基于綠色發(fā)展觀的實驗設(shè)計
——以“常見的化學(xué)反應(yīng)——燃燒”為例

孔雪霞 楊寶權(quán)

（邗江中學(xué)北區(qū)校維揚中學(xué) 江蘇 揚州 225012）

新課程標準提出，要“樹立人與自然和諧共生的科學(xué)自然觀和綠色發(fā)展觀”，教學(xué)中要樹立環(huán)保意識，進行綠色化教學(xué)活動?；瘜W(xué)實驗是化學(xué)學(xué)習(xí)的重要方式，在實際實驗中，有很多化學(xué)實驗生成刺激性氣味的氣體，有的還會生成一些有毒煙霧。很多學(xué)生膽怯害怕，不敢進行實驗操作。因此老師要因地制宜地選擇一些友好溫和的藥品；改成微型實驗裝置，減少試劑用量，節(jié)約藥品，從而達到節(jié)能減排，減少實驗廢棄物的目的；將多個實驗進行串聯(lián)，能減少實驗流程的重復(fù)，形成知識間的聯(lián)系，建構(gòu)知識網(wǎng)絡(luò)，加深學(xué)科知識理解，強化學(xué)生能力。

一、燃燒實驗設(shè)計的現(xiàn)狀

1.教材中的設(shè)計方法及存在的問題

滬教版九年級《化學(xué)》教材中燃燒的三個條件，通過“交流與討論”欄目引出。現(xiàn)在孩子缺乏基本的生活經(jīng)驗，有些孩子甚至沒使用過火。滬教版中沒有具體的演示實驗，孩子缺少直觀印象，課堂上啟而不發(fā)?！坝^察與思考”欄目中教師演示“燒不壞的手帕”實驗，視覺效果炫酷，但通過該實驗只比較了酒精和棉布的著火點，只能得出燃燒的條件之一，溫度要達到可燃物的著火點，實驗結(jié)論單一。

人教版九年級《化學(xué)》教材中探究燃燒條件的演示實驗，是在開放的裝置中做白磷和紅磷的燃燒實驗。該實驗操作簡單、現(xiàn)象明顯，體現(xiàn)了控制變量和對比的思想，有利于學(xué)生認識燃燒的條件及本質(zhì)。但該實驗中燃燒產(chǎn)生有毒的五氧化二磷，污染很大。因此，教材中特別注明該實驗需要在通風(fēng)櫥中進行，有些學(xué)校實驗條件簡陋，很多教師經(jīng)常在普通教室里演示該實驗，或者某些教師干脆就在黑板上講實驗和放視頻。弱化實驗功能，很難給學(xué)生留下直觀深刻的印象。

圖1 人教版教材中的實驗裝置

燃燒和滅火是相互關(guān)聯(lián)的知識點，滬教版中對滅火的方法也只介紹了原理，沒有安排具體的實驗，人教版中沒有將兩實驗串聯(lián)，顯得零散，沒能讓學(xué)生建立思維聯(lián)系。

2.現(xiàn)有研究中的設(shè)計方法及存在的問題

針對以上問題，很多老師對該實驗進行了創(chuàng)新改進，在實驗綠色化方面做出了努力，取得了較好的效果。主要概括起來有以下兩種類型改進。

（1）對實驗裝置的改進。

陸春華［1］設(shè)計了第一種方案，將白磷、紅磷放在相對密閉的多功能瓶（圖2）里反應(yīng)，注入水處理白煙。第二種是在密閉的試管中引燃白磷以及氫氧化鈉處理白煙的一體裝置（圖3）。

圖2 相對密閉的多功能瓶

圖3 密閉的試管

張儀軒［2］將白磷放置在密閉的球形干燥管（圖4）中，用注射器鼓入空氣進行實驗。

圖4 密閉的球形干燥管

謝小琴［3］將紅磷、白磷放在倒置的Y形管（圖5）中進行實驗，并通過口部套上氣球進行封閉和壓強調(diào)節(jié)。

圖5 密閉的Y形管

薛錦媛［4］設(shè)計了多套簡約封閉裝置（圖6），燒杯套蓋，倒置試管，塞子加氣球等方式封閉。

圖6 簡約封閉裝置

上述改進將裝置設(shè)計成密閉裝置，減少或杜絕五氧化二磷逸散到空氣中，再利用水或氫氧化鈉溶液吸收五氧化二磷，減少了對環(huán)境的污染，但是沒有從源頭上減少污染，沒有充分體現(xiàn)綠色化的設(shè)計要求。

（2）對實驗藥品的改進。

李平［5］將紅磷、白磷改成木炭（圖7）進行實驗，利用石灰水吸收驗證產(chǎn)物，從源頭上減少了污染，木炭著火點較高，在空氣中只能保持紅熱，現(xiàn)象不明顯，實驗過程中需鼓入空氣、氧氣，操作要求高。

圖7 鼓入氣體木炭燃燒裝置

侯麗梅［6］利用實驗室制氧氣裝置提供氧氣，并將白磷、紅磷換成了木炭（圖8）進行實驗，裝置相對復(fù)雜，藥品用量大。

上述實驗中所用白磷屬于劇毒管制藥品，一般實驗室難以獲取，且白磷、紅磷燃燒時都會產(chǎn)生污染環(huán)境的五氧化二磷，產(chǎn)物有毒采取先污染再治理的措施，沒有從源頭上解決污染。而木炭著火點高，現(xiàn)象不夠明顯，實驗易失敗。有些實驗用常規(guī)裝置，藥品用量多，實驗成本高，不利于節(jié)約化原則［7］。

