新技術背景下化學演示實驗的革新實踐

胡天雪

(湖南省長沙市明德中學)

眾所周知,化學課堂常常伴隨各種各樣、多姿多彩的演示實驗。演示實驗本應起到激發學生們的學習興趣、引發思考、明晰規律的作用。但傳統的演示實驗模式——由教師獨自或在兩三位同學的幫助下在講臺上完成,此方法效率低下、問題多多。如:現象難以觀察(哪怕現象明顯的實驗也往往只有靠近講臺的同學能看清)、學生參與面小、準備及反應時間長、難以進行平行實驗、實驗危險性較大或產生有毒氣體等等。

那么在新技術背景下,我們能否讓化學演示實驗變得更易觀察、更高效、更綠色、更多元呢?筆者與長沙市明德中學的化學名師團隊們一起做了以下嘗試和探索。

一、巧妙“捕捉”難以觀察的現象

在進行演示實驗時,有些反應現象通過肉眼很難觀察到,因此學生難以對此類現象產生感性認知。例如,對于演示實驗時發生的反應放熱或吸熱現象,在傳統教學模式中,老師們常常用觸摸儀器外壁或溫度計測量的方法,讓同學們感知反應時的吸放熱現象,但這兩種方法均難以同一時間讓全班同學觀測到,此時我們便可以使用熱成像技術進行觀察,可以清晰而直觀地看到反應體系的溫度變化(如圖1)。

圖1 利用熱成像技術觀察反應的放熱現象(左圖為筆者實拍;右圖來自“重現化學”網站)

又比如甲烷與氯氣的取代反應,本實驗實際上需要相當長的時間才能觀察到油狀液滴生成。老師往往選擇在課外完成這一演示實驗,在課堂上直接以照片或視頻的形式展示成果。但這樣的演示實驗與直接要求學生識記結論一樣,失去了現場感與真實感,對學科核心素養的培養也沒有幫助。那我們如何能在現場觀察到這一反應的緩慢進行呢?根據《化學教育(中英文)》2021年03期中江軍老師的創新設計(如圖2),我們團隊也成功借助壓力傳感器精確感知到了反應體系中的壓強變化。

圖2 甲烷取代反應創新裝置

通過“觀察”到壓強減小來驗證氯仿與四氯化碳的生成,而此時油狀液滴用肉眼往往無法察覺。同時我們還對方案作了進一步改進——使用手持式激光甲烷遙測儀(如圖3)替代壓強傳感器,該儀器專用于測量甲烷,精度更高。同時該儀器可以遙測容器中的甲烷含量,并直接示數,極大地簡化了裝置(只需一個透明反應容器),體系密閉性也變得更好。

圖3 激光甲烷遙測儀

二、借慧眼感知微觀世界的變化

我們能通過明顯的現象來確認反應的發生,那么我們又能否觀察到反應沒有發生的證據呢?筆者在帶領孩子們探究離子反應的本質時,根據教材編排做了這樣一個演示實驗——混合氯化鋇與硫酸鈉溶液,觀察到有白色沉淀生成,可以知道該反應的本質是鋇離子與硫酸根離子反應生成硫酸鋇沉淀。但同學們提出了質疑——我們的確沒有看到鈉離子與氯離子反應的現象,但有沒有可能它們的反應就是沒有明顯現象的,或者現象被硫酸鋇沉淀干擾,而不便于觀察了呢?孩子們的話引發了我的思考——的確,我們能用宏觀現象確定離子反應的發生,但反過來說,如果離子沒有參與反應,我們能不能“觀察”到相應證據呢?經過探討,我們團隊得出方案——可以通過探究鈉離子或氯離子反應前后物質的量是否減少來驗證它們未參與反應的結論(如圖4)。

用鈉離子計測量燒杯中溶液的c(Na+)

測得鈉離子濃度為15.19 g/L,約0.66 mol/L

加等體積氯化鋇溶液,產生白色渾濁

測得初始鈉離子濃度為28.95 g/L,約1.26 mol/L

我們還可以在酸堿滴定實驗中借用傳感技術這雙慧眼。傳統的中和滴定實驗往往用酸堿指示劑來判斷反應的終點,但這種間接判斷反應終點的做法常被學生質疑不夠準確。

于是我們團隊再次利用pH傳感器和高頻數字傳感器技術對該實驗進行了實驗革新(如圖5)——利用傳感技術既可以精密地測定滴定實驗過程中的pH變化,還可以在電腦上自動實時生成滴定過程的pH曲線(如圖6)。不僅如此,準確的測定數據也證明了強酸與強堿滴定時用酚酞或甲基橙作指示劑帶來的體積誤差很小,消除了學生的顧慮!

圖5 利用傳感技術進行中和滴定實驗

圖6 實時測繪出的滴定過程pH變化曲線

三、微實驗+投屏技術——less is more

筆者最早是受到一道探究氯氣性質的高考題(例題如下)的啟發而開展氣體制備與性質探究系列微實驗研究的。

(2012年上海卷,15題)如圖所示是驗證氯氣性質的微型實驗,a、b、d、e是浸有相關溶液的濾紙。向KMnO4晶體滴加一滴濃鹽酸后,立即用另一培養皿扣在上面。

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對實驗現象的“解釋或結論”正確的是

通過不斷地實驗設計與嘗試,筆者發現二氧化硫、硫化氫、氨氣、氯化氫和乙炔等氣體均可設計類似的密閉環境微實驗來完成氣體制備與性質的探究,十分值得推廣。因為微實驗不僅可以簡化實驗的準備環節,一次完成氣體制備與多項性質探究任務,實現高效課堂,還可以提高實驗的安全性,減少有害氣體產生,符合綠色化學的理念。有的老師可能會擔心實驗的“微”會影響同學們觀察演示實驗的現象,其實在信息時代,只要一部擁有高像素鏡頭的智能手機,即可利用投屏技術與教室內的一體機實現一鍵連接、實時播放,拍攝角度可以靈活調整,反應細節可以隨意放大,教室每個角落的孩子們都能清晰觀察,全面參與(如圖7)。

圖7 利用投屏技術可以讓全體同學清晰觀察實驗現象

四、善用模擬實驗,讓一切皆有可能

在我們的實際教學中,有時會涉及一些危險性較大或是藥品難以獲得的實驗,教師往往基于現實考量,不得不遺憾地將這一類實驗放棄。

利用最新的模擬實驗技術可以解決這一難題(如圖8)。模擬實驗雖然少了一點真實感,但非常適合用來呈現某些實驗——比如我們可以用金屬銫或氟氣這類現實中難以獲得的藥品進行無數次的模擬實驗,也可以放心地演示將水倒入裝有濃硫酸的燒杯等錯誤操作會帶來什么后果。再比如配制一定物質的量濃度的溶液、萃取分液、蒸餾等實驗等,如果讓全體學生自行用模擬實驗軟件在平板電腦上模擬操作,便能有效幫助學生熟悉實驗儀器、熟練實驗基本操作、掌握實驗流程。有些功能較強的模擬實驗軟件,如NB實驗室,還能羅列出學生在儀器裝配或實驗操作上的所有失誤。

圖8 利用模擬實驗軟件進行現實中難以完成的實驗和實驗基本操作訓練

五、結語