯四周及底部采用玻璃材料一体化烧制而成的目的是为了保证半透膜嵌置在方槽里绝对牢固。

4. 用途:该实验器用于渗析分离实验

三、简易渗析分离实验器的使用方法

1. 实验步骤

将40m L淀粉胶体和20m L氯化钠溶液的混合溶液加入自制的简易渗析分离实验器(图2)的左侧空间,5 分钟后在实验器右侧空间出现了溶液,取此溶液少量分别置于两支试管内,向两支试管内分别滴加硝酸银溶液和碘水,观察现象。

2. 实验现象及结论

滴加碘水的试管中溶液颜色不变蓝,说明淀粉胶体的胶粒不能通过半透膜;滴加硝酸银溶液的试管中产生白色沉淀,说明氯离子随着水分子通过了半透膜。

四、创新点

在教材上的渗析分离实验中实验器使用过程太复杂,而本人自制的简易渗析分离实验器使用起来很简易、方便。

参考文献

宋心琦.普通高中课程标准实验教科书:《化学》(选修6).人民教育出版社,2005:16-17

整合实验装置 篇2

《计算机控制技术》课程在自动化专业教学计划中是一门重要的专业课。其主要任务是使学生获得计算机控制系统的组成、原理、设计等基础知识和基本应用技术。实验课是本课程重要的教学环节,其目的是使学生在了解计算机控制系统的基本控制方法的基础上,掌握用C语言程序设计控制系统的方法。培养学生独立进行计算机控制系统实验的技能,从而使学生掌握计算机控制系统的一般工程设计方法。

作为一门工程性很强的自动化专业课程,一直以来在我系微机原理实验室做计算机控制技术实验内容显然不行[1]。因此,从2002年初起,我系开始计划筹建计算机控制技术专业实验室。在筹建的过程中,我系对国内很多大学正在使用或市场上销售的计算机控制实验装置进行了考察,结果发现它们在实验教学功能上普遍存在两点不足:一是实验内容陈旧;二是不能体现工业控制计算机在实际工程应用中的特点。最终未能找到合适的面向自动化专业工程实际的计算机控制实验教学装置。2003年3月,我系该项目负责人决定自主设计计算机控制实验内容并开发相应的实验装置。经过多次对实验内容及样机进行修改后,批量生产1 7台计算机控制技术实验装置装备我系计算机控制技术实验室,2004年10月首次用于2000级自动化专业本科生的计算机控制技术课程实验教学,学生普遍反映实验内容工程性强,实验教学效果良好[2]。

2 实验内容的设计

对于工业控制计算机作为计算机控制系统的核心来说,首先在实验教学中应体现其作为工业控制器的特点,只有这样,才能让学生充分理解工业控制计算机的硬件特性和功能[3]。其次,要面向自动化专业的学生,将实验内容与工程实际结合起来,以提高学生的学习兴趣,培养学生的工程意识。此外,考虑到学生做计算机控制技术实验时已经具有微机原理、单片机等很多课程实验的基础,实验内容的难度要适当提高,以综合设计性实验为主,提高学生的创新能力。根据教学计划,计算机控制技术实验共6个学时,学期末有为期一周的计算机控制技术课程设计,实验室对全校学生实行全开放型预约实验。

2.1 实验装置熟悉及I/O通道实验

计算机控制技术实验装置采用积木式结构、使用非常方便。第一次实验开始时首先由实验教师向学生介绍实验装置功能,然后学生花很短时间熟悉实验装置并重点掌握基本输入输出通道的功能。I/O通道包括8路数字量输入、8路数字量输出、4路模拟量输入和2路模拟量输出。学生在掌握板卡常用功能的基础上,使用C语言程序编写初始化pcl812板卡子程序(其功能是初始化pcl812板卡,设置pcl板卡数据读取方式,设置中断计数器)和初始化中断及中断服务子程序。并由定时器中断触发启动A/D转换,实现对外部开关信号、模拟量等进行采集。由于工业控制计算机的I/O通道功能比较好理解,且与单片机相应功能类似,学生通常都能较好地掌握,从而达到实验目的。

2.2 滤波实验

计算机控制系统在生产现场运行,信号的采集、转换必然受到生产现场各种强烈的干扰,如电网的波动、强电设备的启停、高压设备和开关的电磁辐射等造成的干扰都会窜入I/O通道,轻则使采集的信号不精确,重则使系统无法正常运行[4]。

