以“三个一行动”开展化学实验创新的尝试

来源:用户上传      作者:李德前 石磊 马逸群 魏海

　　：在进行化学实验创新时，尝试以“三个一行动”为抓手，即“运用一种创新方法改进多个化学实验”“改进一个化学实验使用多种创新方法”“使用一件仪器装置设计多个化学实验”；因此丰富了实验教学资源，提高了实验教学质量，扩大了名师工作室的影响力。
　　：三个一行动；化学实验创新；尝试
　　多年来，李德前名师工作室以“三个一行动”为抓手开展化学实验创新活动，已在《化学教学》《化学教育》《中学化学教学参考》等知名期刊上陆续发表实验创新成果近二百项，其中一项被编入教科书，有些项目成为全国各地选拔性考试的命题素材。
　　“三个一行动”就是“运用一种创新方法改进多个化学实验”“改进一个化学实验使用多种创新方法”“使用一件仪器装置设计多个化学实验”。下面结合具体的案例，对此加以阐述。
　　1运用一种创新方法改进多个化学实验
　　化学实验创新的方法一般有缺点列举法、希望点列举法、放大法、缩小省略法、组合法、替换法和移植法等。不管哪种创新方法，只要运用合理，都能研制出新的装备器材。下面以缩小省略法（就是使用缩一缩、减一减、省一省等删减手段对化学实验进行改进）为例，介绍它在改进化学实验中的应用。
　　案例1.在白色打印纸上检验溶液的酸碱性
　　现行九年级化学教科书中检测溶液酸碱性的实验，通常是在小试管中进行的，而一次实验需要7～8支试管，不仅浪费试剂，清洗仪器也较为麻烦。在“缩小省略法”的启发下，我们尝试将实验放在白色打印纸上做，一张纸可以滴加8～10种待测液（改进装置见图1），不仅方便学生实验，也节约试剂，还省去了清洗仪器的麻烦。
　　上述改进实验的主要操作是：
　　（1）学生每两人一组，取一张16k的普通白色打印纸，将其裁成直径约为18cm的圆形纸张，然后用黑色的签字笔在白纸上均匀写出各种待测液的名称（如稀盐酸、肥皂水、烧碱溶液等，见图2），再将圆形白纸放在三脚架上。
　　（2）借助胶头滴管，将需要检测的几种溶液分别滴到白纸的对应位置（每种待测液只需滴1滴即可，每两种待测液之间保持3cm左右的距离）；再分别向上述待测液中滴加1滴石蕊溶液（或酚酞溶液），即可观察到溶液的变色情况，进而可知溶液的酸碱性。
　　（3）接下来，每组同学拿起白纸，以正面进行展示，此时教室里宛如春天的花园，“处处盛开着五颜六色的花朵”，让学生激动不已。
　　该实验创新案例增加了学生动手实验的机会，培养了学生勤俭节约的习惯，激发了学生学习化学的兴趣，有助于学生熟悉常见物质的酸碱性。
　　案例2.在长柄V形玻璃管里比较苏打、小苏打的热稳定性
　　高中化学比较苏打、小苏打热稳定性实验，传统的设计大多是利用“套管实验”，虽然实验现象明显、实验的对比性强，但是将大小不同的两支试管套接在一起，组成封闭式的实验装置，操作着实麻烦，很多教师因此放弃了该实验。我们在“缩小省略法”的引导下，只用一根长柄V形玻璃管，就完成了K打与小苏打的对比实验（改进装置见图3，夹持装置略）。
　　上述改进实验的主要操作是：
　　（1）按图3所示装好药品、连好装置（注意石灰水液面以刚好接触到V形管的上管壁为宜）。
　　（2）先加热苏打120s左右，观察到石灰水没有明显的变化；再加热小苏打120s左右，石灰水很快明显变浑。
　　（3）上述实验现象充分说明，苏打的热稳定性强，小苏打的热稳定性低、受热易分解。
　　该实验创新装置，有利于学生了解化学仪器的多样性，体验对比实验的多元性，认识苏打与小苏打性质的差异性。
　　案例3.用微型导电测量仪检测溶液的导电性
　　演示九年级化学教科书中溶液的导电性实验时，每次实验前都需将电源、小灯泡、开关、电极、烧杯等用导线有序连接起来，仪器的组装比较麻烦。我们利用“缩小省略法”改进该实验，将纽扣电池、发光二级管和导线巧妙组合起来，就制成了一个微型导电测量仪，不仅可以方便、安全的测量溶液的导电性（改进装置见图4），还可以检测金属、非金属是否导电。
　　上述改进实验的主要操作是：
　　（1）取适量的待测溶液，将其注入小烧杯中，再将微型导电测量仪的两个电极插入溶液中少许，如果发光二极管发光，则该溶液导电，并且发光二极管的亮度越大则导电性越强，反之亦然。
　　（2）如果测量固体物质是否导电性，需将微型导电测量仪的两个电极同时接触固体表面，如果发光二极管发光，则该固体导电。
　　该实验创新方案丰富了化学课中的跨学科实践活动，能促进学生积极学习化学知识、主动探究科学奥秘。
　　2 改进一个化学实验使用多种创新方法
　　化学教师的认知视角不尽相同，因此针对某个化学实验的瑕疵所采用的创新方法也是不同的。使用多种方法对某个化学实验进行改进和优化，可以丰富实验创新方案。
　　如现行九年级化学教科书中编排的探究微粒运动实验，所用仪器涉及三个烧杯，每次演示时都需要将三个烧杯重新组合，不仅操作繁琐，而且氨气外逸严重，我们采用多种方法对该实验进行重新设计，改进出了多个优秀的实验方案。
　　案例4.通过改变操作方法探究微粒运动
　　教科书中的实验是将浓氨水、酚酞溶液分别盛放在两个小烧杯里（再罩上大烧杯），我们将盛有酚酞溶液的小烧杯省略，而将酚酞溶液附着在大烧杯底部（改进装置见图5），这样优化后，实验现象依然明显，而操作方法却简洁明了。
　　上述改进实验的主要操作是：
　　（1）向250mL烧杯的底部倒入2mL左右的酚酞溶液，然后轻轻摆动烧杯，使酚酞溶液均匀附着在大烧杯底部。

