惟變所出 萬(wàn)變不從

莊山+任慧+吳頻慶

摘要：運(yùn)用U型管、半封閉式U型管、具支U型管制作實(shí)驗(yàn)裝置，并將裝置應(yīng)用于人教版義務(wù)教育教科書《化學(xué)》（九年級(jí)上、下冊(cè)）燃燒條件、空氣中氧氣含量測(cè)定、活性炭吸附實(shí)驗(yàn)、Na2CO3或NaHCO3與鹽酸反應(yīng)等多個(gè)實(shí)驗(yàn)中，取得了很好的效果。

關(guān)鍵詞：U型管；半封閉式U型管；具支U型管；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

文章編號(hào)：1008-0546（2017）04-0090-03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.04.031

一、研究緣起

“Chemistry”拆分為“Chem is try”，強(qiáng)調(diào)研究化學(xué)是一個(gè)不斷嘗試、不斷創(chuàng)新、不斷實(shí)驗(yàn)的過(guò)程。我國(guó)化學(xué)家和教育家傅鷹先生也說(shuō)過(guò)：“化學(xué)是實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，只有實(shí)驗(yàn)才是最高法庭?！绷x務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）明確指出：“應(yīng)該根據(jù)學(xué)校的實(shí)際情況合理地選擇實(shí)驗(yàn)形式，有條件的學(xué)校盡可能多地為學(xué)生提供動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)；條件有限的學(xué)校，可采取教師演示實(shí)驗(yàn)、家庭小實(shí)驗(yàn)等”[1]。因此設(shè)計(jì)、改進(jìn)、創(chuàng)新化學(xué)實(shí)驗(yàn)在化學(xué)教學(xué)中顯得尤為重要。為此，我們利用化學(xué)實(shí)驗(yàn)室常見的儀器及藥品制作了U型管、半封閉式U型管和具支U型管等實(shí)驗(yàn)裝置，并將這些實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)用于人教版義務(wù)教育教科書《化學(xué)》（九年級(jí)上、下冊(cè)）多個(gè)實(shí)驗(yàn)中。

二、半封閉式U型管的制作

將石蠟放在燒杯中加熱融化，將U型管管口朝上固定在鐵架臺(tái)上，在U型管的一端管口放上漏斗，將融化的石蠟倒入其中，如圖1[2]。取走漏斗（注意：不要讓石蠟遺留在U型管的管壁上）讓其在空氣中自然冷卻凝固，制成半封閉U型管。實(shí)驗(yàn)如圖2所示。它最大的優(yōu)點(diǎn)就是在沒有通風(fēng)設(shè)備的條件下，可以形成密閉裝置，并且能消除污染。

三、U型管、半封閉式U型管和具支U型管的創(chuàng)新應(yīng)用

以人教版義務(wù)教科書《化學(xué)》（九年級(jí)上、下冊(cè)）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為例，介紹U型管、半封閉式U型管和具支U型管在實(shí)驗(yàn)中的創(chuàng)新應(yīng)用。

1. 燃燒條件的實(shí)驗(yàn)

（1）教材上的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在500mL燒杯中加入300mL熱水，并放入硬紙圈圈住的一小塊白磷。在燒杯上蓋一片薄銅片，銅片上一端放一小堆干燥的紅磷，另一端放一小塊已用濾紙吸去表面上水的白磷，觀察現(xiàn)象。

用導(dǎo)管對(duì)準(zhǔn)上述燒杯中的白磷，通入少量氧氣（或空氣）觀察現(xiàn)象。

（2）教材中該實(shí)驗(yàn)的不足

“燃燒條件”實(shí)驗(yàn)裝置是非密閉的，常會(huì)因?yàn)榘琢缀图t磷是在開放體系中燃燒，產(chǎn)生的白煙（P2O5）會(huì)污染環(huán)境，因此教材特別注明了實(shí)驗(yàn)需在通風(fēng)櫥或抽風(fēng)設(shè)備下進(jìn)行。事實(shí)上很多化學(xué)教師通常都在普通教室里演示該實(shí)驗(yàn)，很多學(xué)校實(shí)驗(yàn)室中也沒有通風(fēng)櫥或抽風(fēng)設(shè)備。由于白磷或紅磷燃燒產(chǎn)生的污染問(wèn)題沒能得到很好的處理，因而有不少化學(xué)教師對(duì)該實(shí)驗(yàn)往往采用“黑板上講實(shí)驗(yàn)”或“多媒體播實(shí)驗(yàn)”的方式處理，因而也弱化了這一經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能。

（3）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的裝置及藥品：如圖3所示。

（4）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的操作及現(xiàn)象解釋

①在半封閉式U型管的兩端分別加入等體積的冷水和熱水。

②在冷水和熱水中分別加入兩塊大小相同的白磷，然后迅速塞上橡皮塞（橡皮塞上帶有銅絲繞成隔板），觀察U型管內(nèi)兩塊白磷都不燃燒。說(shuō)明燃燒的條件之一是可燃物與氧氣或空氣接觸。

