例談STEM教育理念下的初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

文/中山市華僑中學(xué) 楊 勇

中山市西區(qū)初級鐵城中學(xué) 韓雪嬌

人教版九年級上冊《化學(xué)》（2012年秋季修訂版）測定空氣中氧氣含量的實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生利用物理學(xué)科氣壓知識、數(shù)學(xué)學(xué)科定量計(jì)算知識、化學(xué)變化觀念去探究身邊物質(zhì)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)者在完成實(shí)驗(yàn)的過程中，涉及紅磷在空氣中燃燒產(chǎn)生大量五氧化二磷煙塵的環(huán)節(jié)，對空氣造成污染。如果讓學(xué)生分組進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)，對教師和學(xué)生的身體健康傷害極大。因此，筆者對原實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置既能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)分組，又能讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門學(xué)科交叉融合解決問題的過程，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。現(xiàn)將該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)過程分享如下。

一、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

基于原實(shí)驗(yàn)的不足和STEM教育理念的指導(dǎo)思想，筆者對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)。

（一）改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置(右圖)

（二）所需儀器與藥品

儀器：無線信號發(fā)射器和接收器（網(wǎng)上購買，價(jià)格低廉），帶鎢絲的陶瓷容器，橡膠塞，直徑為3cm、長度為25cm的均勻玻璃管，鐵架臺，燒杯，紅墨水，刻度尺。

藥品：紅磷、水。

二、實(shí)驗(yàn)操作步驟

（一）準(zhǔn)備裝置

改進(jìn)后的裝置

2.液封玻璃管下端管口。通過調(diào)節(jié)鐵架臺上的鐵夾，調(diào)節(jié)玻璃管伸入水中的長度，經(jīng)測試，伸入水下3cm以上可以避免空氣受熱膨脹外溢。

3.連接儀器，并檢查裝置氣密性。

（二）裝入藥品

將帶有點(diǎn)火頭的橡膠塞從玻璃管取下，向帶鎢絲的陶瓷容器中加入紅磷，然后塞緊橡膠塞。

（三）測量空氣柱長度

因?yàn)椴ＡЧ苁峭庑我?guī)則的儀器，上下直徑相同，所以可以用長度表示空氣體積，記錄數(shù)據(jù)為h1cm

（四）引燃紅磷并充分消耗氧氣

1.按下遙控器，點(diǎn)火頭上的電熱絲紅熱并引燃紅磷；

2.繼續(xù)按住遙控器按鈕，使電熱絲保持紅熱（為使紅磷在高溫下轉(zhuǎn)化為白磷，白磷的緩慢氧化能消耗更多的氧氣，使結(jié)果更加準(zhǔn)確），待管壁出現(xiàn)少量黃色附著物（凝華的白磷）時(shí)，松開遙控器按鈕，停止加熱。

（五）觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

開始時(shí)，紅磷燃燒，產(chǎn)生大量白煙；片刻后，產(chǎn)生大量黃煙（白磷）；玻璃管內(nèi)的液面先迅速下降而后逐漸上升（倒吸明顯）。

我去了，懷著一顆紅心兩種準(zhǔn)備。夏俊一見我，特別熱情，一臉的諂笑快要淌下來。路過人力資源課時(shí)，又高又靚的李霞正好出門，也對我一展芳顏，笑容可掬。進(jìn)了總經(jīng)理室，屁股剛碰到沙發(fā)，漂亮的秘書小姐奉上咖啡，細(xì)語如風(fēng)地說，請您慢用。便笑盈盈地退了出去。

（六）測量剩余氣體柱長度

待管內(nèi)白煙和黃煙完全消失且玻璃管冷卻至室溫時(shí)，將玻璃管下移，使管內(nèi)液面與燒杯中液面相平（保證恒壓測定），測量剩余氣體柱長度，記錄數(shù)據(jù)為h2cm。

（七）數(shù)據(jù)處理

1.計(jì)算方法：空氣中氧氣的含量=(h1-h2)/h1×100%

2.多次實(shí)驗(yàn)均能得出氧氣含量20%左右的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

（八）清洗實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)過程中，生成的少量白磷附著在玻璃管壁，為防止發(fā)生自燃或火災(zāi)，必須及時(shí)清除。將紙巾搓成長圓柱形，用玻璃棒將紙巾圓柱從玻璃管一端推入，從另一端取出，此時(shí)白磷脫離玻璃管壁，全部粘在紙巾上，最后將紙巾做燃燒處理。

