初中科學新教材實驗創新設計

楊顯華

摘 要：本文結合新教材的試用體會，對新教材里的七個實驗提出自己的設計方案：測定空氣里氧氣含量的“趣味性”設計；加熱過氧化氫溶液產生氧氣的“探究性”設計；排水法收集氧氣時的“難點分散式”設計；分子運動實驗的“綠色化”設計；質量守恒定律實驗的“學科綜合型”設計；一氧化碳燃燒產生二氧化碳實驗的小改進；燃燒條件實驗的“安全、環保”型設計。均取得了良好的課堂教學效果。

關鍵詞：科學；實驗；創新設計

初中科學是以實驗為基礎的綜合學科，浙江教育出版社出版的初中科學新教材于2012年9月開始使用，幾年來，筆者深感教材內容彈性很大，特別是實驗設計部分，給了任課教師一個充分施展自己才能的廣闊空間。因此，筆者從自己對新課程標準、新課程觀的理解出發，試著對教材里的幾個實驗進行了重新設計。

一、測定空氣里氧氣含量的“趣味性”設計

教材里已有的實驗設計，受到實驗誤差過大的困擾。本實驗設計的主旨，意在盡可能減少實驗誤差，提高這一定量實驗的精度。

1.實驗裝置（如圖1所示）

取試管一支，用量筒和水測其80ml和100ml水面并做好標記。取長條形寬窄、厚薄均勻的金屬片彎成與試管內弧度一致的金屬槽，按相等間隔將其中間部分挖成“門”字形，成為“金屬梯”。“金屬梯”的每一步做成“凹”形，用以放置1小粒白磷。可用量筒和水測出空氣的實際體積。

空氣的實際體積=100ml-金屬梯在100ml刻度內的體積-白磷的體積。

2.實驗操作及現象

在“金屬梯”的每一步上放置一顆吸干水后的白磷，伸到試管內，用鐵架臺將試管固定好，試管口下方放置盛水的玻璃水槽。用套有乳膠管的針筒抽取試管內的多余空氣至水位上升到100ml處，取出乳膠管。

用“電吹風”吹熱風加熱試管內下部白磷，或用放大鏡會聚6伏手電筒光于第一步“金屬梯”處的白磷上，可觀察到白磷像“上樓梯”般依次燃燒，開始時冒白煙，燃燒快停止時在倒置試管的上部出現黃煙，此為空氣里的氧氣快耗盡的現象。待火焰熄滅，試管不發燙時，可用水槽中的冷水澆在試管上，使試管內溫度快速恢復到初始溫度，加快實驗速度。此時可觀察到，試管內水位上升到一定位置后恒定不動，與空氣實際體積相比較后得出氧氣含量。

氧氣的測量體積=水的測量體積-被水位上升淹沒的金屬梯體積。

本實驗設計經多次實測，測得100ml空氣里氧氣體積為17ml～19ml，實驗精度在81%～91%之間。

二、加熱過氧化氫溶液產生氧氣的“探究性”

設計

按教材所設計的實驗方法，不能檢出氧氣的存在。改用排水法收集氧氣檢驗，可方便而有效地排除水蒸氣對實驗的干擾，檢出氧氣的存在。

1.實驗裝置（如圖2所示）

2.實驗操作

用市售過氧化氫溶液配成15%左右過氧化氫溶液，加入到大試管內占其容積的1/3以內，加熱過氧化氫溶液，用排水法收集氣體，估計試管內空氣和導氣管內空氣被收集完后，用排水法第二次收集氣體數毫升，即可用帶火星木條檢出氧氣的存在。整個操作過程約5分鐘左右。

3.課堂教學設計

（1）情景設計，引出問題

用市售30%過氧化氫溶液現場配制5%過氧化氫溶液。按教材實驗說明進行實驗，引導學生觀察實驗現象，在有不少氣泡產生數分鐘后，用帶火星的木條檢驗，不復燃。

（2）分析原因，討論對策

對帶火星的木條為什么不復燃的原因及對策，學生可能的討論結果有：

①加熱的時間還不夠長，試管內氧氣的蓄積量不夠多（觀察與猜想）。

②產生氣泡的速度太慢，應提高溫度加快產生氣泡的速度（觀察與假設）。

③老師在過氧化氫溶液里摻了水，不摻水或少摻水再試一試，也許產生氧氣的速度可以更快一些。

（3）修改實驗設計，繼續實驗論證

增大過氧化氫溶液的濃度，延長加熱時間，在反應速度明顯加快的情況下，用帶火星木條檢驗，仍不復燃。

（4）再次分析原因，討論對策

對于帶火星的木條仍不復燃的原因及對策，學生可能的討論結果有：

①加熱時產生的氧氣在溫度較高時形成熱氣流逸散到試管口外的空氣中去了。

②過氧化氫溶液中水的含量超過過氧化氫的含量，加熱時除產生氧氣而外，還產生大量水蒸氣，致使試管內氧氣的含量過少（受情景素材鋪墊與試管口內有水蒸氣凝結現象的啟發）。

③可用排水法收集氣體。既可避免氧氣的損失，又可減少氧氣中水蒸氣的含量。

（5）再次修改實驗設計，第三次進行實驗論證

經教師引導或全班學生的集思廣益，用加裝導氣管的單孔塞塞住試管口，用小試管收集氣體檢驗，獲得成功。

三、排水法收集氧氣時的“難點分散式”設計

學生在做制取氧氣的實驗時，由于要連續收集兩瓶氧氣，又由于學生的操作不熟練，往往白白浪費不少氧氣。可在此處增添一個儲氣、排氣自如的裝置（可用實驗室制取二氧化碳的裝置代替），可收到不浪費氧氣的效果。

