借助化學實驗儀器培養學生的科學探究意識

井延濤

摘要： 通過探尋化學實驗儀器中的“一器多用”、“多器同用”、微量化改進實驗儀器和將已知實驗儀器重新組合等，凸顯實驗教學的探究性和開放性，提高實驗教學的質量，幫助學生構建化學實驗的知識與技能體系，形成“科學探究與創新意識”的化學學科核心素養。

關鍵詞： 實驗儀器; 科學探究; 創新意識; 核心素養; 一器多用; 多器同用

文章編號： 1005-6629（2019）8-0085-04 ? ? ? ? ? ?中圖分類號： G633.8 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： B

化學儀器是重要的實驗教學資源，以實驗儀器為著眼點，優化實驗教學的途徑和方法，發揮實驗儀器在化學實驗中的育人功能，有利于培養學生的科學探究與創新意識[1～3]。

1 ?探尋“一器多用”的實驗儀器

探索實驗裝置的“一器多用”，引導學生對實驗儀器的不斷優化，從而對實驗原理進行深度挖掘。

1.1 ?廣口瓶

以圖1所示裝置為例，可用于下列各類實驗。

（1） 廣口瓶中分別放入一定量的氫氧化鈉、氯化鈉和硝酸銨固體，瓶口右側的彎管內加入適量紅墨水。按圖連接好裝置后，用注射器向廣口瓶注水形成濃溶液。利用廣口瓶內的氣壓變化，結合U型管中左右兩端液柱的相對高低情況可以更為生動、直觀地判斷三種固體溶于水時的吸熱和放熱情況。

（2） 卸去彎管，換用一個雙孔橡皮塞，可根據進氣導管和出氣導管在廣口瓶內的高低差異用作洗氣瓶、集氣瓶、安全瓶、排液法測量氣體體積、監控氣體流速等。利用“長進短出”的連接方式，結合適當吸收劑可用作洗氣瓶;利用“長進短出”或“短進長出”的空瓶連接方式，可用作集氣瓶;利用“短進短出”的空瓶連接方式，可用作安全瓶，防止液體倒吸;利用“短進長出”的連接方式，結合適當液體，可用于排液法測量氣體體積或根據氣泡逸出快慢監控氣體流速等;利用“兩長一短”的連接方式，結合一個三孔橡皮塞（見圖2），用作緩沖瓶，或再結合適當吸收劑同時用作洗氣瓶和緩沖瓶。

1.2 ?注射器

注射器可以完成取用藥品或充當反應容器等。

（1） 取用質地較軟的固體。取一只塑料注射器，切除其前端的針栓部分，使其前端外緣平齊。將處理后的注射器前端小孔對準金屬鈉下壓，金屬鈉的固體順利進入注射器。在取出金屬鈉時，只需稍用力向外推注射器活栓，即可根據需要取用不同長度的鈉塊。這一做法的優點有： 第一，避免用小刀切割金屬鈉，更為安全;第二，可較長時間清晰地觀察金屬鈉的顏色，并直觀感受金屬鈉的柔軟質地;第三，容易控制取用金屬鈉的大小;第四： 不涉及擦拭煤油的步驟，排除了煤油的干擾因素。

（2） 用作反應容器。如制取氫氧化亞鐵： ①先在注射器內放入鐵片，推動活栓至注射器內基本無空氣剩余。②卸下針頭，吸入適量稀硫酸，迅速直立注射器，使針栓向上并封住針栓孔。③反應結束后，針栓上套好針頭，吸入適量氫氧化鈉溶液。④反應結束后，繼續吸入少量空氣。這一改進操作的優點在于反應裝置基本處于無氧狀態，容易在較長時間內觀察到白色沉淀，并繼續觀察白色沉淀變為灰綠色，最終變為紅褐色的現象。又如可用于銅與稀硝酸反應，同樣能在較長時間內清晰觀察到無色氣泡產生，反應后吸入空氣有明顯紅棕色出現，且容易對有毒氣體進行無害處理[4]。

