以“三個一行動”開展化學實驗創新的嘗試

李德前 石磊 馬逸群 魏海

：在進行化學實驗創新時，嘗試以“三個一行動”為抓手，即“運用一種創新方法改進多個化學實驗”“改進一個化學實驗使用多種創新方法”“使用一件儀器裝置設計多個化學實驗”；因此豐富了實驗教學資源，提高了實驗教學質量，擴大了名師工作室的影響力。

：三個一行動；化學實驗創新；嘗試

多年來，李德前名師工作室以“三個一行動”為抓手開展化學實驗創新活動，已在《化學教學》《化學教育》《中學化學教學參考》等知名期刊上陸續發表實驗創新成果近二百項，其中一項被編入教科書，有些項目成為全國各地選拔性考試的命題素材。

“三個一行動”就是“運用一種創新方法改進多個化學實驗”“改進一個化學實驗使用多種創新方法”“使用一件儀器裝置設計多個化學實驗”。下面結合具體的案例，對此加以闡述。

1運用一種創新方法改進多個化學實驗

化學實驗創新的方法一般有缺點列舉法、希望點列舉法、放大法、縮小省略法、組合法、替換法和移植法等。不管哪種創新方法，只要運用合理，都能研制出新的裝備器材。下面以縮小省略法（就是使用縮一縮、減一減、省一省等刪減手段對化學實驗進行改進）為例，介紹它在改進化學實驗中的應用。

案例1.在白色打印紙上檢驗溶液的酸堿性

現行九年級化學教科書中檢測溶液酸堿性的實驗，通常是在小試管中進行的，而一次實驗需要7～8支試管，不僅浪費試劑，清洗儀器也較為麻煩。在“縮小省略法”的啟發下，我們嘗試將實驗放在白色打印紙上做，一張紙可以滴加8～10種待測液（改進裝置見圖1），不僅方便學生實驗，也節約試劑，還省去了清洗儀器的麻煩。

上述改進實驗的主要操作是：

（1）學生每兩人一組，取一張16k的普通白色打印紙，將其裁成直徑約為18cm的圓形紙張，然后用黑色的簽字筆在白紙上均勻寫出各種待測液的名稱（如稀鹽酸、肥皂水、燒堿溶液等，見圖2），再將圓形白紙放在三腳架上。

（2）借助膠頭滴管，將需要檢測的幾種溶液分別滴到白紙的對應位置（每種待測液只需滴1滴即可，每兩種待測液之間保持3cm左右的距離）；再分別向上述待測液中滴加1滴石蕊溶液（或酚酞溶液），即可觀察到溶液的變色情況，進而可知溶液的酸堿性。

（3）接下來，每組同學拿起白紙，以正面進行展示，此時教室里宛如春天的花園，“處處盛開著五顏六色的花朵”，讓學生激動不已。

該實驗創新案例增加了學生動手實驗的機會，培養了學生勤儉節約的習慣，激發了學生學習化學的興趣，有助于學生熟悉常見物質的酸堿性。

案例2.在長柄V形玻璃管里比較蘇打、小蘇打的熱穩定性

高中化學比較蘇打、小蘇打熱穩定性實驗，傳統的設計大多是利用“套管實驗”，雖然實驗現象明顯、實驗的對比性強，但是將大小不同的兩支試管套接在一起，組成封閉式的實驗裝置，操作著實麻煩，很多教師因此放棄了該實驗。我們在“縮小省略法”的引導下，只用一根長柄V形玻璃管，就完成了蘇打與小蘇打的對比實驗（改進裝置見圖3，夾持裝置略）。

上述改進實驗的主要操作是：

（1）按圖3所示裝好藥品、連好裝置（注意石灰水液面以剛好接觸到V形管的上管壁為宜）。

（2）先加熱蘇打120s左右，觀察到石灰水沒有明顯的變化；再加熱小蘇打120s左右，石灰水很快明顯變渾。

（3）上述實驗現象充分說明，蘇打的熱穩定性強，小蘇打的熱穩定性低、受熱易分解。

該實驗創新裝置，有利于學生了解化學儀器的多樣性，體驗對比實驗的多元性，認識蘇打與小蘇打性質的差異性。

案例3.用微型導電測量儀檢測溶液的導電性

演示九年級化學教科書中溶液的導電性實驗時，每次實驗前都需將電源、小燈泡、開關、電極、燒杯等用導線有序連接起來，儀器的組裝比較麻煩。我們利用“縮小省略法”改進該實驗，將紐扣電池、發光二級管和導線巧妙組合起來，就制成了一個微型導電測量儀，不僅可以方便、安全的測量溶液的導電性（改進裝置見圖4），還可以檢測金屬、非金屬是否導電。

上述改進實驗的主要操作是：

（1）取適量的待測溶液，將其注入小燒杯中，再將微型導電測量儀的兩個電極插入溶液中少許，如果發光二極管發光，則該溶液導電，并且發光二極管的亮度越大則導電性越強，反之亦然。

