例談以實驗促進(jìn)化學(xué)的綜合學(xué)習(xí)
——以部分有機化學(xué)實驗的設(shè)計、改進(jìn)和教學(xué)研究為例

首都師范大學(xué)教育學(xué)院(100048) 劉秀英

首都師范大學(xué)化學(xué)系(100048) 馮曉穎

以實驗為基礎(chǔ)是化學(xué)學(xué)科的重要特征之一。化學(xué)實驗是研究和學(xué)習(xí)物質(zhì)及其變化的基本方法，是科學(xué)探究的一種重要途徑。為了突出化學(xué)學(xué)科特征，更好的發(fā)揮實驗的教育功能，可從“引導(dǎo)學(xué)生綜合運用所學(xué)的化學(xué)知識和技能，進(jìn)行實驗設(shè)計和實驗操作，分析和解決與化學(xué)有關(guān)的實際問題”入手。有機化學(xué)作為中學(xué)化學(xué)的一部分，是重點也是難點。在中學(xué)化學(xué)教學(xué)過程中，我們發(fā)現(xiàn)了一些中學(xué)教師和學(xué)生易出錯和易忽視的重要實驗，尤其是有機化學(xué)實驗。實踐考察表明，因為設(shè)計性實驗對學(xué)生要求較高，需要學(xué)生對反應(yīng)物與生成物的性質(zhì)、反應(yīng)條件、實驗的安全性與可行性等多方面內(nèi)容都要有較深入的了解。因此，通常因“太難”而被擱置，起不到教材編制者預(yù)期的效果。而對教材中已有實驗裝置的改進(jìn)，需要教師和學(xué)生對化學(xué)實驗進(jìn)行深入的思考和評價，屬于實驗的創(chuàng)新，是一個不斷探索的過程，這個過程通常耗時長且有較大的難度，因此也經(jīng)常被忽略。因此如果能夠很好的設(shè)計和改進(jìn)相關(guān)實驗，將對學(xué)生深入理解實驗原理，學(xué)習(xí)實驗中包含的物質(zhì)制備、分離、除雜等無機化學(xué)知識起到極大的幫助作用，并可以以此促進(jìn)學(xué)生對有機化學(xué)和無機化學(xué)知識的整體掌握，提升學(xué)生分析問題和解決問題的綜合能力。

下面，對中學(xué)《有機化學(xué)基礎(chǔ)》教材中的一個設(shè)計性實驗——溴苯的制備，以及兩個有機改進(jìn)性實驗——乙酸乙酯的制備和醇的催化氧化分別進(jìn)行討論。

1 溴與苯反應(yīng)的實驗設(shè)計

溴與苯的反應(yīng)在《有機化學(xué)基礎(chǔ)》教材中的思考與交流欄目中，教材中明確提出要進(jìn)行的實驗裝置設(shè)計是教學(xué)中要求做的實驗，但很多中學(xué)教師卻選擇忽略。在維普中文期刊數(shù)據(jù)庫中，以“溴與苯的反應(yīng)”和“溴苯的制備”為關(guān)鍵詞，檢索時間默認(rèn)設(shè)置為1989到2018，得到的文章較少，這也在某種程度上說明了化學(xué)教師對該實驗的忽視。其中，檢索到的文獻(xiàn)——談溴苯的制備實驗，1999年由劉一兵和祁志富發(fā)表在《化學(xué)教育》期刊上，作者提出了基于當(dāng)年教材中實驗方案的改進(jìn)實驗，給出了實驗裝置并注明了實驗方法和實驗說明。但并未提及如何借助實驗設(shè)計教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生對相關(guān)化學(xué)知識的學(xué)習(xí)，且實驗設(shè)計與我們提出的方案不同。因此，有必要對此實驗再做研究。鑒于實驗的難點不是做實驗而是設(shè)計實驗裝置，對此筆者設(shè)計了如圖1所示的實驗裝置，制備溴苯并檢驗反應(yīng)是否發(fā)生。

