借助化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究意識

井延濤

摘要： 通過探尋化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器中的“一器多用”、“多器同用”、微量化改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器和將已知實(shí)驗(yàn)儀器重新組合等，凸顯實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探究性和開放性，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，幫助學(xué)生構(gòu)建化學(xué)實(shí)驗(yàn)的知識與技能體系，形成“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 實(shí)驗(yàn)儀器; 科學(xué)探究; 創(chuàng)新意識; 核心素養(yǎng); 一器多用; 多器同用

文章編號： 1005-6629（2019）8-0085-04 ? ? ? ? ? ?中圖分類號： G633.8 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

化學(xué)儀器是重要的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，以實(shí)驗(yàn)儀器為著眼點(diǎn)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的途徑和方法，發(fā)揮實(shí)驗(yàn)儀器在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的育人功能，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究與創(chuàng)新意識[1～3]。

1 ?探尋“一器多用”的實(shí)驗(yàn)儀器

探索實(shí)驗(yàn)裝置的“一器多用”，引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)儀器的不斷優(yōu)化，從而對實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行深度挖掘。

1.1 ?廣口瓶

以圖1所示裝置為例，可用于下列各類實(shí)驗(yàn)。

（1） 廣口瓶中分別放入一定量的氫氧化鈉、氯化鈉和硝酸銨固體，瓶口右側(cè)的彎管內(nèi)加入適量紅墨水。按圖連接好裝置后，用注射器向廣口瓶注水形成濃溶液。利用廣口瓶內(nèi)的氣壓變化，結(jié)合U型管中左右兩端液柱的相對高低情況可以更為生動(dòng)、直觀地判斷三種固體溶于水時(shí)的吸熱和放熱情況。

（2） 卸去彎管，換用一個(gè)雙孔橡皮塞，可根據(jù)進(jìn)氣導(dǎo)管和出氣導(dǎo)管在廣口瓶內(nèi)的高低差異用作洗氣瓶、集氣瓶、安全瓶、排液法測量氣體體積、監(jiān)控氣體流速等。利用“長進(jìn)短出”的連接方式，結(jié)合適當(dāng)吸收劑可用作洗氣瓶;利用“長進(jìn)短出”或“短進(jìn)長出”的空瓶連接方式，可用作集氣瓶;利用“短進(jìn)短出”的空瓶連接方式，可用作安全瓶，防止液體倒吸;利用“短進(jìn)長出”的連接方式，結(jié)合適當(dāng)液體，可用于排液法測量氣體體積或根據(jù)氣泡逸出快慢監(jiān)控氣體流速等;利用“兩長一短”的連接方式，結(jié)合一個(gè)三孔橡皮塞（見圖2），用作緩沖瓶，或再結(jié)合適當(dāng)吸收劑同時(shí)用作洗氣瓶和緩沖瓶。

1.2 ?注射器

注射器可以完成取用藥品或充當(dāng)反應(yīng)容器等。

（1） 取用質(zhì)地較軟的固體。取一只塑料注射器，切除其前端的針?biāo)ú糠郑蛊淝岸送饩壠烬R。將處理后的注射器前端小孔對準(zhǔn)金屬鈉下壓，金屬鈉的固體順利進(jìn)入注射器。在取出金屬鈉時(shí)，只需稍用力向外推注射器活栓，即可根據(jù)需要取用不同長度的鈉塊。這一做法的優(yōu)點(diǎn)有： 第一，避免用小刀切割金屬鈉，更為安全;第二，可較長時(shí)間清晰地觀察金屬鈉的顏色，并直觀感受金屬鈉的柔軟質(zhì)地;第三，容易控制取用金屬鈉的大小;第四： 不涉及擦拭煤油的步驟，排除了煤油的干擾因素。

（2） 用作反應(yīng)容器。如制取氫氧化亞鐵： ①先在注射器內(nèi)放入鐵片，推動(dòng)活栓至注射器內(nèi)基本無空氣剩余。②卸下針頭，吸入適量稀硫酸，迅速直立注射器，使針?biāo)ㄏ蛏喜⒎庾♂標(biāo)住＂鄯磻?yīng)結(jié)束后，針?biāo)ㄉ咸缀冕橆^，吸入適量氫氧化鈉溶液。④反應(yīng)結(jié)束后，繼續(xù)吸入少量空氣。這一改進(jìn)操作的優(yōu)點(diǎn)在于反應(yīng)裝置基本處于無氧狀態(tài)，容易在較長時(shí)間內(nèi)觀察到白色沉淀，并繼續(xù)觀察白色沉淀變?yōu)榛揖G色，最終變?yōu)榧t褐色的現(xiàn)象。又如可用于銅與稀硝酸反應(yīng)，同樣能在較長時(shí)間內(nèi)清晰觀察到無色氣泡產(chǎn)生，反應(yīng)后吸入空氣有明顯紅棕色出現(xiàn)，且容易對有毒氣體進(jìn)行無害處理[4]。