此外，還可用注射器代替長頸漏斗或分液漏斗用于滴加少量液體，或代替量筒方便量取體積較少的液體。

1.3 ?干燥管

干燥管通常被用于干燥、除雜、反應等實驗操作。實踐中，可以把干燥管與其他儀器優化組合，探索干燥管的新用途。如圖3所示，裝置Ⅰ、 Ⅱ均在干燥管內墊一小塊玻璃纖維，可用于固體與液體反應制氣的簡易裝置，且能控制反應的開始與停止;裝置Ⅱ用橡膠軟管把干燥管末端與漏斗末端相連，實驗時還可通過漏斗補加液體;裝置Ⅲ在干燥管內用銅絲吊著一小塊金屬鈉，可在干燥管內用排水法制取氫氣;裝置Ⅳ按圖示方式連接一空干燥管，可用于實驗室制取乙酸乙酯;裝置Ⅴ可用空干燥管作尾氣吸收裝置，同時又可防止液體倒吸。

2 ?探尋“多器同用”的實驗儀器

“多器同用”強調在已有認知的基礎上，把不同線索和信息指向同一問題的思維導向，并經過對比各方法的優劣，甄選解決問題的最佳方法。教師通過引導學生概括“多器同用”的構造特征，提升學生的實驗創新意識，幫助學生拓展視野，形成發散思維。

2.1 ?“固-液不加熱”型制氣裝置

例如，圖4～圖6是多種在無需加熱的情況下，由固體和液體制取氣體的“多器同用”實驗裝置。圖4通過上下移動燃燒匙，控制燃燒匙內固體和溶液的接觸和分離;圖5通過在干燥管內鋪一薄層玻璃纖維，結合活塞的打開和關閉，可控制制氣反應的開始和停止;圖6所示的四種裝置巧借破底試管和多種有孔隔板，通過控制活塞的打開和關閉，也可控制制氣反應的開始和停止。各種變異裝置都遵循相同的化學原理，對常見儀器進行優化重組，達到快速制氣的實驗目的，且能實現“隨開隨停”的效果[5]。

2.2 ?防堵塞儀器裝置

圖7是對實驗室常見儀器重組后，具有防堵塞功能的“多器同用”的多種實驗裝置。裝置Ⅰ利用觀察直玻璃管內液柱是否上升，檢驗儀器是否堵塞;同時可用作安全瓶，在儀器一旦發生堵塞的情況下，及時排出錐形瓶內液體，確保儀器內壓強不急劇增加，防止爆炸;裝置Ⅱ中用橡膠管連通分液漏斗和圓底燒瓶的出氣口，巧借恒壓原理便于分液漏斗中的液體滴落;儀器Ⅲ和裝置Ⅳ利用棉花團防止固體進入細導管口，避免堵塞。

2.3 ?防倒吸儀器

教材中倒扣漏斗的防液體倒吸裝置可拓展和發散為其他多種儀器的組合，改進后的裝置見圖8。裝置Ⅰ在導管末端連接多孔球泡，適用于防止密度比空氣大的易溶氣體的倒吸;裝置Ⅱ、 Ⅲ、 Ⅳ、 Ⅴ利用不同形狀的干燥管、雙球U型管和廣口瓶有較大體積，能存儲一定體積液體的特性，可防止易溶氣體引發倒吸;裝置Ⅵ利用氣體難溶于CCl4的物理性質，把易溶氣體先通入CCl4的有機層，至氣泡上升至水層時被安全吸收，有效防止引發倒吸;裝置Ⅶ利用圓底燒瓶收集密度小于空氣的易溶氣體，防止直接通入水中引發液體倒吸。

3 ?探尋優化重組實驗儀器

秉承探究性、開放性和直觀性的原則，遵循保護環境、節約資源和簡便易行的思想，對教材中的部分實驗儀器進行優化改進，讓學生切實感受到實驗探究和創新的趣味，在潛移默化中增強科學探究與創新意識。

3.1 ?對傳統實驗儀器進行微量化改進

所謂的微量化實驗就是在保證試劑用量小、污染少、省時間、易操作的同時，仍使用常規儀器、裝置，仍能達到常規演示實驗的可見度[6]。如上海科學技術出版社高一年級第一學期化學教材的氯氣實驗（圖9），教材所列實驗消耗氯氣太多，對環境易產生污染，而微量化改進后僅消耗幾毫升氯氣。

