例談初中化學實驗的創新改進

彭毅

摘要：實驗教學在初中化學教學中具有重要地位，而化學實驗是否能順利、成功地進行與實驗裝置和實驗過程中是否合理、恰當密切相關，在教學實踐中摸索并總結了一些在實驗裝置和實驗過程中的創新改進措施，收到了良好的效果。

關鍵詞：初中;化學實驗;創新改進

化學是一門以實驗為基礎的學科。在初中化學教學中教師要通過各種化學實驗來引領學生走進豐富多彩的化學世界，所以實驗教學在初中化學教學中具有舉足輕重的地位。化學實驗能否取得成功與化學實驗的裝置是否合理，實驗過程的設計是否恰當密切相關，實驗裝置設置和搭配的好與差，簡與繁，操作是否簡便，往往直接對實驗結果是否清楚明了產生重大影響。筆者在初中化學實驗教學實踐中，以教材基本實驗、化學常規儀器裝置為基礎，為達到實驗裝置的易用和實用、裝置的簡練、易制作且實驗效果良好的目的，對一些實驗的操作過程進行了細化和優化，對一些實驗裝置進行了改進和創新的嘗試，取得了良好的實驗教學效果。

一、制氣裝置的創新改進

初中化學實驗室制二氧化碳通常使用①錐形瓶長頸漏斗裝置;②錐形瓶分液漏斗裝置;③大試管簡易裝置;④大試管長頸漏斗有孔塑料板裝置;⑤啟普發生器裝置等，如圖1所示：

這些裝置各有優缺點，比如①裝置常規簡單，能方便添加反應液，制取氣體較多，但不能控制反應速率和不能做到隨開隨用隨關隨停;⑤裝置雖能做到隨開隨用隨關隨停，但不能控制反應速率且裝置復雜昂貴，耗用藥品較多等。而筆者在教學實踐中，從實用、易制作和裝置簡練角度對該實驗裝置做了以下改進和創新。

取塑料網紗（比如廢舊塑料網紗蚊帳、塑料窗紗、裝水果或雞蛋用的塑料網紗袋等）一塊，將塊狀大理石或石灰石適量（根據反應容器、所需的制氣量做調整）用塑料網紗包好，用細銅絲捆扎結口，并將包好的小包系在一端彎了一小鉤的粗銅絲上，將多余的網紗剪除。將粗銅絲另一端在酒精燈火焰上燒紅熱，趁熱從單孔橡皮塞小端刺穿至橡皮塞大端，冷卻后可通過推拉調整粗銅絲上固體包的位置，將該橡皮塞裝在大試管或錐形瓶上，制氣裝置制作完成。制作完成的裝置如圖2。

相對于傳統的實驗方法，此實驗裝置的主要優點包括：（1）改進的實驗器材取自日常生活中常見的物品，取材簡單，幾乎不需要任何費用，而且制作比較容易;（2）改進后，實驗的操作流程比較簡單，學生容易掌握;（3）改進后，實驗藥品利用率高、浪費少;（4）可以通過抽拉銅絲使固液接觸或分離以達到隨時控制反應的發生或停止的效用，還可以細致控制固體包被反應液浸沒的程度（少量浸沒，半浸沒，完全浸沒等），以此來達到在一定程度上較好地控制反應速率的目的。如圖3：【尤其是筆者曾在高中化學實驗“碳化鈣與飽和食鹽水的反應”中用細銅紗網代替塑料網包好碳化鈣固體（此反應是劇烈的放熱反應，塑料網紗要用銅絲或鐵絲網紗代替），通過控制固體與液體浸沒的程度，取得了特別良好的控制反應速率的效果。】

另外此裝置還可用于其他固液常溫型的反應：如將固體換成鋅粒可用于實驗室制氫氣;將固體替換成用防水紗紙包好的二氧化錳粉末（比如用袋泡茶的紙紗袋裝好二氧化錳粉末）或水泥負載二氧化錳小球（水泥和二氧化錳混合制成的小球），酸液換成雙氧水可用于實驗室制氧氣。另外，如果需要制氣的量少，用大試管即可，需要制氣的量多則改用錐形瓶。

使用含固體包的粗銅絲穿過的單孔橡皮塞和大試管的組合，裝置自身的余留空間小，首次開始反應到產出純凈氣體的時間短，藥品浪費少;實驗中固體往往充足，液體反應物往往容易不足，看似不方便添加反應液，其實拔出橡皮塞，倒出廢舊的反應液，加入新反應液的操作并不復雜，況且可以避免殘留廢舊的反應液對新加的反應液濃度稀釋而產生反應速率變慢的影響，相比長頸漏斗或分液漏斗易添加液體藥品的裝置反而具有格外的優勢。