为了提高计算机控制系统的可靠性,在系统设计时必须采取多种抗干扰措施。如果在实验教学中不安排I/O通道抗干扰方面的内容,对于学生真正掌握计算机控制系统的组成和特点都不利。常用的抑制串模干扰的方法有两个:一个是根据干扰信号的特性来选择模拟输入滤波器;另一个是采用数字滤波技术,例如可采用平均值法、中值法、一阶惯性滤波等算法滤去干扰信号[1]。相比较而言,数字滤波器能够更好的帮助学生理解计算机控制系统的特点。学生实验时,要求先读懂加有详细注释的板卡初始化及中断子程序,然后参考校编《计算机控制技术实验指导书》中关于实现数字滤波器的介绍,分析数字滤波算法的程序框图,要求学生自行编写各种数字滤波算法程序,再输入A/D通道采集的混合信号,验证数字滤波器的滤波效果。本次实验主要是让学生熟悉数字滤波器的实现方法,认识工业控制计算机的硬件特性,理解板卡的有关驱动程序及板卡设置等都有很大的帮助。因为实验室是全开放的,对于学有余力或有兴趣的学生,还可以加做其他高级滤波算法的实验,自行设计数字滤波器系统传递函数并编程实现数字滤波器。

2.3 数字PID算法实验

本次实验要求学生根据被控对象的传递函数,设计被控对象的控制器传递函数。采用P I D位置式递推算式、PID增量式递推算式、防积分饱和PID控制算法实现对被控对象的控制。根据PID控制对象的参数整定方法,确定P、I、D参数。通过连线使学生对计算机控制系统的结构有整体认识。

学生在做实验时,把产生带有高频噪声干扰的有用信号,让其通过模拟低通滤波器之后,将滤波器输出作为闭环系统的给定输入并经模拟量输入通道一进行数据采集。模拟对象输出作为单位负反馈信号并经模拟量输入通道一进行数据采集。当板卡采集到给定和反馈信号后,要求学生调用自编的PID控制算法子程序,根据采样时刻的偏差值计算控制量。控制量通过模拟量输出通道1输出加到模拟对象的输入端对其进行闭环控制,并调用编写的显示图形子程序,将控制结果及参数实时显示出来。总而言之,前三次实验内容,既是相互独立的,又是相互关联的。通过前三次实验,加强学生对使用板卡进行数据采集过程的理解,为将工业控制计算机用于计算机控制系统工程实际打下一定基础。

2.4 综合设计实验

工业控制计算机在工业控制中的应用非常广泛。它可应用于电机控制、温度控制等系统中,也用于随着现代大型工业生产自动化的发展和过程控制要求的日益复杂而产生的集散控制系统中。由于工业控制计算机在工业生产中的实际应用系统通常较为复杂,而实验教学的课时又非常有限。要想在有限的实验教学课时内设计出真正的实用系统是不现实的。因此,从工程实际应用系统中抽取“工业控制计算机控制直流伺服系统设计”、“工业控制计算机控制温度控制系统设计”、“工业控制计算机控制集散控制系统设计”等综合设计性实验。这些实验,既能体现工业控制计算机的优越性,接近自动化专业学生今后工作的工程实际,又可以在时间内完成。通过学期末课程设计开设的综合设计性实验内容,加强学生对工业控制计算机在工程实际中应用的了解,培养学生的工程兴趣,提高学生综合运用所学知识解决实际问题的能力。综合设计性实验要求有多个实验题目。每个自然班被分成若干组,每组2～3人。前三次实验内容使用的挂箱,在综合设计性实验中多数可以直接调用,这样既让学生明白前几次实验内容的工程价值,又减少在综合实验中所花的时间。学生在一周的课程设计时间里,基本上能够完成一个综合设计性实验。

3 实验装置的研制

为了满足自动化专业实验教学内容的要求,研制了一套计算机控制技术实验装置。同时根据课程设计内容的需要,配套设计了一些典型控制对象,如自制直流机组、电烙铁等。台湾研华公司生产的研华原装工业控制计算机,IPC-610L是专门为工业控制系统而设计的,在工业电脑和自动化市场中应用非常广泛。我系计算机控制技术课程选择工业控制计算机作为教学机型,因此本实验装置研华原装工业控制计算机进行开发。

3.1 研制的指导思想

(1)便于综合性、设计性实验的实现。设计性及综合性实验是提高学生创新能力的重要手段[5]。计算机控制技术实验装置具有多功能性,输入输出接口功能较强,便于综合性、设计性实验的实现。

(2)便于开放式实验教学。计算机控制技术实验装置采用积木式结构,操作方便,安全性好,便于开放式实验教学的实行。

(3)实验教学面向工程实际。注重贯彻实验教学面向工程实际的思想。结合所设计的实验教学内容,使学生明白工业控制计算机在自己毕业以后实际工作中的用途及使用方法,从而培养学生的工程兴趣,提高实验教学效果。在计算机控制技术实验装置研制之初,就制定了上述几个指导思想,研制过程中,经过对样机多次改进,最后用于学生实验的实验装置,也基本上体现了这样的指导思想。

3.2 装置的基本功能

本实验装置由工业控制计算机、U N I T 1～U N I T 4挂箱及典型控制对象模型组成。工业控制计算机是实验装置的核心部件,在工业控制计算机中还有两块ISA接口的板卡PCL-812PG和PCL-833。PCL-812PG板卡是包含有A/D、D/A、DI、DO等功能的综合板,插在ISA10插槽中;PCL-833板卡用来对光电编码器的脉冲进行计数,插在ISA7插槽中。

