初中化學(xué)一體化實(shí)驗(yàn)的探索

馮珍

【摘? 要】對(duì)“人體吸入空氣和呼出氣體的探究”這一實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，整合后的實(shí)驗(yàn)裝置，集氣體收集、干擾排除、成分檢驗(yàn)于一體。具有實(shí)驗(yàn)原理與后續(xù)知識(shí)高度統(tǒng)一，實(shí)驗(yàn)操作連續(xù)高效，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯且證據(jù)確鑿等優(yōu)點(diǎn)，可有效地引導(dǎo)學(xué)生在“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”，從而充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能和育人價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】空氣;呼出氣體;實(shí)驗(yàn)改進(jìn);一體化

“對(duì)人體吸入的空氣和呼出的氣體的探究”是人教版初中化學(xué)教材九年級(jí)第一單元課題2《化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科》中的內(nèi)容，是學(xué)生對(duì)化學(xué)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的研究性學(xué)習(xí)方法的初體驗(yàn)。旨在比較“吸入空氣”和“呼出氣體”成分異同的過程中，感受對(duì)比實(shí)驗(yàn)法通過認(rèn)識(shí)不同對(duì)象之間相同性和相異性，探尋事物之間內(nèi)在規(guī)律及必然聯(lián)系的思維方式。而初步了解空氣與呼出氣體的成分差異，氧氣、二氧化碳的部分化學(xué)性質(zhì)，是后續(xù)系統(tǒng)學(xué)習(xí)空氣組成，全面認(rèn)識(shí)氧氣、二氧化碳的性質(zhì)的有效鋪墊。并且，初步培養(yǎng)學(xué)生控制變量的實(shí)驗(yàn)認(rèn)知思想及根據(jù)現(xiàn)象差異區(qū)分不同物質(zhì)的證據(jù)推理意識(shí)。

一、問題的提出

教材上的實(shí)驗(yàn)方案簡(jiǎn)便易操作，但是實(shí)施過程中也反映出了一系列的認(rèn)知沖突：1.通常情況下，二氧化碳能溶于水，這使得“用排水法收集的呼出氣體”與“實(shí)際的呼出氣體”在成分上存在差異，也與實(shí)驗(yàn)室采用“向上排空氣法”收集二氧化碳?xì)怏w相違背;2.隨著學(xué)生學(xué)習(xí)的深入，在認(rèn)識(shí)到一般情況下二氧化碳既不助燃也不可燃的性質(zhì)后，對(duì)于木條在呼出氣體中熄滅，是氧氣濃度低導(dǎo)致的，還是二氧化碳濃度高造成的，會(huì)心存疑慮;3.用木條作可燃物，其火焰的大小不易控制，大火焰在裝有呼出氣體的敞口集氣瓶中往往不易熄滅。

而一線教師從教學(xué)實(shí)踐出發(fā)，以解決上述問題為目標(biāo)，從不同角度對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)：

（一）注重實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

利用注射器、T型三通管、V型玻璃管等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，注射器收集確保了氣體成分的完整性，推拉活塞可輕松實(shí)現(xiàn)氣體的吸入、排出，操作簡(jiǎn)便，微型儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)節(jié)約藥品、現(xiàn)象明顯。但是，要根據(jù)比較對(duì)象的不同，不斷調(diào)整裝置，在拆分或連接的過程中裝置的氣密性極易受到影響，從而干擾實(shí)驗(yàn)的流暢度。

（二）注重實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的呈現(xiàn)

利用對(duì)水分比較敏感的試劑無(wú)水氯化鈷或無(wú)水硫酸銅制成試紙，比較水蒸氣的含量在空氣和呼出氣體中的不同，現(xiàn)象較為明顯。此方法有效地避免了溫度對(duì)檢驗(yàn)水蒸氣含量造成的影響，但是需要提前自制試紙，且陌生物質(zhì)無(wú)水氯化鈷（或無(wú)水硫酸銅）的使用與化學(xué)初學(xué)者的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)相去甚遠(yuǎn)，遠(yuǎn)沒有水蒸氣遇冷凝結(jié)形成水霧的現(xiàn)象來(lái)得易于理解。筆者認(rèn)為通過增加呼出氣體的量，增大干冷玻璃儀器的表面積等簡(jiǎn)便的方式弱化溫度對(duì)冷凝的影響也未嘗不可。

（三）注重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析

用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)空氣、呼出氣體中氧氣、二氧化碳、水蒸氣的含量進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，精準(zhǔn)體現(xiàn)兩種被測(cè)氣體的成分差異。但是，化學(xué)初學(xué)者的證據(jù)意識(shí)主要來(lái)源于目之所及的現(xiàn)象等感性認(rèn)識(shí)，而對(duì)于數(shù)據(jù)、圖像的分析能力尚且薄弱，且數(shù)字化實(shí)驗(yàn)并未在各校普及，導(dǎo)致其使用受到了條件的限制。

