基于STEAM理念的焰色反應實驗改進

林建芬+陳秋伶+刁卓+錢揚義

摘要：高中化學必修模塊中的焰色反應實驗存在現象不明顯、操作繁瑣等缺憾，在課堂教學中不便于學生進行觀察。經查閱文獻、分析借鑒已有的改進方法，基于STEAM理念，自主設計了噴霧瓶裝置、彩色火焰打火機裝置和焰色反應圖譜裝置，分別進行了焰色反應實驗。改進后的實驗現象清晰，操作方便，實驗效果好。同時對實驗改進與教學實施提出了一些想法和建議。

關鍵詞：焰色反應；噴霧法；彩色火焰打火機；STEAM理念；實驗改進

文章編號：1005-6629（2017）8-0065-03

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

1問題的提出

焰色反應是高中必修模塊化學1中的一個重要實驗，對學生聯系生活經驗、培養化學藝術美感具有積極的促動作用。筆者在課堂上指導學生完成教材實驗時，發現了3個問題：（1）由于酒精燈黃色火焰干擾，難以觀察到KC1灼燒所產生的紫色火焰，而透過可濾去黃光的藍色鈷玻璃觀察時，發現觀察到的顏色失真，學生不能確定火焰就是紫色。（2）由于酒精燈黃色火焰干擾，學生甚至難以確定NaCl灼燒所產生的黃色火焰。（3）鉑絲價格昂貴，實驗后還需要洗滌，操作過程較復雜，可見實驗存在改進的必要性。于是，筆者查閱文獻資料，進行分析述評，歸納出粉筆法、試紙法、坩堝法、鋁箔法、固體酒精法、噴霧瓶法等多種改進方法。我們對各個方法進行了嘗試，總結其優缺點后，自主設計了噴霧瓶法進行焰色反應，并進一步研制設計了彩色火焰打火機、焰色反應圖譜裝置，在STEAM理念（Science-Technology-Engineering-Art-Math，科學一技術一工程一藝術一數學）的基礎上進行跨學科融合學習。學生在體驗焰色反應帶來化學藝術之美的同時，也能通過制作實驗裝置活動感受到化學的設計美、技術美、創造美與工程美，見圖1。

2實驗設計

2.1實驗原理

生活中煙花綻放、生日蠟燭上的彩色火焰，信號彈、炒菜時湯汁濺到火焰上等不同場景都存在著焰色反應的身影。焰色反應是指某些金屬或它們的化合物在無色火焰中灼燒時使火焰呈現特殊顏色的反應。教材實驗是使用一根清潔且較不活潑的金屬絲（例如鉑或鎳鉻合金）盛載塊狀或粉末狀的金屬或其化合物，再放到酒精燈火焰上會呈現出特征顏色。本實驗自主設計研制的特定配比噴霧瓶、彩色火焰打火機、焰色反應圖譜裝置都是基于焰色反應原理和STEAM教育理念進行設計。

2.2實驗用品

實驗藥品：①分析純的固體藥品：碳酸鋰、氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、硝酸鍶、氯化鋇、氯化銅；②分析純的液體藥品：鹽酸、無水乙醇、蒸餾水

實驗儀器：火柴（1盒）、酒精燈（1個）、升降臺（1個）、燒杯（6個）、噴霧瓶（2個）、脫脂棉（1包）、坩堝鉗（1把）、棉簽盒（1組）、棉簽（10支）、鉑絲（1根）、鈷玻璃（1塊）、打火機（5個）、焰色反應圖譜裝置（1組）、濕抹布（1塊）

2.3實驗裝置

自主研制的3個焰色反應改進裝置，所選擇的材料和使用方法如下：（1）噴霧瓶裝置：需要噴霧瓶、乙醇、蒸餾水、金屬鹽等材料，使用方法是將金屬鹽溶液與乙醇混合，裝入噴霧瓶中，向燃著的酒精脫脂棉火焰上方噴射混合液。（2）彩色火焰打火機裝置：以市面上常見的防風打火機為火源，在噴火口周圍涂抹金屬鹽即成。（3）焰色反應圖譜裝置：內部結構主要由丁烷便攜氣瓶、卡式閥門、橡膠軟管、四嘴噴火槍主管、固定臺組成，外部結構由四嘴噴火槍噴嘴、定制盒、背景板組成，見圖2。使用方法：打開丁烷氣瓶閥門，用打火槍點燃噴嘴口的丁烷氣體后，用棉簽、鐵絲、鉑絲等載體蘸取待測樣品在火焰上灼燒，產生焰色效果十分明顯，實驗結束后關閉丁烷氣瓶閥門即可。