UNIT1～UNIT4的每个挂箱只要拔掉后面的插头即可方便地拆下,各挂箱之间可灵活组合、操作方便、直观、用途广泛。U N I T 1面板包括电源控制、信号源和通道实验三个部分。其中信号源部分包括噪声源、阶跃信号源和混合电路,噪声源通过UNIT1挂箱内印制电路板上的拨码开关切换输出脉冲噪声或均匀噪声。阶跃信号源可以通过手动调节电位器提供-10～10V的直流输出,并可通过乒乓开关控制直流电源的通和断提供阶跃输入信号。混合电路是两路同相相加电路。通道实验部分包括8路数字量输入、8路数字量输出、4路模拟量输入和2路模拟量输出。

UNIT2挂箱的主要功能是完成滤波实验和数字PID算法实验。包括模拟滤波电路、数字滤波电路和模拟对象电路三部分。模拟滤波电路图如图1所示。

在UNIT2挂箱中的数字滤波电路只是一个示意图,并无实际电路。在示意图上标注说明滤波输入经A/D通道1进入工业控制计算机,滤波输出经D/A通道1从工业控制计算机输出,并将2路通道与I/O接口电路相连。学生实验时,只要按要求把混合信号插入指定的A/D通道端口即可观察滤波效果。模拟对象电路主要有运算放大器和若干电容、电阻组成。学生做实验时可通过UNIT2挂箱面板上的乒乓开关选择一阶或二阶模拟对象。各模拟对象的电路原理图如图2所示。

与图2模拟对象对应的传递函数为:

U N I T 3主要用于完成电机位置控制和转速控制实验,附加集散控制系统实验示意图。电机控制原理图如图3所示。电机位置控制实质是构成一个位置环,输入脉冲序列和反馈脉冲序列产生位置误差脉冲序列信号,误差脉冲序列信号加到驱动板上,以H型双极可逆P W M方式驱动直流伺服电机低速高转矩转动,到达期望位置。图3中的A/D和D/A均通过PCL-812PG板卡实现,脉冲板指插在工业控制计算机ISA10插槽中的PCL-833板卡。驱动板在UNIT3挂箱内部,它是H型双极可逆PWM驱动系统。增量式光电编码器每圈可输出1024个A相和B相脉冲和1个零位脉冲,A、B相脉冲信号的相位差为90度。三个脉冲信号均为差分信号,输入到PCL833脉冲板进行脉冲计数。学生实验时可直接将给定信号连接到UNIT1挂箱面板上对应的A/D通道,工业控制计算机通过D/A通道输出控制电压,当控制电压为-10～10V时,驱动板所输出的电枢电压能让自制的直流电机组的转速在-1500～1500转/分内变化。这样的设计主要是考虑到学生毕竟是在做计算机控制技术实验,应将训练的重点放在控制算法的掌握上,尽量减少学生在其它设计和调试中所花的时间。同时,将实验装置的电路原理图附在实验指导书的后面,供学生学习参考用。

集散控制系统实验在UNIT3挂箱内并无实际电路。集散控制系统采用工业以太网卡和TCP/IP协议构成的现场总线,现场总线将上位机和下位机连接起来,组成集散控制系统[6]。下位机的数据传输线通过集线器与上位机交换数据。实验软件分为两部分:上位机上有集散控制系统的监控界面,在Windows2000下的组态王6.5软件中运行;下位机是现场数据采集界面,也运行于组态王6.5环境下。集散控制系统实验结构图如图4所示。

U N I T 4主要用于完成温度控制实验及实验装置的显示任务。温度控制原理如图5所示,在温度控制中,ADAM4016是关键元件。A D A M 4 0 1 6发出三路开关信号去控制三个固态继电器,固态继电器通过控制交流电源的通断去控制发热体的实际功率,发热体是由三个20W的烙铁头紧箍在一起组成。温度传感器是Pt100。温度信号由一体化变送器变成电流信号0～2 0 0℃对应4～20mA。变送器还可实时地显示发热体的温度。实验装置采用三星15英寸液晶显示屏显示实验结果。

根据综合设计性实验的需要,设计了相应的典型控制对象模型,例如自制直流机组和发热体。这些控制对象模型与工程实际中的系统特性相似,只是体积小一些,辅助电路简化了一些。学生实验时,可以在实验装置上根据需要搭接不同挂箱,并通过输入输出通道将这些控制对象与计算机控制系统相连。

4 结束语

计算机控制技术实验装置如图6所示,已通过学校专家的鉴定,专家一致认为该实验装置以工业控制计算机为核心,采用积木式结构,按实际工业控制系统标准设计,使用方便,实验内容丰富,有助于提高学生的动手能力、工业控制计算机的使用能力和软件编程能力,全面提高学生对计算机控制技术的应用水平,并给教师和研究生提供了一个科研及产品开发的平台,其综合设计思想先进,目前已达到国内领先水平。

参考文献

[1]薛迎成.微型计算机控制系统及其发展趋势[J].教学与管理,2005,(4):91-92.

