基于“化學實驗三要素”的實驗創(chuàng)新與改進實踐
作者：曹育紅潘則南
實驗教學與儀器 2015年07期
在實驗教學過程中，經(jīng)常會遇到一些不易成功、現(xiàn)象不明顯、裝置過于復雜、不利于在課堂中進行分組實驗的實驗。這些實驗需要教師進行創(chuàng)新或改進，讓學生可以較為清楚地觀察和體驗這些實驗的現(xiàn)象、過程及結果，幫助學生建構知識，其目的是使實驗能更好地服務于課堂教學。
清華大學宋心琦教授明確提出了“化學實驗體系的三要素”，即作為實驗對象的物質體系（用于探究化學變化過程，也可稱作化學體系）；適當?shù)膬x器裝置和必要的安全措施；合理的實驗步驟和規(guī)范的操作技術。他認為，從學科教育的角度來評價，它們的地位是不等的，應該依次遞減；在現(xiàn)行化學實驗教學中，實驗體系來自教材或教參，教師在實施時注意力往往放在了第二、第三兩個要素上，物質體系的選擇反而成為次要甚至被忽略；同時，教材為什么要設計或選擇某一個實驗，也就是化學實驗教學功能與價值的問題也是教師思考得比較少又比較重要的問題，教師普遍很難全面地闡述某個實驗的教學功能與價值。筆者以蘇教版化學教材“氮肥的生產(chǎn)和使用”一節(jié)內容為教學案例，闡述對中學化學實驗創(chuàng)新與改進的認識及實踐。
一、加強對實驗對象的物質體系分析，為實驗創(chuàng)新與改進提供參考
值得關注的是教材“觀察與思考”中的實驗2及實驗3。
【實驗2】在一支潔凈的試管中滴加幾滴氨水，將濕潤的紅色石蕊試紙（或pH試紙）粘在玻璃棒上靠近試管口，觀察試紙顏色的變化情況。
【實驗3】在一只燒杯中放兩個棉花球，分別在兩個棉花球上滴加幾滴濃氨水和濃鹽酸，用表面皿蓋住燒杯口，觀察現(xiàn)象。
兩個實驗揭示了本節(jié)課中另一個重要的物質體系：氨水。這兩個實驗說明了氨水有揮發(fā)性，能揮發(fā)出氨（）。實驗2再次展現(xiàn)氨氣遇水（濕潤作條件）使指示劑變色的過程，實驗3涉及氨氣與氯化氫的反應，屬于氨（氣）作為路易斯堿的性質。對氨水體系的性質及成分探究是教師在課堂教學中容易忽視的地方。
這些理論分析為開展實驗探究、創(chuàng)新與改進提供依據(jù)，不屬于教學過程中實驗創(chuàng)新與改進的對象。
二、選擇適當?shù)膬x器裝置，找好實驗創(chuàng)新與改進的切入點
從上述理論分析來看，氨（氣）的性質探究主要是圍繞其水溶性及其堿性來展開（中學階段不探究其還原性，僅作理論分析）。要探究其水溶性，離不開裝氣體的容器及水。就容器而言，可以采用針筒（教材二氧化硫性質實驗用過針筒），也可以采用日常生活中常見的空礦泉水瓶來代替，用這些儀器或用品來做實驗都能夠說明氨氣的水溶性。但這么多年來教材一直采用如圖1所示裝置探究氨氣的水溶性，在課堂教學中，絕大多數(shù)教師并沒有對該實驗進行創(chuàng)新或改進。這與該裝置的價值與功能有關。它的功能與價值體現(xiàn)在以下幾方面：其一，為氨氣的水溶性實驗提供儀器支持。其二，為“噴泉”的產(chǎn)生提供展示平臺。其三，為學生理解噴泉實驗原理提供實物參考。其四，對理解物質變化過程的復雜性（含物理和化學）進行佐證。其五，可以進一步加強對學生科學嚴謹?shù)牟僮饕庾R及學科素養(yǎng)的培養(yǎng)。其六，為提高學生的學習興趣與求知欲提供實例支持。特別是對實驗儀器的認知、對實驗過程的科學素養(yǎng)培養(yǎng)及學科意識滲透，是針筒、礦泉水瓶等無法做到的。這也是該裝置經(jīng)典且傳承的原因，無需進行創(chuàng)新與改進。
但教材中“在常溫下，1體積水大約可溶解700體積的氨”“氨很容易液化”“液氨氣化時要吸收大量的熱”等文字顯得過于蒼白，這需要我們利用創(chuàng)新或改進的實驗進行展現(xiàn)。
設計實驗：在無色透明的塑料袋中收集約750mL的氨氣，將塑料袋放入倒有少量液氨的敞口容器中。學生可以觀察到在液氨氣化時，飽滿的塑料袋立刻變癟，塑料袋內部有液滴形成，與液氨直接接觸的部位有固體出現(xiàn)，這充分說明氨很容易液化。用550mL干燥的礦泉水瓶收集滿干燥的氨氣，用小針筒向礦泉水瓶中逐滴加水，邊滴邊振蕩。學生明顯地觀察到原本飽滿的礦泉水瓶慢慢變癟，當加入蒸餾水約0.8mL，瓶壁幾乎緊貼在一起，這不僅說明氨氣極易溶于水，還能根據(jù)氨氣與水的體積關系，半定量地說明氨氣與水體積比約700:1。