實驗原理：苯與液溴在鐵粉的催化下發(fā)生取代反應(yīng)，生成溴苯和溴化氫。實驗發(fā)生裝置下端放置NaOH溶液，用來吸收Br2。a試管中盛放CCl4溶液，除去Br2，b試管中盛放石蕊或AgNO3溶液，檢驗HBr的生成。最后連接尾氣處理裝置。

圖1 溴苯的制備

對如何借助此裝置進(jìn)行教學(xué)，做出了相應(yīng)的教學(xué)設(shè)計，具體內(nèi)容如下(借助于對部分學(xué)生的訪談，主要給出教師對學(xué)生的系列引導(dǎo)以及我們對此做出的分析，以表明教學(xué)設(shè)計的目的和方向)。

問：(給出實驗裝置圖)從這個裝置中，可以獲得哪些信息？

訪談中筆者發(fā)現(xiàn)，多數(shù)學(xué)生覺得無從下手，反映出學(xué)生提取信息的能力較差。

問：要處理什么氣體？防止哪種氣體倒吸？

經(jīng)過大量的練習(xí)，學(xué)生對一些常見的問題有了條件反射性的回答，但對問題的實質(zhì)并不十分理解。學(xué)生通常會說：極易溶于水的氣體。

問：可能是什么氣體呢？

(此處意在引導(dǎo)學(xué)生從裝置中獲取信息)找出這種“極易溶于水的氣體”是HBr。

問：HBr是怎樣過去的？前面的試管為什么沒有進(jìn)行防倒吸設(shè)計？

引導(dǎo)學(xué)生觀察：第一個試管長進(jìn)短出，說明不怕倒吸，第二個試管沒有伸入液面中，說明怕倒吸。而倒吸本質(zhì)上是發(fā)生在水溶液中的，怕倒吸說明溶劑是水，不怕倒吸說明可能是有機溶劑。在中學(xué)階段，學(xué)生常見的溶劑有兩種，無機溶劑是水，有機溶劑最常見的是CCl4。因此推測a試管中可以是CCl4溶液。

問：如何證明反應(yīng)發(fā)生了？為什么b試管要防倒吸？為什么a中要用CCl4溶液？

引導(dǎo)學(xué)生自主分析：證明反應(yīng)的發(fā)生可通過證明產(chǎn)物的生成來實現(xiàn)?？勺C明生成了溴苯，或證明生成了溴化氫。證明溴苯較難，可證明HBr的生成，即證明氫離子(用石蕊)或者溴離子(用AgNO3溶液)的存在，而石蕊和AgNO3溶液都是水溶液，因此第二個試管要防倒吸。同時，苯與Br2的反應(yīng)放熱，在揮發(fā)出的HBr氣體中會混有Br2，Br2與H2O反應(yīng)生成HBr和HBrO，會干擾對苯與Br2反應(yīng)產(chǎn)生的HBr的檢驗，因此要除去揮發(fā)出來的Br2，故a試管中可用CCl4溶液。

問：如何得到純凈的溴苯？

涉及到提純與除雜的相關(guān)知識。引導(dǎo)學(xué)生分析雜質(zhì)是什么，再逐步除去。從反應(yīng)裝置中掉入瓶內(nèi)的是苯、溴苯、溴單質(zhì)與水，如何除掉溴單質(zhì)？可以引導(dǎo)學(xué)生利用元素周期律，考慮溴與氯是同主族的，性質(zhì)相似，Cl2用NaOH溶液吸收，所以Br2也可以，用NaOH吸收因此瓶子下端可放NaOH溶液。如何除掉溴苯中的苯？先分液，得到水層和有機層。要分離苯和溴苯，在找不到合適方法時，可利用兩者沸點的不同，通過蒸餾將苯與溴苯分開，苯先氣化，因為其相對分子質(zhì)量小，沸點小。