③將U型管倒置，觀察到熱水中的白磷燃燒而冷水中的白磷不燃燒，說(shuō)明燃燒的條件之一是溫度必須達(dá)到可燃物的著火點(diǎn)。

④實(shí)驗(yàn)完畢后，再將U型管倒置，振蕩，迅速消除P2O5的污染。

（5）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

①使用的實(shí)驗(yàn)藥品種類少（沒有使用紅磷）、操作簡(jiǎn)便。

②實(shí)驗(yàn)重復(fù)性好、實(shí)用性強(qiáng)，有利于推廣和普及。

③在封閉體系中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，藥品使用量少，綠色、環(huán)保、無(wú)污染。

④作為教師演示實(shí)驗(yàn)效果良好，也比較適合在教師指導(dǎo)下的學(xué)生分組探究實(shí)驗(yàn)。

2. 空氣中氧氣含量的測(cè)定

（1）教材上的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在集氣瓶?jī)?nèi)加入少量的水，并將水上方的空間分為5等份。用彈簧夾夾緊橡皮管。點(diǎn)燃燃燒匙內(nèi)的紅磷后，立即伸入瓶中并把塞子塞緊，觀察紅磷燃燒的現(xiàn)象。待紅磷熄滅并冷卻后，打開彈簧夾，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及水面的變化情況。

（2）教材中該實(shí)驗(yàn)的不足

①在塞橡皮塞之前，燃燒產(chǎn)生大量的白煙已彌散在空氣中，危害師生健康。

②點(diǎn)燃紅磷伸入到集氣瓶的過(guò)程中，無(wú)論動(dòng)作多么迅速，都不可避免地使集氣瓶?jī)?nèi)的空氣受熱膨脹而外逸，最終導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏大。

③實(shí)驗(yàn)結(jié)束后導(dǎo)管內(nèi)留存的部分應(yīng)倒吸入集氣瓶中的水，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏小。若實(shí)驗(yàn)多次，就會(huì)出現(xiàn)測(cè)量結(jié)果時(shí)而偏大、時(shí)而偏小的情況，教師即使把失誤的原因分析得頭頭是道，并從各個(gè)角度加以闡述和論證也難以讓學(xué)生信服，更會(huì)影響教學(xué)任務(wù)的完成。

（3）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的裝置及藥品：如圖4所示。

（4）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象解釋

①在U型管的左側(cè)放置一個(gè)銅絲繞成的隔板，隔板表面做成凹槽狀。

②將U型管固定在鐵架臺(tái)上，從U型管的左側(cè)管口加入少量熱水到第一格刻度線處，將水面以上空間平均分成五等份（如圖4所示），用鑷子夾取一小塊用濾紙吸干表面水的白磷放入隔板凹槽中。

③塞上橡膠塞觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，幾秒鐘后白磷燃燒產(chǎn)生大量白煙，左側(cè)液面下降右側(cè)液面上升，一段時(shí)間后白磷熄滅。等冷卻后，右側(cè)液面下降左側(cè)液面上升，最終上升到液面以上空間的五分之一處。說(shuō)明空氣中的氧氣被消耗，消耗的氧氣約占空氣體積的1/5。

④實(shí)驗(yàn)完畢后，傾斜U型管，迅速消除P2O5的污染。

（5）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

①實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，便于觀察水位上升的現(xiàn)象。

②利用銅絲的導(dǎo)熱性，使實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單化，消除了點(diǎn)燃紅磷后能否快速伸入的影響。

③在封閉體系中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，藥品使用量少，無(wú)污染，并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致性高。

④作為教師演示實(shí)驗(yàn)效果良好，也可安全地進(jìn)行學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，并且有利于實(shí)驗(yàn)推廣和普及。

3. 活性炭的吸附實(shí)驗(yàn)

（1）教材上的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

①第四單元水的凈化中，雖然沒有具體要求進(jìn)行活性炭吸附，但是大部分老師為了完整的進(jìn)行水的凈化實(shí)驗(yàn)，都進(jìn)行活性炭的吸附實(shí)驗(yàn)。

②向盛有半瓶水的小錐形瓶里，加入一滴紅墨水，使水略顯紅色。投入幾塊烘烤過(guò)的木炭（或活性炭），輕輕振蕩錐形瓶，觀察現(xiàn)象。

（2）教材中此類實(shí)驗(yàn)的不足

在第四單元課題2講到利用活性炭除去水中有色有味雜質(zhì)時(shí)，缺乏實(shí)驗(yàn)支持學(xué)生不易理解。在第六單元第1課時(shí)介紹木炭及活性炭具有吸附性實(shí)驗(yàn)時(shí)安排了演示實(shí)驗(yàn)，但由于實(shí)驗(yàn)是將木炭或活性炭投入一瓶有紅色水的錐形瓶里，炭的黑色干擾了現(xiàn)象的觀察，學(xué)生對(duì)活性炭的吸附色素和氣味的性質(zhì)仍有疑問(wèn)，如果再加入過(guò)濾實(shí)驗(yàn)則耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)影響課堂效率。

