初中化學(xué)實驗教學(xué)優(yōu)化探析

吳良根

摘 要：初三化學(xué)實驗教學(xué)的重要目標(biāo)之一，就是通過大量生動有趣的化學(xué)實驗，讓學(xué)生在觀察奇妙實驗現(xiàn)象的同時，領(lǐng)悟化學(xué)變化的規(guī)律，體驗科學(xué)探究的歷程，激發(fā)對物質(zhì)世界的好奇心和探索欲。教學(xué)中，教師可以圍繞實驗方案、實驗裝置、實驗現(xiàn)象、實驗成本等進(jìn)行優(yōu)化，從而更好地發(fā)揮實驗教學(xué)的功效。

關(guān)鍵詞：初中化學(xué)；實驗教學(xué)；科學(xué)探究

本文系江蘇省蘇州市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃課題“‘高·品·質(zhì)初中化學(xué)實驗教學(xué)研究”（編號：2021/LX/02/156/06）的階段性研究成果。】

初三化學(xué)實驗教學(xué)的重要目標(biāo)之一，就是通過大量生動有趣的化學(xué)實驗，讓學(xué)生在觀察奇妙實驗現(xiàn)象的同時，領(lǐng)悟化學(xué)變化的規(guī)律，體驗科學(xué)探究的歷程，激發(fā)對物質(zhì)世界的好奇心和探索欲。實踐中，教師可以根據(jù)學(xué)情對一些“環(huán)節(jié)”進(jìn)行優(yōu)化，從而更好地發(fā)揮實驗教學(xué)的功效。

一、 優(yōu)化實驗方案

出于學(xué)生認(rèn)知水平與相應(yīng)教學(xué)目標(biāo)等的考量，初中化學(xué)的一些實驗會舍棄對一些屬性的關(guān)注或探究。如初三開始階段的化學(xué)實驗重在激趣啟思，方案一般簡約、易操作。當(dāng)然，如果學(xué)生的認(rèn)知基礎(chǔ)較好，教師就可以相應(yīng)地提高要求，優(yōu)化實驗方案，幫助學(xué)生建構(gòu)更加完善的認(rèn)知，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度。

（一） 讓反應(yīng)更加徹底

例如，滬教版初中化學(xué)九年級上冊“空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的測定”的實驗方案如下：

1. 將下頁圖1所示集氣瓶的容積劃分為5等分并加以標(biāo)記。

2. 在帶橡皮塞和導(dǎo)管的燃燒匙內(nèi)裝滿紅磷，將膠管上的止水夾夾緊，把燃燒匙內(nèi)的紅磷放在酒精燈火焰上點燃，并迅速伸入集氣瓶內(nèi)，塞緊橡皮塞，觀察到什么現(xiàn)象？紅磷在集氣瓶中燃燒，消耗了什么氣體？

3. 待火焰熄滅后，觀察紅磷是否已經(jīng)燃燒完全。待集氣瓶冷卻到室溫后，把導(dǎo)管插入盛水的燒杯中，打開止水夾，觀察到什么現(xiàn)象？

4. 依據(jù)實驗現(xiàn)象推斷空氣中氧氣所占的體積分?jǐn)?shù)。

這是第1章《開啟化學(xué)之門》中的一個演示實驗，用來幫助學(xué)生初步了解化學(xué)研究物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的方法。因為面向的是剛剛開啟化學(xué)學(xué)習(xí)之門的學(xué)生，所以這一演示實驗更加注重現(xiàn)象的直觀性和試劑的易得性，而對科學(xué)性要求沒有很高。事實上，試圖利用紅磷燃燒除盡集氣瓶內(nèi)空氣中的氧氣，是不可能達(dá)到的。因為在燃燒過程中，隨著氧氣的消耗，燃燒的激烈程度減弱，產(chǎn)生的熱量減少，溫度也隨之下降。當(dāng)溫度達(dá)不到可燃物的著火點時，燃燒便會終止。同時，用這一方法完成實驗時，產(chǎn)生誤差的人為因素也較多，如紅磷在空氣中引燃后沒有及時地塞進(jìn)集氣瓶中，會造成集氣瓶中的空氣由于受熱而逸出瓶外；如果取用的紅磷量不足，則更加不可能將集氣瓶內(nèi)的氧氣全部反應(yīng)掉。另外，在空氣中引燃紅磷時產(chǎn)生五氧化二磷白煙，容易在教室內(nèi)擴(kuò)散，造成一定的污染。

要更加精準(zhǔn)地測定出空氣中氧氣的含量，必須最大可能地把容器內(nèi)空氣中的氧氣消耗完。經(jīng)實驗測定，用加熱銅絲的方法除去密閉容器內(nèi)空氣中的氧氣，較為完全徹底。此外，可以設(shè)法讓容器內(nèi)的空氣（氧氣）流動起來，與銅絲充分接觸，以達(dá)到反應(yīng)更加完全徹底的目的。優(yōu)化后的實驗方案如下：