　　（2）向50mL小烧杯里注入约5mL浓氨水，立即按图5所示连好整个实验装置。
　　（3）很快可以观察到，大烧杯底部的酚酞溶液变为红色，从而说明氨分子在不断运动。
　　此改进实验源于课本但优于课本，不仅贴近学生思维发展的最近区，而且有利于学生初步体会化学学科宏微结合的思维方式。
　　案例5.通过替换实验装置探究微粒运动
　　仍然保持浓氨水、酚酞溶液这两种试剂不变，我们还可以将原实验中的三个烧杯压缩为一个广口瓶（改进装置见图6），不仅简化了操作，而且实验过程对环境友好。
　　上述改进实验的主要操作是：
　　（1）准备一个250mL的广口瓶，再找一个配套的橡皮塞；在橡皮塞的小头（反面）借助大头针固定一根长约10cm的滴有酚酞溶液的纱布条。
　　（2）向250mL广口瓶里，注入大约10mL的浓氨水，然后立即按图6所示，连好整个实验装置（确保装置不漏气）。
　　（3）很快观察到，酚酞纱布条从下往上逐渐变红，充分说明氨分子在不断运动。
　　该实验装置组合巧妙，能够培养学生的创新意识；结构简洁，有利于学生认识实验的化学原理；现象直观，有利于学生透过宏观现象探视微观本质。
　　案例6.借助氧气传感器探究微粒运动
　　教科书中的实验是通过化学变化（氨水使酚酞变红色），得出氨分子不断运动的结论；我们通过物理变化（氧气扩散），借助氧气传感器实时测出集气瓶里氧气浓度不断减小（改进装置见图7），也证明了微粒在不断运动。
　　上述改进实验的主要操作是：
　　（1）在250mL集气瓶里集满氧气，然后在瓶口盖好玻璃片，备用。
　　（2）准备一个便携式氧气传感器，打开“开关”后，将传感器的探头插入氧气瓶中。
　　（3）从数据处理器上可以实时发现，氧气浓度不断减小（最终降至21%左右，与常态空气中的氧浓度一致），说明氧气因为扩散而逃逸到空气中，即氧分子在不断运动。
　　该实验创新方案基于数字技术，能够培养学生的定量意识，帮助学生认识气体分子运动特c，促进学生体验现代教育装备在化学实验中的应用价值。
　　
　　多年来，我们利用常规仪器和自制装置（如直角玻璃管、长柄V形玻璃管等），设计出很多新颖别致、简单实用的化学实验用具。下面以常规仪器U形管为例，介绍几个创新实验案例。
　　案例7.借助U形管检验蜡烛燃烧的产物
　　现行九年级化学教科书中检验蜡烛燃烧的产物，都是借助干冷的小烧杯和石灰水进行的，但是“干冷”状态的小烧杯不容易得到；另外，烧杯开放的形状也使捕获的燃烧产物偏少，因而实验现象不够明显。我们将U形管的一端罩在蜡烛火焰上（改进装置见图8），此时U形管内就存在较强的气体对流，因此可以捕获较多的燃烧产物。
　　上述改进实验的主要操作是：
　　（1）准备一个干燥的18mm×180mm的U形管，备用。
　　（2）点燃桌面上的蜡烛，待蜡烛燃烧稳定后，将U形管的一端罩在蜡烛火焰的中上部；8～10s后，U形管内壁出现明显的小水珠；再将U形管快速翻转过来，立即向U形管中注入适量石灰水，轻轻振荡，石灰水立即变浑浊。
　　（3）上述实验现象可以证明，石蜡燃烧的产物是水蒸气和二氧化碳气体，进而可知石蜡中一定含有碳元素、氢元素，可能含有氧元素。
