中新化學教材中“化學反應速率實驗”的比較與分析

吳 芳 尉言勛,2 李學強

（1省部共建煤炭高效利用與綠色化工國家重點實驗室，寧夏大學化學化工學院寧夏銀川750021；2碭山四中 安徽碭山 235300）

中新化學教材中“化學反應速率實驗”的比較與分析

吳 芳1尉言勛1,2李學強1

（1省部共建煤炭高效利用與綠色化工國家重點實驗室，寧夏大學化學化工學院寧夏銀川750021；2碭山四中 安徽碭山 235300）

文章就測量反應速率的3個實驗，分別對人教版高中教材選修四《化學反應原理》和新加坡教材《Discover Chemis?try Normal 5N》兩國教材中“化學反應速率實驗”進行了比較和分析。通過實驗試做，從兩國實驗的設計和實驗分析比較，結果表明：人教版“化學反應速率實驗”傾向于濃度對化學反應速率的影響，注重實驗和結論的分析；新加坡教材則更傾向通過實驗培養學生的科學探究能力，分別用了測量某一生成物單位時間內體積的變化量和單位時間內質量的變化量來說明反應速率，給同學們提供了知識與技能提升的空間，滿足了不同層次學生的需要。在教材實驗的基礎上，進行了分析和改進，為教學提供一定的借鑒作用。

中新化學教材；反應速率實驗；比較；分析

新加坡是普通教育和技能教育的雙軌制教育體制，人力資源少，卻很重視人力資源的開發和利用，所以新加坡的初中教育以“精英主義”教育為主［1］。在小學三年級后，學生就開始接觸化學中的一些物質的基本屬性；在中學階段，一二年級的學生都要參加科學課程的考試，其中化學占30%；在三四年級，化學作為一門選修課，學生可根據自己的興趣和能力來選擇學習。經過4～5年的初中學習，學生就可以參加劍橋大學地方考試財團編制的GCE（General Certificate of Ed?ucation）普通水平考試（簡稱O水平考試）[2]。新加坡75%是華人，有著共同的文化傳承，由于近代歷史和當代發展等多方面的原因，充分吸收了西方化學教育的精華[3］。本文選取的新加坡教材《Discover Chemis?try Normal 5N》專門為初中五年級的學生編寫的，目標是通過有效的概念發展和加強促進學生學習化學。化學5N和3N/4N，提供了完整的基于最新GCE“O”水平學科教學大綱規定的新加坡中學教學的學習。在此背景下，選取了中新兩國教材中典型實驗“化學反應速率”進行對比，通過對比分析，能夠吸取新加坡教材實驗編寫的部分精華，借鑒其實驗設計的思路，指導和幫助我國高中化學教材實驗部分作進一步改進,指導高中化學教師更好的設計實驗教學，提高教學效率，完成教學目標。

一、中新教材有關“化學反應速率實驗”的設計比較

1.人教版“化學反應速率”實驗

人教版高中教材選修四《化學反應原理》教材中，用測量鋅和硫酸反應速率的裝置作為測定化學反應速率的實驗，本實驗需要安裝兩套裝置，在錐形瓶內各盛有2g鋅粒（顆粒大小基本完全相同），通過分液漏斗分別加入40mL1mol/L和40mL4mol/L的硫酸，比較二者收集10mLH2所用時間。把實驗結果填入下表：

加入試劑1 mol/L H2SO44 mol/L H2SO4反應時間/min 反應速率/mL·min-1

圖1 人教版教材實驗裝置

2.新加坡《Discover Chemistry Normal 5N》教材“化學反應速率”實驗

教材中設計了兩個實驗來測定化學反應速率，第一個實驗是鎂和鹽酸反應，測量在半分鐘內產生氫氣的體積，繪制T-V圖，圖中可看出反應速率；第二個實驗是碳酸鈣和鹽酸反應，測定反應逸出二氧化碳后，記錄一分鐘內體系減少的質量，繪制T-V圖，圖中每一時間點的切線即該時刻的反應速率。

