中學濾紙實驗研究進展

陳子航 王海燕 徐愛菊

摘 要：文章基于文獻分析，闡述了濾紙實驗的含義、價值，從濾紙在實驗中的用途入手對濾紙實驗進行了分類，將綠色化學視域下的濾紙實驗教學現有研究成果梳理為“濾紙作反應物”和“濾紙作載體”兩大類，并歸納出如何在中學化學濾紙創新實驗中設計巧妙的熱點實驗。

關鍵詞：濾紙;實驗;化學;載體

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：A 收稿日期：2020-07-06 文章編號：1674-120X（2020）33-0077-02

隨著學科核心素養的提出，培養學生綜合素養的目標日益明確。教師演示實驗已經不能滿足學生的需要，只有讓學生真正參與到實驗中才能更好地引導學生培養核心素養。但在實際教育過程中也面臨實驗器具不足、試劑有限以及環境保護等種種限制。近年來，大量一線教師及高校研究者為解決這些問題，提出了“微型實驗”的概念，其中的濾紙實驗尤為重要，而后利用濾紙的特性優勢，把濾紙用作反應物和反應載體，為高效、環保的教學實驗打開了新的思路。本研究對濾紙實驗相關的文獻進行了系統梳理，旨在為利用濾紙創新實驗提供參考。

一、濾紙實驗

（一）濾紙實驗的內涵

濾紙是進行過濾和紙層析實驗必需的用品，不但具有特殊的孔徑大小和親水性，還有很多優良性能，經過設計可以促進許多中學化學實驗的創新改進。使用濾紙參與的實驗，稱為濾紙實驗，包括以濾紙作為載體，反應物在濾紙上進行實驗;用濾紙自身材質作為反應物來參與實驗。

（二）濾紙實驗研究的價值

在實驗教學過程中，試管充當著不可替代的角色，其具有操作方便、容易觀察、可加熱、可離心等優勢。然而，在某些特定實驗中，試管也存在一些缺點，如試劑使用劑量大、部分實驗現象不明顯、實驗后難以洗滌或處理等。由于試管的特性及現今國家對教學實驗環保極為重視等原因，濾紙實驗應運而生。而對濾紙實驗的研究則有助于解決上述問題，從而有效地推進中學實驗普及化的發展。

二、濾紙實驗的研究現狀

（一）濾紙作反應物的應用

濾紙是一種纖維素材料，在教學中可以作為反應物進行實驗的創新改進，增加實驗的趣味性，實現實驗的簡約化。

濾紙作為反應物的代表性濾紙實驗的相關性文獻在全部代表性文獻中占比25%，雖其占比不高，但成果都較為完善。濾紙作為反應物的使用思路主要分為三類，除用濾紙作為可燃物的實驗外，另外兩類具體實驗為“纖維素水解”和“碳還原金屬氧化物”。

1.“纖維素水解”實驗

“纖維素水解”實驗是高中化學對多糖水解的研究實驗之一。在實際的教學過程中多是直接講解或演示濃硫酸對纖維素的水解過程，由于整體教學過程單一，無法激起學生的興趣且沒有建立知識與生活的聯系，難以完成對學生核心素養的培養。面對這種情況，有研究者利用濾紙的主要成分為纖維素這一性質，設計了“羊皮紙”的制作實驗。這一實驗建立了知識與生活間的聯系，提高了學生學習化學的興趣，且在實驗完成后不經晾干的濾紙還可以直接用于半透明的相關實驗。這不僅增加了濾紙的利用性，還培養了學生不拘于單一實驗的思想。

