微粒運(yùn)動(dòng)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的探索與反思

■王劍鋒

一、發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)問題

在多年的教學(xué)實(shí)踐中，筆者發(fā)現(xiàn)，采用滬教版初中化學(xué)教材中的實(shí)驗(yàn)裝置（圖1）探究微粒的運(yùn)動(dòng)性時(shí)，是存在一些問題的：

圖1 化學(xué)教材中的實(shí)驗(yàn)裝置

1.氨水的使用量偏多，既造成浪費(fèi)，又污染空氣。濃烈的氨水氣味會(huì)給師生帶來生理上的不適，不符合綠色化學(xué)的理念。

2.由于生產(chǎn)廠家不同，容量同樣是1000ml的大燒杯，其高低、直徑都有可能不同，不一定能罩住兩個(gè)小燒杯，造成器材準(zhǔn)備上的重復(fù)工作，浪費(fèi)時(shí)間和精力。

3.盛有酚酞和蒸餾水的燒杯中，與空氣接觸的液面先變紅，現(xiàn)象不明顯，而且液體全部變紅需要時(shí)間。由于小燒杯被大燒杯罩住，操作者不能用玻璃棒攪拌液體或者拿起燒杯振蕩液體。

4.受實(shí)驗(yàn)裝置限制，只有班級(jí)前排的幾個(gè)學(xué)生能夠清楚地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

5.這套裝置只適合做教學(xué)中的演示實(shí)驗(yàn)，無法進(jìn)一步探究溫度對(duì)微粒運(yùn)動(dòng)的影響。

二、進(jìn)行探索反思

基于上述問題，筆者覺得很有必要對(duì)該實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行改進(jìn)。在一道探究微粒運(yùn)動(dòng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)題中，筆者發(fā)現(xiàn)了一個(gè)改進(jìn)裝置（圖2），似乎可以解決教材實(shí)驗(yàn)中存在的一些問題：1.用試管代替燒杯，可以進(jìn)行液體振蕩操作；2.在一個(gè)封閉的體系中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，氨氣不會(huì)外泄；3.可以進(jìn)一步探究溫度對(duì)微粒運(yùn)動(dòng)的影響。

圖2 化學(xué)習(xí)題中的改進(jìn)裝置

為了探索改良方案，筆者使用三套實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。第1套為教材上的實(shí)驗(yàn)裝置，第2套為化學(xué)習(xí)題中的改進(jìn)裝置?？紤]到第2套裝置中的彎導(dǎo)氣管的折彎處過于狹窄，可能會(huì)影響微粒通過，筆者設(shè)計(jì)了第3套裝置：將第2套裝置中的試管改為相同容積的具支試管，將單孔橡皮塞改為橡皮塞。在三組實(shí)驗(yàn)中，酚酞的用量和氨氣濃度都保持一致，具體實(shí)驗(yàn)效果為：在裝置1中，盛酚酞試液的燒杯中的液面馬上變色，1min內(nèi)全部液體變色明顯；在裝置2中，盛酚酞試液的試管中的液面10min左右開始變色，15min后全部液體變色明顯；在裝置3中，盛酚酞試液的試管中的液面5min左右開始變色，8min后變色明顯。

從實(shí)驗(yàn)效果來看，裝置1反而最適合課堂演示，而裝置2、3都不適合。從能否探究溫度對(duì)微粒運(yùn)動(dòng)的影響的角度來看，裝置1是不適合的，裝置2、3則是可以的，但會(huì)出現(xiàn)橡皮塞彈出來的意外情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果令原本的期望完全落空，筆者就此進(jìn)行了反思：從課程的層面來看，教材中的實(shí)驗(yàn)裝置雖然有不少缺點(diǎn)，但它是經(jīng)過很多一線教師實(shí)踐的，并由專家篩選出來的經(jīng)典方案，具有較強(qiáng)的可操作性和示范性；但這也并不意味著一線教師不能對(duì)教材中的實(shí)驗(yàn)方案或裝置進(jìn)行改進(jìn)。從實(shí)驗(yàn)的層面來看，教材中的方案是“敗也燒杯，成也燒杯”。小燒杯的高度比較低（h=6cm），從濃氨水的液面到酚酞和蒸餾水的液面，氨分子運(yùn)動(dòng)的距離最短，所以燒杯內(nèi)的酚酞試液變紅的時(shí)間也最短。因?yàn)樾?d=6cm)中的液體與空氣的接觸面較大，即在同一時(shí)間內(nèi)，有較多的氨分子可以到達(dá)酚酞和蒸餾水的液面，所以酚酞試液變色明顯。在改進(jìn)方案中，酚酞試液變色主要受以下因素影響：試管（d=2cm）中的液體藥品與空氣的接觸面小，在同一時(shí)間內(nèi)，擴(kuò)散到空氣中的氨分子數(shù)量相對(duì)較少；導(dǎo)氣管較狹窄，影響微粒的通過；試管（h=19cm）相對(duì)較高，氨分子的運(yùn)動(dòng)距離較長(zhǎng)。其中后兩點(diǎn)因素影響較大，所以方案2中，酚酞試液變色的時(shí)間最長(zhǎng)。另外，改進(jìn)方案中的試管容積小、密封性好，當(dāng)溫度過高，試管內(nèi)的氣體壓強(qiáng)超過大氣壓時(shí)，橡皮塞就被彈了出來。

三、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案

對(duì)三套實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行反思后，筆者開始著手尋找“最佳”容器。最終，筆者把目光鎖定在生活中常見的飲料瓶上，將其從橫豎兩個(gè)方向進(jìn)行連接，制作實(shí)驗(yàn)裝置，探索改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的方案。