1. 如圖2所示，將一根繞成螺旋狀的細(xì)銅絲小心地裝入一支細(xì)長的普通硬質(zhì)玻璃管內(nèi)，將玻璃管的兩端分別用橡膠管和注射器（其中一只注射器調(diào)整活塞，內(nèi)部留有50mL的空氣；另一只注射器活塞推進(jìn)到底部，不留空氣）連接成一個密閉系統(tǒng)。

2. 點燃酒精燈，加熱裝有細(xì)銅絲的玻璃管。待銅絲的溫度升高后，先推動右邊留有空氣的注射器的活塞，將留在注射器內(nèi)的空氣通過中間的玻璃管緩慢地推入左邊的注射器內(nèi)。待空氣完全進(jìn)入左邊的注射器后，再緩慢地推動左邊注射器的活塞，將空氣推入右邊的注射器內(nèi)。如此重復(fù)交替推動兩只注射器的活塞，使空氣在銅絲周圍來回流動?？梢杂^察到：光亮紅色的銅絲逐漸變黑。

3. 熄滅酒精燈，將殘留的氣體再次全部推入右邊的注射器內(nèi)，冷卻至室溫后，讀出殘留在注射器內(nèi)氣體的體積數(shù)。與原來的50mL比較，減少的體積即為50mL空氣中所含氧氣的體積。根據(jù)體積分?jǐn)?shù)的計算公式，可以粗略地計算出空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)。

該實驗所用的硬質(zhì)玻璃管要求相對細(xì)小，這樣玻璃管內(nèi)所含空氣的量可以忽略不計。選擇的注射器則要求相對較大，注射器內(nèi)留有的空氣也要較多，這樣等反應(yīng)結(jié)束后，消耗的氧氣的量也多，體積變化才會明顯。

（二） 讓反應(yīng)更容易發(fā)生

例如，人教版初中化學(xué)九年級上冊“對蠟燭及其燃燒的探究”實驗，要求觀察蠟燭熄滅時的現(xiàn)象：

蠟燭是由石蠟和棉線燭芯組成的。運用除味覺以外的所有感官，盡可能對一支蠟燭在點燃前、燃著時和熄滅后的三個階段進(jìn)行觀察……

觀察蠟燭熄滅時有什么現(xiàn)象發(fā)生。用火柴去點蠟燭剛熄滅時產(chǎn)生的白煙（如圖3），蠟燭能否重新燃燒？

蠟燭熄滅后在燭心上方會形成一縷白煙，這是燃燒時氣化的石蠟蒸氣經(jīng)冷卻凝固而成的。因此，這縷白煙的主要成分為石蠟，具有可燃性，從理論上講引燃后是可以燃燒的。但是，蠟燭火焰熄滅（一般用嘴吹滅）后，這縷白煙很容易隨風(fēng)流動而消散，不容易凝聚在一起，造成石蠟的量過少且不集中（濃度低），如此是很難用火柴引燃的，在實際操作中成功率也不高。

欲使石蠟熄滅時產(chǎn)生的白煙燃燒起來，白煙的濃度越高，效果就會越明顯。因此，在操作中最好先將白煙收集起來，然后進(jìn)行引燃操作。在實際操作中，可以先用器材吸取燭心中的白煙，等采集到的白煙量較多時，再進(jìn)行引燃操作。我們可以用一個玻璃材質(zhì)的醫(yī)用注射器伸入燃著的蠟燭火焰的焰心部分，輕輕抽動活塞，從而明顯觀察到白煙被收集到注射器內(nèi)（如圖4）；然后輕輕推動活塞，將推擠出來的白煙在火焰上引燃，從而觀察到明亮的火焰（如圖5）。也可以用體積較大的膠頭滴管吸取白煙（如圖6），擠出后在火焰上引燃（圖7）。

二、 優(yōu)化實驗裝置

初中化學(xué)實驗室的儀器大多屬于常規(guī)儀器，藥品種類和儲存、測量手段也比較有限，導(dǎo)致有些實驗在教學(xué)時效果不盡如人意。對此，我們可以通過優(yōu)化實驗裝置來提升實驗教學(xué)效果。優(yōu)化可以是整體替換，如采用一體化裝置；也可以是局部調(diào)整，如更換實驗使用的儀器，改變反應(yīng)物種類或用量，調(diào)整操作順序等。