2.“碳還原金屬氧化物”實驗

“碳還原金屬氧化物”實驗是教學中的一個難點，已有不少研究從碳和金屬氧化物質量比的控制、溫度的控制、碳和金屬氧化物來源的控制三個方面對此實驗進行了改進，但仍對安全性和操作條件有所要求。有研究者利用濾紙易燃且燃燒后生成還原性碳的特性，設計出將金屬氧化物覆蓋在濾紙表面后點燃的演示實驗，使金屬氧化物被碳還原為金屬單質，從而實現“碳還原金屬氧化物”實驗的簡約化。利用濾紙創新后的“碳還原金屬氧化物”實驗現象明顯，成功率高，且操作簡單，安全性強，富有趣味性;但對部分實驗，如還原實驗，由于本身性質及濾紙的燃燒溫度、還原性碳產量等原因，其實驗原理、產物等仍有待商榷。在教學過程中為保證科學性，應盡量規避該實驗。

（二）濾紙作載體的應用

學界在對濾紙實驗相關文獻進行分析后，發現現階段濾紙的應用方向還是更傾向于作為載體，這主要是因為纖維素多孔、表面積大。濾紙作為一種纖維素材料，對氣體、液體、固體化學試劑具有良好的吸附性，且使用方便、環保、易處理。不過即使同樣用濾紙作為實驗載體，不同實驗使用的角度也有著極大的不同。

1.濾紙作為氣體載體

化學教學實驗中有許多與氣體有關的實驗，為增強實驗的效果，需要對氣體進行聚集或者收集。利用濾紙致密的材質，可以實現暫時聚集氣體這一功能，從而在易操作的同時增強化學實驗效果。例如，①在金屬鈉與水反應的實驗中，為強化實驗現象，增加趣味性，用濾紙將鈉塊折疊包裹，然后放入水中，當濾紙入水后會迅速膨脹，同時還有火光出現，待火光消失后，則可以聽到爆鳴聲。在實驗結束后觀察，發現濾紙被炸出一個洞，整體實驗安全、易操作，能給學生耳目一新的感受，教學效果極佳。②常規的氫氧燃料電池實驗的整體實驗效果一般，持續時間也相對較短。對該問題，有研究者僅將原實驗中的碳棒用濾紙進行包裹，便使電極上吸附了更多的氫氣和氧氣，從而有效地延長了實驗時間，增強了實驗效果。

2.濾紙作為液體載體

在濾紙實驗中，超過50%的實驗均是用濾紙作為液體載體的。這主要得益于濾紙本身材質極佳的吸水性，且相較于棉絮、瓊脂等材料，濾紙吸水后的形態更具穩定性，便于接下來的實驗操作。在電化學和大量顯色的實驗中，相較于傳統的燒杯和試管，濾紙在節省藥品方面有著絕對的優勢。這極大地解決了實驗教學中玻璃器皿和藥品不足的問題。其中較為典型的實驗包括：①在電化學中，大多數實驗除所取反應物或使用電極材料不同外，實驗原理基本相同，也均能體現濾紙實驗相較于普通電化學實驗更加節省藥品的特點。其中有一個實驗十分新穎，即取一元硬幣10枚，五角硬幣10枚，將濾紙浸泡食醋，在一元硬幣和五角硬幣中放好，然后按順序進行交替放置，最終通過導線和用電器構建完整的原電池回路。該設計的原電池能達到音樂賀卡發聲的效果，該實驗不僅能提高學生學習化學的興趣，還能培養學生將知識與生活結合起來的思維方式，真正體現了化學的魅力。②顯色實驗屬于中學階段常見的實驗之一，整體實驗安全性較高，操作簡單。但為了保障實驗教學效果，大多數顯色實驗的藥品用量較多，且由于其操作單一，易使學生喪失興趣。為此，研究者設計出各種更具趣味性的濾紙實驗。多數實驗以濾紙吸附指示劑，折疊成紙花或用指示劑畫出不同的圖形，再進行氣液性質的檢驗，其中較為突出的實驗是一個晶體顯色實驗。在傳統的晶體顯色實驗中，從逐滴滴水的過程中可以觀察到顏色由藍色變為紫色、藍紫色和粉紅色。但是在酒精燈加熱過程中，由于溫度難以控制，造成顏色變化時間驟減，粉紅色瞬間變為藍色，幾乎看不到中間的顏色變化。為解決這一問題，研究者用飽和氯化鈷溶液浸泡濾紙，取出濾紙后將其晾干，之后將濾紙折疊為一朵紙花，待用。實驗時用電吹風不斷加熱，在這個過程中可以看到花的顏色由粉紅色變成紫色，后又變成藍紫色和藍色，整個實驗變化緩慢（約2分鐘），進程可控，且實驗后只要向藍色的紙花噴水，其又恢復為粉紅色，紙花可循環使用。整體實驗將濾紙實驗的易操作和可控性強等特點發揮得淋漓盡致，是濾紙顯色實驗中較為典型的創新案例。