橫向一：尾對(duì)尾連接

原料器材：底部帶有螺旋紋的礦泉水瓶（350ml和500ml）各兩個(gè)，棉花團(tuán)4個(gè)，滴管，鑷子，剪刀。

制作方法：剪去兩個(gè)相同容量的水瓶的底部，將其尾對(duì)尾連接。由于水瓶的下半部分是螺旋紋，剪去底部的兩個(gè)瓶子正好可以卡住，形成一個(gè)整體。

實(shí)驗(yàn)步驟：1.用鑷子將滴有一滴管酚酞和蒸餾水混合液的棉花團(tuán)從一個(gè)水瓶口放入水瓶中；2.用鑷子將滴有一滴管濃氨水的棉花團(tuán)從另一個(gè)水瓶口放入水瓶中；3.旋緊瓶蓋，觀察現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)效果：水瓶中的棉花團(tuán)在相距7cm時(shí)，酚酞立刻變色；在相距30cm時(shí)，酚酞1min左右開始變色。

裝置優(yōu)點(diǎn)：制作簡(jiǎn)單；操作簡(jiǎn)單；節(jié)約藥品；可以調(diào)節(jié)棉花團(tuán)之間的距離；白色的棉花團(tuán)令實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象較為明顯。

橫向二：口對(duì)口連接

原料器材：可樂瓶（500ml）或與之口徑相同的飲料瓶?jī)蓚€(gè)，針頭注射器（或滴管）兩個(gè)，直徑1寸的透明膠皮管，剪刀。

制作方法：剪一段膠皮管（約兩個(gè)瓶蓋高），用其將兩個(gè)橫向相對(duì)的可樂瓶的瓶口連接起來（可用微量洗潔精潤(rùn)滑）。然后，將注射器的針頭分別扎在兩個(gè)可樂瓶的突起部位。（可樂瓶的上半部和下半部都有突起處，橫放時(shí)，突起處可盛放不超過15ml的液體藥品。）

實(shí)驗(yàn)步驟：1.用注射器吸取10ml酚酞和蒸餾水的混合液，注入瓶?jī)?nèi)突起處；2.用注射器吸取5ml濃氨水，注入突起處；3.要探究溫度對(duì)微粒運(yùn)動(dòng)的影響，就在濃氨水處放一杯熱水，并觀察現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)效果：兩個(gè)注射器針頭之間的距離為40cm時(shí)，8min后，酚酞變色明顯；放置熱水1min后，酚酞變色明顯。

裝置優(yōu)點(diǎn)：制作簡(jiǎn)單；操作簡(jiǎn)單；可以控制液體藥品的量；可以探究溫度對(duì)微粒運(yùn)動(dòng)的影響。

豎向：尾對(duì)尾連接

將橫向一方案中尾部連接的水瓶豎向擺放。

實(shí)驗(yàn)步驟：1.將滴有酚酞和蒸餾水混合液的棉花團(tuán)或吸水紙用瓶蓋固定在上瓶的瓶口處；2.用滴管或鑷子將濃氨水或蘸有濃氨水的棉花團(tuán)滴入或放入下瓶的瓶蓋中，旋緊瓶蓋；3.固定裝置，觀察現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)效果：當(dāng)上瓶的瓶口處固定了一個(gè)蘸有酚酞和蒸餾水混合液的棉花球，下瓶的瓶蓋中放置帶有一滴濃氨水的棉花球，兩者距離約為40cm時(shí)，1min左右，酚酞變色明顯；當(dāng)上瓶的瓶口處固定了一個(gè)蘸有混合液的棉花球，下瓶的瓶蓋中放了一個(gè)裝有3滴管濃氨水的小試管，兩者距離約為40cm時(shí)，1min左右，酚酞變色明顯；當(dāng)上瓶的瓶口處固定了一個(gè)蘸有混合液的棉花球，下瓶的瓶蓋中滴加了3滴濃氨水，兩者距離約為40cm時(shí)，1min左右，酚酞變色明顯；當(dāng)上瓶的瓶口處固定了一個(gè)滴有混合液的餐巾紙條（等距離滴幾個(gè)點(diǎn)），下瓶的瓶蓋中滴加了2滴濃氨水，紙條與瓶蓋之間的距離約為20cm時(shí)，1min后，紙條上的各點(diǎn)逐漸變紅。

裝置優(yōu)點(diǎn)：與橫向裝置相比，豎向裝置有更多的選擇，如可以在上瓶的瓶口處放棉花、紙條、紙花等，在下瓶的瓶蓋中可以放棉花或小試管等玻璃容器，也可以直接把瓶蓋作為盛放藥品的容器；藥品使用量非常少；實(shí)驗(yàn)效果比較明顯；實(shí)現(xiàn)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化。

在此次實(shí)驗(yàn)改進(jìn)活動(dòng)中，筆者經(jīng)過反復(fù)探索和鉆研，最終設(shè)計(jì)出多種實(shí)驗(yàn)方案。改進(jìn)后的方案既能充分證明微粒是不斷運(yùn)動(dòng)的，又能進(jìn)一步探究溫度對(duì)微粒運(yùn)動(dòng)的影響；既可以用于教師的演示實(shí)驗(yàn)，又可以用于學(xué)生的操作實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)方案也實(shí)現(xiàn)了綠色化、生活化、趣味化的有效融合。筆者認(rèn)識(shí)到，只有通過實(shí)踐，我們才能發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)方案的不足，才能找到解決方法，才能設(shè)計(jì)出更優(yōu)質(zhì)的實(shí)驗(yàn)方案。