此外，還可用注射器代替長頸漏斗或分液漏斗用于滴加少量液體，或代替量筒方便量取體積較少的液體。

1.3 ?干燥管

干燥管通常被用于干燥、除雜、反應(yīng)等實(shí)驗(yàn)操作。實(shí)踐中，可以把干燥管與其他儀器優(yōu)化組合，探索干燥管的新用途。如圖3所示，裝置Ⅰ、 Ⅱ均在干燥管內(nèi)墊一小塊玻璃纖維，可用于固體與液體反應(yīng)制氣的簡易裝置，且能控制反應(yīng)的開始與停止;裝置Ⅱ用橡膠軟管把干燥管末端與漏斗末端相連，實(shí)驗(yàn)時(shí)還可通過漏斗補(bǔ)加液體;裝置Ⅲ在干燥管內(nèi)用銅絲吊著一小塊金屬鈉，可在干燥管內(nèi)用排水法制取氫氣;裝置Ⅳ按圖示方式連接一空干燥管，可用于實(shí)驗(yàn)室制取乙酸乙酯;裝置Ⅴ可用空干燥管作尾氣吸收裝置，同時(shí)又可防止液體倒吸。

2 ?探尋“多器同用”的實(shí)驗(yàn)儀器

“多器同用”強(qiáng)調(diào)在已有認(rèn)知的基礎(chǔ)上，把不同線索和信息指向同一問題的思維導(dǎo)向，并經(jīng)過對比各方法的優(yōu)劣，甄選解決問題的最佳方法。教師通過引導(dǎo)學(xué)生概括“多器同用”的構(gòu)造特征，提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新意識，幫助學(xué)生拓展視野，形成發(fā)散思維。

2.1 ?“固-液不加熱”型制氣裝置

例如，圖4～圖6是多種在無需加熱的情況下，由固體和液體制取氣體的“多器同用”實(shí)驗(yàn)裝置。圖4通過上下移動(dòng)燃燒匙，控制燃燒匙內(nèi)固體和溶液的接觸和分離;圖5通過在干燥管內(nèi)鋪一薄層玻璃纖維，結(jié)合活塞的打開和關(guān)閉，可控制制氣反應(yīng)的開始和停止;圖6所示的四種裝置巧借破底試管和多種有孔隔板，通過控制活塞的打開和關(guān)閉，也可控制制氣反應(yīng)的開始和停止。各種變異裝置都遵循相同的化學(xué)原理，對常見儀器進(jìn)行優(yōu)化重組，達(dá)到快速制氣的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模夷軐?shí)現(xiàn)“隨開隨停”的效果[5]。

2.2 ?防堵塞儀器裝置

圖7是對實(shí)驗(yàn)室常見儀器重組后，具有防堵塞功能的“多器同用”的多種實(shí)驗(yàn)裝置。裝置Ⅰ利用觀察直玻璃管內(nèi)液柱是否上升，檢驗(yàn)儀器是否堵塞;同時(shí)可用作安全瓶，在儀器一旦發(fā)生堵塞的情況下，及時(shí)排出錐形瓶內(nèi)液體，確保儀器內(nèi)壓強(qiáng)不急劇增加，防止爆炸;裝置Ⅱ中用橡膠管連通分液漏斗和圓底燒瓶的出氣口，巧借恒壓原理便于分液漏斗中的液體滴落;儀器Ⅲ和裝置Ⅳ利用棉花團(tuán)防止固體進(jìn)入細(xì)導(dǎo)管口，避免堵塞。

2.3 ?防倒吸儀器

教材中倒扣漏斗的防液體倒吸裝置可拓展和發(fā)散為其他多種儀器的組合，改進(jìn)后的裝置見圖8。裝置Ⅰ在導(dǎo)管末端連接多孔球泡，適用于防止密度比空氣大的易溶氣體的倒吸;裝置Ⅱ、 Ⅲ、 Ⅳ、 Ⅴ利用不同形狀的干燥管、雙球U型管和廣口瓶有較大體積，能存儲一定體積液體的特性，可防止易溶氣體引發(fā)倒吸;裝置Ⅵ利用氣體難溶于CCl4的物理性質(zhì)，把易溶氣體先通入CCl4的有機(jī)層，至氣泡上升至水層時(shí)被安全吸收，有效防止引發(fā)倒吸;裝置Ⅶ利用圓底燒瓶收集密度小于空氣的易溶氣體，防止直接通入水中引發(fā)液體倒吸。

3 ?探尋優(yōu)化重組實(shí)驗(yàn)儀器

秉承探究性、開放性和直觀性的原則，遵循保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源和簡便易行的思想，對教材中的部分實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，讓學(xué)生切實(shí)感受到實(shí)驗(yàn)探究和創(chuàng)新的趣味，在潛移默化中增強(qiáng)科學(xué)探究與創(chuàng)新意識。

