基于“化學(xué)實(shí)驗(yàn)三要素”的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新與改進(jìn)實(shí)踐
作者：曹育紅潘則南
實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器 2015年07期
在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，經(jīng)常會(huì)遇到一些不易成功、現(xiàn)象不明顯、裝置過于復(fù)雜、不利于在課堂中進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)需要教師進(jìn)行創(chuàng)新或改進(jìn)，讓學(xué)生可以較為清楚地觀察和體驗(yàn)這些實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象、過程及結(jié)果，幫助學(xué)生建構(gòu)知識(shí)，其目的是使實(shí)驗(yàn)?zāi)芨玫胤⻊?wù)于課堂教學(xué)。
清華大學(xué)宋心琦教授明確提出了“化學(xué)實(shí)驗(yàn)體系的三要素”，即作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象的物質(zhì)體系（用于探究化學(xué)變化過程，也可稱作化學(xué)體系）；適當(dāng)?shù)膬x器裝置和必要的安全措施；合理的實(shí)驗(yàn)步驟和規(guī)范的操作技術(shù)。他認(rèn)為，從學(xué)科教育的角度來評(píng)價(jià)，它們的地位是不等的，應(yīng)該依次遞減；在現(xiàn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)體系來自教材或教參，教師在實(shí)施時(shí)注意力往往放在了第二、第三兩個(gè)要素上，物質(zhì)體系的選擇反而成為次要甚至被忽略；同時(shí)，教材為什么要設(shè)計(jì)或選擇某一個(gè)實(shí)驗(yàn)，也就是化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能與價(jià)值的問題也是教師思考得比較少又比較重要的問題，教師普遍很難全面地闡述某個(gè)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能與價(jià)值。筆者以蘇教版化學(xué)教材“氮肥的生產(chǎn)和使用”一節(jié)內(nèi)容為教學(xué)案例，闡述對(duì)中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新與改進(jìn)的認(rèn)識(shí)及實(shí)踐。
一、加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的物質(zhì)體系分析，為實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新與改進(jìn)提供參考
值得關(guān)注的是教材“觀察與思考”中的實(shí)驗(yàn)2及實(shí)驗(yàn)3。
【實(shí)驗(yàn)2】在一支潔凈的試管中滴加幾滴氨水，將濕潤(rùn)的紅色石蕊試紙（或pH試紙）粘在玻璃棒上靠近試管口，觀察試紙顏色的變化情況。
【實(shí)驗(yàn)3】在一只燒杯中放兩個(gè)棉花球，分別在兩個(gè)棉花球上滴加幾滴濃氨水和濃鹽酸，用表面皿蓋住燒杯口，觀察現(xiàn)象。
兩個(gè)實(shí)驗(yàn)揭示了本節(jié)課中另一個(gè)重要的物質(zhì)體系：氨水。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)說明了氨水有揮發(fā)性，能揮發(fā)出氨（）。實(shí)驗(yàn)2再次展現(xiàn)氨氣遇水（濕潤(rùn)作條件）使指示劑變色的過程，實(shí)驗(yàn)3涉及氨氣與氯化氫的反應(yīng)，屬于氨（氣）作為路易斯堿的性質(zhì)。對(duì)氨水體系的性質(zhì)及成分探究是教師在課堂教學(xué)中容易忽視的地方。
這些理論分析為開展實(shí)驗(yàn)探究、創(chuàng)新與改進(jìn)提供依據(jù)，不屬于教學(xué)過程中實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新與改進(jìn)的對(duì)象。
二、選擇適當(dāng)?shù)膬x器裝置，找好實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新與改進(jìn)的切入點(diǎn)
