“雞尾酒”實驗
——無機元素化學實驗中美育遷移作用的探索

王薇，周寶晗，孫丹，任家強

1湖北工業大學材料與化學工程學院，武漢 430068

2湖北大學生命科學學院，武漢 430062

人們對化學或化工行業普遍存在“高危”“劇毒”“工作環境惡劣”等刻板印象。隨著高中教學改革的推進，化學已成為選修科目。綜合這些因素，未來進入化學及相關專業的大一新生，其化學學習基礎及專業選擇意愿將有下降趨勢。大一新生對化學、化工行業的認知和認同度亟待提高，因此基礎化學課程，尤其是無機化學的授課教師已面臨前所未有的困難和挑戰。

作為一門“承上啟下”的專業基礎課程，無機化學的學習體驗直接影響到大一新生對后續基礎化學和專業課程學習的興趣及專業的認同度。而理論課程的興趣驅動力又很大程度上取決于實驗課程中的獲得感。

無機元素化學實驗易呈現多變的溶液顏色和物質性狀的實驗結果，對調動學生學習興趣具有一定的促進作用。對于高中較少接觸操作訓練的學生來說，得到與理論現象不一致的實驗體驗更容易激發其求知欲。

以美育豐富內涵中“培養發現美的能力”這一點為切入[1-3]，引導學生在反復探求美的結果的過程中，自主而迫切地訓練和提高基本操作技能。同時激發學生主動思考，樹立積極求索、不畏艱難的科學精神。由此實現美育的遷移作用，達到潤物細無聲的效果。

1 無機化學實驗教學難點

1.1 學習意愿低

我校化工類專業以第一志愿招收到的學生占比歷來偏低。以2020級化工類3個平行班的調查數據來看，第一志愿比例僅在17.1%-33.3% (圖1)。

1.2 學習起點低

目前高中化學實驗開課率普遍較低，從調查數據來看(圖2)，2020級化工類專業學生在高中階段進行3次以上實驗操作訓練的占比不到20%，大多數學生只是通過觀看教師演示實驗來感知實驗現象。學生往往理論知識較為扎實，但遇到操作中的實際問題時常常不知所措，有時甚至十分慌亂，從而會加劇整個課程學習過程中的緊張和畏難情緒。

圖2 2020級化工類專業1、2、3班高中階段實驗開課情況調查

2 無機化學實驗教學突破口

雖然學生在高中階段接受的實驗技能訓練相對薄弱，這是大學實驗教學面臨的一個難點，但正因為接觸較少，因而實驗環節更能喚起新生的新奇感。借助無機化學元素實驗中多變的物質性狀和色彩，激發學生對化學原理的探知興趣和熱情，可為理論課的學習提供內驅力。

無機化學實驗教學目的之一是要求訓練學生正確、規范地使用玻璃儀器(比如試管、滴瓶等)。但教師在實驗指導過程中不能只是簡單糾正“錯誤”，更應該敏感捕捉錯誤下隱藏的“趣味”。在“美麗的錯誤”的引導和啟發下，學生不再害怕出錯，而是更樂于思考和鉆研。

3 無機化學實驗教學改革示例——“雞尾酒”實驗

3.1 實驗內容及學時安排

“實驗十七 鉻、錳、鐵、鈷、鎳”(教材內容節選[4])：“鐵、鈷、鎳的配合物——取幾滴0.1 mol·L-1CoCl2溶液，加幾滴1 mol·L-1NH4Cl溶液，然后滴加6 mol·L-1NH3·H2O溶液，觀察現象。搖蕩后在空氣中放置，觀察溶液顏色的變化。寫出相關的反應方程式。”

教師使用的實驗教案(部分展示)如圖3所示。

圖3 實驗教案(部分)

本次實驗安排為4學時，全部為驗證性內容。第一學期的基礎化學實驗，一般不要求學生當堂完成實驗報告，給基本操作訓練留足時間。講解實驗原理時，建議學生將鈷的配合物這一實驗內容放在最后進行(如圖3所示，本次實驗一共有6大步驟)，根據個人實驗進度調整“雞尾酒”實驗的操作時間。教師不提前告知實驗現象和操作技巧，要求學生自行總結并將實驗結果拍照分享。

