初中化學一體化實驗的探索

馮珍

【摘? 要】對“人體吸入空氣和呼出氣體的探究”這一實驗進行了改進，整合后的實驗裝置，集氣體收集、干擾排除、成分檢驗于一體。具有實驗原理與后續知識高度統一，實驗操作連續高效，實驗現象明顯且證據確鑿等優點，可有效地引導學生在“做中學”“用中學”“創中學”，從而充分發揮實驗的教學功能和育人價值。

【關鍵詞】空氣;呼出氣體;實驗改進;一體化

“對人體吸入的空氣和呼出的氣體的探究”是人教版初中化學教材九年級第一單元課題2《化學是一門以實驗為基礎的學科》中的內容，是學生對化學以實驗為基礎的研究性學習方法的初體驗。旨在比較“吸入空氣”和“呼出氣體”成分異同的過程中，感受對比實驗法通過認識不同對象之間相同性和相異性，探尋事物之間內在規律及必然聯系的思維方式。而初步了解空氣與呼出氣體的成分差異，氧氣、二氧化碳的部分化學性質，是后續系統學習空氣組成，全面認識氧氣、二氧化碳的性質的有效鋪墊。并且，初步培養學生控制變量的實驗認知思想及根據現象差異區分不同物質的證據推理意識。

一、問題的提出

教材上的實驗方案簡便易操作，但是實施過程中也反映出了一系列的認知沖突：1.通常情況下，二氧化碳能溶于水，這使得“用排水法收集的呼出氣體”與“實際的呼出氣體”在成分上存在差異，也與實驗室采用“向上排空氣法”收集二氧化碳氣體相違背;2.隨著學生學習的深入，在認識到一般情況下二氧化碳既不助燃也不可燃的性質后，對于木條在呼出氣體中熄滅，是氧氣濃度低導致的，還是二氧化碳濃度高造成的，會心存疑慮;3.用木條作可燃物，其火焰的大小不易控制，大火焰在裝有呼出氣體的敞口集氣瓶中往往不易熄滅。

而一線教師從教學實踐出發，以解決上述問題為目標，從不同角度對該實驗進行了改進：

（一）注重實驗裝置的改進

利用注射器、T型三通管、V型玻璃管等進行實驗，注射器收集確保了氣體成分的完整性，推拉活塞可輕松實現氣體的吸入、排出，操作簡便，微型儀器進行實驗節約藥品、現象明顯。但是，要根據比較對象的不同，不斷調整裝置，在拆分或連接的過程中裝置的氣密性極易受到影響，從而干擾實驗的流暢度。

（二）注重實驗現象的呈現

利用對水分比較敏感的試劑無水氯化鈷或無水硫酸銅制成試紙，比較水蒸氣的含量在空氣和呼出氣體中的不同，現象較為明顯。此方法有效地避免了溫度對檢驗水蒸氣含量造成的影響，但是需要提前自制試紙，且陌生物質無水氯化鈷（或無水硫酸銅）的使用與化學初學者的學習經驗相去甚遠，遠沒有水蒸氣遇冷凝結形成水霧的現象來得易于理解。筆者認為通過增加呼出氣體的量，增大干冷玻璃儀器的表面積等簡便的方式弱化溫度對冷凝的影響也未嘗不可。

（三）注重實驗數據的分析

用數字化實驗對空氣、呼出氣體中氧氣、二氧化碳、水蒸氣的含量進行了數據采集，精準體現兩種被測氣體的成分差異。但是，化學初學者的證據意識主要來源于目之所及的現象等感性認識，而對于數據、圖像的分析能力尚且薄弱，且數字化實驗并未在各校普及，導致其使用受到了條件的限制。

受到此類創新實驗的啟發，筆者基于解決問題的意識，對裝置進行了整合，設計出了集氣體收集、干擾排除、成分檢驗于一體的實驗。其實驗原理與后續知識高度統一，實驗操作連續高效，實驗現象明顯且證據確鑿，具有相應的科學性和可行性。

二、實驗的改進

（一）實驗用品

（1）實驗儀器：250mL集氣瓶2個（含配套的雙孔橡皮塞1個、三孔橡皮塞1個）、橡皮管、玻璃導管、3個塑料單向閥、玻璃三通控制閥、燒杯、注射器、自制對比裝置（用于固定蠟燭）。

（2）實驗藥品：新制澄清石灰水、蠟燭。

（二）實驗裝置

新設計的一體化裝置見圖1（夾持裝置已略）。

（三）操作要點

（1）連接好裝置，檢查裝置氣密性。

（2）取下上方集氣瓶，注滿澄清石灰水，塞緊橡皮塞，關閉三通控制閥，將裝置連接好并固定在展臺上。

（3）打開并調節三通控制閥，使集氣瓶之間的導管（a、c）相互連通，上方集氣瓶中的澄清石灰水流入下方集氣瓶的同時，空氣被抽入上方集氣瓶，并與澄清石灰水接觸。當下方集氣瓶中裝滿石灰水時，就關閉三路活塞，并將下方集氣瓶口調節裝置內外氣壓平衡的小孔堵住。

