化學課程中煙花爆竹專業實驗的設計研究

陳蕾

化學課程中煙花爆竹專業實驗的設計研究

陳蕾

煙花爆竹是我國的傳統產業，在經濟發展中發揮著地方支柱性產業的作用。然而，由于開設煙花爆竹專業的高校少、專業創設的時間有限、生源不足等原因，導致該課程的實驗室建設面臨一定的壓力。煙花爆竹藥劑特殊的化學屬性要求實驗設計與研究必須建立在安全、環保的基礎上。煙花爆竹專業化學課的實驗設計與研究必須多方面綜合考慮，為學生提供安全、環保、具有實踐意義的教學環境，讓學生在了解化學知識的同時，提高操作技能。

煙花爆竹；化學課程；實驗設計

2006年，湖南安全技術職業學院首屆煙花爆竹專業示范單位正式招生，煙花爆竹有其特殊的專業屬性，社會對該專業的認知不足，所以生源有限，為其專業的建設、教師的引進、實驗室的建設均帶來一定的壓力，也為該專業的化學課程實驗設計提供了一定的機遇。

一、化學課程實驗設計的理論基礎

（一）辯證唯物主義

辯證唯物主義認為，事物是客觀存在的，認知是對客觀事物的主觀反映，意識具有主觀能動性。在化學實驗過程中，學生通過觀察與動手操作，提升了分析問題與解決問題的能力，并能對化學過程從感性認識上升到理性認識。化學實驗的設計與操作必須從認識事物的表象開始，通過親自動手操作，對實驗的儀器、過程與操作形成一個完善的實踐活動，在認知領域形成深刻的理論成果。

（二）構建主義教學理論

構建主義認為，知識并不是靠教師對學生的單一傳授，而是學生在學習與實踐過程中形成的自我認知，學習過程是學生主動探索與構建自己知識經驗的復雜過程。以化學課程為例在學生初步了解知識背景與實驗原理的前提下，進行一定的科學實驗設計，可以幫助學生理解和鞏固所學概念與知識的深刻含義，加深對元素構成、物質性質的印象和理解，使學生完善自己已有的理論框架，形成自己的理性認知。

二、化學實驗設計遵循的原則

（一）安全性原則

設計實驗時應盡量避免有毒物品與危險性藥品的使用，如果必須使用，也應該在一定的劑量與說明下慎重選擇，避免對學生和教師造成傷害。實驗者要對煙花爆竹的實驗材料有充分的認識，煙花爆竹使用的藥劑基本的組成成分是氧化劑和可燃劑，必要時還需要使用粘合劑與功能添加劑。其中，氧化劑提供氧，可燃劑提供燃燒時的熱量，黏合劑使煙花爆竹制品達成一定的黏合性，三者在一定的空氣條件下結合，發生燃燒現象。這三種原材料的結合具有易燃、易爆和一定的破壞性，這對該課程的實驗設計提出了更高的要求。

（二）可行性原則

煙花爆竹所用的材料和原料多數具有一定的可燃性與氧化性，如何保證所選擇原料與反應模式的可行性，煙花爆竹實驗所需要的藥品、實驗設施與所需環境要在現階段的教學條件下能夠供應，這是化學實驗的可行性原則。例如，煙花爆竹所使用的黑火藥，其化學成分為硝酸鉀、硫黃和木炭等，在這個反應中，如果用亞硝酸鉀來代替硝酸鉀，將不具備一定的可行性，對實驗的預期會有一定的影響。

三、煙花爆竹的化學實驗設計

（一）煙花爆竹燃燒爆炸的化學原理

煙花爆竹所使用的藥劑是自身就能進行自持燃燒或爆炸反應的煙火藥劑，大多發生的是氧化還原反應。煙花爆竹應用最為廣泛的配方藥劑是黑火藥，其主要的化學成分為硝酸鉀、硫黃和木炭，通常的比例為75%的硝酸鉀、10%的硫黃、15%的木炭。木炭、氧氣和硫黃結合，引起劇烈燃燒，短時間內便產生大量的熱和氮氣、二氧化碳等氣體，此反應是典型的氧化還原反應，反應方程式為：S+2KNO3+3C=K2S+ 3CO2↑+N2↑。硝酸鉀的分解與木炭硫黃等燃燒之后的體積急劇膨脹，壓力突破一定的閾值便產生爆炸。數據顯示，約為4g黑火藥著火燃燒時可以產生約280L氣體，體積可在瞬間內膨脹近萬倍。此化學反應伴有爆炸異響，并有固體的產生和濃煙冒出，再加上用各種金屬鹽類作為有色發光劑，便形成了現在煙花爆竹的絢麗景象。