3.2 教學目標

1) 知識目標：掌握鉻、錳、鐵、鈷、鎳元素及其化合物的相關化學性質。

2) 能力目標：訓練試管和滴瓶的規范使用。

① 滴管垂直向試管內滴加試劑，要求不能將滴管伸入試管口，且手不可抖動。

② 滴管每滴加一滴試劑，須利用手腕力量搖勻試管內溶液，使其充分反應。

3) 素質目標：實事求是的科學態度；鍥而不舍的探索精神。

3.3 理論實驗現象及實驗原理

Co2+能與過量的氨水反應生成[Co(NH3)6]2+(土黃色)，[Co(NH3)6]2+容易被空氣中的O2氧化為[Co(NH3)6]3+(紅色)[4]。

相應反應方程式[5]：

3.4 實際實驗現象及實驗原理

當逐一滴加所需試劑時，每滴加一滴就充分搖勻溶液，則溶液迅速產生沉淀，沉淀由墨綠色轉變為暗棕色。上層清液為紅棕色。溶液和沉淀分界不明顯，不易觀察(圖4)。

圖4 規范操作下的實際實驗現象

根據物質顏色和性狀判斷，上層清液主要成分應為[Co(NH3)6]3+(紅棕色)。下層沉淀應為Co2O3·xH2O (暗棕色)。其產生的原因是，當加入氨水過量，溶液堿性較強時，Co2+直接生成Co(OH)2。在劇烈搖動試管的過程中，Co(OH)2迅速被空氣中的O2氧化成暗棕色的水合物沉淀Co2O3·xH2O。其方程式為[5]：

3.5 錯誤操作引起的實驗現象

由于無機實驗多為定性研究，還未要求建立嚴格“量”的概念。因而實驗教材中對加入的試劑的量往往只作大體說明，比如“數滴”“幾滴”等。學生在實際操作過程中，往往會因為對具體量把握不準，導致某種試劑加入過多過快，而引起奇特、多變的實驗現象。

本實驗步驟中的NH4Cl溶液和NH3·H2O均只說明了濃度，而未規定加入的嚴格體積。原實驗目的是通過NH4Cl來抑制NH3·H2O的解離，使得大部分Co2+與NH3發生配位作用。若NH4Cl溶液加入量較少，不足以抑制NH3·H2O的解離，或加入氨水速度過快，則溶液中就會存在較多OH-。因此，Co2+會部分結合OH-形成沉淀。

此外，由于大一新生普遍在高中階段較少有實際動手操作的機會，即便熟知規范操作的理論，但在實際操作時，往往無法做到知行合一。當學生在滴加各種試劑時，不注意及時搖勻試管。等到所有試劑全部滴加完，溶液就會因為各種沉淀的密度不同而分層，且呈現不同的顏色，十分像調制好的“雞尾酒”(圖5L)。

圖5 錯誤操作下的實驗現象(L)及教師模仿學生做的“雞尾酒”實驗(H)

實際的實驗現象色彩絢麗，不同顏色分層明顯，更便于觀察和描述。鈷離子配合物的顏色描述以及反應的原理在理論教材上均有詳細的說明，但真正通過自己的揣摩和反復嘗試，得到這種美麗的實驗結果，學生仍然倍感欣喜，足以讓他們感覺眼前一亮。教師臨時給這個實驗起了一個美麗的名字——“雞尾酒”實驗。

當錯誤操作導致了意外的結果，學生倍感新奇但不得其解，便求助于教師。教師不必急于分析，而是提議師生一起效仿，并看誰調制出的“雞尾酒”最美，由此極大調動了實驗課堂氣氛，學生們摩拳擦掌，躍躍欲試。

為了得到更豐富的實驗現象，教師嘗試使用較高濃度(0.5 mol·L-1)的鈷離子溶液重復該實驗(圖5H)。得出的結論是，高濃度的鈷離子溶液反應較快，顏色更為明亮，但分層較困難，易混溶。

絕大多數學生都能通過反復探索、嘗試加入的方法或不同濃度的溶液，得到較為理想的分層效果(圖6)。在這個師生“比拼”過程中，學生投入實驗的熱情和展現的毅力超乎教師預期。多次的失敗并沒有讓學生氣餒。相反，他們一次次認真總結，再一次次細心嘗試，并且整個過程都十分享受，課堂氣氛十分活躍。有些學生甚至重復了15次以上才得到了自己滿意的結果。同樣使用高濃度鈷離子溶液，學生得到的實驗現象也比教師的更明顯、更漂亮(圖6H)，由此獲得的成就感是學生從未體驗過的。

