基于實(shí)驗(yàn)原理與生活情景開展化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

張清 張賢金 徐萍萍

摘要： 介紹并闡釋基于實(shí)驗(yàn)原理與生活情景開展化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法和路徑，以“混合物的基本分離與提純方法”為例開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)與探究。實(shí)踐表明該做法能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主觀創(chuàng)造性，進(jìn)而促成科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)核心素養(yǎng)的落實(shí)。

關(guān)鍵詞： 實(shí)驗(yàn)原理； 生活情景； 教學(xué)探究； 過濾； 蒸餾； 萃取

文章編號(hào)： 1005-6629（2023）09-0068-03???中圖分類號(hào)： G633.8???文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1? 問題的提出

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是化學(xué)在實(shí)驗(yàn)摸索中創(chuàng)造新物質(zhì)并建立認(rèn)知模型；二是根據(jù)已有模型預(yù)測化學(xué)反應(yīng)，然后通過實(shí)驗(yàn)探究驗(yàn)證可行性。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是化學(xué)教學(xué)的重要組成部分，它蘊(yùn)含著化學(xué)學(xué)科的育人目標(biāo)和育人價(jià)值。在完成《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》所要求的學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)教學(xué)和演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上，不少教研員及中學(xué)化學(xué)教師致力于實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新研究［1～3］，主要涉及化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化、數(shù)字化、微型化以及生活化等。新的設(shè)計(jì)深刻影響并改變著化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，如手持技術(shù)幫助學(xué)生從定量的角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)和能量的變化［4］等。然而，作為學(xué)習(xí)主體的學(xué)生如何根據(jù)實(shí)驗(yàn)的基本原理去選用、組合，甚至設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)儀器的教學(xué)卻鮮見報(bào)道。實(shí)驗(yàn)儀器在實(shí)驗(yàn)方案中具有重要地位，當(dāng)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀器不能滿足實(shí)驗(yàn)需求時(shí)，達(dá)成實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的方法是根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理拼裝現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀器或設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)儀器。

“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”核心素養(yǎng)要求：能從問題和假設(shè)出發(fā)，依據(jù)探究目的，設(shè)計(jì)探究方案，運(yùn)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)、調(diào)查等方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。實(shí)驗(yàn)探究內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)藥品、實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)處理等。實(shí)驗(yàn)器材大致包含反應(yīng)發(fā)生裝置、除雜裝置、收集裝置以及廢棄物處理裝置等。在以往的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，教師通常要求學(xué)生記住實(shí)驗(yàn)操作以及與其對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置，如在教授分液實(shí)驗(yàn)時(shí)，要求學(xué)生識(shí)記分液的裝置是分液漏斗，忽視引導(dǎo)學(xué)生對(duì)該儀器作深層次邏輯思考。在教學(xué)中，若能深入探究實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)和使用原理，引導(dǎo)學(xué)生知其所以然，將能更好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的目的。近年來，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的考查也越來越重視實(shí)驗(yàn)原理，如防倒吸裝置可使用具有大空間的球形干燥管、倒扣的長頸漏斗等［5］。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》強(qiáng)調(diào)教學(xué)過程中要引入真實(shí)的情景。生活情景素材在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中具有天然優(yōu)勢：形象、具體、為學(xué)生所熟悉，能夠較大程度地減弱抽象思維所帶來的困惑［6］。筆者認(rèn)為，基于實(shí)驗(yàn)原理與生活情景，甚至外延至科研和工業(yè)生產(chǎn)情景，開展化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革創(chuàng)新實(shí)踐，有助于明晰實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)以及使用原理，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)核心素養(yǎng)。

2? 基于實(shí)驗(yàn)原理與生活情景開展化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐的路徑

基于實(shí)驗(yàn)原理與生活情景的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革創(chuàng)新實(shí)踐的路徑如下：一是明晰實(shí)驗(yàn)的基本原理，二是基于原理選取生活情景素材，三是基于實(shí)驗(yàn)原理選擇或創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)儀器，四是基于實(shí)驗(yàn)原理與生活情景開展教學(xué)實(shí)踐。