（二）煙花爆竹原材料化學成分的選擇

由于煙花爆竹組成的成分不同，會導致出現的燃燒現象也不同。通常情況下，除了必要的氧化劑、黏合劑與可燃劑外，燃燒反應時還可添加一定的附加成分，這種附加成分使燃燒時火焰顏色各不相同，并且保證煙火的呈現效果有所不同。要實現這樣的效果需要遵循以下幾點要求。

穩定性：化學反應式中的各種燃料在選擇時應優先選擇那些化學性質穩定的、安定性好的，以保證化學反應的效果不受影響。

不吸濕性：所有的成分必須在干燥穩定的情況下存放，避免水分子的摻入，潮濕后會導致整體的化學反應效果不佳以及造成煙花爆竹原材料的不穩定。

易于存放性：由于煙花爆竹原料本身存在風險，要優先選擇相對易于存放的物品優先選擇，因為煙花產品的節慶性與禮品屬性，其原料屬性必須易于存放。

安全性：安全性是煙花爆竹產品首先要考慮的重要因素，對于易燃、易爆物品的選擇與存放都要特別注意，尤其在實驗室進行現場實驗時，要保證在師生共同體驗實驗效果的情況下，做到安全、穩定、無害。

（三）煙花爆竹專業化學實驗的設計

1．氧化還原反應實驗。這類實驗大多是試管實驗，這就要求實驗者能夠準確把握試劑的用量與用法，對現象仔細觀察，對化學結果準確判斷。設計實驗時，要采用合適的氧化劑來試驗還原性，用合適的還原劑來試驗氧化性。

如在對過氧化鈉、炭之間發生的氧化還原反應實驗中，可以這樣設計，將過氧化鈉和炭粉按2∶1的比例均勻地混合在一起，放入試管中，同時在試管的末端加入一張氯化鈀試紙以檢測是否有CO生成，然后試管下的酒精燈慢慢加熱，此緩慢的過程便于觀察試管中各物質的變化。此時，可以看到隨著試管溫度的升高，試管內的物質發生了劇烈的化學反應，并伴有火花，試紙并沒有變色，可知反應并沒有生成CO。加熱一段時間后，可以將酒精燈熄滅，以此檢驗生成的化學產物。通過這樣的設計，可以引導學生觀察與判斷出氧化劑、還原劑的特性，加深他們對物質氧化還原特性的深刻理解。

2．化學反應速率實驗。反應速率的實驗重點是測量化學原料在反應過程中不同時刻的濃度，可以將實驗的多個反應體系重疊，以增加化學反應的簡便性。

例如，在對活性炭脫SO2的化學催化反應速率實驗中，可以通過檢測SO2濃度和CO2體積分數分別對實驗的催化反應速率。通過列表與描繪曲線的方式，將不同溫度下的煙氣速度、CO2體積分數進行數據統計，以整體反映出其對試驗反應速率的影響。最終得出：SO2的濃度越大，催化反應速率越大，且催化反應的增長率卻在逐漸減小，而CO2體積分數對催化反應速率呈線性關系。

運用固體酒精的無煙、污染性小、制作簡單的特性，可以創設焰色反應實驗，利用固體酒精，配制出各種不同鹽類的燃燒特征，以此觀察其五彩繽紛的燃燒現象。可以通過配制不同濃度的氯化鈉、氯化鋇、氯化鋰、氯化銅、氯化鍶等溶液，依次向燃燒著的固體酒精上噴灑，不同的鹽代表著不同的反應焰色，通過觀察焰色反應的現象，推斷此物質的成分，拓展學生的化學知識，幫助他們對煙花爆竹專業知識的汲取。

我國的煙花爆竹專業起步較晚，經過幾年的努力與教學實踐，雖然取得了一定的成績，但實驗教學還有待進一步的完善與提高。在國內創設該專業最早的湖南安全技術職業學院在實驗教學方面一直在不斷摸索與前進，煙花爆竹專業的實驗室建設一直走在國內煙花爆竹專業建設的前沿。然而相對于其他國家對該專業的建設，在整體的化學實驗設計與實驗教學上仍然存在著一定的差距。現有的煙花爆竹工程系，雖然已經有煙花爆竹化學性能實訓室、煙花爆竹原材料分析實訓室等少數的幾個實驗室，但遠不能達到該專業實驗設計的要求。煙花爆竹專業的實驗設計與探索必須依靠全校教師與管理者的共同努力，引進先進的實驗設備和先進的科學理念，不斷將煙花爆竹專業的發展與建設推上一個嶄新的高度。

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責任編輯：蘇航

G712

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1671-6531（2015）23-0154-02

湖南省教育廳立項，由陳蕾主持的教學教改研究項目課題 《煙花爆竹生產與管理對化學知識的需求研究》（項目編號：ZJC2013046）階段性研究成果

陳蕾/湖南安全技術職業學院講師，碩士（湖南長沙410000）。