例如，滬教版初中化學(xué)九年級上冊《性質(zhì)活潑的氧氣》一節(jié)的編排是，先教學(xué)氧氣的性質(zhì)，再教學(xué)氧氣的實驗室制法。教學(xué)時，大多數(shù)教師的做法是：課前，在化學(xué)實驗室制取并收集幾瓶氧氣帶進(jìn)教室；上課時，先給學(xué)生講解氧氣的性質(zhì)，再完成木炭、石蠟、硫、磷、鐵絲等物質(zhì)在空氣和氧氣中燃燒的比較實驗，通過比較燃燒的劇烈程度驗證氧氣具有助燃性的結(jié)論。

微粒是不斷運動的。收集在集氣瓶中的氧氣容易逸出集氣瓶外，時間長了，集氣瓶內(nèi)氧氣的濃度也隨之降低，因此在進(jìn)行氧氣性質(zhì)驗證實驗時，一些實驗的現(xiàn)象不是很明顯，特別是鐵絲在氧氣中的燃燒實驗效果比較不理想。

理想的實驗裝置要能根據(jù)需要隨時開始和中止氧氣的制取。圖8所示即為一種優(yōu)化后的實驗裝置：將一個集氣瓶（無底）與一個吸濾瓶（瓶口分別塞有單孔橡皮塞）中間用一段玻璃管相連通；用鐵架臺將分液漏斗固定，下端用膠皮管與吸濾瓶支管相連；在吸濾瓶中放入少量二氧化錳，在分液漏斗內(nèi)裝入一定量的稀雙氧水（過氧化氫溶液）。

實驗時，打開分液漏斗活塞，少量雙氧水流入吸濾瓶內(nèi)，遇二氧化錳后迅速反應(yīng)產(chǎn)生氧氣，經(jīng)玻璃管進(jìn)入上方無底的集氣瓶中。在這個無底集氣瓶（作為反應(yīng)容器）中，即可連續(xù)完成木炭、石蠟、硫、磷、鐵絲等物質(zhì)在空氣和氧氣中燃燒的實驗。在實驗過程中，如果氧氣量少了，可再次打開活塞，讓雙氧水流入吸濾瓶中；而反應(yīng)太快或?qū)嶒灱磳⒔Y(jié)束時，可關(guān)閉活塞。這樣，既節(jié)約藥品，也不用提前在實驗室里制取并收集氧氣，再來完成氧氣的性質(zhì)實驗，實驗教學(xué)效果也很好。

三、 優(yōu)化實驗現(xiàn)象

初中化學(xué)的某些實驗，反應(yīng)較為緩慢或現(xiàn)象不是很明顯。對此，教師可以引入數(shù)字化技術(shù)，運用溫度、壓強(qiáng)、二氧化碳、氧氣、電流、酸度等數(shù)字傳感器，即時呈現(xiàn)細(xì)微的物理量變化，使實驗現(xiàn)象更加直觀、精確。

例如，人教版初中化學(xué)九年級上冊“對蠟燭及其燃燒的探究”實驗中的“蠟燭火焰各層溫度比較”實驗：

點燃蠟燭，仔細(xì)觀察燃著的蠟燭。蠟燭燃燒時發(fā)生了哪些變化？火焰分為幾層？哪層最明亮？哪層最暗？

取一根火柴梗，拿住一端迅速平放入火焰中（如圖9），約1s后取出。根據(jù)火柴梗在火焰不同部位被燒的情況，推測火焰哪一部分的溫度最高，哪一部分的溫度最低。

與酒精燈的火焰相比，蠟燭的火焰比較小，憑肉眼觀察蠟燭火焰中的外焰、內(nèi)焰和焰心三層火焰，區(qū)別不是特別明顯。將火柴梗（細(xì)木棍）放入燃燒著的蠟燭火焰中，很快取出，可觀察到處于焰心部位的木棒炭化最為輕微，說明此處的溫度較低，但處于內(nèi)焰和外焰部位的木棒炭化程度相近（如圖10），很難根據(jù)其來比較外焰和內(nèi)焰的溫度高低。

對此，考慮引入數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行即時數(shù)據(jù)采集：將三支高溫傳感器與數(shù)據(jù)采集器、計算機(jī)（安裝有相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件）相連接，組合成一套能測量出蠟燭燃燒時三層火焰溫度的數(shù)字化實驗裝置；將三支高溫傳感器同時插入蠟燭火焰中的三處不同部位（如圖11），打開軟件的“采集”按鈕，觀察實驗數(shù)據(jù)和曲線變化。

可觀察到處于蠟燭火焰三處部位的高溫傳感器呈現(xiàn)出來的溫度值均迅速升高，產(chǎn)生的曲線（如圖12）也呈明顯的由低向高的趨勢；經(jīng)過一段時間，溫度慢慢穩(wěn)定，等數(shù)據(jù)基本平穩(wěn)后，讀出外焰、內(nèi)焰和焰心的溫度分別為780℃、610℃和510℃左右。