　　该实验创新方案有利于学生自我探究石蜡的组成，并认识物理规律在化学实验中的应用，从而提高学生运用跨学科知识解决实际问题的能力。
　　案例8.借助U形管设计气体燃烧实验
　　现行九年级化学教科书中大都涉及氢气、一氧化碳和沼气的燃烧实验，为了确保安全，在点燃气体之前都会对可燃性气体进行验纯操作，即便如此谨小慎微，有时也难免发生爆炸事故。我们借助盛有适量水的U形管进行气体燃烧实验（改进装置见图9，夹持装置略），确保了实验安全。
　　上述改进实验的主要操作是：
　　（1）准备一个15mm×150mm的U形管，向其中注入适量的自来水（水面超过上管壁1cm左右）。
　　（2）按图9所示连好整个实验装置，然后缓缓向U形管内通入燃气，4～5s后，即可在U形管的右支管口处将燃气点燃。如果U形管内出现回火且伴随爆鸣声，说明燃气中混有空气或氧气；但由于U形管底部水的冷却及阻碍作用，回火瞬间熄灭。
　　（3）继续通入燃气4～5s后，再次将燃气点燃，此时气体一般能安静燃烧。
　　此改进装置虽然简单，却显著提高了化学实验的安全性，增强了学生对防爆原理的认知水平，提升了学生抵御科学风险的技能。
　　案例9.借助U形管进行加热碳酸氢铵实验
　　现行沪教版九年级化学教科书中加热碳酸氢铵实验是在蒸发皿里进行的，既没有检验分解产物（不利于学生认识碳酸氢铵消失属于化学变化），也没有环保措施。我们借助U形管重新设计该实验（改进装置见图10，夹持装置略），检验了反应产物，体现了环保理念。
　　上述改进实验的主要操作是：
　　（1）准备一个18mm×180mm的U形管，向其中加入适量的碳酸氢铵（盖满U形管底部即可）。
　　（2）按图10所示，连好整个实验装置（确保装置不漏气）。
　　（3）点燃酒精灯，加热碳酸氢铵；很快观察到，白色固体逐渐消失，U形管内壁出现大量水珠，酚酞溶液变为红色，石灰水变浑浊，很好的说明了碳酸氢铵消失属于化学变化，该化学变化的产物有二氧化碳、水和氨气。
　　此改进装置有利于培养学生的证据推理意识，有助于激发学生学习化学的好奇心，有益于学生认识碳酸氢铵的化学性质及保存方法。

　　4结束语
　　基于“三个一行动”开展化学实验创新，因此开发出了大量具有科学性、思维性、实用性、简约性和趣味性的实验案例，为“双减”背景下中学生开展跨学科综合实践活动提供了丰富的素材，在中学化学实验教学中发挥了示范引领作用。
　　化学实验创新的最终目标是为了提高学生的核心素养，因此要充分用好“学生实验课”和“课后延时服务”，积极吸纳学生直接参与这项富有创造性的活动；这部分活动所用课时，原则上约占学生实验和实践课时的1/5即可。
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　　基金项目：江苏省教育科学“十四五”规划2021年度课题“以‘化学实验创新’主题教研促进名师工作室发展的研究”（D/2021/02/742）；全国教育科学“十三五”规划2019年度教育部重点课题“中小学智能实验教学系统的构建与应用实践研究”的子课题“促进核心素养发展的化学智能实验的开发与应用”（DCA190327-32006）。


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