“噴泉”實驗教學功能的挖掘

顧春燕

摘要：以氨氣“噴泉”實驗為起點，從課程標準、教材要求和學生認知基礎等方面探討“噴泉”實驗在高中不同教學階段的教學功能。

關鍵詞：“噴泉”實驗；研究性學習；實驗教學；教學功能

文章編號：1008-0546（2017）01-0011-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.01.003

以氨氣為例的噴泉實驗是高中化學實驗教學中的一個亮點，它不僅能緊密聯(lián)系生活中的景觀，抓住學生的興趣點，而且該實驗操作簡單，現(xiàn)象明顯，探究性強，處理得當，能在學生的腦海中留下難忘的印跡，受益終身。對該實驗的變形設計，包括引發(fā)方式和原理的探尋、雙噴泉的設計都能激發(fā)學生的探究熱情，但是筆者認為，對噴泉實驗的學習和探究也要循序漸進，依據(jù)不同版本教材的不同呈現(xiàn)方式在高中教學的不同階段提升和挖掘該實驗素材的教學功能。

一、高一階段——以噴泉認知氨氣的性質

1. 教材分析

“噴泉”實驗在人教版、蘇教版和魯科版的高中化學教材中有不同的呈現(xiàn)方式，具體如表1所示。

2. 學生認知基礎分析

以使用人教版教材的學生為例，學生在第二章化學物質及其變化中已學習了物質的分類和離子反應的基本概念，初步了解了電解質和電離，但由于對這部分知識的學習還處于初級階段，比如對弱電解質及其電離還不夠深入，學生對氨氣遇水形成堿性溶液的認識缺乏理論基礎，此外學生對氣體在水中的溶解性也不夠明確，結構知識還很不到位，還沒有完全掌握“結構→性質→用途”的化學學習規(guī)律。

3. 教學目標達成

以人教版為例，氨的性質和制備共安排1課時，本節(jié)課的教學目標可以定位在通過對噴泉實驗的分析掌握氨的主要性質，結合氨的性質引導學生探究氨的制備方法及其原理。教學過程中，學生對氨的性質的獲得，主要通過教師借助噴泉實驗引導學生大膽猜想和推斷來完成。目標達成過程中，從紅色的噴泉推斷出氨溶液呈堿性，由堿性推斷出溶液存在氫氧根離子，而根據(jù)氨本身的組成元素分析和第二章所學，氨屬于非電解質，本身不會產(chǎn)生氫氧根，由此可以推斷氨首先與水結合成可以電離出氫氧根的物質NH3·H2O；結合已有的物理知識，明確噴泉實驗的原理是因燒瓶內(nèi)外產(chǎn)生的壓強差使燒杯中的液體進入燒瓶內(nèi)，從而形成噴泉。實驗中是通過擠壓滴管使少量水進入燒瓶即產(chǎn)生較大的壓強差，由此可以推斷氨在水中的溶解性很大。

二、高二階段——以原理探討噴泉實驗的改進

1. 學情分析

對高一學過的噴泉實驗進行深入剖析會讓學生有更高的探究熱情。此時將既有的結論從性質推測走向理性的結構分析，進一步構建結構決定性質，性質決定用途的化學思想方法，明確氫鍵對物質性質的影響，推知氨極易溶于水并且所得氨水顯堿性的原因是氨分子和水分子之間的氫鍵，分析氨易液化也是源于氫鍵，是因為NH3分子與NH3分子之間形成氫鍵導致沸點較高，易于液化。

2. 學生認知基礎分析

進入高二階段學習的學生已經(jīng)完成了高中化學兩個必修模塊的學習（具備了有關氨的基本知識），再加上高二下階段對選修3的學習（具備了價鍵意識），可以建立研究性學習平臺，在對氨氣噴泉實驗的原理進行深入探究的基礎上，探討噴泉實驗的改進。