[2]许培雅,张西宁.改革实验内容提高教学效果[J].实验室研究与探索,1995,(4):21-22.

[3]何坚强,薛迎成.工业控制机课程教学体系的改革实践[J].工业控制计算机,2006,19(12):78-87.

[4]赖寿宏.微型计算机控制技术[M].北京:机械工业出版社,2000,82-83.

[5]聂志刚,刘正东.实验教学中的综合性设计性实验[J].实验技术与管理,2008,25(3):140-141.

喷泉实验装置的新设计 篇3

氨气的喷泉实验是化学教材中既有趣又值得回味的实验,在教材中处于重要地位。但在实际教学过程中,氨气的实验室制备、收集和储存、氨溶于水形成喷泉实验的演示等过程,操作比较繁琐,很难在较短时间内完成整个实验。笔者经长期探索与尝试,用实验室中简单仪器、矿泉水瓶和一些医用的废弃材料,设计出一套多功能喷泉实验装置。不仅能够快速制备、收集和检验氨气,而且能引发氨气的喷泉实验、喷烟实验、倒吸实验, 还能利用此装置继续完成其他气体的喷泉实验。该套装置连接简单、控制灵活、简单便捷、无污染、现象明显、耗时短、实用性强,能同时完成多组实验、没有氨气泄露符合绿色化学理念。适合教师演示,也适合学生合作完成。

1.装置设计图(见下图)

1.分液漏斗 2. 具支锥形瓶 3. 控制阀一4.矿泉水瓶一 5.控制阀二 6.矿泉水瓶二7. 控制阀三 8. 矿泉水瓶三 9.控制阀四10.控制阀五 11.圆底烧瓶 12.10m L注射器

2.装置制作材料及所需试剂

(1)制作材料

铁架台两个,具支锥形瓶一个,圆底烧瓶一个,分液漏斗两个,矿泉水瓶四个,10m L注射器两支,单孔橡胶塞三个,双控橡皮塞一个,三孔橡皮塞一个,丫形三通管三个,控制阀七个个,中性笔芯杆六根,中性笔接头八个,输液器软管若干。

(2)所需试剂

氢氧化钠固体、浓氨水、浓盐酸、硫酸铜溶液、酚酞试液、红色石蕊试纸、碳酸钙固体、稀盐酸、Na OH浓溶液。

3.装置的制作

(1)氨气制备装置的组装

如装置图1左部所示,通过单孔橡胶塞将约为100m L分液漏斗安装在500m L带支管的锥形瓶上端, 再将锥形瓶固定在左边铁架台上; 锥形瓶的支管上接一段约3cm长的软导管,软导管另一端用带有粗头的输液导管连接起来, 并在软导管上安装控制阀一。

(2)制作三个组件

用一段约长10cm的输液导管连接两个丫形三通管, 在第一个丫形三通管的下端接约长5cm的输液导管,并在其上安装控制阀二;输液导管下端用中性笔接头连接两个中性笔芯杆,使其插入单孔橡胶塞, 并将橡皮塞插入侧壁钻有小孔的矿泉水瓶一上。在第二个丫形三通管的下端同样接约长5cm的输液导管,并在其上安装控制阀三,输液导管下端用中性笔接头连接两个中性笔芯杆,使其插入单孔橡胶塞,并将橡皮塞插入侧壁钻有小孔的矿泉水瓶二上。它的上端接约5cm的输液导管,并在其上安装控制阀五, 输液导管的上端用中性笔接头连接一根多些中性笔芯杆,使其插入三孔橡皮塞;将一段约40cm长的输液导管下端直接插入瓶盖上钻有小孔的矿泉水瓶三,并在其上安装控制阀四,上端接上一段中性笔芯杆,插入三孔橡胶塞;最后,取下输液导管最前端软管上的针头,套上一段硬导管,将其插入三孔橡胶塞上,另一端接上10m L注射器。

(3)圆底烧瓶的固定

将三孔橡胶塞塞紧在圆底烧瓶上, 将其固定在右边铁架台上,调整高度,各组件的位置间隔,使其整个装置舒展美观。

(4)CO气体的制备装置2

如装置图2所示 , 通过双孔 橡胶塞将约 为100m L分液漏斗 安装在250m L的锥形瓶上端 , 将带有控制阀六的一段 输液导管 一端接上 硬质输液尖嘴, 并将其插入双控橡皮塞 ,作为将制取 的二氧化 碳气体通 入圆底烧瓶的导气管。

4.装置的应用

(1)氨气的制备、收集与检验

在盛有水的矿泉水瓶三中放入一两片红色石蕊试纸。打开控制阀一、控制阀四和控制阀五, 关闭控制阀二和控制阀三, 向盛有固体Na OH的500m L具支锥形瓶中注入浓氨水, 会看到矿泉水瓶三中有大量气泡冒出。若矿泉水瓶三中的红色石蕊试纸变蓝色,说明圆底烧瓶中氨气已收集满。停止向具支锥形瓶中注入浓氨水,并关闭控制阀一和控制阀五。