二、體現(xiàn)綠色發(fā)展觀的實驗設(shè)計

1.選擇環(huán)境友好型藥品

筆者選擇了鐵粉、銅粉、紙屑、木刨花、樹葉、艾葉等原料進行對比，通過多次實驗，最終選擇了對人體無害，對環(huán)境友好的艾葉。艾葉在揚州地區(qū)來源廣泛，路邊經(jīng)常有零星生長，易獲取，且燃燒時產(chǎn)生的氣味不僅對人體無害，且有益，氣味芳香愉悅，振奮精神，殺菌消毒，顛覆了部分學(xué)生對化學(xué)實驗室味道刺鼻，有毒危險等的錯誤認識。

2.巧妙設(shè)計微型裝置

本實驗器材中選擇球形干燥管和注射器進行巧妙組裝（圖9），器材方便易得。在2 支球形干燥管的球形部分，只需分別放置極少量二氧化錳催化劑，大理石顆粒。注射器可精確控制需注入液體的體積，生成氣體過多內(nèi)部壓強過大，浪費且有一定的危險，過少現(xiàn)象不明顯。只要產(chǎn)生的氣體能充滿球形干燥管即可，每個球型干燥管容積約20 mL，注射器收集到40 mL 氣體，則原裝置內(nèi)氣體已排凈。實驗前可根據(jù)需要產(chǎn)生40 mL氧氣和二氧化碳時，計算出所需雙氧水和稀鹽酸的體積，都只需要約1～2 mL，用量極少，節(jié)約了藥品，同時減少了廢棄物的產(chǎn)生，使整個過程更綠色化。注射器注入液體時滴速可控、反應(yīng)速度可控，并能通過注射器的刻度，直觀觀測產(chǎn)生氣體的體積，不需要進行驗滿，實驗操作更簡便。

圖9 改進后綠色化裝置

3.無害化處理實驗廢物

本實驗的藥品簡單易得，實驗結(jié)束后的二氧化錳、大理石都很容易回收再利用，實驗后的廢棄物艾葉灰燼，不需要無害化處理，可以直接充當小盆栽的肥料，能廢物再利用，進一步體現(xiàn)了實驗的綠色化［8］。

三、實驗過程

在學(xué)情分析基礎(chǔ)上，設(shè)計了如下的實驗教學(xué)流程，如表1所示。

表1 綠色化的實驗教學(xué)流程

四、改進后的反思

1.串聯(lián)多個相關(guān)實驗

該實驗用到了控制變量法、對比法、觀察法、歸納法、分組探究法等多種學(xué)習(xí)方法，不僅探究了燃燒的多個條件，同時可直觀得出能助燃的氣體就是空氣中的氧氣，燃燒的劇烈程度與氧氣的濃度有關(guān)，二氧化碳不支持燃燒等衍生結(jié)論。還串聯(lián)了氧氣和二氧化碳的制取和性質(zhì)，聯(lián)系了前面所學(xué)知識，將燃燒的三個條件探究，串聯(lián)到一個實驗中，避免了重復(fù)實驗，減少實驗步驟，節(jié)約了藥品。整個過程中觀察到了不燃燒—燃燒—更旺—火星—復(fù)燃—熄滅現(xiàn)象，將燃燒與原有知識進行了聯(lián)系，加深了學(xué)生對所學(xué)知識的理解和應(yīng)用，構(gòu)建完善了學(xué)生的新知識網(wǎng)絡(luò)，更好地拓展了學(xué)生的思維方式，培養(yǎng)了學(xué)生的分析能力、探究能力、思維能力，提高了學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

2.可根據(jù)課堂情況靈活處理

課堂上，教師可以根據(jù)學(xué)生的能力水平，適當引導(dǎo)或調(diào)整實驗內(nèi)容和方式。如果時間充裕，可提前布置，通過查詢資料、書籍、網(wǎng)絡(luò)等方式，讓學(xué)生先分組設(shè)計實驗，再小組交流補充擴展，老師再適當補充完善。

化學(xué)實驗必須綠色化，這是可持續(xù)發(fā)展的要求，是建立和諧社會的要求，化學(xué)教師必須樹立綠色化學(xué)意識，將綠色化貫穿于整個實驗的設(shè)計，實驗的操作，實驗后廢棄物的處理過程中，通過綠色化實驗，啟迪學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和環(huán)保意識，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，為建立和善友好型社會培養(yǎng)合格人才［9］。

3.實驗細節(jié)的進一步優(yōu)化

當然筆者對實驗進行了多次改進，在失敗中一次次完善。該實驗步驟較多，實驗細節(jié)要求高，液體注入時速度要快速一次推入，否則里面壓強增大后很難再加入液體，燃燒前需取下末端的注射器，防止燃燒時放熱，內(nèi)部壓強過大。需定量估算鹽酸、大理石、雙氧水的用量，不能超過量程，要多次使用酒精燈，注意實驗操作安全。藥品要預(yù)處理，先將新鮮的艾葉用烤箱仔細烘干，密封于廣口瓶中，縮短實驗時間，方便多次取用。