從上述理論分析來看，氨（氣）的性質(zhì)探究主要是圍繞其水溶性及其堿性來展開（中學(xué)階段不探究其還原性，僅作理論分析）。要探究其水溶性，離不開裝氣體的容器及水。就容器而言，可以采用針筒（教材二氧化硫性質(zhì)實(shí)驗(yàn)用過針筒），也可以采用日常生活中常見的空礦泉水瓶來代替，用這些儀器或用品來做實(shí)驗(yàn)都能夠說明氨氣的水溶性。但這么多年來教材一直采用如圖1所示裝置探究氨氣的水溶性，在課堂教學(xué)中，絕大多數(shù)教師并沒有對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新或改進(jìn)。這與該裝置的價(jià)值與功能有關(guān)。它的功能與價(jià)值體現(xiàn)在以下幾方面：其一，為氨氣的水溶性實(shí)驗(yàn)提供儀器支持。其二，為“噴泉”的產(chǎn)生提供展示平臺(tái)。其三，為學(xué)生理解噴泉實(shí)驗(yàn)原理提供實(shí)物參考。其四，對(duì)理解物質(zhì)變化過程的復(fù)雜性（含物理和化學(xué)）進(jìn)行佐證。其五，可以進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟僮饕庾R(shí)及學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)。其六，為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與求知欲提供實(shí)例支持。特別是對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的認(rèn)知、對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)及學(xué)科意識(shí)滲透，是針筒、礦泉水瓶等無法做到的。這也是該裝置經(jīng)典且傳承的原因，無需進(jìn)行創(chuàng)新與改進(jìn)。
但教材中“在常溫下，1體積水大約可溶解700體積的氨”“氨很容易液化”“液氨氣化時(shí)要吸收大量的熱”等文字顯得過于蒼白，這需要我們利用創(chuàng)新或改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行展現(xiàn)。
設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：在無色透明的塑料袋中收集約750mL的氨氣，將塑料袋放入倒有少量液氨的敞口容器中。學(xué)生可以觀察到在液氨氣化時(shí)，飽滿的塑料袋立刻變癟，塑料袋內(nèi)部有液滴形成，與液氨直接接觸的部位有固體出現(xiàn)，這充分說明氨很容易液化。用550mL干燥的礦泉水瓶收集滿干燥的氨氣，用小針筒向礦泉水瓶中逐滴加水，邊滴邊振蕩。學(xué)生明顯地觀察到原本飽滿的礦泉水瓶慢慢變癟，當(dāng)加入蒸餾水約0.8mL，瓶壁幾乎緊貼在一起，這不僅說明氨氣極易溶于水，還能根據(jù)氨氣與水的體積關(guān)系，半定量地說明氨氣與水體積比約700:1。
就氨水體系而言，其重要性質(zhì)主要是根據(jù)揮發(fā)性、不穩(wěn)定性（一水合氨）及堿性來展開。教材所提供的實(shí)驗(yàn)?zāi)芎芎玫伢w現(xiàn)氨水的揮發(fā)性。但實(shí)驗(yàn)3中利用濃氨水與濃鹽酸的揮發(fā)性探究氨氣與酸的反應(yīng)，采用的是燒杯和表面皿的儀器組合，屬于半封閉體系，若用玻璃管與橡皮塞儀器組合進(jìn)行改進(jìn)，效果會(huì)更好。如圖2所示，將棉花團(tuán)固定在橡皮塞上，分別向其中滴加濃鹽酸和濃氨水，塞在玻璃管兩端，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。這樣做的好處不僅在于封閉體系，而且操作起來非常靈活，比如可拿著玻璃管傾斜、顛倒等，現(xiàn)象非常明顯。
另外，筆者建議補(bǔ)做一個(gè)氨水與鹽溶液反應(yīng)產(chǎn)生沉淀的試管實(shí)驗(yàn)，這對(duì)于加強(qiáng)氨水呈堿性及氨水成分的探究都有益處；補(bǔ)做一個(gè)如圖3所示的實(shí)驗(yàn)，將滴有酚酞的氨水（紅色溶液）少量裝于試管，在試管口處用氣球密封。加熱試管，顏色逐漸變淺；停止加熱，顏色逐漸恢復(fù)，該實(shí)驗(yàn)?zāi)苷f明一水合氨的存在及其穩(wěn)定性。
銨鹽的性質(zhì)探究主要圍繞其熱穩(wěn)定性來展開，涉及銨鹽自身的熱穩(wěn)定性、銨鹽與堿共熱，能夠用來加熱的常見儀器主要是試管。因此，這組性質(zhì)探究實(shí)驗(yàn)的儀器就離不開試管與酒精燈。學(xué)生按照教材中“活動(dòng)與探究”的實(shí)驗(yàn)操作在課堂上實(shí)施，將藥品裝入試管、預(yù)熱、加熱至觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，兩組實(shí)驗(yàn)順利實(shí)施下來，很多學(xué)生時(shí)間上不夠。為此做一些實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新與改進(jìn)顯得很有必要。如下頁(yè)圖4所示的封閉試管內(nèi)裝少許氯化銨進(jìn)行氯化銨熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)是一種可供參考的選擇。還可選用可封口的塑料袋來完成氫氧化鈣與氯化銨混合反應(yīng)（手搓）實(shí)驗(yàn)替代教材中氫氧化鈣與氯化銨反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。要說明的`是，這兩種創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)方式在課堂教學(xué)中不要同時(shí)使用。因?yàn)榻滩闹械膬蓚�(gè)實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)操作及規(guī)范性方面的功能與價(jià)值是上述創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)無法達(dá)到的。