2.1? 明晰實(shí)驗(yàn)的基本原理

化學(xué)反應(yīng)必然存在舊鍵的斷裂和新鍵的形成，物質(zhì)和能量均發(fā)生變化。因此，反應(yīng)物和產(chǎn)物的狀態(tài)（氣、液、固）、能量釋放或吸收的快慢等是選擇實(shí)驗(yàn)儀器的重要依據(jù)。從物質(zhì)狀態(tài)考慮，固體與固體反應(yīng)可選用試管［如NH4Cl與Ca（OH）2反應(yīng)制備NH3］，當(dāng)反應(yīng)中有水生成時(shí)，試管需開口向下；產(chǎn)物（氨氣）密度比空氣小時(shí)，收集氣體的試管開口向下（向下排空氣法）。從能量角度考慮，如實(shí)驗(yàn)室用電石和水反應(yīng)制乙炔，應(yīng)使用飽和食鹽水或降低反應(yīng)體系溫度來控制反應(yīng)速率，否則反應(yīng)過于劇烈，有炸管的危險(xiǎn)。因此，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)有必要了解各反應(yīng)物、生成物的狀態(tài)，梳理它們的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，預(yù)測能量的轉(zhuǎn)化情況，然后以此為依據(jù)選擇實(shí)驗(yàn)儀器，進(jìn)而確保實(shí)驗(yàn)安全和提高實(shí)驗(yàn)成功率。

2.2? 基于原理選取生活情景素材

在中學(xué)化學(xué)課程中，情景素材主要選取科學(xué)家探究精神、化學(xué)發(fā)展史、重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)以及日常生活等，廣泛用于思政素養(yǎng)的塑造和科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)。對(duì)于大多數(shù)中學(xué)生而言，認(rèn)知還處于前期發(fā)展階段，生活情景最接地氣，最易被學(xué)生所接納。此外，化學(xué)作為一門基礎(chǔ)的自然科學(xué)，于國家和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略都具有重要的地位，它肩負(fù)著對(duì)新生代的科技創(chuàng)新精神、科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任感的培養(yǎng)任務(wù)。脫離生活的教學(xué)會(huì)讓學(xué)生喪失學(xué)習(xí)興趣，甚至厭學(xué)，產(chǎn)生學(xué)無所用的想法。將生活小事件轉(zhuǎn)化為具有重要價(jià)值的科學(xué)發(fā)現(xiàn)或工業(yè)化產(chǎn)品能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，在教學(xué)中要探究教學(xué)內(nèi)容與生活情景的基本原理的共通之處，將教學(xué)內(nèi)容生活化，使其更符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。

2.3? 基于實(shí)驗(yàn)原理選擇或創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)儀器

基于實(shí)驗(yàn)原理，深度挖掘和融入生活情景素材，有助于實(shí)驗(yàn)裝置的多元化使用以及新實(shí)驗(yàn)儀器的開發(fā)。如U型管可用于電泳實(shí)驗(yàn)、制作鹽橋以及干燥管等。學(xué)生能從中感受到實(shí)驗(yàn)器材創(chuàng)新使用（包括拼裝和設(shè)計(jì)）的價(jià)值，進(jìn)而積極思考、探索更為有效的實(shí)驗(yàn)裝置，以解決實(shí)驗(yàn)室乃至工業(yè)生產(chǎn)中的疑難問題。

2.4? 基于實(shí)驗(yàn)原理與生活情景開展教學(xué)實(shí)踐

在上述三個(gè)環(huán)節(jié)（實(shí)踐路徑）的基礎(chǔ)上，下面以“混合物分離提純的基本方法：過濾、蒸餾、分液以及相應(yīng)的儀器選擇和設(shè)計(jì)”為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐過程的探討。

2.4.1? 過濾

過濾的基本原理是利用液體和固體的粒徑大小差異，僅使液體通過多孔介質(zhì)的孔道，從而實(shí)現(xiàn)固、液分離。高中學(xué)段，學(xué)生對(duì)過濾實(shí)驗(yàn)已有一定認(rèn)知，教學(xué)中可以對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行拓展。在教學(xué)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理選取相匹配的生活情景素材。日常生活中常用紗布或紗網(wǎng)過濾果汁，但過濾時(shí)常存在以下情況：（1）果汁中還存有一定量的果渣；（2）果渣中也還有大量果汁；（3）過濾速率不夠快。這三個(gè)問題指明了實(shí)驗(yàn)儀器改進(jìn)的方向：（1）改變多孔介質(zhì)孔道大小，使過濾效果更好。中學(xué)實(shí)驗(yàn)常用的濾紙就有快速、慢速之分，其本質(zhì)就是孔徑大小不同；（2）提供外力擠壓果渣，實(shí)驗(yàn)中同樣可以擠壓濾渣；（3）使用外力如刮刀從上方按壓固體或從下方進(jìn)行減壓抽濾，但引入外力容易導(dǎo)致濾紙破裂，改進(jìn)方向是使用孔徑大小與其相似的砂芯。于是便引出砂芯漏斗及抽濾瓶（見圖1），并簡要介紹其工作原理。