（4）打開并調節三路活塞，使下方集氣瓶與排液導管（c、b）相互連通，向下方集氣瓶中吹入呼出氣體，觀察石灰水的變化，比較空氣和呼出氣體中二氧化碳的含量。

（5）觀察上、下兩根進氣管的內壁是否有水霧，比較空氣和呼出氣體中水蒸氣的含量。

（6）取下兩個集氣瓶，同時將燃燒的蠟燭伸入瓶中，觀察現象，比較空氣和呼出氣體中氧氣的含量。

（四）實驗現象與結論

（1）空氣未能使澄清石灰水發生明顯變化，而呼出氣體使澄清石灰水明顯變渾濁。說明空氣中二氧化碳的含量比呼出氣體中的少。

（2）通空氣的玻璃管內壁較為清潔，而通呼出氣體的玻璃管內壁有明顯的水霧。說明空氣中水蒸氣的含量比呼出氣體中的少。

（3）蠟燭在除去二氧化碳的空氣中持續燃燒一段時間，而在除去二氧化碳的呼出氣體中立即熄滅。說明空氣中氧氣含量比呼出氣體中的多。

（五）注意事項

（1）雙孔橡皮塞應與位于裝置上方集氣瓶配套，導管需與雙孔塞內側齊平，否則，露出的導管會導致澄清石灰水無法排盡。三孔橡皮塞應與位于裝置下方的集氣瓶配套，導管需伸至瓶底，盡可能將石灰水排出，確保除去二氧化碳的空氣和呼出氣體體積相等，減少因被測氣體體積不等造成的誤差。

（2）玻璃三通閥不僅可以控制流向，還能控制流速。在閥門完全打開的情況下，受重力作用的影響，澄清石灰水快速地向下流，則空氣也快速進入上方集氣瓶，導致空氣與澄清石灰水的接觸不充分。而受到下方集氣瓶中液體壓強的影響，呼出氣體進入瓶中的速度則較慢。因此，為了讓空氣和呼出氣體都能與澄清石灰水充分反應，可在通入空氣時，適當調節閥門，使空氣流速與呼出氣體相當，確保現象差異的可信度和說服力。

（3）裝置下方的三孔橡皮塞，除兩個小孔連接玻璃管以外，還有一個小孔是開放的，用以調節裝置內外的氣壓平衡，以便上方集氣瓶中的石灰水順利地流到下方瓶中。但是，當開始收集呼出氣體并檢驗其中二氧化碳的含量時，必須將小孔堵住，否則，石灰水和呼出氣體都會從小孔溢出，無法達成階段性實驗目的。

三、實驗的特色

（一）裝置功能一體化

（1）多功能瓶在實驗中發揮了強大的功能性，既能洗氣，又能集氣，大大提高了實驗效率。而導管口冒出的氣泡，實現了無色氣體的可視化，豐富了學生的感性認識。

（2）三通控制閥是整套裝置的“樞紐”，它的使用免去了因比較對象的變化而在實驗中途對裝置進行調整的繁瑣，只需旋轉活塞，就可以滿足流體不同的路徑需求（三通、兩通皆可），操作比較方便，且避免裝置漏氣。通過調節活塞，還能使空氣、呼出氣體進入裝置的氣流速率均一，減小誤差。

（3）利用具有特殊構造的單向閥，克服了氣體逸散和液體流動的無規律性，讓氣體、液體定向流動，從而避免了裝置內氣體的泄漏和外界空氣、液體的回流，增強了實驗的可控性。

（4）增加進氣端玻璃管的長度，確保約250mL的呼出氣體通過時，水蒸氣的冷凝更加充分，且凝結的水蒸氣更多，從而弱化了氣溫等外界因素的影響，讓實驗現象更加明顯。

而實驗裝置將上述儀器有序整合，實現了儀器間的功能互助和效果互補，而裝置的一體化促進了實驗流程的一體化，提高了實驗效率。

（二）藥品作用多元化

在教材的實驗方案和其他相關實驗改進中，澄清石灰水僅用于比較空氣和呼出氣體中二氧化碳含量，而在此一體化實驗中，該藥品被更為充分地加以利用：（1）在收集呼出氣體前，排盡集氣瓶內的空氣;（2）檢驗二氧化碳含量的同時，除去二氧化碳，為比較空氣和呼出氣體中氧氣的含量排除干擾。

另外，蠟燭取代了木條，用作可燃物。因為燭芯處的棉線長度可控，所以兩支蠟燭的火焰大小可以保持一致。這樣，有效地降低了因火焰大小不同而導致實驗發生意外的概率。

（三）實驗操作集成化

在相對封閉的實驗體系內，同時完成一種氣體（空氣或呼出氣體）的收集、所含二氧化碳濃度的檢驗、二氧化碳的吸收、所含水蒸氣濃度的檢驗四個實驗步驟。并且，通過石灰水的轉移在裝置內外形成氣壓差，輕松實現了氣體的收集。比較兩種被測對象中氧氣含量的差異時，用自制對比裝置將兩支蠟燭同時放入集氣瓶中，避免了分先后操作帶來的觀察上的不便，確保了對比實驗的嚴謹性。

四、結束語

化學是以實驗為基礎的學科，實驗探究是收集證據和作出解釋，進行發現、創造與應用的科學實踐活動，也是獲取科學知識、理解科學本質、認識客觀世界的重要途徑。化學教師作為化學教學的主導，應充分挖掘實驗在教學中的功能性，只有在“教中做”“教中用”“教中創”，才能引導學生在“做中學”“用中學”“創中學”，從而充分發揮實驗的教學功能和育人價值。

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