在本實驗中，倒吸問題、氣體的溶解度問題、物質(zhì)的檢驗及分離除雜問題等完全與無機化學(xué)實驗的內(nèi)容相吻合，在課堂中若能幫助學(xué)生從有機化學(xué)中找到無機化學(xué)的影子，將兩者結(jié)合起來促進(jìn)學(xué)生對化學(xué)知識的整體掌握，實驗教學(xué)必將事半功倍。

2 制備乙酸乙酯和醇的催化氧化實驗的改進(jìn)

2.1 制備乙酸乙酯

制備乙酸乙酯的實驗裝置如圖2所示。對于課本上的實驗裝置，要引導(dǎo)學(xué)生理清以下幾點。

(1)飽和碳酸鈉溶液起什么作用？

利用溶質(zhì)Na2CO3吸收揮發(fā)出的CH3COOH；利用Na2CO3溶液便于乙酸乙酯的析出，因為乙酸乙酯在碳酸鈉這種鹽溶液中溶解度非常?。患訜釙rC2H5OH也會揮發(fā)出來，可以利用溶液中的水除去C2H5OH。

圖2 實驗室制取乙酸乙酯

(2)教材中右側(cè)導(dǎo)管為什么不伸進(jìn)入液面以下？

學(xué)生會習(xí)慣性的認(rèn)為是為了防止倒吸，但是CH3COOC2H5不溶于水，揮發(fā)出的CH3COOH和C2H5OH都比較少，究竟為什么需要防倒吸，學(xué)生并不是非常清楚。此處主要是防止左側(cè)試管受熱不均試管內(nèi)氣壓不穩(wěn)定引起倒吸，因為有機物氣化速度不均勻，實驗時火苗也不穩(wěn)定。

(3)有機實驗中液體加熱通常要加沸石或者碎瓷片，這是從實驗安全的角度考慮的，但很多中學(xué)教師對此強調(diào)不足。

在維普中文期刊數(shù)據(jù)庫中，以“乙酸乙酯的制備”為關(guān)鍵詞，時間默認(rèn)1989年至今，期刊范圍選擇“核心期刊”，搜索到兩篇符合該主題的文獻(xiàn)。孔令琦和丁偉比較了人教版、蘇教版和上科版三個版本教材中乙酸乙酯制備實驗存在的問題，并用正交實驗法得出制備乙酸乙酯時各試劑的最佳配比、實驗時的溫度等，但并未對裝置進(jìn)行大的改進(jìn)。丁愛軍和王金龍?zhí)岢鲆宜嵋阴サ闹苽溆兄T多方法，包括乙酸酯化法、乙醛縮合法、乙醇脫氫法和乙烯加成法等，介紹了各種制法的反應(yīng)原理和工藝特點，并強調(diào)乙酸酯化法是一種落后的生產(chǎn)工藝，已逐步被市場淘汰。文獻(xiàn)中也沒有提供明確的實驗改進(jìn)裝置，提出對于工業(yè)生產(chǎn)而言，乙酸酯化法已逐步被淘汰，但這并不能否定乙酸酯化法制備乙酸乙酯的方法在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的重要作用。為了深化學(xué)生對乙酸乙酯制備內(nèi)容的學(xué)習(xí)，設(shè)計了改進(jìn)后的裝置，如圖3所示。

圖3 乙酸乙酯的制備

該裝置有以下優(yōu)點：

(1)實驗開始時，先加入C2H5OH，濃硫酸，再用分液漏斗逐滴加入冰醋酸，這樣三種試劑的加入順序就明了了；

(2)利用溫度計較準(zhǔn)確的測量乙酸乙酯的氣化溫度，保證“小火加熱”，量化實驗；

(3)利用冷凝管取代長導(dǎo)管，使氣體充分液化，最終收集到液態(tài)的乙酸乙酯，減少其揮發(fā)浪費；

(4)利用分液漏斗可不斷的滴加冰醋酸，促使平衡向正向移動，提高產(chǎn)率。

對應(yīng)的主要教學(xué)設(shè)計如下：

問：新的實驗裝置有什么優(yōu)點和缺點呢(鼓勵學(xué)生去說)？

實踐考察表明，看到溫度計，學(xué)生會說控制溫度；看到分液漏斗，會說控制反應(yīng)速度。這樣的說法是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。要說明怎樣控制溫度，控制什么的溫度，具體是怎樣控制反應(yīng)速度的。