受到此類創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)，筆者基于解決問題的意識(shí)，對(duì)裝置進(jìn)行了整合，設(shè)計(jì)出了集氣體收集、干擾排除、成分檢驗(yàn)于一體的實(shí)驗(yàn)。其實(shí)驗(yàn)原理與后續(xù)知識(shí)高度統(tǒng)一，實(shí)驗(yàn)操作連續(xù)高效，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯且證據(jù)確鑿，具有相應(yīng)的科學(xué)性和可行性。

二、實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

（一）實(shí)驗(yàn)用品

（1）實(shí)驗(yàn)儀器：250mL集氣瓶2個(gè)（含配套的雙孔橡皮塞1個(gè)、三孔橡皮塞1個(gè)）、橡皮管、玻璃導(dǎo)管、3個(gè)塑料單向閥、玻璃三通控制閥、燒杯、注射器、自制對(duì)比裝置（用于固定蠟燭）。

（2）實(shí)驗(yàn)藥品：新制澄清石灰水、蠟燭。

（二）實(shí)驗(yàn)裝置

新設(shè)計(jì)的一體化裝置見圖1（夾持裝置已略）。

（三）操作要點(diǎn)

（1）連接好裝置，檢查裝置氣密性。

（2）取下上方集氣瓶，注滿澄清石灰水，塞緊橡皮塞，關(guān)閉三通控制閥，將裝置連接好并固定在展臺(tái)上。

（3）打開并調(diào)節(jié)三通控制閥，使集氣瓶之間的導(dǎo)管（a、c）相互連通，上方集氣瓶中的澄清石灰水流入下方集氣瓶的同時(shí)，空氣被抽入上方集氣瓶，并與澄清石灰水接觸。當(dāng)下方集氣瓶中裝滿石灰水時(shí)，就關(guān)閉三路活塞，并將下方集氣瓶口調(diào)節(jié)裝置內(nèi)外氣壓平衡的小孔堵住。

（4）打開并調(diào)節(jié)三路活塞，使下方集氣瓶與排液導(dǎo)管（c、b）相互連通，向下方集氣瓶中吹入呼出氣體，觀察石灰水的變化，比較空氣和呼出氣體中二氧化碳的含量。

（5）觀察上、下兩根進(jìn)氣管的內(nèi)壁是否有水霧，比較空氣和呼出氣體中水蒸氣的含量。

（6）取下兩個(gè)集氣瓶，同時(shí)將燃燒的蠟燭伸入瓶中，觀察現(xiàn)象，比較空氣和呼出氣體中氧氣的含量。

（四）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)論

（1）空氣未能使澄清石灰水發(fā)生明顯變化，而呼出氣體使澄清石灰水明顯變渾濁。說明空氣中二氧化碳的含量比呼出氣體中的少。

（2）通空氣的玻璃管內(nèi)壁較為清潔，而通呼出氣體的玻璃管內(nèi)壁有明顯的水霧。說明空氣中水蒸氣的含量比呼出氣體中的少。

（3）蠟燭在除去二氧化碳的空氣中持續(xù)燃燒一段時(shí)間，而在除去二氧化碳的呼出氣體中立即熄滅。說明空氣中氧氣含量比呼出氣體中的多。

（五）注意事項(xiàng)

（1）雙孔橡皮塞應(yīng)與位于裝置上方集氣瓶配套，導(dǎo)管需與雙孔塞內(nèi)側(cè)齊平，否則，露出的導(dǎo)管會(huì)導(dǎo)致澄清石灰水無(wú)法排盡。三孔橡皮塞應(yīng)與位于裝置下方的集氣瓶配套，導(dǎo)管需伸至瓶底，盡可能將石灰水排出，確保除去二氧化碳的空氣和呼出氣體體積相等，減少因被測(cè)氣體體積不等造成的誤差。

（2）玻璃三通閥不僅可以控制流向，還能控制流速。在閥門完全打開的情況下，受重力作用的影響，澄清石灰水快速地向下流，則空氣也快速進(jìn)入上方集氣瓶，導(dǎo)致空氣與澄清石灰水的接觸不充分。而受到下方集氣瓶中液體壓強(qiáng)的影響，呼出氣體進(jìn)入瓶中的速度則較慢。因此，為了讓空氣和呼出氣體都能與澄清石灰水充分反應(yīng)，可在通入空氣時(shí)，適當(dāng)調(diào)節(jié)閥門，使空氣流速與呼出氣體相當(dāng)，確?，F(xiàn)象差異的可信度和說服力。