3. 活動設計和目標達成

[活動主題]氨與水的噴泉實驗引發(fā)方法

[資料獲取]以“噴泉實驗”“引發(fā)措施”等關鍵詞進行搜索（教師在布置任務前先行檢索相關文獻）。

[匯報交流]學生根據(jù)所收集的資料進行篩選和整理，形成文本材料，并制作成PPT進行交流匯報。

[實驗探究]指導學生通過分組討論、實驗、小結等環(huán)節(jié)完成科學探究：

（1）提出研究假設。通過分組討論，提出噴泉實驗引發(fā)方法存在以下幾種：①用膠頭滴管先注入少量水；②用熱毛巾先捂裝滿氨氣燒瓶后取走；③用冷毛巾先捂裝滿氨氣燒瓶后取走；④……

（2）設計實驗進行驗證。為了學生順利實施自行設計的方案，教師應該預先準備好若干個裝滿氨氣的燒瓶。也可以引導一些具有探究經(jīng)驗的學生嘗試對某個指定裝置產(chǎn)生噴泉的思考和操作。如圖1所示裝置，將錐形瓶放置在水槽中，錐形瓶中加入易揮發(fā)試劑（如酒精），水槽中加入冰水后，如果再加入一種物質，結果也產(chǎn)生了噴泉。思考水槽中可以加入的是什么物質？簡述理由并通過實驗驗證。

（3）得出實驗結論：小組交流完善（略）。

在面對學生不合理的方案設計，不要過多的干預，只要他們是積極去完成實驗探究，就能自行發(fā)現(xiàn)方案的不合理性，從而激發(fā)他們改進的欲望和熱情，體驗自食其力收獲知識達成目標的喜悅。教師要有靜待花開的氣量和耐心。直接給予的方案再成熟也是別人的，探究的目的就是要讓學生自己的方案從不成熟到成熟，或許我們還能收獲出乎意外的驚喜。所以對于研究性學習活動，我們主要是為學生提供科學探究的平臺，提供時間、空間和設備儀器，培養(yǎng)學生脫離老師的指令后自己獲取知識的能力。在實驗探究熱情高漲的情況下，再鼓勵學生結合所學的結構知識探究氨在水中的溶解性很大和氨水呈堿性的原因，最后再做一個小結。

三、高三階段——以噴泉實驗拓展知識運用

1. 學生認知基礎分析

進入高三化學一輪復習時，學生已經(jīng)完成了對高中化學兩個必修模塊和三個選修模塊的學習。此時，學生已經(jīng)掌握了必要的基本概念（反應熱、弱電解質的電離等）、比較系統(tǒng)的元素化合物知識（氨與氯化氫的化合、氨與水的反應等）及物質結構與性質（氨易溶、氨易液化、氨水顯堿性等性質與氫鍵存在的密切聯(lián)系。）

2. 復習目標達成

高三復習不僅要“溫故”，更重要的是“知新”，也就是說要在復習已有知識的基礎上進行知識的整合，實現(xiàn)知識的融會貫通，進而達成能力的提升。這就要求教師精心策劃組織，積極調動學生情感，提升課堂價值。此時以氨氣的噴泉實驗為主題的專題復習，可以將基本概念、元素化合物知識和物質結構知識等有機結合，進一步幫助學生提升從掌握基礎知識到運用知識解決實際問題的能力和水平，最終達成三維綜合目標。對高三一輪復習噴泉實驗的教學目標進行分解，如圖2所示。

3. 專題復習教學片斷

片斷1 常見噴泉實驗裝置的分析和比較

[設計意圖]如圖3所示，通過不同噴泉實驗裝置，不同實驗原料和多種引發(fā)方式的選擇比較，幫助學生進一步厘清噴泉實驗的本質，總結出噴泉實驗成功的關鍵因素：①盛氣體的燒瓶必須干燥，否則，在收集氣體時因甁內(nèi)殘留水分迅速將收集的氣體大量溶解，導致瓶內(nèi)空氣沒有被排盡，壓力不夠，難以形成噴泉；②燒瓶內(nèi)氣體的量。要充滿燒瓶， 確保氣體溶解后產(chǎn)生的內(nèi)外壓強差足夠大；③實驗裝置的氣密性。實驗前必須檢查裝置氣密性，若漏氣，則噴泉難以形成；④氣體的溶解性。所選氣體能在所用液體中因大量溶解或快速反應而被吸收。通過對噴泉實驗原理的深入研究，幫助學生在噴泉的自然情境下對一些化學實驗基本操作進行復習，同時幫助學生觸類旁通，掌握綜合理化知識解決實際問題的本領，完成了解、理解到靈活運用的目標轉變。