就氨水體系而言，其重要性質主要是根據(jù)揮發(fā)性、不穩(wěn)定性（一水合氨）及堿性來展開。教材所提供的實驗能很好地體現(xiàn)氨水的揮發(fā)性。但實驗3中利用濃氨水與濃鹽酸的揮發(fā)性探究氨氣與酸的反應，采用的是燒杯和表面皿的儀器組合，屬于半封閉體系，若用玻璃管與橡皮塞儀器組合進行改進，效果會更好。如圖2所示，將棉花團固定在橡皮塞上，分別向其中滴加濃鹽酸和濃氨水，塞在玻璃管兩端，觀察實驗現(xiàn)象。這樣做的好處不僅在于封閉體系，而且操作起來非常靈活，比如可拿著玻璃管傾斜、顛倒等，現(xiàn)象非常明顯。
另外，筆者建議補做一個氨水與鹽溶液反應產(chǎn)生沉淀的試管實驗，這對于加強氨水呈堿性及氨水成分的探究都有益處；補做一個如圖3所示的實驗，將滴有酚酞的氨水（紅色溶液）少量裝于試管，在試管口處用氣球密封。加熱試管，顏色逐漸變淺；停止加熱，顏色逐漸恢復，該實驗能說明一水合氨的存在及其穩(wěn)定性。
銨鹽的性質探究主要圍繞其熱穩(wěn)定性來展開，涉及銨鹽自身的熱穩(wěn)定性、銨鹽與堿共熱，能夠用來加熱的常見儀器主要是試管。因此，這組性質探究實驗的儀器就離不開試管與酒精燈。學生按照教材中“活動與探究”的實驗操作在課堂上實施，將藥品裝入試管、預熱、加熱至觀察到實驗現(xiàn)象，兩組實驗順利實施下來，很多學生時間上不夠。為此做一些實驗的創(chuàng)新與改進顯得很有必要。如下頁圖4所示的封閉試管內裝少許氯化銨進行氯化銨熱穩(wěn)定性實驗是一種可供參考的選擇。還可選用可封口的塑料袋來完成氫氧化鈣與氯化銨混合反應（手搓）實驗替代教材中氫氧化鈣與氯化銨反應實驗。要說明的`是，這兩種創(chuàng)新性的實驗方式在課堂教學中不要同時使用。因為教材中的兩個實驗在培養(yǎng)學生基本實驗操作及規(guī)范性方面的功能與價值是上述創(chuàng)新性實驗無法達到的。
三、重視實驗步驟和操作，在實驗創(chuàng)新與改進中培養(yǎng)學生的基本實驗素養(yǎng)
很多教師在做噴泉實驗時，注重對實驗現(xiàn)象與結果的理論分析，而忽視對實驗過程細節(jié)的把握。一些教師為了在課堂教學中爭取更多的時間，雖然會把已經(jīng)組裝好的儀器向學生展示，但并沒有按照教材上的程序來演示該實驗，這實際上是很可惜的。儀器介紹及作用分析、實驗裝置的組裝順序、實驗步驟的嚴謹實施是消除學生實驗認知障礙的關鍵，也是于無聲處培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)的良好時機。
例如，對裝置組成中雙孔橡皮塞部分進行以下介紹：“大家看一下（拿起來展示給學生看），這個雙孔橡皮塞連接兩個，一個是膠頭滴管，膠頭滴管里已裝滿水。另外一個連接的是什么呢？是玻璃管。兩段玻璃管當中還有一段橡皮管，橡皮管中還有止水夾。止水夾夾住橡皮管，上下兩處玻璃管不能連通；如果打開，上下兩部分就連通了�！边@種細致的解讀，使得學生對噴泉實驗有更為全面的認識，同時，可以引導學生形成仔細觀察、認真思考的好習慣。這些，可能比由實驗探究氨的性質所得出的結論更為重要。
探究銨鹽的性質，通常以分組實驗的方式，由學生進行自主探究。對學生進行必要的指導，是實驗順利進行的關鍵。教材中的實驗描述如下：
【實驗1】取少量氯化銨晶體，放入試管中，在酒精燈火焰上微熱，觀察發(fā)生的現(xiàn)象。
【實驗2】將少量氯化銨與少量氫氧化鈣混合后放入試管中，在酒精燈火焰上微熱，用濕潤的紅色石蕊試紙檢驗反應產(chǎn)生的氣體。
針對以上實驗，教師會對學生進行實驗指導，但對教材中“少量”的理解存在盲區(qū)。怎樣做才能使得實驗達到一種理想的效果呢？課堂教學實踐表明，對實驗1，用如圖5所示藥匙柄末端小凹槽，取2～3顆粒米大小氯化銨固體；對實驗2，強調氯化銨和氫氧化鈣的用量均為一藥匙，實驗效果明顯。這樣的指導使得對“少量”的理解變得更加具體，操作起來有據(jù)可依。
綜上所述，以“化學實驗三要素”為指導，在進行實驗的創(chuàng)新性實施或改進性實施時，其方向性有了保證。同時，也要考慮實驗的功能與價值，課堂教學的實際需要，學生基礎實驗能力與素養(yǎng)的培養(yǎng)，以此來提升實驗創(chuàng)新與改進的價值和作用。
編輯手記：深入分析實驗三要素，明晰教材所選實驗的功能與價值，是進行實驗創(chuàng)新與改進的前提。教材中的某些實驗或許有這樣那樣的不足，但是在培養(yǎng)學生基本實驗操作能力和規(guī)范性方面卻是一些創(chuàng)新實驗所不及的。當下，一些“因陋就簡”的非常規(guī)實驗、低成本實驗研究如火如荼，當然，不可否認其價值，但這些應是常規(guī)實驗的有益補充，而非取常規(guī)實驗而代之，否則便是舍本而逐末了。
作者介紹：曹育紅，福建省閩江學院附屬中學（350005）；潘則南，福建師范大學附屬中學（350007）。
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