問：對于該實驗，教材上要求“小火加熱”，為什么不能大火加熱？

引導(dǎo)學(xué)生從實驗原理進(jìn)行思考。CH3COOH和C2H5OH兩者的沸點分別為117.9 ℃、78.3 ℃，較為接近，如果用大火加熱，會促使大量的CH3COOH和C2H5OH一起揮發(fā)出來。實驗表明，當(dāng)采用大火加熱時，右側(cè)錐形瓶上方很快有一層厚厚的油狀液體，但是將其拿起來震蕩，錐形瓶中產(chǎn)生大量氣泡，當(dāng)氣泡不再發(fā)生時，試管中液體就剩下一層了。因為此時出來的主要是CH3COOH和C2H5OH，反應(yīng)根本沒有來得及生成CH3COOC2H5。

如果有一個溫度計準(zhǔn)確指示CH3COOC2H5的氣化溫度，就能保證出來的主要是CH3COOC2H5了。目標(biāo)產(chǎn)物是CH3COOC2H5，因此需要測量的是它的氣化溫度，由此提醒學(xué)生聯(lián)想蒸餾實驗，蒸餾實驗中測量的就是物質(zhì)的氣化溫度，而在蒸餾實驗中，對溫度計的水銀球的位置是有要求的，應(yīng)置于蒸餾燒瓶支管口處稍靠下的位置。該裝置雖然不是蒸餾裝置，也不是測CH3COOC2H5沸點的實驗，但是實驗?zāi)康氖堑玫紺H3COOC2H5，溫度計的水銀球若從溶液中抬出來，離開加熱的液面，這樣就能測量液體氣化的溫度，從而更好的控制反應(yīng)的溫度，獲得目標(biāo)產(chǎn)物。而給出的裝置圖中，溫度計的水銀球在液面以下，這在一定程度上可以說是該裝置的一個缺點。

問：分液漏斗起什么作用？

教材中滴加3種藥品的順序，沒有具體說明，但是文字部分提到“在試管中加入乙醇，濃硫酸，乙酸”。對于試劑的加入順序，部分教師和學(xué)生并不是很清楚。許多教師認(rèn)為從安全性角度考慮，應(yīng)最后加濃硫酸，那么，書上的順序能調(diào)整嗎？若先加C2H5OH和CH3COOH，加入濃硫酸后放出大量熱，兩者就會都揮發(fā)，損失試劑較多，若把濃硫酸放在中間加入，加入濃硫酸后待到冷卻室溫再加另外一種試劑，便可以減少試劑的浪費。而CH3COOH和C2H5OH相比，C2H5OH的密度較小，因此，先加C2H5OH，再加濃硫酸，最后加入CH3COOH。

對于基礎(chǔ)較好的學(xué)生，也可引導(dǎo)他們從另外一個角度考慮：催化劑的催化機理是改變反應(yīng)的路徑，降低活化能，而催化劑本身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)不改變。在有機化學(xué)中，中學(xué)層面對濃硫酸的討論主要是作為催化劑、脫水劑，在此反應(yīng)中濃硫酸如何催化反應(yīng)？依然是改變反應(yīng)路徑。先加C2H5OH再加濃硫酸，發(fā)生醇和無機酸的酯化，C2H5OH與濃硫酸反應(yīng)生成磺酸乙酯(C2H5OSO3H)，再加入CH3COOH，酸類部分與磺酸發(fā)生酯交換，生成CH3COOC2H5。如此，弄清楚了反應(yīng)機理，就很容易理解藥品加入的順序了。

