基于“科學探究與創新意識”的化學實驗設計

姜大煒 黃斌 馮燕 顧小敏 陳玉喬

摘要：從培養學生化學學科核心素養的角度出發，以固相萃取空管柱為實驗裝置，應用于過濾、水的凈化和色素的脫除、萃取、分離等中學生均可以進行自主操作的化學實驗中。實驗結果顯示，利用空管柱進行實驗操作簡單，實驗效果明顯，適合于課堂實驗演示和課外興趣實驗活動，且空管柱可以重復利用，綠色環保、安全性高。該實驗裝置的使用，對培養學生學科核心素養有積極作用。

關鍵詞：科學探究;創新意識;化學實驗;固相萃取空管柱

文章編號：1008-0546（2022）10-0091-04中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

普通高中化學課程是落實立德樹人，提升學生核心素養的重要載體。[1]化學實驗作為化學學習的重要實踐活動，對于化學學科核心素養的形成和發展具有不可替代的獨特作用?；瘜W學科核心素養中的“宏觀辨識與微觀探析”“科學探究與創新意識”和“科學態度與社會責任”的落實離不開化學實驗。通過化學實驗教學，不僅可以激發學生學習化學的興趣和動機，為學生提供豐富的感性認識，更重要的是可以培養學生的科學思維、動手操作能力和問題解決能力。[2]同時，實驗的探究和創新對“科學態度與社會責任”素養的培養又起著重要的推動作用。

一、關于該實驗設計的思考

普通高中化學課程標準中提出“科學探究與創新意識”要從實踐層面激勵學生勇于創新。

對于化學實驗，強調“認識化學實驗是研究和學習物質及其變化的基本方法，是科學探究的一種重要途徑?！币蟪醪綄W會物質檢驗、分離、提純和溶液配制等化學實驗基礎知識和基本技能。學習研究物質性質，探究反應規律，進行物質分離、檢驗和制備等不同類型化學實驗及探究活動的核心思路與基本方法。體會實驗條件控制對完成科學實驗及探究活動的作用。

在“科學態度與安全意識”中，強調發展對化學實驗探究活動的好奇心和興趣，養成注重實證、嚴謹求實的科學態度，增強合作探究意識，養成獨立思考、敢于質疑和勇于創新的精神。樹立安全意識和環保意識。熟悉化學品安全使用標識，知道常見廢棄物的處理方法，知道實驗室突發事件的應對措施，形成良好的實驗工作習慣。

對于學生必做實驗，要改變在實驗中注重動手但缺少思考的現狀，強調高級思維過程。認識物質及其變化對環境的影響;體會化學對環境保護的作用。了解關于污染防治、環境治理的相關國策、法規，強化公眾共同參與環境治理的責任。

“學業要求”中提出能主動運用所學的化學知識和方法解決生產、生活中簡單的化學問題。具有節約資源、保護環境的可持續發展意識。從自身做起，形成簡約適度、綠色低碳的生活方式，科學進行固體廢棄物和垃圾處理。

為了體現“素養為本”的實驗探究教學設計，本文以固相萃取空管柱為基本框架，建構了一套實驗裝置模型。該實驗裝置模型可適用于多個中學化學實驗教學中，還可以有效地進行科學探究，培養學生創新意識的形成。

固相萃取技術是一種常見的樣品預處理方法，廣泛應用于環境樣品和食品樣品中。該方法是利用固體吸附劑吸附液體樣品中的目標分析物，再用洗脫液洗脫，達到分離、凈化和富集的效果。[3-5]固相萃取空管柱（圖1）由針筒型聚丙烯管和多孔聚丙烯篩板（孔徑20μm）組成。當管內裝有固相填料時，可用于富集食品、農畜產品、環境樣品以及生物樣品中待測分析物的預處理。固相萃取柱的規格可分為1mL、3mL、6mL、10mL、15mL、20mL、30mL、60mL等。

本文實驗裝置模型中的空管柱體積為15mL，總管長9.2cm，管身長7.9cm，管口口徑1.6cm。利用此裝置模型進行了過濾、水的凈化和色素的脫除、萃取、色素分離等中學化學實驗操作。

二、以“空管柱”實驗設計案例

1.基于過濾分離方法的實驗——過濾

實驗來源：人教版初中九年級化學書下冊實驗活動：粗鹽中難溶性雜質的去除。[6]

實驗步驟：稱取5g粗鹽，加入50mL水，玻璃棒攪拌后轉移至裝有篩板的空管柱中，等待濾液流出;以濾紙過濾作為對照實驗。

實驗1利用空管柱裝置模型進行過濾操作，其結果與利用濾紙進行過濾的效果相同（圖2），可以很好地分離固體與液體，實現過濾的目的。通過此實驗，學生能夠理解過濾的本質，無論是濾紙還是篩板，均布滿了微孔，故能實現固、液的分離。該實驗裝置簡便，操作簡單，安全性高，不存在由于裝置打碎而引起的安全事故問題;同時起過濾作用的篩板清洗后可以重復使用，不但綠色環保，還能節省濾紙。利用該裝置即可進行課堂演示實驗，也適合于學生課后的操作實驗。此實驗有利于開發學生創新性思維，讓學生明白過濾操作不再僅僅局限于用濾紙和漏斗，還可以用其他方式替代，拓寬學生的思維，提高學生對課堂的專注度。

