淺談基于真實操作情境下的實驗設計原則

張靈麗 黃丹

摘要：以初中化學教學中遇到的實驗案例為切入點，從實驗設計的科學性、安全性、可行性和簡約性原則出發，指出一些實驗設計在實際操作中存在的問題，給出切實有效的實驗設計方案，去除紙上談兵的偽實驗設計，切實發揮實驗在教學中的重要作用。

關鍵詞：實驗設計;科學性;安全性;可行性;簡約性

文章編號：1008-0546（2019）10-0085-04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.10.023

化學實驗設計是指在實施化學實驗之前，根據一定的化學實驗目的和要求，運用有關的化學知識和技能，對實驗儀器、裝置、步驟和方法進行的一種規劃和設想。一般來說，實驗設計要滿足：科學性原則、安全性原則、可行性原則、簡約性原則。但在實際教學過程中，常會看到一些實驗設計違背以上原則，化簡為繁，背道而馳。筆者就實驗設計的原則進行簡單的分析和闡述。

一、實驗設計的科學性原則

科學性原則是實驗設計的首要原則，原理正確，方案科學，裝置合理，操作方法正確。在編制實驗題時，要來自于真實情境，符合科學性原則，脫離真實情境的題型都是偽科學的、無效的。比如：金屬和酸反應產生氫氣的圖形題目很多，例：相同質量的Mg、zn、Fe、Al和足量的稀硫酸反應，產生氫氣的總質量（m）隨時間（t）變化的關系如圖1，則圖中a、b、c表示的金屬分別為：a、b、c。

這種題型設計的真實情境如何呢？筆者用數字傳感器多次做實驗來驗證，用同樣形狀、同樣質量的鋁、鎂、鐵、鋅、銅和相同體積、相同濃度的稀鹽酸反應，用壓力傳感器測壓力的變化，實際圖像變化如圖2。對比兩張圖發現：除了鎂帶變化曲線有相似處之外，其它三種金屬的變化曲線有較大差別，尤其鋁片，一開始反應很慢，當鋁片表面的氧化膜被除去后，反應速率很快增大，鐵片反應速率非常緩慢，足量的酸將金屬完全溶解，鎂帶耗時較短，鐵片耗時較長，很難在同一張圖上比較。

二、實驗設計的安全性原則

實驗設計要符合安全性原則，安全是實驗的前提和保證，實驗過程中應盡量避免危險性的操作，防止環境污染和人身傷害，力爭實驗設計的綠色化。對易發生爆炸的實驗要慎做或改進。一氧化碳還原氧化鐵是九年級化學教學中十分重要的演示實驗，但由于該實驗存在爆炸和環境污染等風險，為安全起見，許多老師用視頻來代替演示實驗。筆者針對實驗過程中存在的問題，將一氧化碳的制備、一氧化碳與氧化鐵的反應、產物的檢驗和尾氣的處理進行了一體化設計，使多個反應置于同一個封閉體系中進行;同時，改進熱源裝置，利用萬用瓶和設置安全線排除爆炸風險，大大提高了實驗的成功率和安全系數。裝置如圖3。

實驗操作：

（1）按照圖3所示連接裝置并檢查裝置氣密性。D處的萬用瓶中裝滿水，然后推A處的任意一支空注射器，觀察到萬用瓶里有水排出，則說明裝置不漏氣。

（2）分別裝入藥品。石英球形干燥管的球內平鋪一藥匙氧化鐵，c處試管中裝入稀鹽酸，D處萬用瓶中裝滿澄清石灰水，分別取5mL濃硫酸于A處試管中，2mL甲酸和6mL氫氧化鈉濃溶液于兩支注射器中。

（3）輕輕推動注射器，將甲酸逐滴加入濃硫酸中，當萬用瓶里澄清石灰水的液面下降到安全刻度線處，點燃簡易高溫酒精燈，加熱氧化鐵，先進行均勻預熱石英球形干燥管，再放置在藥品處集中加熱，當紅棕色粉末全部變黑后，再繼續加熱2-3分鐘，熄滅高溫自制酒精燈，此時由于A處一氧化碳仍在源源不斷地產生，所以c、D處液體不會出現倒吸現象，打開c處的止水夾，用磁鐵將黑色粉末吸引遷移到盛有稀鹽酸的試管里，黑色粉末和稀鹽酸反應，多余的尾氣收集在萬用瓶中。