圖2 新加坡教材實驗1

（1）連好如上圖2裝置，用砂紙將鎂條上的氧化層打磨干凈，保證只有鎂和稀鹽酸反應，將鎂條放在小試管中。

（2）晃蕩錐形瓶，讓鎂條和酸混合，同時用秒表計時。

（3）將收集到注射器中的氫氣每半分鐘記錄一次體積。

圖3 新加坡教材實驗1

（1）連好圖3裝置，棉花團放在錐形瓶口，被用來防止酸噴灑，也就是防止酸隨著反應的發生從瓶口逸出。

（2）記錄體系的質量，包括碳酸鈣、稀鹽酸、錐形瓶、小試管、繩子和棉花團。

（3）搖動錐形瓶混合碳酸鈣和稀鹽酸，同時用秒表開始計時。

（4）每隔一分鐘記錄一次體系的質量。

二、中新“化學反應速率實驗”分析

1.中國“化學反應速率實驗”分析

中國人教版的此實驗更多的是偏重于濃度對反應速率的影響。實驗的設計思路是，用控制變量法，讓鋅和不同濃度的硫酸反應，生成10mL氫氣時，記錄反應所需的時間，再通過計算單位時間內所生成的氫氣體積，即反應速率。就實驗設計來看，很符合高二學生的認知水平，通過做實驗能激發學生的學習興趣，讓學生主動投身于化學學習中，還可以培養學生的實驗操作能力。經過實驗試做，發現此實驗也存在以下的不足之處：

（1）收集氣體用的注射器，剛開始氣體的壓強不足以使活塞移動，慢慢地隨著反應進行，壓力較大，使活塞猛地跳動，動態裝置，不易測量。

（2）分液漏斗加液體的體積不好控制。

（3）注射器的內壁與活塞之間的摩擦力較大，且不知道摩擦系數，使收集到的氣體體積不準確。

（4）隨著反應的進行，硫酸濃度減小，反應速率減慢，而實驗測定的是一段時間內的平均反應速率，但是在實驗中沒有說明這一點，讓有些學生比較迷惑。

2.新加坡“化學反應速率實驗”分析

新加坡此實驗設計思路是：實驗1，鎂條和鹽酸反應，每隔半分鐘時間記錄一次氫氣體積，將記錄的數據繪制T-V曲線圖，曲線的坡度越陡，反應速率越快；實驗2，碳酸鈣和鹽酸反應，每隔一分鐘記錄一次體系的質量，計算放出二氧化碳的質量，繪制T-V曲線圖，曲線的坡度越陡，反應速率越快。這兩個實驗相比較而言，通過二氧化碳質量的減少來測量反應速率，更加直觀具體，且裝置是靜態變化，更有利于測量，測量誤差相比較而言也小。但兩個實驗也有其不足之處：

實驗1的不足之處：

（1）用繩子綁住小試管，晃蕩錐形瓶，讓小試管里面的鎂條和錐形瓶里面的鹽酸反應，晃蕩錐形瓶有可能將玻璃管和注射器相連的橡皮管掙脫開，導致實驗失敗；

（2）跟人教版教材中注射器的誤差一樣，動態變化不好控制。

實驗2的不足之處：

（1）二氧化碳的密度比空氣的密度大，在反應時，會先排出空氣，使剛開始記錄的二氧化碳的質量里面混有空氣。

（2）晃蕩錐形瓶，讓小試管里的大理石和錐形瓶里的鹽酸反應，不好控制。

3.中新兩國“反應速率”實驗的比較分析

測量化學反應速率實驗本身就有很大的意義，在實驗室和工業上，可以幫助化學家用既快又便宜的方法合成化學藥品。中新兩國教材中“反應速率”實驗設計各有特點，人教版教材更多地注重實驗和結果的分析，對實驗數據用表格的方式呈現，知識和技能的介紹比較多；而新加坡的“反應速率”實驗體現了新課改的基本理念向探究性學習方式轉變，能激發學生的學習興趣，開拓學生的思維，培養學生的創新能力和創新意識。實驗數據用曲線圖繪制，更加直觀具體地看出一段時間內反應速率的變化。