3實驗過程

3.1利用噴霧瓶法改進焰色反應實驗

對噴霧溶液中各成分的比例逐一嘗試，得到現象最明顯、黃色尾焰影響最小的配比，即綠豆粒般大小的金屬鹽固體溶于lOOmL水中，再將水與酒精的體積比按1：1.5配制，用微微濕潤的棉花蘸取足量酒精，分別點燃即可噴出焰色較純（NaCl為黃色、KC1為紫色）且火焰團較大的火焰。優點在于學生觀察到的現象非常明顯，且實驗操作簡單。

3.2利用彩色火焰打火機改進焰色反應實驗

用一個噴火口不涂金屬鹽的打火機做空白對照實驗，在其他4個打火機噴火口周圍分別涂抹不同金屬鹽，如NaCl、KC1、CuCl₂、CaCl₂，，按下打火機即可觀察到有不同顏色的火焰。用彩色火焰打火機法改進焰色反應的優點有3個：（1）取材生活化，將應用與生活中常見的物品相聯系，培養學生思維遷移的能力，體會“創造美”。（2）制作簡單，學生可以自行制作。（3）利用焰色反應產生多彩的顏色，用“化學美”培養學生的化學興趣。

3.3 利用焰色反應圖譜裝置改進焰色反應實驗

以丁烷為燃料，接上一個擁有4個并排噴火嘴的燃氣管，再對其進行包裝，制成一個焰色反應圖譜裝置。利用自主研制的焰色反應圖譜裝置進行實驗，裝置火焰呈現淡藍色，用價格低廉的棉簽代替鉑絲，先做空白實驗證明棉簽不影響焰色，然后蘸取藥品灼燒，看到明顯現象，證明藥品狀態不影響其焰色反應。再利用裝置再現課本上給出的7種金屬元素的焰色反應現象，拍照形成自制的焰色反應精彩化學圖譜，見圖3。優點有4個：（1）火焰溫度高，顯色迅速。（2）火焰呈現淡藍色，消除黃色火焰干擾，使現象明顯、準確。（3）打破液體的局限，以棉簽為載體，可以蘸取固體或液體藥品進行實驗。（4）可同時進行四種金屬元素的焰色反應，形成對比，便于教學，同時火焰的繽紛多彩體現“化學美”，而裝置為實驗的增光添彩也體現化學的“創造美”和“工程美”。

4結論與建議

4.1結論

教材中的焰色反應實驗具有實驗現象不明顯，操作繁瑣等缺點，在課堂教學中不便于學生觀察。筆者在執教時，讓學生先熟悉焰色反應原理并對原理進行深度分析后，基于STEAM理念驅動學生使用噴霧瓶裝置、彩色火焰打火機裝置、焰色反應圖譜裝置進行焰色反應改進實驗活動。其中，噴霧瓶法是在大量實驗探究活動后得以成功配制其溶液配比，在現象與穩定性方面使得教學效果更好；彩色火焰打火機法簡單易操作、取材于生活；而焰色反應圖譜裝置是專為焰色反應設計的，能夠完美再現課本實驗。上述改進方案既提高了教師教學效果，義提升了學生學習興趣，體現了化學美和創造美。

4.2建議

化學是一門以實驗為基礎的科學，隨著課程改革的推進，化學實驗的教學功能和價值不再局限于知識和技能的掌握，而正朝著促進學生全面發展、提升化學核心素養的方向改革。教材中的經典演示實驗或探究活動，均建立在大量實證研究的基礎上，有著意義深刻的教育教學功能和立德樹人價值，促進學生對基本化學知識和實驗基本技能的掌握。而實驗改進作為一線教師在教學實踐中深入研究和不斷創新的成果，在對學生學習過程與方法、情感態度與價值觀的培養和思維能力的訓練等方面發揮著重要作用。基于核心素養發展的教學立足于讓學生適應現代生活和未來發展的需要，教師應正確處理好傳統實驗和改進實驗在教學中的價值和關系，將二者有機融合，讓化學實驗充分發揮培育學生核心素養的功能與價值，讓學生體會化學的思維、實驗、方法、技術之美。endprint