（4）實驗結束時，可直接打開萬用瓶的瓶塞，將收集在萬用瓶里的尾氣點火燒掉。然后向盛有濃硫酸的具支試管里注入氫氧化鈉濃溶液，中和剩余的酸。

改進后的優點：

（1）一氧化碳隨時制取，避免實驗室儲存一氧化碳的危險。（2）把反應過程中的所有氣體全部收集起來，形成一個密閉體系，避免了一開始用酒精燈點燃尾部氣體容易爆炸的危險。（3）設置的安全線，可準確地知道加熱氧化鐵的時間，巧妙地解決何時加熱的困惑，既安全，又直觀（安全刻度線設置的方法是：根據一氧化碳的爆炸極限，將具支試管、石英球形干燥管、橡皮管、乳膠管裝滿水，量它們盛放水的總體積記為V1，安全線的位置是3V1的位置）。（4）方便安全地處理尾氣，由于尾氣是從下端通人，打開橡皮塞燒掉一氧化碳時，火苗不會回火到前面的裝置里，而且等實驗結束點燃尾氣時，可以清楚地看到一氧化碳在瓶內安靜燃燒，產生藍色火焰。

三、實驗設計的可行性原則

實驗設計要符合可行性原則，實驗設計切實可行，所取藥品、儀器在中學實驗室能夠實現，有靈敏性和可行性。探究白磷在水中的燃燒實驗，改進實驗的版本很多，如圖4、圖5是2017年蘇州中考試題。圖4是探究白磷在水中燃燒的實驗裝置。該裝置的不足之處有：①通入氧氣時，白磷易被沖散而較難與氧氣接觸;②逸散的五氧化二磷會造成空氣污染。

圖5是探究白磷在水中燃燒的改進實驗裝置，由A、B、c三部分組成。這是一道紙上談兵的實驗設計，實驗設計過于繁瑣，大試管中套小試管，僅僅連接整套裝置，就需要耗費很長時間，且氫氧化鈉溶液的用量大，浪費，不適合課堂演示實驗，更不適合學生分組實驗，實驗的可行性差。

多次實驗發現，一個燒杯和一支大試管即可快速完成該實驗。具體操作是：大燒杯中倒入約80。c的熱水，在燒杯中放人一個粗銅圈，取一小塊白磷放人大試管的銅圈內，銅圈的作用是防止白磷在熱水中熔化流動，固定住白磷，將一大試管快速罩在白磷上，熱水中的白磷和空試管中的氧氣接觸后，白磷劇烈燃燒，發出黃色的火焰，產生濃厚的白煙，出現水火相容的奇觀。操作要點：白磷約取黃豆粒大小，試管粗一點更好，可以提供更多的氧氣，保證白磷充分燃燒。如果還想進一步優化，防止從試管中逃逸出的少量五氧化二磷污染空氣，可以在燃燒結束后，迅速向燒杯中加入氫氧化鈉溶液吸收尾氣。該實驗不僅操作簡單，而且整個過程耗時不到2min，可行性較強（圖6）。

四、實驗設計的簡約性原則

實驗設計要符合簡約性原則，藥品用量少，取材容易，裝置簡單，時間可控，操作簡單。CO2與NaOH溶液反應，如不設置特定環境，學生無法從反應的現象判斷二者發生化學反應。為了證實反應的發生，出現了各種版本的改進實驗，常見改進實驗設計如圖7至圖12。