圖6 其他學生的“雞尾酒”實驗展示

3.6 實際實驗原理的總結

學生根據實際實驗現象，查找教材和資料[5,6]，總結了對應的實際實驗原理(表1)。

表1 實驗總結歸納

由于試管保持靜止，緩慢滴加NH3·H2O時，上方溶液中的OH-始終比下方溶液中含量高，因而Co(OH)2集中在溶液上方生成，接觸空氣后迅速轉變為暗棕色Co2O3·xH2O沉淀。該沉淀正好覆蓋住下方形成的藍色Co(OH)Cl沉淀，使其免于接觸空氣，因而較能穩定存在。

4 實驗小結

在實驗教學過程中，教師不要急于糾正或批評學生在操作中的錯誤，而應敏銳地捕捉“異象”，鼓勵學生去探索背后的本質。教師和學生一起分析導致實驗結果的原因，讓實驗中的“美麗錯誤”引導學生體會化學中更深層的“樂趣”。

4.1 操作技巧

圍繞如何才能得到更為明顯的分層現象，學生們嘗試了各種加入試劑的方法。剛開始只是明白了試管的晃動不利于分層的產生。為避免晃動，可將試管放在試管架上。但這種方法雖然有效避免了試管的晃動，但后續滴加試劑時，溶液容易濺起，干擾分層，影響實驗結果。

于是學生又嘗試左手握住試管上端，并與實驗臺面傾斜30°-45°置于其上，右手垂直捏住滴管，沿試管壁逐滴加入試劑，得到較為理想的分層效果。

最后，為了精益求精，學生又嘗試每滴加一滴試劑，靜置10-20 s，得到的分層更為明顯。

4.2 學生獲取的能力

大多數大一新生對試管和滴瓶的使用是感覺陌生的，常常對試劑的用量和操作滴管的規范動作把握不準。本實驗中，對經典實驗操作的改革，使得學生在操作滴管時克服了緊張情緒，投入更加專注，因此手的抖動明顯緩解了。反復揣摩實驗技巧的過程中，學生主動加大滴管的使用頻率，操作熟練程度迅速提高。

在反復實踐的過程中，學生對藥品的用量有了深刻的認識，明白了得到理想實驗結果不是用的藥品越多越好的道理。并且也體會到，同樣的物質，濃度不同對實驗結果也會有較大的影響。

4.3 本實驗持續改進措施

總結出實驗操作技巧和實驗原理后，“雞尾酒”實驗現象雖能穩定呈現，但分層效果仍然有一定差別。在本屆學生總結的經驗基礎上，教師擬提出下一屆學生需要進一步研究的影響因素：

1) 滴加NH4Cl溶液時是否搖勻；

2) NH4Cl溶液和NH3·H2O加入的量的配比；

3) 只加NH3·H2O，不加NH4Cl溶液；

4) 用NaOH代替NH3·H2O。

4.4 實驗訓練的衍生效果

學生在這種仔細觀察、反復嘗試和重復訓練的過程中，不僅不感覺枯燥和倦怠，反而學習熱情高漲，并能觸類旁通、舉一反三。在后續的實驗中，學生開始利用手機及時記錄實驗過程中的“美”和“趣”(圖7)，并能在智慧教學平臺[7]上積極分享收獲、討論原理，樂此不疲。

圖7 學生利用手機拍攝硫酸亞鐵銨晶體形成過程(“慢攝快放”視頻截圖)

5 結語

基礎化學實驗雖然是較為成熟和經典的設計方案，但由于初學者的誤解和操作失誤，卻能呈現意想不到的實驗結果。學生們深刻體會到，化學中不是缺乏“美”，而是缺乏發現美的“細心”；化學知識并不枯燥，而是缺乏感受樂趣的“耐心”；化學學習并不難，而是缺乏學好化學的“恒心”。

人們對美的向往是出乎于本性，當在學習過程中發現了“美”，就會對結果孜孜以求。在感受和求索的過程中，能力和素養便自然而然地逐漸養成。