惟變所出 萬變不從

莊山+任慧+吳頻慶

摘要：運用U型管、半封閉式U型管、具支U型管制作實驗裝置，并將裝置應用于人教版義務教育教科書《化學》（九年級上、下冊）燃燒條件、空氣中氧氣含量測定、活性炭吸附實驗、Na2CO3或NaHCO3與鹽酸反應等多個實驗中，取得了很好的效果。

關鍵詞：U型管；半封閉式U型管；具支U型管；創新實驗

文章編號：1008-0546（2017）04-0090-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.04.031

一、研究緣起

“Chemistry”拆分為“Chem is try”，強調研究化學是一個不斷嘗試、不斷創新、不斷實驗的過程。我國化學家和教育家傅鷹先生也說過：“化學是實驗的科學，只有實驗才是最高法庭。”義務教育化學課程標準（2011版）明確指出：“應該根據學校的實際情況合理地選擇實驗形式，有條件的學校盡可能多地為學生提供動手做實驗的機會；條件有限的學校，可采取教師演示實驗、家庭小實驗等”[1]。因此設計、改進、創新化學實驗在化學教學中顯得尤為重要。為此，我們利用化學實驗室常見的儀器及藥品制作了U型管、半封閉式U型管和具支U型管等實驗裝置，并將這些實驗裝置應用于人教版義務教育教科書《化學》（九年級上、下冊）多個實驗中。

二、半封閉式U型管的制作

將石蠟放在燒杯中加熱融化，將U型管管口朝上固定在鐵架臺上，在U型管的一端管口放上漏斗，將融化的石蠟倒入其中，如圖1[2]。取走漏斗（注意：不要讓石蠟遺留在U型管的管壁上）讓其在空氣中自然冷卻凝固，制成半封閉U型管。實驗如圖2所示。它最大的優點就是在沒有通風設備的條件下，可以形成密閉裝置，并且能消除污染。

三、U型管、半封閉式U型管和具支U型管的創新應用

以人教版義務教科書《化學》（九年級上、下冊）實驗內容為例，介紹U型管、半封閉式U型管和具支U型管在實驗中的創新應用。

1. 燃燒條件的實驗

（1）教材上的實驗內容

在500mL燒杯中加入300mL熱水，并放入硬紙圈圈住的一小塊白磷。在燒杯上蓋一片薄銅片，銅片上一端放一小堆干燥的紅磷，另一端放一小塊已用濾紙吸去表面上水的白磷，觀察現象。

用導管對準上述燒杯中的白磷，通入少量氧氣（或空氣）觀察現象。

（2）教材中該實驗的不足

“燃燒條件”實驗裝置是非密閉的，常會因為白磷和紅磷是在開放體系中燃燒，產生的白煙（P2O5）會污染環境，因此教材特別注明了實驗需在通風櫥或抽風設備下進行。事實上很多化學教師通常都在普通教室里演示該實驗，很多學校實驗室中也沒有通風櫥或抽風設備。由于白磷或紅磷燃燒產生的污染問題沒能得到很好的處理，因而有不少化學教師對該實驗往往采用“黑板上講實驗”或“多媒體播實驗”的方式處理，因而也弱化了這一經典實驗的教學功能。

（3）創新實驗的裝置及藥品：如圖3所示。

（4）創新實驗的操作及現象解釋

①在半封閉式U型管的兩端分別加入等體積的冷水和熱水。

②在冷水和熱水中分別加入兩塊大小相同的白磷，然后迅速塞上橡皮塞（橡皮塞上帶有銅絲繞成隔板），觀察U型管內兩塊白磷都不燃燒。說明燃燒的條件之一是可燃物與氧氣或空氣接觸。