(2)氨气的喷泉实验

向已收集满氨气的圆底烧瓶中用带软管的10m L注射器注入5m L左右的水,打开控制阀三和控制阀四,矿泉水瓶二中的无色酚酞溶液在外界大气压的作用下被迅速压入导管喷向圆底烧瓶,形成美丽的红色喷泉。

(3)喷烟实验

向具支锥形瓶中注入少量浓盐酸, 立即会有浓浓的白烟产生,白烟为氯化铵的固体小颗粒。此时,具支锥形瓶中气压减小,产生负压。

(4)倒吸实验

关闭控制阀三和控制阀四,打开控制阀一和控制阀二。在外界大气压的作用下, 矿泉水瓶一中浅绿色的硫酸铜溶液被迅速压入到具支锥形瓶中,观察到有蓝色氢氧化铜沉淀生成。

(5)排水洗涤

打开控制阀四,圆底烧瓶内的红色溶液,从其下端的导管排出到矿泉水瓶三中, 用50m L注射器向圆底烧瓶中注入清水,用清水洗涤圆底烧瓶瓶两到三次。

(6)CO2气体的制备、收集与检验

撤去图1中的矿泉水瓶三, 将图2所示的带有控制阀六的导气管接在其上。打开控制阀六,关闭其余所有控制阀。打开分液漏斗上的旋塞, 向盛有碳酸钙固体粉末的250m L锥形瓶中缓慢注入稀盐酸, 盛有紫色石蕊试液的矿泉水瓶三中立即有气泡冒出。一段时间后,紫色的石蕊溶液变红色,说明二氧化碳已收集满,关闭控制阀六。

(7)CO2气体的喷泉实验

用吸有氢氧化钠浓溶液的注射器向圆底烧瓶中注入氢氧化钠浓溶液后,打开控制阀三和控制阀五,会看到矿泉水瓶三中的红色酚酞溶液再次被喷入圆底烧瓶中形成美丽的红色喷泉。由于二氧化碳为酸性气体,可以观察到红色喷泉颜色逐渐变浅。

5.装置的优点

(1)省时环保

人教版普通高中化学必修1中关于氨气的制备与喷泉实验一方面准备工作繁杂,实验耗时较长。另一方面制备的氨气往往因漏气、潮湿等导致喷泉实验效果不理想。同时,教材上制取氨气时, 会使氨气泄露在空气中, 不符合绿色化学的理念。改进后的实验装置,操作便利,极大地缩短了实验时间,为教师课堂演示赢得了时间。同时,尽可能避免氨气排放到空气中,环保无污染,符合绿色化学理念。

(2)内容新颖

本实验能让学生学会在实验室快速制取氨气的方法和原理。实现氨气的制备、收集、物理性质、化学性质检验一体化操作。同时,能对氨气喷泉实验原理进行拓展迁移,继续用CO2和氢氧化钠浓溶液实现喷泉实验, 使学生加深对喷泉实验原理的认识,进一步开阔视野。

(3)现象明显

本实验现象非常明显,颜色变化多样。现象一:无色酚酞溶液遇到碱性物质会变成红色。氨气引发的喷泉实验,会使无色酚酞试液形成美丽的红色喷泉。现象二:浓盐酸遇到浓氨水会有白烟产生。因此,向氨气的发生装置中注入浓盐酸,会产生喷白烟现象。现象三:硫酸铜溶液遇碱会生成美丽的蓝色氢氧化铜沉淀。将盛有硫酸铜的稀溶液与氨气的发生装置连通会产生剧烈的倒吸现象, 并生成蓝色的氢氧化铜沉淀。现象四:二氧化碳为酸性气体,其与氢氧化钠浓溶液引发的喷泉会使得烧杯中的红色酚酞溶液再次形成美丽的喷泉, 但是溶液颜色会变浅,形成粉红色的喷泉。

(4)生动有趣

本实验操作简单,现象明显,渗透化学知识和物理知识便于教师课堂演示,也便于学生进行探究性学习,如探讨喷泉实验的原理,探究各种现象产生的原因,讨论可形成喷泉的固体和液体,以及进行装置的再次改进,等等。由于本实验现象明显,颜色变化分明,还可进行趣味实验。

(5)拓展空间广阔

本实验可连续进行多组喷泉实验, 为学生深入认识喷泉实验原理,进行拓展迁移,灵活应用,进行多组气液间的喷泉实验提供开阔的拓展空间。除氨气和酚酞溶液、二氧化碳与浓碱溶液的喷泉实验外,还可进行HCl与水、二氧化硫与浓碱溶液、氯气与浓碱溶液等引发的喷泉实验。

