化學實驗教學改革建議之二

摘要：立足化學元素觀，闡述了氧氣和二氧化碳的實驗室制取與性質實驗的教學價值；詳細分析了上述實驗體系的特點；指出初等化學的任務不僅在于學習知識，操作技能，更重要的是核心化學基本觀念的形成。

關鍵字：化學實驗教學；化學元素觀；氧氣；二氧化碳

文章編號： 1005–6629(2012)5–0003–03 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 從化學元素觀說起

古代哲學家們認為世間的萬物都是由為數不多的元素組成的。雖然中外哲學家提出的元素并不相同，但是把復雜的物質歸結為有限數目的元素，他們的哲學思想卻是一致的，而且實踐證明是正確的。盡管如此，古代哲學家們所提出的元素論并不能成為化學科學的基礎，因為他們所提出的元素，不僅本身無法量化，而且在解釋具體物質的性質及變化時，具有很大的隨意性。化學元素則專指組成化學物質的基本單元，本身有著確定的物理意義。因為元素已經成為大眾耳熟能詳的名詞，在學習初等化學時，應當有助于建立化學元素的概念。但是僅僅認識到化學元素是組成物質世界的基本單元是不夠的，只有對化學元素的多種存在形式，如自由態―原子、離子態（包括不同價態）、結合態―單質，以及以化學元素在化學變化中的可遷移性、組合方式的可變性和化學元素本身的不變性有所認識，才算是對化學元素有了比較全面地認識。而這種認識，只有通過化學的學習才能形成。雖然初等化學涉及的化學元素不多，涉及的元素形態也不多，但是對于形成比較全面的化學元素概念，卻是可以而且應該能夠做到的。遺憾的是，我們并沒有把握住這個最基本的學科基礎。尤其值得反思的是，盡管我們也承認化學是一門實驗性科學，化學實驗教學是化學教學的重要組成部分，但是在實際教學中，化學實驗的作用往往只體現在培養學生動手能力、學習幾種簡單儀器的基本操作、了解把儀器組合成能夠完成某個化學過程的裝置時的要點等有限的幾個方面。當課時緊張時，實驗現象的觀察改為多媒體演示，儀器裝置改為圖示，化學過程被簡化為相關的化學反應式等，就成為一種普遍采用的應對方法。考核方式則著重于背誦某些實驗事實、名詞定義、各式各樣的化學計算題、脫離化學本身的推理題、和那些只適合化學專業學習階段才能夠正確回答的所謂探究性試題。

初等化學的任務，不僅在于學習一些基本的化學知識、以元素符號為基礎的化學語言體系、以原子相對質量（分子相對質量）為基礎的化學計量關系、以及化學常用儀器的使用方法和操作技術，作為化學學科的啟蒙和以培育科學素養為首要任務的學段，更為重要的是通過學習，幫助學生把握住核心的化學基本觀念，從而能夠從化學視角來認識我們周圍的物質世界，和恰如其分地評價化學對人類社會的發展與進步所起的作用。

化學元素觀是化學學科的核心觀念，即使在人們已經知道，于特定條件下，對于為數不多的放射性元素或放射性同位素而言，原子核是可以發生變化的，亦即在這類體系中，化學元素是可以發生變化的。這種認識并沒有違背化學元素觀，因為就所生成的化學物質而言，化學元素觀仍然是認識其變化途徑和確定產物的基礎，而且都可以從元素周期表中找到它們的歸宿。就一般情況而言，在化學變化中，反應體系內化學元素的存在形態和相互作用的方式可以變化，但是化學元素的種類不變（即原子核不變），以各種形態存在于物質體系中的（元素）微粒數量不變，卻是經過大量實驗證實了的事實，并已成為化學學科的基礎。因為原子核不變，所以化學體系中物質總質量不變，化學反應體系必定遵守質量守恒定律，就是不言而喻的了。在這個前提下，化學反應式的完成和化學計量關系的建立，以及依據化學反應式進行化學計算的規則和方法，對于初中學生來說，難道會比一般的四則運算題更難嗎？

2 實驗體系的特點和應當可以學到的化學

為了便于討論，先對氧氣和二氧化碳的實驗室制取與性質實驗的原理和有關的化學概念分別加以介紹，然后再把它們整合起來，試圖闡明通過這兩個實驗應當并能夠學到什么。

2.1 氧氣的實驗室制取和性質實驗

這是一個利用化學方法從含氧化合物中分離出氧元素并制備氧單質的實驗。對大多數學生來說，利用化學變化以制取某種物質為目標的這類科學實驗可能是第一次。實驗所選擇的化學體系和所用到的儀器及基本操都比較簡單，但卻是最能體現化學特色（可惜過去在這方面沒有給以足夠的關注）。