片斷2 組合式噴泉實驗的設計

如圖4所示裝置，實驗前關閉a、b、c止水夾。

（1）若要在該裝置中產(chǎn)生噴煙現(xiàn)象，如何操作？

（2）若要在該裝置中產(chǎn)生雙噴泉現(xiàn)象，如何操作？

[設計意圖]組合式噴泉實驗的設計有助于進一步提高學生對噴泉實驗原理的掌握。通過輕微擠壓膠頭滴管使很少量水進入燒瓶，溶解右瓶中的部分NH3使瓶Ⅱ內(nèi)壓強減小。打開活塞a、c，瓶Ⅰ中的HCl進入右瓶生成NH4Cl固體而在右瓶管口產(chǎn)生噴煙現(xiàn)象。過一段時間，打開活塞b，則燒杯內(nèi)的水會壓向左右兩個燒瓶，在左右兩瓶中均產(chǎn)生噴泉。若預先在水中滴加紫色石蕊試液，則在左瓶中產(chǎn)生紅色噴泉，在右瓶中產(chǎn)生藍色噴泉。運用已有的噴泉實驗基礎，拓展思維，將元素化合物知識與噴泉實驗原理之間的結合進一步延伸，提升學生的科學素養(yǎng)和綜合應用能力。

片斷3 氨氣噴泉實驗拓展

在噴泉實驗的基礎上進一步拓展，以提高學生知識應用的能力。

[設問1]利用圖5裝置所收集到的氣體能否直接用于“噴泉實驗”？說明你的理由。

[設計意圖]引導學生從“噴泉實驗”的要點思考NH3的凈化、收集、檢驗等一系列問題，鞏固整理NH3的部分性質。

[設問2]NH3為何極易且快速溶于水？要使“噴泉實驗”現(xiàn)象明顯需對該裝置得到的氣體作怎樣的處理？

[設計意圖]在“噴泉實驗” 實際準備情境下引導學生對氨氣的性質復習鞏固并靈活運用。鼓勵學生針對兩個問題所涉及的多個知識點和多處細節(jié)，相互補充完善，充分體驗“合作學習”。同時為后面乙、丙燒瓶中“噴泉”的引發(fā)作好鋪墊。

[拓展延伸]（1）圖6 乙燒瓶中充滿干燥的NH3，是否可以產(chǎn)生噴泉？如果可以則如何引發(fā)？（2）丙燒瓶中是空氣，如何選擇試劑A、B才能使水向上噴出？（3）若在標準狀況下“噴泉實驗”結束時整個燒瓶充滿液體，則所得溶液的物質的量濃度是多少？

在上述過程中，以“噴泉實驗”問題組為主線，以歸納氨的結構和性質為暗線，組織獨立思考、合作探討、運算對比等學生活動最終達成對信息的獲取、加工和應用。

教學目標的達成不是一蹴而就，而是在循序漸進中分階段達成的，從現(xiàn)象到本質，從本質到運用，是科學認知的必經(jīng)之路。分階段達成教學目標、能力目標和情感價值目標應以不同教學階段，學生不同認知基礎和教材知識結構等諸多要素為基礎。關于噴泉實驗的學習是一個集物質結構、元素化合物知識和實驗的綜合性問題，沒有必要在高一新授課就多面灌輸，急求透徹理解，全面把握，否則必將得不償失，不如保護學生的求知欲和興趣點，在不同的教學階段逐步深化對其認識和理解，讓學生在求學過程中漸漸體驗撥開云霧，豁然開朗。比如高二巧妙利用噴泉實驗培養(yǎng)學生學習化學的興趣和探究熱情，高三復習則側重于通過一些基本實驗素材，努力提升學生對知識的綜合運用水平，增強學生對實際問題的解決能力。我們還可以尋找并科學合理地利用好其他實驗素材，在尊重學生學情、權衡不同學段學習重心的基礎上，不斷挖掘他們內(nèi)在的教學功能，充分發(fā)揮高中化學實驗對培養(yǎng)學生化學核心素養(yǎng)的重要作用。

參考文獻

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