（2）如果測量固體物質是否導電性，需將微型導電測量儀的兩個電極同時接觸固體表面，如果發光二極管發光，則該固體導電。

該實驗創新方案豐富了化學課中的跨學科實踐活動，能促進學生積極學習化學知識、主動探究科學奧秘。

2 改進一個化學實驗使用多種創新方法

化學教師的認知視角不盡相同，因此針對某個化學實驗的瑕疵所采用的創新方法也是不同的。使用多種方法對某個化學實驗進行改進和優化，可以豐富實驗創新方案。

如現行九年級化學教科書中編排的探究微粒運動實驗，所用儀器涉及三個燒杯，每次演示時都需要將三個燒杯重新組合，不僅操作繁瑣，而且氨氣外逸嚴重，我們采用多種方法對該實驗進行重新設計，改進出了多個優秀的實驗方案。

案例4.通過改變操作方法探究微粒運動

教科書中的實驗是將濃氨水、酚酞溶液分別盛放在兩個小燒杯里（再罩上大燒杯），我們將盛有酚酞溶液的小燒杯省略，而將酚酞溶液附著在大燒杯底部（改進裝置見圖5），這樣優化后，實驗現象依然明顯，而操作方法卻簡潔明了。

上述改進實驗的主要操作是：

（1）向250mL燒杯的底部倒入2mL左右的酚酞溶液，然后輕輕擺動燒杯，使酚酞溶液均勻附著在大燒杯底部。

（2）向50mL小燒杯里注入約5mL濃氨水，立即按圖5所示連好整個實驗裝置。

（3）很快可以觀察到，大燒杯底部的酚酞溶液變為紅色，從而說明氨分子在不斷運動。

此改進實驗源于課本但優于課本，不僅貼近學生思維發展的最近區，而且有利于學生初步體會化學學科宏微結合的思維方式。

案例5.通過替換實驗裝置探究微粒運動

仍然保持濃氨水、酚酞溶液這兩種試劑不變，我們還可以將原實驗中的三個燒杯壓縮為一個廣口瓶（改進裝置見圖6），不僅簡化了操作，而且實驗過程對環境友好。

上述改進實驗的主要操作是：

（1）準備一個250mL的廣口瓶，再找一個配套的橡皮塞；在橡皮塞的小頭（反面）借助大頭針固定一根長約10cm的滴有酚酞溶液的紗布條。

（2）向250mL廣口瓶里，注入大約10mL的濃氨水，然后立即按圖6所示，連好整個實驗裝置（確保裝置不漏氣）。

（3）很快觀察到，酚酞紗布條從下往上逐漸變紅，充分說明氨分子在不斷運動。

該實驗裝置組合巧妙，能夠培養學生的創新意識；結構簡潔，有利于學生認識實驗的化學原理；現象直觀，有利于學生透過宏觀現象探視微觀本質。

案例6.借助氧氣傳感器探究微粒運動

教科書中的實驗是通過化學變化（氨水使酚酞變紅色），得出氨分子不斷運動的結論；我們通過物理變化（氧氣擴散），借助氧氣傳感器實時測出集氣瓶里氧氣濃度不斷減小（改進裝置見圖7），也證明了微粒在不斷運動。

上述改進實驗的主要操作是：

（1）在250mL集氣瓶里集滿氧氣，然后在瓶口蓋好玻璃片，備用。

（2）準備一個便攜式氧氣傳感器，打開“開關”后，將傳感器的探頭插入氧氣瓶中。

（3）從數據處理器上可以實時發現，氧氣濃度不斷減小（最終降至21%左右，與常態空氣中的氧濃度一致），說明氧氣因為擴散而逃逸到空氣中，即氧分子在不斷運動。

該實驗創新方案基于數字技術，能夠培養學生的定量意識，幫助學生認識氣體分子運動特點，促進學生體驗現代教育裝備在化學實驗中的應用價值。

多年來，我們利用常規儀器和自制裝置（如直角玻璃管、長柄V形玻璃管等），設計出很多新穎別致、簡單實用的化學實驗用具。下面以常規儀器U形管為例，介紹幾個創新實驗案例。

案例7.借助U形管檢驗蠟燭燃燒的產物

現行九年級化學教科書中檢驗蠟燭燃燒的產物，都是借助干冷的小燒杯和石灰水進行的，但是“干冷”狀態的小燒杯不容易得到；另外，燒杯開放的形狀也使捕獲的燃燒產物偏少，因而實驗現象不夠明顯。我們將U形管的一端罩在蠟燭火焰上（改進裝置見圖8），此時U形管內就存在較強的氣體對流，因此可以捕獲較多的燃燒產物。

上述改進實驗的主要操作是：

（1）準備一個干燥的18mm×180mm的U形管，備用。

（2）點燃桌面上的蠟燭，待蠟燭燃燒穩定后，將U形管的一端罩在蠟燭火焰的中上部；8～10s后，U形管內壁出現明顯的小水珠；再將U形管快速翻轉過來，立即向U形管中注入適量石灰水，輕輕振蕩，石灰水立即變渾濁。