6.注意事项

(1)装置要保证干燥 ,气密性良好。

(2)制取氨气或CO2要尽量将气体收集满。

(3)开关控制阀要注意次序和开关速度。

(4)氨气的收集采用上端进氨气 ,下端排空气 ;CO2气体的收集采用从下端进CO2气体,上端尖嘴导管处排空气。

(5)巧用丫形三通管连通仪器和妙用针管的多重功能。

随着科学技术突飞猛进的发展和化学学科教学质量的不断提高,技术创新已成为化学实验室无时不有、无处不用的客观存在。化学实验创新就是化学实验教学领域内的技术创新是我们开展实验改进、教具创新和探究实验过程的重要措施和方法。每个实验的设计、装置的选定及实验过程,无不蕴含着技术的思想和方法。因此,将通用技术的理念渗透到化学实验教学中,用技术的思想和方法开展化学实验,就是培养学生观察现象能力、动手实践能力、动脑设计能力、发现分析和解决问题能力等技术思想和方法的有效途径,是提高学生技术素养的第二课堂活动内容。技术素养是当代青少年需要迫切提高和不能不具备的基本素养, 而通用技术课程就是用以提升技术素养的供中学生必修的技术课程。相信通用技术在化学实验中的实践和应用,对广大同学的发展具有广泛迁移价值,它的实践过程是“同学们主动建构知识、不断拓展能力、形成良好情感态度与价值观的过程,是一个富有生机、充满探究、方式多元的过程”[1]。这一过程“一定会成为同学们豆蔻年华中夯实基础、挑战自我、享受创造与发展乐趣的美好生活的一部分”[2]。

摘要：因为化学实验及实验装置设计无不渗透着技术思想和方法,化学实验装置的改进和化学实验教具的革新无不运用技术的思想和方法。经长期探索与尝试,设计出一套多功能喷泉实验装置。不仅能够快速制备氨气、收集氨气、检验氨气性质,而且能引发氨气的喷泉实验、喷烟实验、倒吸实验,还能利用此装置继续完成其他气体的喷泉实验。该套装置连接简单、控制灵活、简单便捷、无污染、现象明显、耗时短、实用性强,能同时完成多组实验、没有氨气泄露,符合绿色化学理念。既适合于教师演示,又适合学生合作完成。

整合实验功能 提升科学素养 篇4

关键词：整合实验,培养能力,提升素养

在新课标实施多年的今天, 因迫于升学、就业的压力, 对学校、教师的评价体系基本不变。初中科学实验教学未能摆脱各级考试指挥棒的束缚, 使得初中科学实验教学一直存在轻过程、重结果的问题。条件差的一些学校, 科学教师甚至采取讲实验、背实验的方法完成实验教学。缺乏对学生的动手能力、解决实际问题的能力的锻炼和培养。而这种情形与我国大力推行的基础教育课程改革的思路背道而驰, 更不符合素质教育的要求。现代教育要求培养社会需要的、能解决实际问题、有创新精神的人才。科学学科人才必须具有解决科学问题的能力。基于社会对人才的要求, 科学新大纲在教育目标中把知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三方面分列出来, 强调教育目的的多元化, 不再是单一的知识传授, 也不是只要结果, 更不是只进行单一智力的培养。

笔试题只能考查学生的语言智力、逻辑或数理智力两方面的水平。而教育家、心理学家霍华德·加德纳 (Howard Gardner) 认为, 人的智力除以上两种智力以外, 还有其他7种智力, 它们是视觉或空间关系智力、音乐或节奏智力、身体或运动智力、人际交往智力、自我反省智力、科学观察者智力和存在智力。根据这个理论, 教师在教学中应鼓励学生运用多种感官处理问题, 注重个性与合作的统一, 创造性地完成教学任务。同时, 通过对学生的多元化评价, 使不同智力水平的学生都受到同样良好的教育, 并有不同程度的提高。该理论应用到科学实验教学中, 同样也可以指导教师努力去挖掘每个学生或多或少拥有的多种智力。总之, 如果能把单一验证性实验、讲实验、背实验, 变为发展学生多元智力、形式多样的实践活动, 并且, 对科学实验的功能进行整合, 那么科学实验教学将会发挥它应有的强大功能, 提升学生的科学素养, 完成科学实验教学育人的任务。

一、对初中科学实验功能的整合

通过多年的教学实践, 我认为在平时的教学中应开发科学实验的其他作用, 并将其整合, 培养学生的动手能力、观察能力、分析能力、逻辑思维能力等。以便进一步提高科学实验的功能, 提高课堂教学效果。

1.实验对记忆方面的作用。

通过实验记忆不但轻松愉快, 而且长时间不容易忘记。比如:做了氢氧化钠溶液和硫酸铜溶液的反应实验后, 硫酸铜溶液是蓝色溶液, 氢氧化铜是蓝色沉淀, 就容易记住。通过光的反射的实验, 学生很容易记住反射角等于入射角。通过铁丝在氧气中燃烧, 学生很容易记住现象是火星四射, 生成黑色固体, 放出大量的热。

