新課標下高中化學微型實驗的開展與學科素養的建立

張曉薇

（西安交通大學附屬中學 陜西西安 710000）

化學是一門以實驗為基礎的自然科學。在化學學習中，設計實驗、實施實驗、觀察實驗現象、分析實驗結果，都是非常重要的化學思維訓練手段。在各種實驗思路中，微型化學實驗具有獨特的優勢，它以綠色化學作為核心理念，以儀器裝置微型化作為實施手段，對常規化學實驗進行創新性的設計，使得儀器微型化、試劑用量少[1]，這樣學生不但可以在教室里完成更多的課本實驗，更可以在家中完成與實際生活聯系更緊密的實驗探索。高中化學微型實驗輔助了新課標下研究性學習的開展，有效地為實施素質教育、提升學生創新能力及化學學科綜合素養提供了切實有效的實施路徑。

一、微型化學實驗的涵義

上世紀八十年代，一些發達國家的高校為了解決化學實驗環境污染、實驗操作安全隱患，以及儀器試劑成本高昂等問題，發展出了微型化學實驗這種新的方法。它絕不是對常規實驗進行簡單的微縮，而是始終以綠色化學作為核心理念，使用新思路、新方式和新手段對常規實驗進行創新性變革和根本性發展所取得的成果。

二、微型化學實驗的優勢

與常規化學實驗相比較，微型實驗具有節約空間、節約時間、節約試劑、反應迅速、效果明顯、操作便捷、安全性高、趣味性強、污染性低等優勢[2]。在這種實驗中所使用的儀器通常簡易小巧、成本較低，甚至可以根據需求自主制作或改造，更有希望實現每人均配備一套實驗儀器的愿景，使每位學生均能參與至動手實驗環節中，有效激發學生的學科興趣，讓學生在實驗操作中積累感性認識、分析實驗原理、體會知識的形成，進而大幅提升學生的綜合素質。

三、微型化學實驗的課堂教學實踐探究

1.氯氣的實驗室制備

實驗室制備氯氣的傳統實驗使用固液加熱實驗裝置，利用二氧化錳和濃鹽酸之間的氧化還原反應來實現。該套裝置涉及鐵架臺、酒精燈、圓底燒瓶、分液漏斗等多種實驗儀器，較為復雜。在本課題的課堂實踐中，將其改進為圖1所示裝置，在由小試管及膠頭滴管組成的微型反應器中預先放入0.5g高錳酸鉀固體粉末，從滴管中逐滴加入濃鹽酸，再利用排飽和食鹽水的方法將氣體收集備用。

圖1

利用該裝置還可進一步驗證氯氣的若干化學性質。例如，收集半瓶氯氣之后，再使用同樣裝置收集半瓶氫氣（將微型反應器中的藥品換為0.5 g鋅粒，從膠頭滴管向其中滴加稀硫酸即可），由鎂條在旁點燃提供光照條件，即可實現該條件下氫氣與氯氣的化合反應，或是利用收集到的氯氣進行次氯酸漂白性的驗證實驗等。

2.氯氣性質的綜合實驗

實驗室探究氯氣的多種化學性質時，往往需要收集多瓶氯氣，再分別去與不同物質進行反應，觀察現象，得出結論。在本課題的實踐過程中，設計了如圖2所示的微型多泡反應裝置。實驗時，將長直玻璃管進行改造后得到的多泡反應器中，依次于各個球泡處裝入鈉單質、銅片、紅色紙條、溴化鉀溶液、淀粉-碘化鉀溶液、紅磷等物質，按圖2組裝好儀器。擠壓微型反應器上方的膠頭滴管，逐滴加入濃鹽酸至預先裝入的0.5 g 高錳酸鉀固體粉末中，產生的氯氣隨即通入多泡反應裝置，在適當的位置進行加熱。首先，可看到氯氣與鈉單質反應產生的白煙，其次看到氯氣和銅片反應產生的棕黃色煙，紅色紙條逐漸褪色，溴化鉀溶液由無色變為橙黃色，淀粉-碘化鉀溶液變藍，紅磷處出現白色煙霧等現象。最后，尾氣通入適當濃度的氫氧化鈉溶液，完成處理后再排入空氣，減少對環境的污染。