三、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)說明

（一）無線遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)容器內(nèi)點(diǎn)火

經(jīng)查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)改進(jìn)方法將紅磷改為白磷，利用熱水或放大鏡或電烙鐵引燃白磷。可是，隨著國家對易燃易爆物品的嚴(yán)格控制，購買白磷，難以實(shí)現(xiàn)。因此，筆者依舊用紅磷作為藥品，采用鎢絲發(fā)熱頭（發(fā)熱溫度600℃）點(diǎn)燃紅磷，同時(shí)引入無線遙感技術(shù)，既能將紅磷在容器內(nèi)引燃，杜絕污染，又能向?qū)W生傳遞科技改變未來的理念，激發(fā)學(xué)生對信息技術(shù)的興趣。

（二）測定方法彰顯科學(xué)性和數(shù)學(xué)運(yùn)用

首先，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)，將集氣瓶改為玻璃管，并用刻度尺測量氣柱長度，將原實(shí)驗(yàn)中的“大約1/5”提升至準(zhǔn)確測量和數(shù)據(jù)處理的層次，彰顯科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性和數(shù)學(xué)學(xué)科的重要性；其次，操作過程中，注重恒壓狀態(tài)下測量反應(yīng)前后的氣柱長度，凸顯物理學(xué)科與數(shù)學(xué)學(xué)科知識在化學(xué)學(xué)科中的運(yùn)用，使學(xué)生體驗(yàn)多學(xué)科交叉融合解決問題的過程，有助于培養(yǎng)學(xué)生的綜合運(yùn)用能力。

（三）裝置的簡易化體現(xiàn)工程創(chuàng)新思維

STEM理念倡導(dǎo)工程改造過程中要在尊重自然規(guī)律的基礎(chǔ)上改造世界、實(shí)現(xiàn)與自然界的和諧共處、解決社會發(fā)展過程中遇到的難題。

1.裝置連接精簡

原實(shí)驗(yàn)裝置連接復(fù)雜，涉及橡膠管與玻璃導(dǎo)管連接（兩次），燃燒匙與橡膠塞連接，橡膠塞與集氣瓶連接，較多的連接導(dǎo)致氣密性難以保證。而改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)，只有兩處連接，點(diǎn)火頭與橡膠塞和橡膠塞與玻璃管連接，既保證了氣密性，組裝起來也簡單。

2.裝置穩(wěn)定性提升

原實(shí)驗(yàn)用導(dǎo)管將集氣瓶和燒杯連接起來，導(dǎo)致空的集氣瓶穩(wěn)定性較差，在實(shí)際操作時(shí)，有傾倒的情況出現(xiàn)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)引入鐵架臺固定主體反應(yīng)容器，提升裝置穩(wěn)定性，而且便于教師攜帶（上課前固定好后，拎起鐵架臺長柱即可）。

3.反應(yīng)容器微型化

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置用微型陶瓷容器代替銅制燃燒匙，節(jié)約藥品，減小污染。

4.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象動態(tài)化

利用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)者可以觀察化學(xué)變化過程中容器能氣壓的變化，體現(xiàn)在當(dāng)紅磷開始燃燒時(shí)玻璃管內(nèi)的液面下降，一段時(shí)間后，液面又上升。此過程有助于構(gòu)建學(xué)生的化學(xué)變化觀念，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的說服力。

四、討論與反思

（一）改進(jìn)過程中的新發(fā)現(xiàn)

經(jīng)過數(shù)字手持技術(shù)（氧氣傳感器和數(shù)據(jù)收集軟件）的測定發(fā)現(xiàn)，足量紅磷燃燒后，容器內(nèi)剩余氧氣的含量為8.85%，而足量的白磷燃燒后，容器內(nèi)剩余氧氣的含量為1.34%；該實(shí)驗(yàn)利用無線遙控技術(shù)可以有效控制發(fā)熱絲的發(fā)熱時(shí)間，讓紅磷燃燒的同時(shí)轉(zhuǎn)化為白磷，白磷會進(jìn)一步消耗容器中的氧氣，使實(shí)現(xiàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確，同時(shí)也解決了購買白磷難的問題，最后的處理過程也能消除白磷的毒害。

（二）改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)的實(shí)施效果

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)多角度滲透STEM教育理念，有助于創(chuàng)設(shè)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的學(xué)習(xí)情景，提供給學(xué)生利用學(xué)科交叉融合思想解決實(shí)際問題的機(jī)會。學(xué)生在利用該實(shí)驗(yàn)裝置測定空氣中氧氣的含量時(shí)，充滿好奇心，能夠積極的參與實(shí)驗(yàn)活動，與原實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比討論。學(xué)生在獲得知識技能的同時(shí)，感受了綜合運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的重要性，發(fā)展了學(xué)科整合能力。