3.濾紙作為固體載體

因為濾紙對固體的吸附性一般，所以濾紙作為固體載體的實驗設計還比較少，可以分為兩類：一個實驗是鋁粉的燃燒實驗，都將濾紙扎滿小孔以增加其對鋁粉的吸附性，在沾滿鋁粉后用坩堝鉗在酒精燈上引燃，并快速自上而下放入盛滿氧氣的集氣瓶中，隨即可觀察到明顯現象。整體實驗相較于傳統實驗，對鋁粉的控制性增強且更安全。另一個實驗是示溫涂料的應用實驗，有毒性，對環境影響較大，研究者將其與透明膠水混合后涂在濾紙表面，經修剪后貼至有溫度變化的地方，不僅實驗現象明顯、趣味性強，而且試劑的使用量小，在達到實驗效果的同時符合綠色化學的要求。

三、總結及展望

從文獻整理中可以看出，在中學實驗教學過程中，濾紙實驗所涉及的具體實驗很多。研究者從載體和參與反應的角度出發，利用濾紙色白、吸附性強、消耗藥品較少及環保安全等優勢，不斷創造出生動、簡便、綠色的化學實驗，這對中學實驗教育的普及有著非同凡響的意義。

濾紙實驗雖有眾多優點，但并不能完全代替其他的化學器皿，更多情況下其僅適用于實驗現象相對明顯的性質實驗。這對濾紙實驗研究有著極大的限制性，我們應該善于發掘平時較為常見的實驗用品，不局限于濾紙實驗，通過不斷思考和探索，開發出更多的瓊脂實驗、棉絮實驗等。與此同時，也可以借鑒生物等學科實驗對實驗用品的使用情況，將全學科實驗結合在一起，最終為學生帶來更多簡單易操作、成本低廉、綠色環保以及符合新課程標準的實驗方案，真正推進“實驗是化學的基礎”在課堂中的落實。

參考文獻：

[1]王紅云，鐘四姣.濾紙上化學實驗的研究[J].化學教育，2008，29（8）：60-62.

[2]耿 芬，丁 偉.自制“羊皮紙”的趣味實驗[J].中學化學教學參考，2012（1）：61-62.

[3]黃姚昊，陽志高.使用濾紙巧做C還原Fe2O3的實驗[J].中學化學教學參考，2016（22）：72-73.

[4]李細妹，鄭柳萍.濾紙在實驗中的妙用[J].化學教育，2013，34（11）：81.

[5]馬酈玨，丁 偉.巧用濾紙創新實驗[J].中學化學教學參考，2019（6）：58-60.

[6]鄒 曄.利用濾紙做CoCl2晶體顯色實驗[J].實驗教學與儀器，2014，31（7）：78.

[7]馬酈玨，丁 偉.巧用濾紙創新實驗[J].中學化學教學參考，2019（6）：58-60.

[8]曾德琨，劉麗君.濾紙上的趣味化學實驗設計[J].實驗教學與儀器，2017，34（7）：74-75.

[9]邢泰宇.電化學中的濾紙實驗[J].化學教與學，2015（5）：90-91.