2.实验对自信心的培养具有重要作用。

有些学困生由于种种原因, 基础比较差, 老是觉得比不上人家, 但在做实验时因感兴趣, 且平时对某一方面有一定基础功底, 做起来比较顺手。比如:对电方面, 他们小时候经常用废电线将电池、小灯泡连接起来, 使小灯泡发亮, 因而做起实验来反而比某些成绩好的人快。如三 (2) 班的汪洋, 初一时科学成绩只有及格左右, 对自己的学习几乎及去信心, 在做实验过程中, 有3个实验都是他第一个完成, 老师及时给予表扬。后来, 他自己对学习的信心大大增加, 再加上其他各方面的努力, 学习成绩逐步提高, 中考时, 科学成绩为185分。

3。实验对学生无意注意的作用。

研究结果表明:初中生在上课大约25分钟后, 注意力容易分散, 若此时加一个相关实验, 可以把有意注意转化无意注意从而减轻学生负担, 又能提高课堂效益。比如:在上电路的串联、并联这节内容时, 当上到25分钟左右时候, 把教室中的前排三盏电灯开亮, 而后两排的6盏日光灯不亮。这样, 学生很容易明白后面6盏灯和前面3盏灯是并联。这时, 提问学生:前排三盏电灯是什么连接? (学生大部分都错误地以为是串联) 接着老师把其中的一盏灯泡拿掉, 结果发现另两盏灯还亮着, 学生很容易理解前面的三盏灯是并联。这样学生在无意注意中学会了如何区分串联和并联电路。

4.实验对学生动作协调性方面的作用。

在电学实验——导线间的连接中, 用接线柱连线时, 既不能用力过度, 防止损坏螺丝;又不能用力过小, 导致连接不好接触不牢固。再如化学实验中, 把导管插入橡皮塞中及把试管夹在铁夹中时, 都需要用力恰当, 不可用力过重, 也不可用力过轻。在做粗盐溶解实验的过程中, 用玻璃棒搅拌溶液, 平时积极做实验的人, 搅拌的声音不太响或者不会碰到烧杯, 而不积极做实验的人, 错误操作率就较高。

5.实验在引题解题中的作用。

从实验引题解题, 一方面能引起学生的兴趣, 起到画龙点睛的作用;另一方面又能把实验应用到实际问题中。比如:用一束光射向透明水箱时发现, 斜射入时, 方向发生了改变, 从而引出光的折射现象, 学生也就能解释“为什么有水的池底比实际看起来更浅”这个问题了。又比如:把一块豆腐放在一枚铁钉头上, 结果豆腐破了, 而把一块豆腐放在多枚铁钉头上 (多枚铁钉都钉进木板后, 露出的铁钉头在一个平面上) , 结果豆腐不破, 从而引出压强问题, 学生也就能解释“用宽的带子做的书包背带比用窄的带子做的书包背带背起来肩不痛”这个问题了。再比如:在实验中, 通过电路连接得出什么是串联、并联, 并且得出串、并联电路的特点, 学生同样也就能解释“街上的路灯是否串联”这个问题了。

二、对初中科学实验教学形式内容方法的整合

1.变演示实验为学生实验, 激发学生创新的动机。

对于中学生来说, 兴趣是最好的老师。从学生兴趣入手, 可大大提高学生主动参与创新的积极性, 让学生学得更主动。教师在课堂上应该把学生的自主权“还”给学生, 否则学生就不可能有主动参与的积极性, 也就没有发现问题、发展能力的机会, 更谈不上创新精神和创新能力的培养。同时让学生亲身体验, 得到成功的喜悦, 从而使他们学习科学的兴趣更浓, 探索、创新的动机更强烈。

2.开展探究性实验, 增强学生创新意识。

教学中的实验多属于注入式, 在整个演示过程中, 学生始终处于观众的位置上, 不能使学生主动思考, 某些具体的操作细节或现象一晃而过, 不能让学生留下深刻的印象。实践证明这种方法不利于调动学生的积极性。为了克服此弊病, 应变被动为主动。我在课堂教学中, 通常除提出问题、做适当的引导外, 主要给学生创设研究问题的情境 (实验现象、思考、讨论、改进) , 使学生亲自去感受、探索、查明问题的关键所在, 寻求解决问题的最佳方案。例如:在介绍铁的化学性质时, 安排一个回家做的小组实验:如何使铁更快生锈, 说明道理, 并提出不容易使铁生锈的几种方法。

3.设计贴近课本知识的实验课题, 培养学生的创新意识。

实验课题既是科学教学上的一种特殊习题, 又是要求较高的特殊形式的学生实验。实验的原理、使用的仪器和药品、操作的步聚和注意事项等都由学生自己设计, 这对于学生综合运用基础知识的能力的培养、学生借助实验研究解决某些实际问题能力的培养以及创新精神的培养都具有重要的意义。比如:如何证明鸡蛋壳的成分是碳酸钙。再比如:叫学生到池塘底的污泥中采集气体, 看它能否燃烧, 如何证明其中含有氢元素、碳元素。