2.2 乙醇的催化氧化

該實驗的原理是乙醇與氧氣在催化劑和加熱的條件下生成乙醛和水。在維普中文期刊數(shù)據(jù)庫中，以“乙醇的催化氧化”為關(guān)鍵詞檢索1989年至今的核心期刊，得到的文獻(xiàn)不多。其中李周平和張樂偉對實驗的發(fā)生裝置提出改進(jìn)建議，將銅絲換成銅片，并置于三腳架上加熱，然后向銅片上滴加乙醇，達(dá)到更好的實驗效果。樊會武、朱旋農(nóng)和姚志紅“采用洗耳球鼓入空氣的方法成功地解決了產(chǎn)物的量和產(chǎn)物能否順利進(jìn)入檢測體系的問題”并給出了實驗裝置，文章指出改進(jìn)后的實驗取得了較為良好的效果。兩篇文獻(xiàn)都為達(dá)到更好的實驗效果上提出了改進(jìn)措施，但本文提出的改進(jìn)措施與文獻(xiàn)中不盡相同，且考慮到教材中只簡單描述了發(fā)生裝置，沒有氧氣的制備裝置和產(chǎn)物的檢驗裝置，本研究補充這些裝置，以加深學(xué)生對化學(xué)相關(guān)知識的理解和應(yīng)用，并改進(jìn)實驗發(fā)生裝置，使實驗更加準(zhǔn)確和嚴(yán)密。具體裝置如圖4所示。

圖4 乙醇的催化氧化

裝置說明：第一個發(fā)生裝置是制氧氣的裝置，a試管中的液體是無水乙醇，第二個發(fā)生裝置中有銅，干燥管中裝堿石灰，b試管中加入新制的氫氧化銅。已知乙醇的沸點為78.3 ℃。相關(guān)教學(xué)設(shè)計如下。

問：第一個發(fā)生裝置中應(yīng)放什么？

引導(dǎo)學(xué)生觀察實驗裝置并從中提取信息，結(jié)合安全性等條件選擇最優(yōu)原料。裝置中試管向下傾斜，所以試管中應(yīng)加入的是固體，不能為過氧化氫?？梢允歉咤i酸鉀或氯酸鉀與二氧化錳混合物。有學(xué)生可能會想到氯酸鉀，但是氯酸鉀是一種危險品，根據(jù)實驗安全的要求，最好放高錳酸鉀。試管口應(yīng)放一團棉花，防止高錳酸鉀顆粒沖出去。

問：a試管中液體是無水乙醇，已知乙醇的沸點是78.3 ℃，如何使乙醇平穩(wěn)氣化？

如何有效利用題目中的數(shù)據(jù)，這是在教學(xué)中要幫助學(xué)生學(xué)會獲得的重要信息。實踐發(fā)現(xiàn)，學(xué)生通常答：水浴。這是不規(guī)范的。水浴有冷水浴，也有熱水浴，說加熱也不合適。因此，講解時應(yīng)強調(diào)“從題目中提取信息的能力”，比較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)幕卮鹗牵褐糜诼愿哂?8.3 ℃的熱水中加熱。

問：導(dǎo)管從a試管中出來，斜向上，為什么？為什么不平放，或者向下？

引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注細(xì)節(jié)，深入理解實驗設(shè)計的每一部分。乙醇的沸點78.3 ℃，當(dāng)離開水浴的溫度，乙醇就會液化，如果平放或者向下就可能會有液態(tài)乙醇流入接下來的催化氧化裝置中，產(chǎn)生安全隱患。斜向上導(dǎo)管的作用是：導(dǎo)氣同時可將液化的乙醇流回試管中。