2.基于吸附原理的實驗——水的凈化、設計性趣味實驗

（1）水的凈化

實驗來源：人教版初中化學九年級上冊課外實驗：自制簡易凈水器。[7]

實驗步驟：

凈化柱的制作：取一干凈、裝好篩板的空管柱，裝入厚度1cm左右的活性炭層，在活性炭層上裝入一層蓬松脫脂棉，再裝入厚度2cm左右的石英砂，繼續在石英砂上層裝入一層蓬松脫脂棉。

污水的凈化：用滴管吸取污水濁液（5g泥沙加入到50mL水中，用玻璃棒攪勻，形成濁液）緩慢加入凈化柱中，等待濾液流出，觀察濾液顏色（圖3）。

（2）課外興趣拓展設計性試驗——藍墨水、可樂中色素的脫除

泥沙水凈化主要原因是利用活性炭的吸附性?；钚蕴砍丝梢晕郊毿☆w粒和一些可溶性雜質外，還可吸附色素、氣味等，因此利用上述裝置可以進行新實驗開發、設計，如藍墨水溶液和可樂飲料中色素的脫除等。

①藍墨水溶液中色素的脫除

實驗步驟：用膠頭滴管吸取稀釋后的藍墨水（向50mL水中滴入2-3滴的藍墨水，用玻璃棒攪拌，得到藍色溶液）緩慢加入已經裝好的柱子中，避免藍墨水溶液漫過柱口，等待濾液流出，觀察濾液顏色。

②可樂飲料中色素的脫除

實驗步驟：往燒杯中倒入適量可樂，用膠頭滴管吸取可樂緩慢加入已經裝好的柱子中，等待濾液流出，觀察濾液顏色（圖4）。

實驗2中水的凈化和色素溶液的脫色實驗現象明顯，實驗效果佳。該實驗裝置模型小，易攜帶至課堂，讓學生更清晰地了解活性炭的吸附能力，提升學生的關注度。

由生活中水的凈化實驗為基礎，開展了課外實驗的拓展，設計了趣味性實驗——色素的脫除。該實驗符合新課標中教材編寫建議部分中強調“重視實驗探究與實踐活動，要求適當增加微型實驗、家庭小實驗等，讓學生在實驗探究中學習，形成嚴謹求實、勇于實踐的科學態度，發展實踐能力”的要求，此設計可以作為家庭興趣實驗項目進行輔助教學。從課本實驗向生活實驗轉化，將理論與生活實際結合起來，激發學生主動探究學習的動力和對環境保護重要性的認識。此部分內容契合新課標中強調教學內容“主題為引領，使課程內容情境化”，促進化學學科核心素養的形成與發展，實現了“科學態度與社會責任”的學科核心素養的培養目標。從核心素養的發展角度看，結合生產生活創設情境，使得化學學習與生活緊密相連。貼近學生生活的化學現象更能激發學生的求知欲，也更能體會化學學科的價值，不斷樹立環保意識、人與自然的和諧相處、提高綠色化學意識、建立可持續發展的理念，從而肩負更多的社會責任。正如杜威認為最好的教學是“要牢牢記住學校教材與現實生活二者相互聯系的必要性，使學生養成一種態度，習慣于尋找這兩方面的接觸點和相互的聯系”[8]。

3.基于溶解度差異的實驗——萃取

實驗來源：蘇教版高中化學選修6—實驗化學課題：海帶中碘元素的分離及檢驗;[9]人教版化學1第一章：從實驗學化學。[10]

實驗步驟：稱取1g碘單質，加入20mL水，用玻璃棒攪拌至溶液呈淡棕黃色（碘單質微溶于水）。取一次性塑料滴管一根，從下端剪下長約1cm左右的細塑料軟管，將其套在空管柱下端，用彈簧夾夾住塑料軟管，加入適量水至空管柱中，空管柱上端口塞上橡膠塞，對上端、下端進行檢漏。取4mL碘的水溶液于空管柱中，再量取2mL四氯化碳加入空管柱中，塞上橡膠塞，將空管柱子倒置后振蕩2-3次后，打開彈簧夾放氣。重復幾次后靜置分層。取出上端口橡膠塞，打開下端彈簧夾，待下層液體完全流出后，夾好彈簧夾，上層液體從上端口倒出。

實驗3的結果表明空管柱裝置模型可以很好地萃取出碘—水溶液中的碘，現象非常明顯（圖5），有利于學生對萃取原理的掌握。利用此裝置模型可以顯著減小高毒性萃取劑CCl4的用量，既能達到教學目標，又有效降低對環境的污染的目的，在教學過程中潛移默化地實現了保護環境的觀念，促進學生“科學態度與社會責任”學科核心素養的形成。