改進方案為： 用有機玻璃自制鉛筆盒大小的微量化氣體反應器。可抽出反應器內的支架，支架左端的小試管用于制備氣體（本實驗制氯氣），支架其余孔槽內可放入干、濕彩色布條，KI溶液、KBr溶液、碘酒和淀粉混合液的濾紙。向小試管中加入少許濃鹽酸。將支架插入反應器，蓋好儀器蓋，導氣管用橡膠管與燒杯中的NaOH溶液相連（圖10）。

改進后優點： 操作方便，效果明顯，成功率高。尤其是整個實驗僅消耗極少量各種試劑（大多為幾滴或幾小粒），極大節約成本，減少環境污染。此反應儀器還可做氨氣、二氧化硫等氣體的制備和性質等系列實驗[7]。

3.2 ?其他氣體制取和氣體性質實驗的微量化改進

教材中SO2氣體的制取和性質試驗的多步操作，可做微量化實驗改進。實驗室通常用硫酸和亞硫酸鈉固體制二氧化硫氣體，可改進為用火柴頭在常規試管中完成，如圖11所示。用試管夾將試管移至酒精燈外焰上加熱，引燃火柴頭，提拉棉線取出火柴梗，塞緊橡皮塞，即獲得SO2氣體，并進行SO2的性質試驗。

改進后優點： 可用生活中的材料，且耗量少;安全有趣，可在家中完成;現象明顯，可大量減少試劑用量而不影響實驗可見度[8]。

此外，還可對SO2氣體的制取和性質試驗作如圖12和圖13所示的改進： 圖12中，在Y型管的兩側支管中分別完成Cu與濃硫酸反應和驗證氣體產物的實驗，實驗儀器簡便，易于操作，原料消耗較少。圖13中，利用組合儀器形成“套管”，做到毒害氣體實驗的輕量化設計，既實現SO2氣體的制取和性質試驗，又極大降低毒害氣體的排放，且操作簡單。

3.3 ?改進排液法粗略測量氣體體積的儀器

利用氣體不溶于某些液體的性質，可用排液法粗略測量氣體的體積。根據給出的儀器和實驗目的不同，教材中的裝置可拓展和發散為圖14所示的多種排液法測量氣體體積的裝置。

圖14中，裝置Ⅰ測量收集到氣體體積時，應先使氣體冷卻至室溫，再慢慢將量筒下移，使量筒內外液面高度相同，再讀取讀數。裝置Ⅱ在實驗前燒杯中的液面需沒過量筒口，量筒中應裝滿液體，反應在漏斗中進行，量筒刻度所示氣體的體積即為產生氣體的體積。裝置Ⅲ在讀數時應上下移動右管，使左、右兩管液面相平后再讀數。讀取反應前后右管中液面體積讀數的差值即為氣體體積裝置Ⅳ用于測量混合氣體中被反應管內溶液吸收（或未被吸收）的氣體體積，讀數時球形容器和量氣管的液面相平，量氣管內增加的液體體積等于未被吸收的氣體的體積。

總之，借探尋“一器多用”、“多器同用”的實驗儀器和探索優化重組實驗儀器等實驗活動，引導學生對各種實驗儀器進行充分探索和拓展，讓學生在上述過程中獲取知識，提升科學探究與創新意識的核心素養。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[2]姚毅. 淺談基于實驗教學培養學生化學核心素養[J]. 化學周刊. 2018， （10）： 29， 112～113.

[3]邱福明. 淺談建構主義學習理論及其在中學化學教學中的應用[J]. 化學教與學， 2010， （2）： 25～26.

[4]侯召兵. 例談注射器在化學實驗中的靈活應用[J]. 實驗教學與儀器. 2018， （10）： 34～35.

[5]鄒標. 巧借化學實驗裝置， 提升學生核心素養[J]. 中學化學教學參考， 2018， （7）： 65～66.

[6]張鳳瓊. 初中化學微量化實驗的研究[J]. 化學教學， 2010， （6）： 15～17.

[7][8]李光珍. 五個高中化學實驗的微量化改進[J]. 化學教學， 2014， （5）： 57～58， 81.