這些實驗設計理論上可行，但實際操作效果如何？多次重復實驗發現，存在以下弊端：圖7和圖8對比現象不明顯，圖10的燒杯多余，而且會讓同學造成錯覺，誤解成燒杯是用來盛放液體的。圖10、11需要氫氧化鈉溶液的量太大，不符合簡約性原則。圖11噴泉實驗不容易成功，雖然從理論上講，CO2與飽和NaOH溶液容易發生化學反應，燒瓶內加入飽和氫氧化鈉溶液，壓強減小，能形成噴泉。但實際現象是：短時間不能出現明顯噴泉現象，注入燒瓶內液體表面有一層晶體出現。閱讀資料發現：飽和NaOH溶液和CO2反應生成Na2CO3，受接觸面的限制，液體表層生成的CO3^2-會和COs繼續反應生成NaHCO3，NaHCO3再和NaOH溶液反應生成Na2CO3。室溫20℃時，NaOH溶解度為109g，Na2CO3溶解度為20g，NaHCO3溶解度為9.6g。無論是生成Na2CO3，還是生成NaHCO3，它們的溶解度在20℃時都遠遠小于NaOH。由于HCO3-和CO3^2-擴散速率較慢，表面濃度高，因此，液體表面就形成了一層晶體層，這層晶體也阻礙了CO2與NaOH溶液反應，使燒瓶內壓強減小過慢。另外，該實驗耗時較長，需要10min左右，過于復雜。至于噴泉實驗設計，可以理論分析，學生在學習了溶解度知識后教師可以引導分析：同溫下，氫氧化鈉溶解度遠大于碳酸鈉或碳酸氫鈉，面對少量的濃氫氧化鈉溶液中生成53/40倍質量的碳酸鈉，或是84/40倍質量的碳酸氫鈉必然析出晶體，晶體的析出是噴泉實驗現象不明顯的原因之一。從理性上分析比做實驗給學生看，更加符合核心素養培養中的“證據推理”。氣球的實驗設計，如圖12，實驗成功的要點是：小氣球要扎緊，一旦脫落，前面的一切實驗準備都是前功盡棄。

另外一些改進實驗，如去殼雞蛋的實驗設計（圖13），需要提前準備煮熟的去殼雞蛋，而且雞蛋的大小和集氣瓶口要吻合，實驗前的準備太麻煩，實際可行性不強。u型管的實驗設計，如圖14，搬進教室演示該實驗，需要固定u型管的鐵架臺或者大燒杯，實際操作不方便，且對氣密性要求較高，若有任何一個連接處漏氣，實驗現象就不會出現。

數字化實驗設計，如圖15，若只是驗證氫氧化鈉溶液可以和二氧化碳反應，用數字化實驗純屬小題大做，牽強附會，若是從定量角度分析二氧化碳和氫氧化鈉溶液反應溫度、壓強、二氧化碳的變化，可以用數字傳感器，但是，定制四孔圓底燒瓶、配套的橡皮塞麻煩，而且多種傳感器同時連接在同一個數據采集器上，有些傳感器之間可能會互相干擾，數據不夠準確。對初學者而言，只需要定性驗證氫氧化鈉溶液和二氧化碳反應的發生，如圖16的軟塑料瓶是最簡單的設計，當向盛有二氧化碳的軟塑料瓶倒入氫氧化鈉溶液后，振蕩，軟塑料瓶迅速癟掉，效果非常明顯，若想進一步驗證生成物，可以在瓶塞處添加一個盛有稀鹽酸的注射器，通過觀察氣泡產生和軟塑料瓶再次鼓起，證明反應的發生。該實驗耗時最多2min，操作簡單，效果明顯，可視化程度高，且氫氧化鈉溶液的用量少，原料、儀器易得。

五、結束語

教學即研究，即創造，教師應增強對實驗教學的認同、實施和創造。一個精心設計的化學實驗，不僅能加深學生對實驗現象的記憶，而且能進一步加深對知識的理解。正如戴維所說：化學實驗的基礎是觀察實驗和類比，通過觀察，事實被清楚細致地引入心靈，通過類比，相似的事實被聯系起來，通過實驗，發現新事實，在知識的進步中，觀察在類比的指引下走向實驗，類比則由實驗驗證變成科學真理。可見，實驗是探究科學真理的重要保證，更是推動社會科技進步的基石，而實驗設計是開動實驗的前提，創新、有效的實驗設計務必以科學性為標準，以直觀性為特色，以簡約性為目的，以安全性為保障。