從含氧化合物中獲取單質氧的實驗，是對化學倚為基礎的化學元素論的有力佐證。直接加熱或同時加入某種催化劑的方法對于其他含氧化合物并非都可以奏效，表明在不同的含氧化合物中，氧所處化學環境不同（即結合的方式和強度不同），所以結果可以不同。它們之間的差別，包含在化學性質不同的含義之中。元素在化合物中存在形態（或環境）的差別，是引申到對化學結構理論的最好鋪墊。所以僅僅關注排水集氣法的裝置原理和相關操作，對實驗體系中所包含化學本身的思考和探究的缺失，是值得認真研究和改進的一個重要方面。

為了加深對上述論述的理解，選取一些不能用類似方法制取氧氣的化學體系進行對比，這是通過實驗學習化學的重要途徑。有比較才能有鑒別，其間的相似及差異的發現和比較，是通過實驗學習化學的有效方法。這種認知過程雖然偏于感性，但是卻生動而具體，更容易引發學生的學習興趣。最簡單的選擇莫過于參照實驗中用于加熱和作為反應容器之用的玻璃儀器，只要想到，以二氧化硅為主要組分的玻璃，其中也包含有氧，卻能夠經歷整個反應過程而安全無恙！二者之間的差別所形成的鮮明對照，可以使得學生在物質性質取決于它的組成與結構，以及物質的變化可以用外界條件來控制這兩個方面有了實際的體驗，從而體現出初中化學的啟蒙作用。如果把探究的視角擴展到水、石英砂和陶瓷，內涵就更豐富了。

在書寫反應方程、繪制儀器裝置簡圖、敘述所觀察到的實驗現象的同時，還可以引導學生思考和研討以下的問題。

（1）在這個實驗中，通過氧氣的實驗室制取和對氧氣性質的探究，你對氧氣的性質有了哪些認識？和你此前對氧氣的認識相比，是否基本一致？又有了哪些新的認識？

（2）在這個實驗中，我們有了把氧從含氧化合物中分離出來，和通過反應（如氧化、燃燒）使氧進入生成的含氧化合物兩個方面的體驗，你對化學元素論是否有了新的體會？

（3）如果有人說，只要化學物質的組成中含有氧元素，就一定可以從它制得氧氣。你同意這種說法嗎？為什么同意或不同意？如果不完全同意，請試著給出一個你認為更合理的說法。

（4）帶火星的木條、細細的鐵絲等在空氣中和在純氧中氧化（或燃燒）時，發生反應的物質相同（化學反應式也相同），為什么現象并不相同？

（5）類似于上面的事例，在日常生活中并不少見，你能夠舉出幾個實例嗎？

（6）綜合（3）和（4）的事例，你能夠得出一個具有普遍性的結論嗎？試一試，好嗎？

2.2 二氧化碳的實驗室制取與性質實驗

這是又一個用實驗室方法制備氣體物質的化學實驗。因為氣體性質不同，所以收集方法也有所不同。故爾在學習化學時，應當著重于發現和利用物質之間的差異，這種差異無論是基于物理性質或化學性質，都可以成為選取對化學物質進行制取、分離、提純和鑒別方法的基礎。二氧化碳的實驗室制取，和氧氣制備時相同之處，在于產物取自含有所需元素的反應物；它們之間的不同，則在于所用的大理石或石灰石來自自然界，而非化學試劑（可視為純凈物），組成比較復雜，通常含有鈣、碳和氧三種元素（碳酸鈣是主要成分）以外的其他元素（如硅、鋁等）。如果以它們為原料直接制備二氧化碳氣體，需要采用高溫焙燒的方法，但是利用一般的化學方法則在常溫下就可以制得。從而說明在實現物質轉化時，化學可以提供更多的選擇性。所用方法可以不同，但是依據的最基本原理卻是相通的。因為化學元素在化學反應中不會改變，所以通過物質間元素的轉移、交換、或重新組合，就有可能實現所期望的物質轉化。如果把實驗中二氧化碳的生成和二氧化碳與石灰水的反應，僅僅當成兩個孤立的化學事例，而不是引導學生把它們看成是一個整體，體會其中包括的化學元素觀和對化學元素觀的運用，也就達不到通過實驗學習化學的預期。二氧化碳和氧化鈣之間的結合和分離，在實驗室中用最簡單的儀器和普通的試劑就可以實現，充分體現了科學技術的價值，化學難道不是非常有趣嗎？

火山噴出的氣體中含有大量的二氧化碳，動植物的代謝產物中也含有二氧化碳，但是依靠化石燃料作為動力的生產與生活過程是目前排向大氣的二氧化碳的主體。由于二氧化碳是一種重要的溫室氣體，所以“減碳”成為環境保護的重要措施之一。在現有的措施中，減少化石燃料的使用量和增加地表植被面積已達成共識。因為氣體物質在水中的溶解度正比于所承受的壓力（你在生活中有此體驗嗎？），所以在高壓下將二氧化碳溶入深層海水中；利用化學反應使二氧化碳轉變為有機塑料；利用人工光合作用，使二氧化碳轉化為糖類；利用太陽能使二氧化碳和水轉化成有機化合物等方案，都成為化學家的熱門研究課題。有些設想看來有點匪夷所思，其實它們都有相同的科學依據，那就是化學元素論和物質的性質決定于它們的組成和結構的基本化學原理。所以學了化學你便有了進入復雜的物質世界之門的鑰匙，你的奇思妙想將有理可循也將更加符合實際，因而行動更為有效。