三、重新设计实验教学, 整合学生分析解决问题的能力

1.在“三自”设计中, 培养能力。

自行设计实验方案:关键是让学生考虑好实验原理。自主选制实验器材:在完成实验方案的设计后, 有的同学从学校实验室借仪器或利用旧材料进行制作, 有的学生找老师帮忙安装实验装置, 这样变纯观察性实验为创造型操作性实验, 使学生手、眼、脑相结合, 锻炼了学生的动手制作、操作能力, 培养了实践精神。自由组合探索研究:经交流后发现, 班上总有一些学生的实验方案是相近的, 于是他 (她) 们就自动组合在一起, 进行共同研究, 这样也就培养了学生团结协作的精神和集体荣誉感, 使互帮互学蔚然成风。

2.在“三不”设计中, 培养能力。

“测定小灯泡的功率”是一个重要的分组实验, 如果仅仅指导学生按教材安排的程序进行实验, 让学生注意观察小灯泡两端的电压在等于额定电压、高于额定电压的1/5和低于额定电压这三种条件下的发光情况, 并将每次测得的电压、电流值填在实验表格内, 算出三次功率值, 那么实验的目的单一, 无法培养学生的综合能力和科学素质。通过几年的教学实践, 我采取了“三不”措施, 收效甚好。 (1) 不限定实验原理:上课时只讲清本实验的目的, 并说明小灯泡上标的“3.8V”或“2.5V”和“0.3V”的意义, 至于实验原理由各实验小组讨论决定, 并要求画出实验电路图, 结果出现了三种实验原理:P=UI、P=U2/R、P=I2R和对应的三种实验电路图, 并通过三种实验方案优劣的深入分析, 确定用P=UI为实验原理的方案为最佳方案, 从而培养了学生的发散思维能力, 也培养了学生思维品质的深刻性和批判性。 (2) 不框死实验步骤:进实验室要求不带课本、实验册, 动手前只说明实验中要观察灯泡亮度、触摸灯泡热度、计算灯泡的功率和电阻, 并不限定实验有三个步骤。结果在巡视实验中发现, 有的小组实验有五六步, 并设计出了开放性的记录表格, 其中有灯丝在不亮、较暗、正常、发光、较亮、烧坏几种情况下的电压、电流的测量值和功率, 电阻的计算值、灯泡热度的触摸感。从而激发了学生的观察、实践和发现问题的兴趣, 培养了学生的探究创新能力。 (3) 不定向实验归纳:实验后不固定方向, 让学生多方向、多角度, 深入细致地观察、分析实验现象和数据, 从而开放性地归纳出实验结论。如有的小组分析真实的实验数据, 得出了如下结论:①伏安法既可测电阻也可测电功率;②灯丝电阻随温度升高而增大;③灯泡的实际功率随其两端实际电压的增大而增大, 灯泡的亮度随实际功率增大而增亮;④灯泡只在额定电压下正常发光, 实际电压过高会烧坏灯泡。通过归纳, 培养了学生的分析、概括实验结论的能力和运用物理知识解决实际问题的能力, 并加强了前后知识的联系。

3.在“三思”中, 培养能力在强调学生注意安全的前提下, 倡导学生利用星期天时间做实验, 比如做“利用电能表测电功率”的小实验, 要求学生进行如下“三思”:

(1) 思考小实验有无其他作用:学生通过深入思考和课外阅读, 可根据W=Pt用电能表测定电冰箱每天消耗的电功, 还可根据P=UI、P=U2/R、P=I2R和调压器 (能改变家庭电路实际电压) 测定家用电器的实际电阻和实际电流, 根据电能表上标的“每千瓦时的转数”判定电能表本身是否准确。 (2) 思考主题器材有无什么缺点:学生通过联想, 发现该实验的主要仪器——电能表有如下一些缺点:①夜间看不见读数;②白天站在地面看不清读数……还有学生针对上述缺点找出一些改进措施, 如, ①数学显示带夜光;②读数窗玻璃用放大镜做, 并用平面镜把数字反射向地面 ……有同学还将建议用书信形式寄给了电能表生产厂家。 (3) 思考能否利用其他器材达到小实验目的:当然, 由于知识限制, 该小实验的此“思”学生会“卡壳”, 教师可适时介绍家庭电路中的电流是交流电, 应用伏安法来间接测定, 以拓宽知识视野。

通过以上“三思”, 学生的知识应用能力、迁移能力会得到提高, 学生的观察力、实践力和创造力会得到锻炼, 还能培养学生思维的独创性和广阔性。

总之, 科学学科是以实验为基础的, 我们应该重视实验教学, 及时开发实验、整合科学实验, 提高课堂教学效率, 更好地贯彻新教学理念, 全面地完成教学目标, 培养学生的科学素养, 促进学生的全面发展。

参考文献

[1]顾光霞.例谈改革实验教学, 培养学生素质能力.中学物理, 2002 (4) .