（3）裝置下方的三孔橡皮塞，除兩個(gè)小孔連接玻璃管以外，還有一個(gè)小孔是開放的，用以調(diào)節(jié)裝置內(nèi)外的氣壓平衡，以便上方集氣瓶中的石灰水順利地流到下方瓶中。但是，當(dāng)開始收集呼出氣體并檢驗(yàn)其中二氧化碳的含量時(shí)，必須將小孔堵住，否則，石灰水和呼出氣體都會(huì)從小孔溢出，無(wú)法達(dá)成階段性實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

三、實(shí)驗(yàn)的特色

（一）裝置功能一體化

（1）多功能瓶在實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮了強(qiáng)大的功能性，既能洗氣，又能集氣，大大提高了實(shí)驗(yàn)效率。而導(dǎo)管口冒出的氣泡，實(shí)現(xiàn)了無(wú)色氣體的可視化，豐富了學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。

（2）三通控制閥是整套裝置的“樞紐”，它的使用免去了因比較對(duì)象的變化而在實(shí)驗(yàn)中途對(duì)裝置進(jìn)行調(diào)整的繁瑣，只需旋轉(zhuǎn)活塞，就可以滿足流體不同的路徑需求（三通、兩通皆可），操作比較方便，且避免裝置漏氣。通過調(diào)節(jié)活塞，還能使空氣、呼出氣體進(jìn)入裝置的氣流速率均一，減小誤差。

（3）利用具有特殊構(gòu)造的單向閥，克服了氣體逸散和液體流動(dòng)的無(wú)規(guī)律性，讓氣體、液體定向流動(dòng)，從而避免了裝置內(nèi)氣體的泄漏和外界空氣、液體的回流，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的可控性。

（4）增加進(jìn)氣端玻璃管的長(zhǎng)度，確保約250mL的呼出氣體通過時(shí)，水蒸氣的冷凝更加充分，且凝結(jié)的水蒸氣更多，從而弱化了氣溫等外界因素的影響，讓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯。

而實(shí)驗(yàn)裝置將上述儀器有序整合，實(shí)現(xiàn)了儀器間的功能互助和效果互補(bǔ)，而裝置的一體化促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)流程的一體化，提高了實(shí)驗(yàn)效率。

（二）藥品作用多元化

在教材的實(shí)驗(yàn)方案和其他相關(guān)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)中，澄清石灰水僅用于比較空氣和呼出氣體中二氧化碳含量，而在此一體化實(shí)驗(yàn)中，該藥品被更為充分地加以利用：（1）在收集呼出氣體前，排盡集氣瓶?jī)?nèi)的空氣;（2）檢驗(yàn)二氧化碳含量的同時(shí)，除去二氧化碳，為比較空氣和呼出氣體中氧氣的含量排除干擾。

另外，蠟燭取代了木條，用作可燃物。因?yàn)闋T芯處的棉線長(zhǎng)度可控，所以兩支蠟燭的火焰大小可以保持一致。這樣，有效地降低了因火焰大小不同而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)發(fā)生意外的概率。

（三）實(shí)驗(yàn)操作集成化

在相對(duì)封閉的實(shí)驗(yàn)體系內(nèi)，同時(shí)完成一種氣體（空氣或呼出氣體）的收集、所含二氧化碳濃度的檢驗(yàn)、二氧化碳的吸收、所含水蒸氣濃度的檢驗(yàn)四個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟。并且，通過石灰水的轉(zhuǎn)移在裝置內(nèi)外形成氣壓差，輕松實(shí)現(xiàn)了氣體的收集。比較兩種被測(cè)對(duì)象中氧氣含量的差異時(shí)，用自制對(duì)比裝置將兩支蠟燭同時(shí)放入集氣瓶中，避免了分先后操作帶來(lái)的觀察上的不便，確保了對(duì)比實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性。

四、結(jié)束語(yǔ)

化學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)探究是收集證據(jù)和作出解釋，進(jìn)行發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造與應(yīng)用的科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，也是獲取科學(xué)知識(shí)、理解科學(xué)本質(zhì)、認(rèn)識(shí)客觀世界的重要途徑?；瘜W(xué)教師作為化學(xué)教學(xué)的主導(dǎo)，應(yīng)充分挖掘?qū)嶒?yàn)在教學(xué)中的功能性，只有在“教中做”“教中用”“教中創(chuàng)”，才能引導(dǎo)學(xué)生在“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”，從而充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能和育人價(jià)值。

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