例談STEM教育理念下的初中化學實驗創新

楊勇 韓雪嬌

人教版九年級上冊《化學》（2012年秋季修訂版）測定空氣中氧氣含量的實驗，引導學生利用物理學科氣壓知識、數學學科定量計算知識、化學變化觀念去探究身邊物質的經典實驗。實驗者在完成實驗的過程中，涉及紅磷在空氣中燃燒產生大量五氧化二磷煙塵的環節，對空氣造成污染。如果讓學生分組進行該實驗，對教師和學生的身體健康傷害極大。因此，筆者對原實驗裝置進行了改進，改進后的實驗裝置既能實現實驗分組，又能讓學生體驗科學、技術、工程和數學四門學科交叉融合解決問題的過程，提升學生的科學素養。現將該實驗的改進過程分享如下。

一、實驗改進

基于原實驗的不足和STEM教育理念的指導思想，筆者對該實驗進行創新改進。

（一）改進后的實驗裝置（右圖）

（二）所需儀器與藥品

儀器：無線信號發射器和接收器（網上購買，價格低廉），帶鎢絲的陶瓷容器，橡膠塞，直徑為3cm、長度為25cm的均勻玻璃管，鐵架臺，燒杯，紅墨水，刻度尺。

藥品：紅磷、水。

二、實驗操作步驟

（一）準備裝置

1.向裝有水的燒杯中滴入5滴紅色墨水，用玻璃棒攪拌均勻（便于觀察液面變化）。

2.液封玻璃管下端管口。通過調節鐵架臺上的鐵夾，調節玻璃管伸入水中的長度，經測試，伸入水下3cm以上可以避免空氣受熱膨脹外溢。

3.連接儀器，并檢查裝置氣密性。

（二）裝入藥品

將帶有點火頭的橡膠塞從玻璃管取下，向帶鎢絲的陶瓷容器中加入紅磷，然后塞緊橡膠塞。

（三）測量空氣柱長度

因為玻璃管是外形規則的儀器，上下直徑相同，所以可以用長度表示空氣體積，記錄數據為h1cm

（四）引燃紅磷并充分消耗氧氣

1.按下遙控器，點火頭上的電熱絲紅熱并引燃紅磷;

2.繼續按住遙控器按鈕，使電熱絲保持紅熱（為使紅磷在高溫下轉化為白磷，白磷的緩慢氧化能消耗更多的氧氣，使結果更加準確），待管壁出現少量黃色附著物（凝華的白磷）時，松開遙控器按鈕，停止加熱。

（五）觀察實驗現象

開始時，紅磷燃燒，產生大量白煙;片刻后，產生大量黃煙（白磷）;玻璃管內的液面先迅速下降而后逐漸上升（倒吸明顯）。

（六）測量剩余氣體柱長度

待管內白煙和黃煙完全消失且玻璃管冷卻至室溫時，將玻璃管下移，使管內液面與燒杯中液面相平（保證恒壓測定），測量剩余氣體柱長度，記錄數據為 h2 cm 。

（七）數據處理

1.計算方法：空氣中氧氣的含量= （h1-h2） /h1×100%

2. 多次實驗均能得出氧氣含量20%左右的實驗結論。

（八）清洗實驗儀器

實驗過程中，生成的少量白磷附著在玻璃管壁，為防止發生自燃或火災，必須及時清除。將紙巾搓成長圓柱形，用玻璃棒將紙巾圓柱從玻璃管一端推入，從另一端取出，此時白磷脫離玻璃管壁，全部粘在紙巾上，最后將紙巾做燃燒處理。

三、實驗改進說明

（一）無線遙感技術實現容器內點火

經查閱文獻發現，大多數改進方法將紅磷改為白磷，利用熱水或放大鏡或電烙鐵引燃白磷。可是，隨著國家對易燃易爆物品的嚴格控制，購買白磷，難以實現。因此，筆者依舊用紅磷作為藥品，采用鎢絲發熱頭（發熱溫度600℃）點燃紅磷，同時引入無線遙感技術，既能將紅磷在容器內引燃，杜絕污染，又能向學生傳遞科技改變未來的理念，激發學生對信息技術的興趣。

（二）測定方法彰顯科學性和數學運用

首先，改進后的實驗，將集氣瓶改為玻璃管，并用刻度尺測量氣柱長度，將原實驗中的“大約1/5”提升至準確測量和數據處理的層次，彰顯科學的嚴謹性和數學學科的重要性;其次，操作過程中，注重恒壓狀態下測量反應前后的氣柱長度，凸顯物理學科與數學學科知識在化學學科中的運用，使學生體驗多學科交叉融合解決問題的過程，有助于培養學生的綜合運用能力。

（三）裝置的簡易化體現工程創新思維

STEM理念倡導工程改造過程中要在尊重自然規律的基礎上改造世界、實現與自然界的和諧共處、解決社會發展過程中遇到的難題。

1.裝置連接精簡

原實驗裝置連接復雜，涉及橡膠管與玻璃導管連接（兩次），燃燒匙與橡膠塞連接，橡膠塞與集氣瓶連接，較多的連接導致氣密性難以保證。而改進后的實驗，只有兩處連接，點火頭與橡膠塞和橡膠塞與玻璃管連接，既保證了氣密性，組裝起來也簡單。

2.裝置穩定性提升

原實驗用導管將集氣瓶和燒杯連接起來，導致空的集氣瓶穩定性較差，在實際操作時，有傾倒的情況出現。改進后的實驗引入鐵架臺固定主體反應容器，提升裝置穩定性，而且便于教師攜帶（上課前固定好后，拎起鐵架臺長柱即可）。

3.反應容器微型化

改進后的實驗裝置用微型陶瓷容器代替銅制燃燒匙，節約藥品，減小污染。

4.實驗現象動態化

利用改進后的實驗裝置，實驗者可以觀察化學變化過程中容器能氣壓的變化，體現在當紅磷開始燃燒時玻璃管內的液面下降，一段時間后，液面又上升。此過程有助于構建學生的化學變化觀念，增強實驗結果的說服力。

四、討論與反思

（一）改進過程中的新發現

經過數字手持技術（氧氣傳感器和數據收集軟件）的測定發現，足量紅磷燃燒后，容器內剩余氧氣的含量為8.85%，而足量的白磷燃燒后，容器內剩余氧氣的含量為1.34%;該實驗利用無線遙控技術可以有效控制發熱絲的發熱時間，讓紅磷燃燒的同時轉化為白磷，白磷會進一步消耗容器中的氧氣，使實現結果更加準確，同時也解決了購買白磷難的問題，最后的處理過程也能消除白磷的毒害。

（二）改進后實驗的實施效果

改進后的實驗多角度滲透 STEM 教育理念，有助于創設培養學生創新思維的學習情景，提供給學生利用學科交叉融合思想解決實際問題的機會。學生在利用該實驗裝置測定空氣中氧氣的含量時，充滿好奇心，能夠積極的參與實驗活動，與原實驗進行對比討論。學生在獲得知識技能的同時，感受了綜合運用科學、技術、工程和數學實現創新的重要性，發展了學科整合能力。

責任編輯? ? 李少杰