圖2

在本實驗操作過程中，多孔反應器在制作的過程中需注意各個球泡的間距與管徑大小的設計，以保證實驗安全及較好的實驗效果。

3.硫化氫與二氧化硫氣體間的反應

實驗室探究硫化氫與二氧化硫氣體間的反應時，需要分別制備并收集一集氣瓶的硫化氫和二氧化硫，再通過二者瓶口相對的方式使氣體互相接觸，從而進行反應，用量較大，且尾氣不易處理。在本課題的實踐過程中，使用兩個微型反應器，其中分別預先放入少量硫化亞鐵固體和亞硫酸鈉固體，在對應的膠頭滴管中分別吸滿稀硫酸和70%硫酸溶液，最后使用浸有氫氧化鈉溶液的脫脂棉球放在接收器瓶口上，按圖3所示組裝好。

圖3

實驗過程中，先擠壓左側膠頭滴管，加入稀硫酸產生硫化氫氣體，再擠壓右側膠頭滴管，加入70% 硫酸溶液產生二氧化硫，讓二者進入接收器，并于其中發生反應。可觀察到，接收器壁上逐漸析出淡黃色固體，即為反應生成的硫單質。未反應的剩余氣體被脫脂棉球中的氫氧化鈉溶液吸收處理后排空，提高反應效率的同時減少污染的產生。

4.二氧化硫綜合性質實驗

實驗室通過傳統手段對二氧化硫的各項化學性質進行探究時，通常會使用大型連續裝置，使制備出的二氧化硫氣體依次通過盛裝于各個不同容器的待反應試劑中，依次對現象進行觀察與分析，整個過程既復雜又耗費試劑。如圖4，在本課題的實踐過程中，將一個點滴板置于大培養皿中，培養皿內提前放入少量亞硫酸鈉固體，而點滴板的各孔位中，則依次滴入少量品紅溶液、酸性高錳酸鉀溶液、硫化鈉溶液、滴有酚酞的氫氧化鈉溶液、硝酸鋇溶液，以及澄清石灰水。

圖4

實驗過程中，使用膠頭滴管向培養皿中滴入少量70%的較濃硫酸溶液，而后立即蓋上培養皿的蓋子，皿內生成的二氧化硫氣體隨即與各個孔位中的試劑反應，分別出現品紅溶液紅色褪去、酸性高錳酸鉀溶液褪色、生成淡黃色沉淀、滴有酚酞的氫氧化鈉溶液褪色、生成白色沉淀，以及澄清溶液變渾濁等對應現象，由此分析論證二氧化硫的漂白性、還原性、氧化性，以及作為酸性氧化物所體現的性質等。反應結束后，再使用膠頭滴管向培養皿內滴入氫氧化鈉溶液，并再次立即蓋上培養皿的蓋子，進行尾氣處理，減少污染的產生。

5.焰色反應

實驗室使用傳統做法對金屬元素的焰色反應進行檢驗時，需要用到鉑絲或無銹鐵絲蘸取稀鹽酸和樣品，反復灼燒，觀察火焰顏色，操作稍顯復雜。在本課題的實踐過程中，采用如圖5所示的儀器裝置。將脫脂棉團成小棉球，先置于90%的乙醇溶液中浸濕，再分別蘸取少量氯化鉀、氯化鈉、氯化鋇、氯化鈣、氯化鍶、氯化銅固體粉末，之后置于點滴板對應孔位上，用火柴點燃，即可同時觀察到不同金屬元素對應的焰色，操作簡單，現象明顯。焰色分別如下：氯化鉀—紫色（透過藍色鈷玻璃觀察）、氯化鈉—黃色、氯化鋇—黃綠色、氯化鈣—磚紅色、氯化鍶—洋紅色、氯化銅—綠色。

圖5

6.銅與稀硝酸反應實驗

實驗室探究銅與稀硝酸的反應性質及其反應產物時，往往將銅片置于小試管中，再向其中加入少量稀硝酸進行反應，雖然反應現象明顯，但不易觀察反應產物一氧化氮氣體的顏色，試管中液面上方與空氣直接接觸，無色氣體與紅棕色氣體的邊界模糊，給學生帶來一定干擾，并且尾氣不易處理，排放于空氣中，產生污染隱患。在本課題的實踐過程中，采用圖6所示的微型實驗裝置，該裝置使用一次性注射器作為反應容器。