（3）上述實驗現象可以證明，石蠟燃燒的產物是水蒸氣和二氧化碳氣體，進而可知石蠟中一定含有碳元素、氫元素，可能含有氧元素。

該實驗創新方案有利于學生自我探究石蠟的組成，并認識物理規律在化學實驗中的應用，從而提高學生運用跨學科知識解決實際問題的能力。

案例8.借助U形管設計氣體燃燒實驗

現行九年級化學教科書中大都涉及氫氣、一氧化碳和沼氣的燃燒實驗，為了確保安全，在點燃氣體之前都會對可燃性氣體進行驗純操作，即便如此謹小慎微，有時也難免發生爆炸事故。我們借助盛有適量水的U形管進行氣體燃燒實驗（改進裝置見圖9，夾持裝置略），確保了實驗安全。

上述改進實驗的主要操作是：

（1）準備一個15mm×150mm的U形管，向其中注入適量的自來水（水面超過上管壁1cm左右）。

（2）按圖9所示連好整個實驗裝置，然后緩緩向U形管內通入燃氣，4～5s后，即可在U形管的右支管口處將燃氣點燃。如果U形管內出現回火且伴隨爆鳴聲，說明燃氣中混有空氣或氧氣；但由于U形管底部水的冷卻及阻礙作用，回火瞬間熄滅。

（3）繼續通入燃氣4～5s后，再次將燃氣點燃，此時氣體一般能安靜燃燒。

此改進裝置雖然簡單，卻顯著提高了化學實驗的安全性，增強了學生對防爆原理的認知水平，提升了學生抵御科學風險的技能。

案例9.借助U形管進行加熱碳酸氫銨實驗

現行滬教版九年級化學教科書中加熱碳酸氫銨實驗是在蒸發皿里進行的，既沒有檢驗分解產物（不利于學生認識碳酸氫銨消失屬于化學變化），也沒有環保措施。我們借助U形管重新設計該實驗（改進裝置見圖10，夾持裝置略），檢驗了反應產物，體現了環保理念。

上述改進實驗的主要操作是：

（1）準備一個18mm×180mm的U形管，向其中加入適量的碳酸氫銨（蓋滿U形管底部即可）。

（2）按圖10所示，連好整個實驗裝置（確保裝置不漏氣）。

（3）點燃酒精燈，加熱碳酸氫銨；很快觀察到，白色固體逐漸消失，U形管內壁出現大量水珠，酚酞溶液變為紅色，石灰水變渾濁，很好的說明了碳酸氫銨消失屬于化學變化，該化學變化的產物有二氧化碳、水和氨氣。

此改進裝置有利于培養學生的證據推理意識，有助于激發學生學習化學的好奇心，有益于學生認識碳酸氫銨的化學性質及保存方法。

4結束語

基于“三個一行動”開展化學實驗創新，因此開發出了大量具有科學性、思維性、實用性、簡約性和趣味性的實驗案例，為“雙減”背景下中學生開展跨學科綜合實踐活動提供了豐富的素材，在中學化學實驗教學中發揮了示范引領作用。

化學實驗創新的最終目標是為了提高學生的核心素養，因此要充分用好“學生實驗課”和“課后延時服務”，積極吸納學生直接參與這項富有創造性的活動；這部分活動所用課時，原則上約占學生實驗和實踐課時的1/5即可。

參考文獻：

[1]李德前.例談初中化學實驗創新的思維方法[J].化學教學，2013，（03）：65-68.

[2]王來東，李德前.借助濾紙檢驗溶液的酸堿性[J].中小學實驗與裝備，2020，30（06）：34-35.

[3]陳立銘 李德前. 利用長柄V型玻璃管比較碳酸鈉和碳酸氫鈉的熱穩定性[J]. 化學教育， 2014， 35（21）：56-57.

[4]張玲.導電性測試實驗改進[J].教學儀器與實驗，2008，（05）：24.

[5]魏海，李德前.創新化學實驗的方法——以“探究微粒運動的實驗”為例[J].中國現代教育裝備，2013，（06）：35-36.

[6]李德前，周梅華.巧借二氧化碳氣體擴散探究微粒運動性[J].化學教育，2015，36（23）：68-70.

[7]許大雨，魏海.U形管在化學實驗中的妙用[J].中國現代教育裝備，2018，（06）：32-34.

[7]法浩，李德前.借助直角玻璃管的化學實驗設計[J].化學教學，2020，（10）：68-71.

[8]馬逸群，魏海.在實驗改進和設計中培養學生的創新精神和實踐能力[J].化學教學，2016，（10）：16-20.

[9]李德前，魏海，馬逸群，朱玉忠.基于逆向思維創新化學實驗的嘗試[J].化學教學，2022，（08）：73-76.

基金項目：江蘇省教育科學“十四五”規劃2021年度課題“以‘化學實驗創新’主題教研促進名師工作室發展的研究”（D/2021/02/742）；全國教育科學“十三五”規劃2019年度教育部重點課題“中小學智能實驗教學系統的構建與應用實踐研究”的子課題“促進核心素養發展的化學智能實驗的開發與應用”（DCA190327-32006）。