③將U型管倒置，觀察到熱水中的白磷燃燒而冷水中的白磷不燃燒，說明燃燒的條件之一是溫度必須達到可燃物的著火點。

④實驗完畢后，再將U型管倒置，振蕩，迅速消除P2O5的污染。

（5）創新實驗的優點

①使用的實驗藥品種類少（沒有使用紅磷）、操作簡便。

②實驗重復性好、實用性強，有利于推廣和普及。

③在封閉體系中進行實驗，藥品使用量少，綠色、環保、無污染。

④作為教師演示實驗效果良好，也比較適合在教師指導下的學生分組探究實驗。

2. 空氣中氧氣含量的測定

（1）教材上的實驗內容

在集氣瓶內加入少量的水，并將水上方的空間分為5等份。用彈簧夾夾緊橡皮管。點燃燃燒匙內的紅磷后，立即伸入瓶中并把塞子塞緊，觀察紅磷燃燒的現象。待紅磷熄滅并冷卻后，打開彈簧夾，觀察實驗現象及水面的變化情況。

（2）教材中該實驗的不足

①在塞橡皮塞之前，燃燒產生大量的白煙已彌散在空氣中，危害師生健康。

②點燃紅磷伸入到集氣瓶的過程中，無論動作多么迅速，都不可避免地使集氣瓶內的空氣受熱膨脹而外逸，最終導致測量結果偏大。

③實驗結束后導管內留存的部分應倒吸入集氣瓶中的水，導致測量結果偏小。若實驗多次，就會出現測量結果時而偏大、時而偏小的情況，教師即使把失誤的原因分析得頭頭是道，并從各個角度加以闡述和論證也難以讓學生信服，更會影響教學任務的完成。

（3）創新實驗的裝置及藥品：如圖4所示。

（4）創新實驗操作及現象解釋

①在U型管的左側放置一個銅絲繞成的隔板，隔板表面做成凹槽狀。

②將U型管固定在鐵架臺上，從U型管的左側管口加入少量熱水到第一格刻度線處，將水面以上空間平均分成五等份（如圖4所示），用鑷子夾取一小塊用濾紙吸干表面水的白磷放入隔板凹槽中。

③塞上橡膠塞觀察實驗現象，幾秒鐘后白磷燃燒產生大量白煙，左側液面下降右側液面上升，一段時間后白磷熄滅。等冷卻后，右側液面下降左側液面上升，最終上升到液面以上空間的五分之一處。說明空氣中的氧氣被消耗，消耗的氧氣約占空氣體積的1/5。

④實驗完畢后，傾斜U型管，迅速消除P2O5的污染。

（5）創新實驗的優點

①實驗裝置簡單，操作簡便，便于觀察水位上升的現象。

②利用銅絲的導熱性，使實驗操作簡單化，消除了點燃紅磷后能否快速伸入的影響。

③在封閉體系中進行實驗，藥品使用量少，無污染，并且實驗結果一致性高。

④作為教師演示實驗效果良好，也可安全地進行學生分組實驗，并且有利于實驗推廣和普及。

3. 活性炭的吸附實驗

（1）教材上的實驗內容

①第四單元水的凈化中，雖然沒有具體要求進行活性炭吸附，但是大部分老師為了完整的進行水的凈化實驗，都進行活性炭的吸附實驗。

②向盛有半瓶水的小錐形瓶里，加入一滴紅墨水，使水略顯紅色。投入幾塊烘烤過的木炭（或活性炭），輕輕振蕩錐形瓶，觀察現象。

（2）教材中此類實驗的不足

在第四單元課題2講到利用活性炭除去水中有色有味雜質時，缺乏實驗支持學生不易理解。在第六單元第1課時介紹木炭及活性炭具有吸附性實驗時安排了演示實驗，但由于實驗是將木炭或活性炭投入一瓶有紅色水的錐形瓶里，炭的黑色干擾了現象的觀察，學生對活性炭的吸附色素和氣味的性質仍有疑問，如果再加入過濾實驗則耗時過長影響課堂效率。