3.1 ?對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行微量化改進(jìn)

所謂的微量化實(shí)驗(yàn)就是在保證試劑用量小、污染少、省時(shí)間、易操作的同時(shí)，仍使用常規(guī)儀器、裝置，仍能達(dá)到常規(guī)演示實(shí)驗(yàn)的可見度[6]。如上海科學(xué)技術(shù)出版社高一年級第一學(xué)期化學(xué)教材的氯氣實(shí)驗(yàn)（圖9），教材所列實(shí)驗(yàn)消耗氯氣太多，對環(huán)境易產(chǎn)生污染，而微量化改進(jìn)后僅消耗幾毫升氯氣。

改進(jìn)方案為： 用有機(jī)玻璃自制鉛筆盒大小的微量化氣體反應(yīng)器。可抽出反應(yīng)器內(nèi)的支架，支架左端的小試管用于制備氣體（本實(shí)驗(yàn)制氯氣），支架其余孔槽內(nèi)可放入干、濕彩色布條，KI溶液、KBr溶液、碘酒和淀粉混合液的濾紙。向小試管中加入少許濃鹽酸。將支架插入反應(yīng)器，蓋好儀器蓋，導(dǎo)氣管用橡膠管與燒杯中的NaOH溶液相連（圖10）。

改進(jìn)后優(yōu)點(diǎn)： 操作方便，效果明顯，成功率高。尤其是整個(gè)實(shí)驗(yàn)僅消耗極少量各種試劑（大多為幾滴或幾小粒），極大節(jié)約成本，減少環(huán)境污染。此反應(yīng)儀器還可做氨氣、二氧化硫等氣體的制備和性質(zhì)等系列實(shí)驗(yàn)[7]。

3.2 ?其他氣體制取和氣體性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的微量化改進(jìn)

教材中SO2氣體的制取和性質(zhì)試驗(yàn)的多步操作，可做微量化實(shí)驗(yàn)改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)室通常用硫酸和亞硫酸鈉固體制二氧化硫氣體，可改進(jìn)為用火柴頭在常規(guī)試管中完成，如圖11所示。用試管夾將試管移至酒精燈外焰上加熱，引燃火柴頭，提拉棉線取出火柴梗，塞緊橡皮塞，即獲得SO2氣體，并進(jìn)行SO2的性質(zhì)試驗(yàn)。

改進(jìn)后優(yōu)點(diǎn)： 可用生活中的材料，且耗量少;安全有趣，可在家中完成;現(xiàn)象明顯，可大量減少試劑用量而不影響實(shí)驗(yàn)可見度[8]。

此外，還可對SO2氣體的制取和性質(zhì)試驗(yàn)作如圖12和圖13所示的改進(jìn)： 圖12中，在Y型管的兩側(cè)支管中分別完成Cu與濃硫酸反應(yīng)和驗(yàn)證氣體產(chǎn)物的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)儀器簡便，易于操作，原料消耗較少。圖13中，利用組合儀器形成“套管”，做到毒害氣體實(shí)驗(yàn)的輕量化設(shè)計(jì)，既實(shí)現(xiàn)SO2氣體的制取和性質(zhì)試驗(yàn)，又極大降低毒害氣體的排放，且操作簡單。

3.3 ?改進(jìn)排液法粗略測量氣體體積的儀器

利用氣體不溶于某些液體的性質(zhì)，可用排液法粗略測量氣體的體積。根據(jù)給出的儀器和實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟煌滩闹械难b置可拓展和發(fā)散為圖14所示的多種排液法測量氣體體積的裝置。

圖14中，裝置Ⅰ測量收集到氣體體積時(shí)，應(yīng)先使氣體冷卻至室溫，再慢慢將量筒下移，使量筒內(nèi)外液面高度相同，再讀取讀數(shù)。裝置Ⅱ在實(shí)驗(yàn)前燒杯中的液面需沒過量筒口，量筒中應(yīng)裝滿液體，反應(yīng)在漏斗中進(jìn)行，量筒刻度所示氣體的體積即為產(chǎn)生氣體的體積。裝置Ⅲ在讀數(shù)時(shí)應(yīng)上下移動(dòng)右管，使左、右兩管液面相平后再讀數(shù)。讀取反應(yīng)前后右管中液面體積讀數(shù)的差值即為氣體體積裝置Ⅳ用于測量混合氣體中被反應(yīng)管內(nèi)溶液吸收（或未被吸收）的氣體體積，讀數(shù)時(shí)球形容器和量氣管的液面相平，量氣管內(nèi)增加的液體體積等于未被吸收的氣體的體積。

總之，借探尋“一器多用”、“多器同用”的實(shí)驗(yàn)儀器和探索優(yōu)化重組實(shí)驗(yàn)儀器等實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生對各種實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行充分探索和拓展，讓學(xué)生在上述過程中獲取知識，提升科學(xué)探究與創(chuàng)新意識的核心素養(yǎng)。

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