圖6

實驗過程中，預先取下注射器的針頭，將其換為帶有止水夾的橡膠管。向注射器內裝入少量銅片后，將其活塞推至左端盡頭，使注射器中的空氣盡可能全部被排出。打開止水夾，拉動活塞，從橡膠管另一端吸入少量稀硝酸，立即關閉止水夾，可觀察到銅與稀硝酸開始反應，生成無色氣體，該氣體推動注射器活塞向右移動。待生成氣體體積達到注射器容積的四分之一處時，將注射器豎直立起，松開止水夾，吸入少量空氣，可立即觀察到紅棕色氣體的產生。實驗結束后，再次由橡膠管一端吸入少量氫氧化鈉溶液至注射器中，進行尾氣及酸性廢液的雙重處理，消除環境污染隱患。

此裝置密封性良好，氣體逸出風險低，且現象明顯，易于操作。值得注意的是，橡膠管與注射器的連接處需格外注意氣密性的保障。

以上為微型化學實驗課堂實踐過程中的部分設計案例。在實驗教學過程中，教師可以根據學生們在具體操作中出現的各種問題及時地進行針對性輔導，并將觀察到的實驗現象作出完整記錄。

四、微型化學實驗與化學課堂教學相結合的實踐分析

在微型化學實驗的課堂實踐中，教師的教學模式和學生的學習模式都發生了改變。

對于教師來說，這一實驗教學方式的實踐打破了當前課堂教學中教師演示實驗為主的桎梏，也給了一些復雜的綜合性實驗從視頻中走向學生中間的可能。學生通過微型實驗有了更多親手參與實驗的機會，學習興趣得到了激發，動手能力得到了提升，培養了主動學習的習慣與求真務實的科學態度，從而提升了化學學科核心素養[3]。

對于學生來說，在微型化學實驗中，更多的學生獲得了動手實踐的機會，不僅動手能力得到了訓練，更重要的是自發形成的知識增多了，創新精神得以發揮，枯燥的文字知識變為了生動具體的實驗現象，更易被接受和吸收，教學效果良好。

不僅如此，微型化學實驗還對培養學生的溝通交流能力、小組合作能力、綜合探究能力及創新思維能力都具有良好的促進與輔助作用，而這些能力都是化學學科核心素養的重要組成內容。通過微型實驗的實踐，學生從設計、實施、觀察、分析、改進、總結等方面全過程參與，有效鞏固了所學知識，也強化了理論與實際相結合的意識。

五、微型化學實驗實踐中的反思與展望

最開始實踐微型化學實驗時，很多學生會感覺到非常陌生，對裝置組裝與實驗設計毫無思路，這時，教師不必急躁或者氣餒，而是要遵循學習的規律，對學生進行循序漸進的引導。初期，教師的親自示范必不可少，向學生清楚而全面地介紹設計思路及儀器的功能特點，讓學生來模仿，或作出小改進、小創新。經過一段時間的訓練和適應之后，學生對微型實驗及儀器用途有了全面的感知，課程實施起來便有了更多的靈活度，可以給予學生更多的實驗自由。在保證安全的前提下，由學生根據已有知識、實驗目的，來進行獨立自主的探究實驗。

此外，在教學實踐過程當中進行反思時，也發現一些問題需要得到進一步研究。例如，微型化學實驗由于具有“裝置微型化、試劑微量化”等特點，在觀察實驗現象時，需要近距離來操作。因此，微型化學實驗并不適宜作為教師演示實驗來使用。此外，實驗儀器的種種創新，使得在同一物質性質探究的反應過程中，微型化學實驗與實驗室傳統操作方法之間存在一定差異，其相關操作并非常規規范化操作。因此，在對學生基本實驗操作技能的培養方面，微型化學實驗往往也存在一定的局限性。第三，微型化學實驗的設計中，對于反應容器的選擇開放度較高，因此常常遇到使用塑料材料（如一次性注射器等）或橡膠材料進行裝置組裝的情況，因此，教師在前期設計階段，務必注意對反應條件及所選用試劑的摸索。在指導過程中，也需及時引導學生注意器材對于反應條件或反應試劑的限制，如塑料型裝置不可加熱，橡膠材料參與組裝的裝置需注意防腐蝕等。從另一角度來說，這些分析過程也有利于培養學生利用所學書本知識解決實際問題的能力。

總之，微型化學實驗開辟了中學化學實驗教學的一條新路徑。教師在實踐這項改革的過程中，根據本校化學實驗教學的實際情況，當好引導者，設計出生動有趣又高效綠色的實驗，時刻秉持著“由學生來做課堂的主人”的思想，引導學生變被動為主動、由模仿到創新，培養科學精神，提高學科素養。