通過這個實驗還可以引導學生思考或探究以下問題：

（1）實驗證明，由石灰石得到的石灰，制成石灰水或石灰漿后，可以很好地吸收二氧化碳，并生成固態沉淀。這個方法可以用于環境保護嗎？

（2）這個實驗也可以成為由并不純凈的石灰石或大理石為原料，制備純凈的碳酸鈣的一種方法。也就是一種可用以提純碳酸鈣的化學方法。從所依據的原理和化學基本概念著眼，和粗鹽提純相比，二者之間有什么差別，又各有什么特點？

（3）二氧化碳中含有氧，也含有碳，為什么反而可以用來滅火？可是鎂條不僅能夠在空氣和氧氣中燃燒，也能在二氧化碳中燃燒。從這兩件看起來似乎互相矛盾的事實，你能夠得出什么結論？

（4）有人建議利用太陽能來實現如下的反應：式中hν代表光子。

2CO₂+4H₂O+hν---→2CH₃OH+3O₂

2CO₂+3H₂O+hν---→ C₂H₅OH+3O₂

CO₂+2H₂O+hν---→ CH₄+2O₂

……等等。燃燒產物在吸收光子的能量之后，又可以轉化成為燃料，這是多么有趣的設想！但是從原理上看，不過是植物光合作用的另一種模擬方案而已。這是化學家在了解自然現象的化學本質之后受到的啟發，向大自然學習，也是一種有益的探究思維方式。

①你認為這些設想合理嗎？符合質量守恒定律和能量守恒定律嗎？為什么不同于永動機設計（后者被認為是違背科學原理的）？

②通過上面的這個設想，你對在可持續發展中能源的重要性和對科學技術的評價，有了哪些新的認識？

③這是一個利用化學反應式和化學計量關系進行方案可能性探究的例子。有人認為它體現了學習和運用化學語言的必要性和意義，你同意這種看法嗎？

3 從這兩個化學實驗還可以學到什么

上述兩個實驗有助于初步認識四類基本反應，也有助于初步建立化學元素觀和微粒觀。這兩個實驗雖然比較簡單，如果加上鎂條在二氧化碳中可以燃燒生成碳和氧化鎂的演示實驗（或多媒體放映），已經涵蓋了課標要求的分解、化合、置換和復分解四種基本類型的化學反應。在完成實驗報告時，由學生自己分別指認，四類反應的特點和反應式前后有關元素的遷移（石灰石的熱分解和加酸后的復分解反應，可以視為組成中CO2的整體遷移）、結合態和自由態的相互轉化、鎂對二氧化碳中碳的置換，可以使得學生通過化學式和化學反應方程式獲得新的體驗。因為以化學元素符號組合而成的化學式和化學反應式，可以幫助學生初步建立對物質及其變化的微觀視角。只要把化學式中的每個符號視為某個元素的微粒，化學變化的過程與結果看成是有關微粒的遷移、交換、化合和分解，就可以形成這種認識。實驗中觀察到的反應物和生成物之間的差別（此外，還有嚴格的化學計量關系）、變化過程中的種種現象（例如氣體的產生，發熱發光、體系顏色的變化，固體反應物表面的變化等），都可以成為上述微觀過程的生動而直接的證明，通過實驗學習化學的預期目標由此可以落在實處。

四類基本反應大致概括了利用化學變化實現物質轉化和元素遷移的具體思路。亦即利用原料物質制備簡單的新物質這一化學合成途徑的基本思路。

通過化學途徑使氧和二氧化碳由結合態轉化為自由態，再通過化學途徑使它們由自由態轉化為結合態，和學生已經知道的自然界的氧循環和碳循環過程很相似，可以看成體現后者基本特點的最簡化學模型。從而更有力地證明了化學就在我們的身邊的認識。初中化學的教育價值也由此得到體現。

由于在化學反應中元素保持不變（所以反應前后，化學體系的總質量保持恒定），由此可以想到，所有的化學物質，包括廢棄物在內，都有可能視為通過化學轉化獲取新物質時的資源。雖然由可能性進而成為現實，不僅決定于化學，還要受到能源、環境、成本和技術等方面的制約，但是這種可能性的存在是確切無疑的（已成為納米科技的理論依據）。這是化學為人們看待和解決環境問題和資源問題時提供的新視角，也是深入理解科學技術的進步和人類社會可持續發展之間關系的一個方面。

參考文獻：

[1]宋心琦.關于中學化學教學實驗改革問題的思考[J].化學教學，2008，（4）：1.

[2]宋心琦.化學實驗教學問題[J].中學化學教學參考，2011，（11）：3.