三、“反應速率”實驗改進

1.實驗改進

儀器：25mL吸量管兩支，錐形瓶，玻璃棒，橡膠塞，鐵架臺，橡膠管。

煤礦井下通風監控系統是為保證煤礦井下作業安全所設計實施的一種煤礦作業安全自動化控制系統。通常情況下，煤礦井下通風監控系統主要是采用單片機控制形式、以總線掛接式結構設計實現的。在該系統的通信控制應用中主要是應用CAN現場總線通信控制技術，通過各種通信監控傳感器，實現對于煤礦礦井作業中各種通風指標進行運行監控，對保證煤礦井下作業的安全有著極大的積極作用和意義。

實驗步驟：

（1）實驗準備階段，自制量氣體體積裝置，將兩支吸量管用橡膠管連起來，制成量氣筒。反應發生裝置，橡皮塞打兩個孔，一個連接玻璃導氣管，一個連接玻璃棒。

（2）連接好如圖4所示裝置，量氣筒中注入水至0刻度，錐形瓶中倒入0.1mol/L的鹽酸14.7mL，將打磨干凈的鎂條緊緊纏在玻璃棒上，慢慢搖動錐形瓶，讓鎂滑落和鹽酸反應，此過程一定要注意裝置的氣密性。

（3）每隔一分鐘記錄一次水上升的體積。

圖4 實驗改進后裝置

數據記錄：

時間/min 體積/mL 單位時間體積變化/mL 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 5 9 0 5 4 12.1 13.9 15.1 15.9 16.1 16.1 3.1 1.8 1.2 0.8 0.2 0

注意事項：

U型管的設計過程中，一定要注意吸量管的尖頭朝上，圓頭用橡皮管連接，這樣氣密性好。如果橡皮管連接尖頭，連接處的縫隙有氣體，氣密性不好，導致實驗失敗。

2.改進優點

改進后的裝置，將鎂條纏繞在玻璃棒上，慢慢滑動玻璃棒，避免了上述實驗中分液漏斗和振蕩小試管的誤差；而且此裝置用了U型管，為靜態變化裝置，由于壓強差，產生的氣體將左邊水面壓下去，用連通器的原理，右邊的水面升上來，升上來的水的體積近似可以看成產生氣體的體積。此裝置理論上也有誤差，由于水的壓強、大氣壓強和反應器的壓強差，導致所收集的氣體體積不太準確，但是在反應結束后，U型管的兩液面基本保持相平，說明收集到的氣體還是比較準確的。

四、結論

總之，化學是一門研究物質及其變化規律的自然科學，它的形成和發展都是以科學實踐為基礎，即化學是一門以實驗為基礎的學科。中新兩國教材都很重視學生科學素養的培養，化學教材中的實驗也顯得尤為重要，實驗的探究能夠激發學生對科學的強烈興趣，對未知事物的好奇心和求知欲，促使學生將興趣轉化為求知的內在動力。中國教材“反應速率實驗”注重于知識和技能的訓練，而新加坡注重于實驗探究，合理地吸收和借鑒中新兩國化學教材中實驗的優點，取其精華，提出改進建議，吸收國外先進的教學理念，提高教學效率。

［1］［2］李南方,王祖浩.“精英教育”的化學課程內容及評價方案改革——2008新加坡GCE化學A水平考試大綱解析［J］.化學教育,2009,30（2）:12-16

［3］ 熊催明.高一化學現行教材中化學反應原理內容設置的比較研究［D］.北京：首都師范大學,2013

1008-0546（2017）10-0071-03

G632.41

B

10.3969/j.issn.1008-0546.2017.10.023

*本文系寧夏“化學工程與技術”國內一流學科建設項目（項目號：CET-JX-2017B05）研究成果之一。