三、重視實(shí)驗(yàn)步驟和操作，在實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新與改進(jìn)中培養(yǎng)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)
很多教師在做噴泉實(shí)驗(yàn)時(shí)，注重對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果的理論分析，而忽視對(duì)實(shí)驗(yàn)過程細(xì)節(jié)的把握。一些教師為了在課堂教學(xué)中爭(zhēng)取更多的時(shí)間，雖然會(huì)把已經(jīng)組裝好的儀器向?qū)W生展示，但并沒有按照教材上的程序來演示該實(shí)驗(yàn)，這實(shí)際上是很可惜的。儀器介紹及作用分析、實(shí)驗(yàn)裝置的組裝順序、實(shí)驗(yàn)步驟的嚴(yán)謹(jǐn)實(shí)施是消除學(xué)生實(shí)驗(yàn)認(rèn)知障礙的關(guān)鍵，也是于無聲處培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的良好時(shí)機(jī)。
例如，對(duì)裝置組成中雙孔橡皮塞部分進(jìn)行以下介紹：“大家看一下（拿起來展示給學(xué)生看），這個(gè)雙孔橡皮塞連接兩個(gè)，一個(gè)是膠頭滴管，膠頭滴管里已裝滿水。另外一個(gè)連接的是什么呢？是玻璃管。兩段玻璃管當(dāng)中還有一段橡皮管，橡皮管中還有止水夾。止水夾夾住橡皮管，上下兩處玻璃管不能連通；如果打開，上下兩部分就連通了�！边@種細(xì)致的解讀，使得學(xué)生對(duì)噴泉實(shí)驗(yàn)有更為全面的認(rèn)識(shí)，同時(shí)，可以引導(dǎo)學(xué)生形成仔細(xì)觀察、認(rèn)真思考的好習(xí)慣。這些，可能比由實(shí)驗(yàn)探究氨的性質(zhì)所得出的結(jié)論更為重要。
探究銨鹽的性質(zhì)，通常以分組實(shí)驗(yàn)的方式，由學(xué)生進(jìn)行自主探究。對(duì)學(xué)生進(jìn)行必要的指導(dǎo)，是實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行的關(guān)鍵。教材中的實(shí)驗(yàn)描述如下：
【實(shí)驗(yàn)1】取少量氯化銨晶體，放入試管中，在酒精燈火焰上微熱，觀察發(fā)生的現(xiàn)象。
【實(shí)驗(yàn)2】將少量氯化銨與少量氫氧化鈣混合后放入試管中，在酒精燈火焰上微熱，用濕潤(rùn)的紅色石蕊試紙檢驗(yàn)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體。
針對(duì)以上實(shí)驗(yàn)，教師會(huì)對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，但對(duì)教材中“少量”的理解存在盲區(qū)。怎樣做才能使得實(shí)驗(yàn)達(dá)到一種理想的效果呢？課堂教學(xué)實(shí)踐表明，對(duì)實(shí)驗(yàn)1，用如圖5所示藥匙柄末端小凹槽，取2～3顆粒米大小氯化銨固體；對(duì)實(shí)驗(yàn)2，強(qiáng)調(diào)氯化銨和氫氧化鈣的用量均為一藥匙，實(shí)驗(yàn)效果明顯。這樣的指導(dǎo)使得對(duì)“少量”的理解變得更加具體，操作起來有據(jù)可依。
綜上所述，以“化學(xué)實(shí)驗(yàn)三要素”為指導(dǎo)，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性實(shí)施或改進(jìn)性實(shí)施時(shí)，其方向性有了保證。同時(shí)，也要考慮實(shí)驗(yàn)的功能與價(jià)值，課堂教學(xué)的實(shí)際需要，學(xué)生基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰εc素養(yǎng)的培養(yǎng)，以此來提升實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新與改進(jìn)的價(jià)值和作用。
編輯手記：深入分析實(shí)驗(yàn)三要素，明晰教材所選實(shí)驗(yàn)的功能與價(jià)值，是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新與改進(jìn)的前提。教材中的某些實(shí)驗(yàn)或許有這樣那樣的不足，但是在培養(yǎng)學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)操作能力和規(guī)范性方面卻是一些創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)所不及的。當(dāng)下，一些“因陋就簡(jiǎn)”的非常規(guī)實(shí)驗(yàn)、低成本實(shí)驗(yàn)研究如火如荼，當(dāng)然，不可否認(rèn)其價(jià)值，但這些應(yīng)是常規(guī)實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充，而非取常規(guī)實(shí)驗(yàn)而代之，否則便是舍本而逐末了。
作者介紹：曹育紅，福建省閩江學(xué)院附屬中學(xué)（350005）；潘則南，福建師范大學(xué)附屬中學(xué)（350007）。
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