當然此實驗中的塑料網紗也可用扎有許多小孔的塑料小瓶、塑料網兜、耐酸的不銹鋼網紗或網兜代替，只要滿足其材料不與反應物或生成物發生反應，不被反應物或生成物破壞強度即可。在筆者的教學實際中，最常運用的方法是將扎了多個小孔（底部也有小孔）的廢舊塑料小瓶固定在粗銅絲下端替代塑料網紗包，其優點：可反復使用，補裝固體省時省力，如圖4所示：

在改進實驗中，如果用塑料網紗包裹固體時要注意包裹固體不能包裹得太緊。其原因主要有以下幾個方面：首先，如果包得太緊會使得固體包不容易變形，如果固體包直徑比較大可能難以裝進大試管或錐形瓶，但如果包得松一些，則可以通過輕輕擠壓改變固體包形狀成細長形就可以順利裝進容器內;其次，通常情況下為了保證網紗包能被裝進大試管或錐形瓶，包住的固體藥品量往往比較少從而不利于制出足夠量的氣體，而通過適當多包一些固體藥品來保證用量，再包得松一些保證能通過變形而裝進反應容器;然后，固體包得過緊，反應中也容易因各種原因使固體撐破網紗包，導致需要重新制作固體網紗包，使實驗過程變得耗時又煩瑣。

二、鐵生銹的條件對比實驗的創新改進

滬科版化學教材九年級上冊第5章第3節“一、鋼鐵的銹蝕及其防護”“活動與探究——鐵釘銹蝕”實驗中，實驗要求學生要分別記錄：立即觀察、1天后，3天后、1周后的現象來對比鐵生銹的過程，分小組提前1周在課外進行，隔天記錄實驗結果。如教材所示圖5-12：且不說提前1周分組實驗隔天記錄的教學實際難度，對學生用文字實際記錄下來的實驗結果進行對比時，會發現實驗結果不直觀，效果差;即便老師用拍照的方式記錄了鐵生銹前后變化過程，用照片進行對比時仍然不直觀，效果一般。我在實際教學過程中改用五組實驗，在同一展示板上同時展示，取得了非常好的效果。具體實驗準備過程如下：兩周前準備1組實驗，用完全同樣的實驗器材在1周前、3天前、1天前、上課時分別準備其他幾組實驗，放在同一展示板上對比觀察，這就實現了同一時間可以同時對比觀察不同時間長度、不同條件下鐵生銹的情況，對比清晰，效果良好，如圖5（上課時立即觀察的實驗組展示板略;另附展示板實物圖：正面、側面、背面）。

在準備這個實驗中，筆者還對一些實驗中的細節進行了創新，這些創新有的使實驗準備或實驗操作變得更加簡單，有的使實驗結果的對比和觀察變得更加便捷，有的使實驗的結果更加準確可信。具體如下：

1.教材原實驗圖①試管中，將干燥劑放入試管底，干燥劑上方放棉花，棉花上方放鐵釘，這樣使得①中鐵釘與其余四支試管中的鐵釘不在同一高度，雖不影響對比，但不整齊。筆者改成將鐵釘放入試管底，將干燥劑包人紗布包，將干燥劑塞在試管口位于鐵釘上方，既保證了效果，又使鐵釘高度與其他試管整齊一致，對比效果更好。

2.實驗室買的鐵釘大多經過鍍鋅處理，不打磨影響實驗效果，若打磨，手工打磨的工作量很大，且釘柄處很難打磨出好的效果;若使用酸溶解鍍鋅層，酸溶后的鐵釘表面會發暗發黑，沒有光澤，難以體現出田夏）試管中不生銹仍然光亮的效果。筆者改用手工打磨粗的長鐵絲，打磨工作量比打磨鐵釘少多了，且效果好，打磨好后再剪切成相同長度的鐵絲段代替鐵釘。

3.②試管中將粗鐵絲放入冷沸水中，再蓋上橡皮塞。看似簡單的操作，其實在實際操作中有一些困難。將試管中放入光亮的經過打磨的粗鐵絲，再加滿冷沸水，直接蓋橡皮塞，很容易留有氣泡，或者即便不留小氣泡，橡皮塞也很難蓋緊。我的改進措施是：在橡皮塞上事先穿刺好注射器針頭，再旋蓋在裝滿冷沸水的試管口，橡皮塞可以輕松旋緊且不留丁點細小的氣泡，最后拔下注射器針頭。筆者的實踐證明：如果不采用此法，②試管中鐵釘在2-3周后就會開始生銹;而在采用此創新方法的實驗中，試管②中，2、3年前實驗的鐵釘仍未生銹。另外值得注意的是，在此實驗改進中注射器針頭穿刺橡皮塞時，針頭細管中事先插入一根細鐵絲，否則穿刺中針頭孔會被橡皮碎屑堵住，導致操作失敗。