（3）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置及藥品：如圖5所示。

（4）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象解釋

①在U型管中裝入1/3體積的活性炭，兩端用棉花堵住，用玻璃棒壓實(shí)。

②將該裝置固定在鐵架臺(tái)上，從U型管的一側(cè)倒入10mL果粒橙（倒入之前上下振蕩）。

③約1分鐘后觀察到從U型管的另一側(cè)流出澄清透明的溶液，對(duì)比兩邊溶液發(fā)現(xiàn)不僅除去了果粒橙的顏色而且除去了氣味。

④取下U型管，將無(wú)色溶液倒出發(fā)現(xiàn)U型管的另一側(cè)留有果粒，說(shuō)明活性炭層不僅能夠吸附可溶性的色素和氣味還能過(guò)濾不溶性雜質(zhì)果粒。

（5）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

①實(shí)驗(yàn)裝置取材容易、制作簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便，便于吸附前后的實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

②將生活中的果粒橙變成清澈的液體實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯，時(shí)間短。

③結(jié)合生活中的實(shí)驗(yàn)，教學(xué)效果非常好，還可以進(jìn)行學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)。

4. 碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)

（1）教材上的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及問(wèn)題

向盛有0.5g碳酸鈉的試管里加入2mL鹽酸，迅速用帶導(dǎo)管的橡膠塞塞緊試管口，并將導(dǎo)管一端通入盛有澄清石灰水的試管中，觀察現(xiàn)象。

用碳酸氫鈉代替碳酸鈉進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)，并分析現(xiàn)象。

（2）教材中該實(shí)驗(yàn)的不足

①課本設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)只能探究?jī)烧呤欠穸寄芘c鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳，對(duì)于兩者現(xiàn)象差異學(xué)生無(wú)法直觀感受，所以記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)，都是以教師告知為主。

②最重要的是：該實(shí)驗(yàn)無(wú)法解決等質(zhì)量碳酸鈉、碳酸氫鈉粉末與鹽酸反應(yīng)的快慢、生成二氧化碳多少的問(wèn)題。也不能很好地與高中知識(shí)進(jìn)行銜接。

因此，為了很好地進(jìn)行初高中銜接也為學(xué)生更好地理解碳酸鈉、碳酸氫鈉的化學(xué)性質(zhì)提供直觀的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為此我們進(jìn)行了如下的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

（3）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置及藥品：如圖6所示

（4）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象解釋

①在半封閉式具支U型管的兩側(cè)分別加入同濃度的3mL鹽酸。

②將兩個(gè)各裝0.3gNa2CO3或NaHCO3粉末的小氣球分別套在U型管的管口（U型管管口事前粘涂雙面膠防止氣壓變大氣球彈出）。

③將氣球內(nèi)的Na2CO3或NaHCO3粉末同時(shí)倒入U(xiǎn)型管中，觀察到NaHCO3粉末這邊反應(yīng)更快，氣球最先鼓起。

④反應(yīng)結(jié)束后往外拉動(dòng)注射器，拔下注射器并安裝金屬針頭將注射器內(nèi)的氣體注入盛有澄清石灰水的小試管中，觀察到澄清石灰水變渾濁，證明有二氧化碳生成。

（5）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

①該實(shí)驗(yàn)很好地控制了變量，做到了等量、同時(shí)。

②該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，通過(guò)氣球變化的不同很容易得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

③該實(shí)驗(yàn)作為教師演示實(shí)驗(yàn)效果良好，也比較適合進(jìn)行學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。

④兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，可以一人同時(shí)操作，對(duì)比性強(qiáng)，因此滲透了“比較學(xué)習(xí)法”。

四、結(jié)束語(yǔ)

宋朝呂本中在《官箴》中寫道：“惟變所出，萬(wàn)變不從”。意思是惟有變化才能推陳出新，否則教條主義沒有出路。而“惟變所出，萬(wàn)變不從?！边€有另一層意思就是盡管形式上變化多端，其本質(zhì)或目的應(yīng)該保持不變?；瘜W(xué)教學(xué)中課本實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新正應(yīng)如此，我們可以利用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)使操作變得簡(jiǎn)單，現(xiàn)象變得更加明顯，使實(shí)驗(yàn)更加安全、環(huán)保；不變的是目的：更好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣、培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力從而提升學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新永無(wú)止境，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)創(chuàng)新的路上不斷前行。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國(guó)教育部制定. 義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2012

[2] 謝丹敏，湯中華.封閉式U型管在對(duì)比實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].化學(xué)教學(xué)，2016（4）