（3）創新實驗裝置及藥品：如圖5所示。

（4）創新實驗操作及現象解釋

①在U型管中裝入1/3體積的活性炭，兩端用棉花堵住，用玻璃棒壓實。

②將該裝置固定在鐵架臺上，從U型管的一側倒入10mL果粒橙（倒入之前上下振蕩）。

③約1分鐘后觀察到從U型管的另一側流出澄清透明的溶液，對比兩邊溶液發現不僅除去了果粒橙的顏色而且除去了氣味。

④取下U型管，將無色溶液倒出發現U型管的另一側留有果粒，說明活性炭層不僅能夠吸附可溶性的色素和氣味還能過濾不溶性雜質果粒。

（5）創新實驗的優點

①實驗裝置取材容易、制作簡單、操作簡便，便于吸附前后的實驗對比。

②將生活中的果粒橙變成清澈的液體實驗現象非常明顯，時間短。

③結合生活中的實驗，教學效果非常好，還可以進行學生的分組實驗。

4. 碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸反應的實驗

（1）教材上的實驗內容及問題

向盛有0.5g碳酸鈉的試管里加入2mL鹽酸，迅速用帶導管的橡膠塞塞緊試管口，并將導管一端通入盛有澄清石灰水的試管中，觀察現象。

用碳酸氫鈉代替碳酸鈉進行上述實驗，并分析現象。

（2）教材中該實驗的不足

①課本設計的實驗只能探究兩者是否都能與鹽酸反應產生二氧化碳，對于兩者現象差異學生無法直觀感受，所以記錄實驗現象時，都是以教師告知為主。

②最重要的是：該實驗無法解決等質量碳酸鈉、碳酸氫鈉粉末與鹽酸反應的快慢、生成二氧化碳多少的問題。也不能很好地與高中知識進行銜接。

因此，為了很好地進行初高中銜接也為學生更好地理解碳酸鈉、碳酸氫鈉的化學性質提供直觀的實驗平臺，為此我們進行了如下的創新設計。

（3）創新實驗裝置及藥品：如圖6所示

（4）創新實驗操作及現象解釋

①在半封閉式具支U型管的兩側分別加入同濃度的3mL鹽酸。

②將兩個各裝0.3gNa2CO3或NaHCO3粉末的小氣球分別套在U型管的管口（U型管管口事前粘涂雙面膠防止氣壓變大氣球彈出）。

③將氣球內的Na2CO3或NaHCO3粉末同時倒入U型管中，觀察到NaHCO3粉末這邊反應更快，氣球最先鼓起。

④反應結束后往外拉動注射器，拔下注射器并安裝金屬針頭將注射器內的氣體注入盛有澄清石灰水的小試管中，觀察到澄清石灰水變渾濁，證明有二氧化碳生成。

（5）創新實驗的優點

①該實驗很好地控制了變量，做到了等量、同時。

②該實驗的實驗現象明顯，通過氣球變化的不同很容易得到實驗結論。

③該實驗作為教師演示實驗效果良好，也比較適合進行學生分組實驗。

④兩個實驗，可以一人同時操作，對比性強，因此滲透了“比較學習法”。

四、結束語

宋朝呂本中在《官箴》中寫道：“惟變所出，萬變不從”。意思是惟有變化才能推陳出新，否則教條主義沒有出路。而“惟變所出，萬變不從。”還有另一層意思就是盡管形式上變化多端，其本質或目的應該保持不變。化學教學中課本實驗的創新正應如此，我們可以利用創新實驗使操作變得簡單，現象變得更加明顯，使實驗更加安全、環保；不變的是目的：更好地激發學生學習化學的興趣、培養學生的科學探究能力從而提升學生的化學學科素養。化學實驗創新永無止境，我們在實驗創新的路上不斷前行。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部制定. 義務教育化學課程標準（2011版）[M].北京：北京師范大學出版社，2012

[2] 謝丹敏，湯中華.封閉式U型管在對比實驗中的應用[J].化學教學，2016（4）