教學(xué)中，可先通過木棒炭化實驗，讓學(xué)生對蠟燭燃燒時三層火焰處的溫度高低有個初步認(rèn)識；再通過數(shù)字傳感器獲得的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，對三層火焰處的溫度高低有更為明確的結(jié)論。數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗相互呼應(yīng)、相互印證，可極大地提高實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，優(yōu)化實驗現(xiàn)象。

四、 優(yōu)化實驗成本

初中化學(xué)的很多實驗只需要學(xué)生定性了解，或者只需要很少的試劑用量便能觀察到實驗現(xiàn)象。而初中化學(xué)實驗室的儀器大多屬于常規(guī)儀器，試劑等的用量是相對固定的，可能導(dǎo)致實驗成本的浪費。因此，《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》“鼓勵實驗的綠色化設(shè)計，開展微型實驗”［1］。即在開展化學(xué)實驗時，盡可能使用微型化的實驗儀器，取用最少量的化學(xué)試劑。這樣，既可避免浪費藥品，又能避免污染環(huán)境，同時還能提升實驗的安全性，達(dá)到化學(xué)實驗綠色化的目標(biāo)。開展微型實驗教學(xué)的關(guān)鍵是選用合適的、微小的反應(yīng)儀器，目前選擇較多的有注射器、W型中空玻璃管和西林瓶等。

例如，人教版初中化學(xué)九年級下冊“一氧化碳還原氧化鐵”實驗：

在實驗室里，可以利用下頁圖13所示的裝置進(jìn)行實驗。從實驗中可以看到，玻璃管里的粉末由紅色逐漸變黑，這種黑色的粉末就是被還原出來的鐵；試管里的澄清石灰水變渾濁，證明有二氧化碳生成。

本實驗是初中化學(xué)中一個裝置較為復(fù)雜、操作較為嚴(yán)格、污染較為嚴(yán)重的實驗。選用上述裝置完成實驗，需要在實驗室中先制取并儲存一定量的一氧化碳?xì)怏w。實驗結(jié)束后，需要將沒有反應(yīng)掉的一氧化碳?xì)怏w進(jìn)行燃燒處理，既浪費了資源，也對教室內(nèi)的環(huán)境造成了影響。此外，這個反應(yīng)要求的溫度較高，需要使用酒精噴燈，如果操作不當(dāng)，容易引起一氧化碳?xì)怏w的爆炸。所以，在實際教學(xué)中，一些教師會采用回避的方法，用講解或播放視頻的方式代替實驗。

完成本實驗最大的問題是要使用大量的一氧化碳?xì)怏w（初中化學(xué)實驗室中較少有制取一氧化碳的藥品和儲存一氧化碳?xì)怏w的設(shè)備），同時安全較難得到保障，環(huán)境會被污染。因此，比較合理的做法是，先用教材中的實驗方案進(jìn)行實驗原理及操作要領(lǐng)的教學(xué)，然后采用微型實驗裝置來完成這個實驗。理想的設(shè)計是，能即時產(chǎn)生少量的一氧化碳?xì)怏w用于實驗，達(dá)到即時、迅速、安全、節(jié)能和環(huán)保的目的。我們可以用5mm—10mm的中空玻璃管在酒精噴燈上加工制作成W型玻璃管。將W型玻璃管作為反應(yīng)容器，在實驗時需要取用藥品的量少，也很方便將藥品加入其中，效果很好。也可以將兩根“V”字形玻璃管用膠皮管連接成W型玻璃管，甚至可以連接多個“V”字形玻璃管組裝成加長版的W型玻璃管。

在講解示范“一氧化碳還原氧化鐵”實驗的要點后，取三根“V”字形玻璃管，在每根玻璃管的凹處分別加入濃硫酸、氧化鐵粉末和澄清石灰水，然后用膠皮管連接成一個加長版的W型玻璃管，做成實驗裝置（如圖14），完成該實驗。

用該裝置完成“一氧化碳還原氧化鐵”實驗，由于取用的氧化鐵數(shù)量少，因此，參加反應(yīng)的一氧化碳?xì)怏w的量也少。不需要提前在實驗室制取并儲存一氧化碳?xì)怏w。只要在實驗時輕擠出膠頭滴管中的甲酸溶液，滴入硫酸中加熱，就能產(chǎn)生一氧化碳?xì)怏w。這樣，可極大地提高完成該實驗的效率。未反應(yīng)掉的少量一氧化碳?xì)怏w可用氣球收集起來，進(jìn)行回收處理，從而較好地解決實驗中的環(huán)保問題。用燈罩固定火焰，提高溫度，代替酒精噴燈。整套實驗裝置小巧、精致且完整、合理，實用性和操作性強(qiáng)，安全性也能得到保障，實驗效果極佳。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 中華人民共和國教育部.義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［S］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：43.