小結(jié)：學(xué)生通過果汁制備的過程已然認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)儀器的重要性。教師在教授時(shí)通過問題引導(dǎo)，使實(shí)驗(yàn)儀器的改進(jìn)方向逐漸清晰，助力學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理構(gòu)建實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)思路。同時(shí)，在引入中學(xué)實(shí)驗(yàn)室里不常用的砂芯漏斗時(shí)學(xué)生的知識(shí)面也得到了拓展。

2.4.2? 蒸餾

蒸餾是利用液體混合物中各組分沸點(diǎn)的差別，沸點(diǎn)低的物質(zhì)優(yōu)先氣化蒸出并隨之冷凝，從而實(shí)現(xiàn)各組分的分離。生活中，做飯時(shí)可以觀察到鍋蓋上有水珠，這就是水的蒸發(fā)和冷凝過程，其原理與蒸餾相同。學(xué)生在初中時(shí)已初識(shí)蒸餾實(shí)驗(yàn)，基本操作在此不必贅述。高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是對(duì)蒸餾實(shí)驗(yàn)的鞏固和延伸，應(yīng)該重視從實(shí)驗(yàn)原理出發(fā)去構(gòu)建實(shí)驗(yàn)裝置。

對(duì)于兩組沸點(diǎn)較為接近的液體引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到可通過多次蒸餾實(shí)現(xiàn)有效分離。之后，強(qiáng)調(diào)多次蒸餾會(huì)導(dǎo)致成本較高，且會(huì)造成產(chǎn)品浪費(fèi)，最有效的辦法是優(yōu)化實(shí)驗(yàn)儀器。向?qū)W生介紹簡化的多次蒸餾裝置——分餾柱（見圖2）及其工作原理。

小結(jié)：首先，幫助學(xué)生更深層地理解蒸餾的原理。其次，引入分餾柱讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)儀器對(duì)于解決實(shí)驗(yàn)問題的價(jià)值和意義，同時(shí)也為石油的分餾教學(xué)打下基礎(chǔ)。

2.4.3? 萃取和分液

萃取是利用溶質(zhì)在兩種互不相溶的介質(zhì)中的溶解性差異，在萃取劑中的溶解度遠(yuǎn)大于原溶劑進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的分離。當(dāng)萃取劑和原溶劑均為液體時(shí)，通常需要攪拌、振蕩等操作增大接觸面積、提高萃取效率。分液就是利用兩種互不相溶的介質(zhì)會(huì)分層的原理將其分離開來。生活中煲湯時(shí)為避免油膩，通常需要將油脂除去，其原理等同于分液實(shí)驗(yàn)。在教學(xué)中，可設(shè)置前置實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生回家?guī)椭议L除去湯汁里的油脂，盡量不損耗湯汁；

學(xué)生通過討論認(rèn)識(shí)到實(shí)現(xiàn)高效分離的路徑是減小兩相接觸面積進(jìn)而設(shè)計(jì)出犁形或球形的分液漏斗；肯定學(xué)生的設(shè)計(jì)并展示分液漏斗，并演示用四氯化碳萃取碘水中的碘的實(shí)驗(yàn)；根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作，引導(dǎo)學(xué)生提出該實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)等；最后提出疑問：工業(yè)上如何實(shí)現(xiàn)分液？從而向?qū)W生展示實(shí)驗(yàn)室中縮小的生產(chǎn)用的球形分液器（見圖3），并簡單介紹其使用原理。

小結(jié)：從湯汁去油這一生活情景入手，引導(dǎo)學(xué)生思考本課時(shí)的教學(xué)重點(diǎn)：分液操作及相應(yīng)的玻璃儀器——分液漏斗的設(shè)計(jì)原理，再簡要介紹放大的工業(yè)生產(chǎn)的裝置改進(jìn)路徑。

3? 結(jié)語

實(shí)踐表明，基于實(shí)驗(yàn)原理與生活情景開展化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有助于提升學(xué)生的課堂參與度和教學(xué)內(nèi)容的理解深度，有效避免或減少在復(fù)雜內(nèi)容下產(chǎn)生迷思。課堂教學(xué)中適當(dāng)引入相應(yīng)的科學(xué)或工業(yè)情景，一定程度上能拓展學(xué)生的知識(shí)面并激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情，孕育或培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任感。

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