1.實驗裝置（如圖3所示）

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2.實驗操作

用大集氣瓶或錐形瓶用排水法一次收集完氧氣，在水面下用玻璃片蓋住瓶口。把瓶子移出水面，用帶長頸漏斗和導氣管的雙孔塞塞住瓶口。用一小集氣瓶灌滿水從長頸漏斗口加入一瓶水，同時用另一小集氣瓶用排水法收集一瓶氧氣，使用完后再用向上排空氣法收集另一瓶氧氣。這樣可以從容不迫地操作，不浪費氧氣，又練習了兩種收集氧氣的方法，還可收到化難為易的效果。

四、分子運動實驗的“綠色化”設計

氨分子擴散的探究性實驗，由于要將濃氨水倒入敞口小燒杯中，濃烈的刺激性氣味會使學生不由自主地躲避該氣味的刺激。此外，實驗室常用的最小燒杯一般為50ml規格，要用1000ml大燒杯才能罩住兩個50ml的小燒杯，購買1000ml大燒杯，需花較大代價。用代用品也能完成該探究性實驗。

方法如下（如圖4所示）：

用廢紙搓成小紙棍，其一端用酚酞試液潤濕，沾上碎紙片，貼在一次性透明塑料水杯上不同部位。另一小紙棍沾濃氨水涂在外壁其中一塊上，紙片變紅以示氨水能使酚酞變紅。然后將盛濃氨水的小試劑瓶塞取下，用塑料杯罩住瓶子，觀察現象。塑料水杯內壁各處沾有的碎紙片在1分鐘內即可變紅。蓋上盛氨水的試劑瓶的瓶塞，供下一個班的學生使用。這樣設計，既觀察到明顯現象，又將污染降到很小程度，還節省購儀器的經費。

五、質量守恒定律實驗的“學科綜合型”設計

多年來，教材里質量守恒定律的驗證性實驗所用的化學反應，其生成物均沒有氣體，這似乎是一個缺憾。為彌補這一缺憾，筆者設計了如下實驗。

1.實驗裝置（如圖5所示）

取兩支相同的具支試管，用乳膠管將其支管連接起來，當中夾上止水夾。在一支具支試管內注入少量5%過氧化氫溶液，試管口套上內盛少量二氧化錳粉末的小氣球并用膠條二次密封。另一支具支試管內盛1cm高的干燥河沙，在實驗前放入一顆白磷。用擠癟的小氣球套在試管口上，用膠條二次密封。

2.實驗操作及現象

將連接好的具支試管放在小試管架上，試管架放在天平上用砝碼平衡。然后，取下試管架。將小氣球內的二氧化錳抖落于具支試管內，迅速產生的氧氣會使試管內氣體的壓強增大，將氣球鼓圓。反應停止后，將試管架連同具支試管重新放到天平上，觀察天平是否平衡。由于浮力的作用，天平已不能保持平衡。再次取下試管架，打開止水夾，用手擠癟裝氧氣的氣球后夾上止水夾。將盛裝河沙、白磷的具支試管放在酒精燈火焰上微熱，白磷在試管內會燃燒起來，冒出濃厚白煙，同時管口的氣球迅速癟了下來，燃燒停止后，將試管架連同具支試管一起再次放到天平上。此時，由于浮力的消失，天平會恢復平衡。

六、一氧化碳燃燒產生二氧化碳實驗的小改進

為驗證一氧化碳燃燒產物時，用的是燒杯罩在火焰上方的方法，往往因杯壁附著的石灰水太少，難以觀察到石灰水變渾濁的明顯現象。對此，若做以下小改動，便可觀察到石灰水變渾濁的明顯現象。

1.實驗裝置（如圖6所示）

2.實驗操作

在一錐形瓶內預盛適量澄清石灰水，在彎形導管口點燃一氧化碳，觀察火焰顏色，然后將彎形導管伸到錐形瓶內，讓一氧化碳在瓶內燃燒，幾秒鐘后停止送一氧化碳，輕輕振蕩錐形瓶即可。

七、燃燒條件實驗的“安全、環保”型設計

課改教材所列實驗系從老教材演示實驗平移過來，增加了白磷在熱水下面通氧氣燃燒的趣味實驗。作為探究性實驗，提供給學生進行操作，該設計有三個弊端：①污染大；②不安全；③向熱水下通氧氣時，水下白磷會到處“亂跑”。部分白磷會浮上水面燃燒，也有安全隱患存在。改用以下幾種方式較好。

1.實驗裝置（如圖7a、7b、7c所示）

2.實驗操作

（1）紅磷、白磷著火點比較（如圖7a）

將吸干水的白磷、紅磷加入到短粗口徑試管內，塞上橡皮塞。再將試管同時浸入熱水里，讓白磷在試管內安全的燃燒。紅磷不會燃燒。取出盛紅磷的試管留待下一班的學生做相同實驗。

（2）白磷的燃燒需要氧氣的支持（如圖7b、圖7c）

在一短粗口徑的試管內注入熱水，加入一小粒白磷，再把試管放入盛熱水的燒杯內。用實驗室制二氧化碳的裝置改作貯、排空氣裝置，導氣管口對準試管內的白磷。在長頸漏斗口加水，通入空氣，既可觀察到白磷在熱水下燃燒，又可控制白磷不致“亂跑”（如圖7b所示）。也可將熱水里的白磷用小漏斗罩住，通入空氣，排盡漏斗內的水，讓白磷在水下漏斗內安全的燃燒（如圖7c所示）。

參考文獻：

1.義務教育初中科學課程標準.北京師范大學，2011.

2.朱清時主編.科學（九年級上）.浙江教育出版社，2014.

3.朱清時主編.科學（八年級上）.浙江教育出版社，2014.

（作者單位：浙江省永嘉縣甌北第一中學）