三、切咸菜的鐵菜刀不同處置部位生銹情況的對比實驗創新改進

同樣在“鋼鐵的銹蝕及其防護”一課中，教材中還安排了一個探究活動。該活動與探究實驗的內容為：在切過咸菜的鐵質菜刀同一面上選相近的三處進行下列實驗：第一處用濕棉球潤濕;第二處用干布擦干;第三處用干布擦干后涂上一層食用油。放置一晝夜，觀察菜刀三處表面發生的變化。

按教材中的原實驗方案做出的效果為（如圖6）。

用家庭中日常所見的菜刀進行科學實驗具有取材方便，便于組織家庭實驗，能夠調動學生主動學習探究等方面的優點。但是教師如果要在課堂上演示該實驗的結果，就具有攜帶不便，有安全隱患等不利因素;此外由于家庭用的菜刀一般經過長時間使用后本身可能具有銹跡、油漬等使得實驗結果不易觀察。

鑒于此，我對該演示實驗做了如下改進和創新，將鐵質菜刀換成美工刀片，減小危險器物在視覺上的負面效仿影響，將刀片封裝進大試管內，進一步增大安全因素，減小可能的意外傷害。同時為了絲毫不影響實驗效果，封裝刀片的大試管用帶短玻璃導管的單孔橡皮塞塞緊，以便刀片能與外界大氣相通;為了增強更為明顯的對比效果，我在三個區域間用油漆隔離帶隔開，對比效果更明顯。另外，潤濕區改用所切酸菜的酸菜汁潤濕，收到了更快速更明顯的效果。實驗結果如圖7：

四、對比證明氫氧化鈉與二氧化碳發生反應使瓶變癟實驗的創新改進

實驗內容與結果：收集兩個同樣裝有二氧化碳的塑料瓶，分別加入等體積的水和氫氧化鈉溶液，旋緊瓶蓋振蕩，對比觀察：加水的塑料瓶略微變癟，而加氫氧化鈉溶液的塑料瓶變得更癟，從而證實二氧化碳確實與氫氧化鈉溶液發生了反應。

該實驗較為簡單，容易操作，看似沒有可改進的地方。不過，采用實驗室常規方法制取二氧化碳，從安裝調試儀器，氣密性檢查，裝藥品收集驗滿，過程還是相對煩瑣復雜，耗費時間長，前后集滿兩瓶二氧化碳大約需要15分鐘甚至更多的時間，實驗準備時間偏長，增加了教師的工作量。筆者就此實驗中耗時長的制取收集二氧化碳步驟做了如下改進，極大地縮短了實驗準備時間，取得了良好的效果。

在兩塑料瓶中各加入等量的約3～4g固體碳酸氫鈉，再各加入等量的約3～4mL1：2的硫酸，不加蓋放正塑料瓶，約1分鐘后蓋好塑料瓶蓋，兩塑料瓶的二氧化碳即已制取收集好。課堂實驗時，在一瓶中加入50mL水，另一瓶中加入50mL（8～10%）氫氧化鈉溶液，均旋緊兩瓶蓋振蕩，得到良好的實驗結果。實驗過程和效果如圖8。

此實驗改進看似并無新意可言，但實驗改進設計過程中對藥品的選取卻是基于理論指導下的仔細推敲和反復的實驗實際驗證而得出的結果。制取等量的二氧化碳，所需碳酸氫鈉的質量小、耗酸少且反應快速充分;選用硫酸是因為硫酸是穩定的不易揮發的二元強酸，等量酸提供氫離子多，完全反應所需酸的量少;選用1：2的硫酸，若太濃所需酸液體積過少，難以和碳酸氫鈉固體充分混合溶解后反應;太稀則所需酸液體積大，會對實驗的后續步驟中加入液體得到瓶癟實驗效果產生過大的干擾;還有碳酸氫鈉固體與1：2的硫酸溶液恰好完全反應時，碳酸氫鈉質量（9）的數值與1：2硫酸溶液的體積（mL）數值碰巧近似相等（理論上酸略微過量，更能保證固體的完全反應），數值上的相等便于記憶和操作。本實驗巧妙地運用了向上排空氣法，二氧化碳在瓶底生成向上將原有的空氣排出，使得塑料瓶中充滿二氧化碳氣體。這樣的改進，極大地縮短了實驗準備時間，減輕了教師的工作負擔，取得了同樣良好的實驗效果。

化學實驗的創新有多種方向，比如化學實驗創新的實驗數據測量數字化顯得高大上，但對實驗儀器的裝備要求高;化學實驗裝置創新中的一體化，裝置儀器的制作本身復雜昂貴、易損壞且成本高;而筆者秉持的是化學實驗常規裝置的優化、常規操作細致化，以基礎實驗的基本裝置為出發點，通過適宜的改進和創新，以實驗裝置實用、易制作和最終裝置簡練且實驗效果良好為最終目的，這也不失為化學實驗創新的一個重要方向。

參考文獻：

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編輯 王彥清