4.基于層析原理的實驗——色素分離

實驗來源：蘇教版高中化學選修6—實驗化學拓展課題：菠菜的葉綠體中色素的提取和分離。[9]

實驗步驟：

色素提取：將5g綠草和適量胡蘿卜剪碎后，放入研缽中，加入少量的碳酸鈣和石英砂，加入3mL石油醚和3mL乙醇，迅速充分地研磨出漿液，將研磨出的漿液倒入干凈的具有篩板的空管柱中靜置分層后過濾，先收集下層乙醇溶液，再收集上層石油醚溶液（石油醚與乙醇不互溶）。乙醇層用石油醚萃取兩次，合并石油醚層至小燒杯中，加入3g硅膠粉，置于通風櫥中，搖勻后緩緩通入氮氣，吹干溶劑（也可將洗耳球插入玻璃管中，不停擠壓，使溶劑揮發），制得吸附在硅膠粉末中的混合色素樣品（注：樣品要現制現用，防止放置時間長后，樣品變質）。

樣品裝柱：向具有篩板的空管柱中加入2-3cm高的硅膠粉，以木棒敲擊空管柱外壁使硅膠粉鋪平裝實，裝入2-3mm高的混合色素硅膠樣品，敲擊裝實后，加1cm高的石英砂粉末（也可用干凈的細沙），保護樣品層平整（圖6）。

色素分離：緩慢向空管柱中加入石油醚，隨著洗脫劑的流動，黃色的胡蘿卜色素帶逐漸下移（注：空管柱樣品層上方要間斷性補加洗脫劑，防止溶劑流干）;待胡蘿卜色素完全流出后，先用體積比為19∶1的石油醚-丙酮混合液洗脫（防止硅膠斷層），再用體積比為9：1的石油醚-丙酮混合液沖洗剩余的色素，根據色帶的不同，分別收集洗脫液（圖7-10）。

新課標中教材編寫建議部分中強調重視實驗探究與實踐活動，要求適當增加微型實驗、家庭小實驗等，讓學生在實驗探究中學習，發展實踐能力，實驗4的設計正是以此為目的。該實驗是綠色植物中色素分離的設計性實驗。教材中采用紙上層析法分離菠菜中葉綠素;我們采取了適合學生課外開展的實踐活動實驗——柱層析分離法，使學生認識到除了紙色譜分離方法以外，還可以利用柱色譜法進行，拓寬學生知識面，幫助學生理解、掌握層析分離的原理。學生在實驗過程中可以直觀地觀察到各個色素帶的流出過程，同時能收集到各色素的純組分溶液（圖11）。綜合紙上層析法和柱上層析分離法實驗，可以促使學生從物質微觀層面的視角認識到，由于色素混合物中各自分子結構上存在的差異性導致其在濾紙纖維素中分配系數不同，以及硅膠固定相中色素混合物各組分吸附能力存在差異的原因，使得混合物得到分離。這對“宏觀辨識與微觀探析”化學學科核心素養的形成有著積極的作用。

三、教學啟示

綜上所述，這些實驗具有操作簡單，現象明顯、便于觀察等特點。此實驗裝置模型簡單易得，教學功能豐富，易于課堂教學和課外實踐活動的展開，學生對實驗現象的觀察一目了然。同時該裝置模型具有綠色、高效的優勢，空管柱不易被打碎，不會出現因儀器破損造成傷害，提高實驗安全性。實驗試劑用量小，節省資源，減少污染;裝置綠色環保，可重復使用，使這些實驗更方便帶入課堂進行教學演示，加強學生對理論知識的消化理解，提高教學效率;此類實驗是對常規實驗的補充和拓展，作為一種教學手段，用以提高教學效率，使學生更直接地了解化學的神奇，激發學生們學習化學理論知識的積極性，有利于理論與實際相結合，豐富學生的課外生活。利用此裝置模型可以使化學教學的課堂生動起來，豐富了學生的想象，有利于激發學生探索的精神;同時也可以解決因資源有限而無法使每個學生動手做實驗的問題，讓學生有機會直接感受實驗現象，直接體會化學的神奇，鍛煉學生的動手能力。[11]這對于培養、落實“科學探究與創新意識”“宏觀辨識與微觀探析”和“科學態度與社會責任”等化學學科核心素養的形成有積極的推動作用。

參考文獻

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[4]廖穎敏，黃曉佳，王卓卓，甘蕊.基于碳基磁性材料的磁固相萃取技術在食品分析應用中的研究進展[J].色譜，2021（4），368-375.

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[7]人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心.義務教育教科書（化學九年級上冊）[M].北京：人民教育出版社，2012.

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[9]王祖浩.普通高中課程標準實驗教科書（實驗化學選修） [M].南京：江蘇教育出版社，2009.

[10]人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心.普通高中課程標準實驗教科書（化學必修 1） [M].北京：人民教育出版社，2004.[11]陳麗東.淺談中學微型化學實驗的功能及實施[J].廣州化工，2014（6）：160-161.