問：在這個裝置中需要加熱的裝置有哪些？

引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注整個實驗裝置，綜合考慮問題。高錳酸鉀加熱、乙醇水浴加熱、催化劑加熱、新制氫氧化銅檢驗醛基也要加熱。

問：高錳酸鉀和銅加熱的順序是怎樣的？

幫助學(xué)生深入理解實驗原理。有的學(xué)生認(rèn)為若先加熱銅，空氣中的氧氣會與銅反應(yīng)，因此不可取。反觀教材，做此實驗時把銅絲彎成螺旋狀，在酒精燈火焰上灼燒、至紅熱(燒黑變成氧化銅，再燒紅是氧化銅升溫的過程)也是在空氣中加熱，對實驗沒有太大影響。若先加熱高錳酸鉀，則氧氣通過銅時，不會發(fā)生反應(yīng)，浪費氧氣。因此，需要先加熱催化劑銅，再加熱高錳酸鉀，最后再水浴加熱無水乙醇，使乙醇蒸汽與氧化銅反應(yīng)。

問：在這個反應(yīng)中能否不使用干燥管？

幫助學(xué)生建立“只要檢驗的氣體與空氣中某種氣體的成分相同，必須防止從裝置尾端倒流入的氣體”的思維方式。要想檢驗醇催化氧化的產(chǎn)物，即水的生成，就必須防止空氣中的水蒸氣進(jìn)入導(dǎo)管。因此，干燥管中加堿石灰，以檢驗水的生成，尤其是在裝置尾端，新制氫氧化銅加熱，水蒸氣很容易倒流回去。

該實驗也是有機化學(xué)與無機化學(xué)一個非常好的結(jié)合點，包括硫酸銅檢驗水的問題、水浴加熱的問題、加熱順序問題、導(dǎo)管問題，這些都是無機化學(xué)中的重要知識點。

3 研究啟示

3.1 深度挖掘教材中的實驗，深化教材教學(xué)價值

教材是溝通教師與學(xué)生的主要憑借，是教師進(jìn)行教育教學(xué)工作的主要依據(jù)，是學(xué)生獲得系統(tǒng)科學(xué)知識、形成正確價值觀念的重要工具。教材能夠幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中獲得更加系統(tǒng)化、規(guī)范化的知識，并便于學(xué)生自主學(xué)習(xí)、復(fù)習(xí)和完成作業(yè)。教材的編寫匯集了該學(xué)科諸多教育教學(xué)工作者的智慧，教材的每一部分內(nèi)容都是精心設(shè)計的，思考交流欄目中的問題，作為教材重要的一部分，也是考試命題的重要參考，要引起教師的足夠重視。

3.2 在有機化學(xué)的學(xué)習(xí)中關(guān)注實驗，從有機實驗與無機實驗的關(guān)聯(lián)中找到實驗考查的關(guān)鍵點

有機化學(xué)與無機化學(xué)是中學(xué)化學(xué)的核心內(nèi)容，長期以來，兩者被人為的分離，導(dǎo)致一些學(xué)生對某一方面內(nèi)容的害怕或者厭惡，而另一方面卻可以學(xué)得很好。然而，化學(xué)作為一門基礎(chǔ)性學(xué)科，其中有機與無機的內(nèi)容更是基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)，基礎(chǔ)性的內(nèi)容是不可分割的，兩者有著諸多的聯(lián)系，只是因為學(xué)科的精細(xì)化，便于教師的教和學(xué)生的學(xué)才人為地劃分為有機化學(xué)和無機化學(xué)等。在有機化學(xué)教學(xué)中，無機化學(xué)實驗的教學(xué)至關(guān)重要，而如同上文提到的溴苯制備等有機實驗中，都蘊含著重要的無機化學(xué)知識。在教學(xué)中，若能在有機實驗的教學(xué)中提醒學(xué)生將無機化學(xué)的知識點聯(lián)系起來，找到實驗要考查的關(guān)鍵點，便可以幫助學(xué)生融會貫通，起到事半功倍的效果。