初中化學實驗教學優化探析

吳良根

摘 要：初三化學實驗教學的重要目標之一，就是通過大量生動有趣的化學實驗，讓學生在觀察奇妙實驗現象的同時，領悟化學變化的規律，體驗科學探究的歷程，激發對物質世界的好奇心和探索欲。教學中，教師可以圍繞實驗方案、實驗裝置、實驗現象、實驗成本等進行優化，從而更好地發揮實驗教學的功效。

關鍵詞：初中化學；實驗教學；科學探究

本文系江蘇省蘇州市教育科學“十四五”規劃課題“‘高·品·質初中化學實驗教學研究”（編號：2021/LX/02/156/06）的階段性研究成果。】

初三化學實驗教學的重要目標之一，就是通過大量生動有趣的化學實驗，讓學生在觀察奇妙實驗現象的同時，領悟化學變化的規律，體驗科學探究的歷程，激發對物質世界的好奇心和探索欲。實踐中，教師可以根據學情對一些“環節”進行優化，從而更好地發揮實驗教學的功效。

一、 優化實驗方案

出于學生認知水平與相應教學目標等的考量，初中化學的一些實驗會舍棄對一些屬性的關注或探究。如初三開始階段的化學實驗重在激趣啟思，方案一般簡約、易操作。當然，如果學生的認知基礎較好，教師就可以相應地提高要求，優化實驗方案，幫助學生建構更加完善的認知，培養嚴謹求實的科學態度。

（一） 讓反應更加徹底

例如，滬教版初中化學九年級上冊“空氣中氧氣體積分數的測定”的實驗方案如下：

1. 將下頁圖1所示集氣瓶的容積劃分為5等分并加以標記。

2. 在帶橡皮塞和導管的燃燒匙內裝滿紅磷，將膠管上的止水夾夾緊，把燃燒匙內的紅磷放在酒精燈火焰上點燃，并迅速伸入集氣瓶內，塞緊橡皮塞，觀察到什么現象？紅磷在集氣瓶中燃燒，消耗了什么氣體？

3. 待火焰熄滅后，觀察紅磷是否已經燃燒完全。待集氣瓶冷卻到室溫后，把導管插入盛水的燒杯中，打開止水夾，觀察到什么現象？

4. 依據實驗現象推斷空氣中氧氣所占的體積分數。

這是第1章《開啟化學之門》中的一個演示實驗，用來幫助學生初步了解化學研究物質組成和結構的方法。因為面向的是剛剛開啟化學學習之門的學生，所以這一演示實驗更加注重現象的直觀性和試劑的易得性，而對科學性要求沒有很高。事實上，試圖利用紅磷燃燒除盡集氣瓶內空氣中的氧氣，是不可能達到的。因為在燃燒過程中，隨著氧氣的消耗，燃燒的激烈程度減弱，產生的熱量減少，溫度也隨之下降。當溫度達不到可燃物的著火點時，燃燒便會終止。同時，用這一方法完成實驗時，產生誤差的人為因素也較多，如紅磷在空氣中引燃后沒有及時地塞進集氣瓶中，會造成集氣瓶中的空氣由于受熱而逸出瓶外；如果取用的紅磷量不足，則更加不可能將集氣瓶內的氧氣全部反應掉。另外，在空氣中引燃紅磷時產生五氧化二磷白煙，容易在教室內擴散，造成一定的污染。

要更加精準地測定出空氣中氧氣的含量，必須最大可能地把容器內空氣中的氧氣消耗完。經實驗測定，用加熱銅絲的方法除去密閉容器內空氣中的氧氣，較為完全徹底。此外，可以設法讓容器內的空氣（氧氣）流動起來，與銅絲充分接觸，以達到反應更加完全徹底的目的。優化后的實驗方案如下：

1. 如圖2所示，將一根繞成螺旋狀的細銅絲小心地裝入一支細長的普通硬質玻璃管內，將玻璃管的兩端分別用橡膠管和注射器（其中一只注射器調整活塞，內部留有50mL的空氣；另一只注射器活塞推進到底部，不留空氣）連接成一個密閉系統。

2. 點燃酒精燈，加熱裝有細銅絲的玻璃管。待銅絲的溫度升高后，先推動右邊留有空氣的注射器的活塞，將留在注射器內的空氣通過中間的玻璃管緩慢地推入左邊的注射器內。待空氣完全進入左邊的注射器后，再緩慢地推動左邊注射器的活塞，將空氣推入右邊的注射器內。如此重復交替推動兩只注射器的活塞，使空氣在銅絲周圍來回流動。可以觀察到：光亮紅色的銅絲逐漸變黑。

3. 熄滅酒精燈，將殘留的氣體再次全部推入右邊的注射器內，冷卻至室溫后，讀出殘留在注射器內氣體的體積數。與原來的50mL比較，減少的體積即為50mL空氣中所含氧氣的體積。根據體積分數的計算公式，可以粗略地計算出空氣中氧氣的體積分數。

該實驗所用的硬質玻璃管要求相對細小，這樣玻璃管內所含空氣的量可以忽略不計。選擇的注射器則要求相對較大，注射器內留有的空氣也要較多，這樣等反應結束后，消耗的氧氣的量也多，體積變化才會明顯。

（二） 讓反應更容易發生

例如，人教版初中化學九年級上冊“對蠟燭及其燃燒的探究”實驗，要求觀察蠟燭熄滅時的現象：

蠟燭是由石蠟和棉線燭芯組成的。運用除味覺以外的所有感官，盡可能對一支蠟燭在點燃前、燃著時和熄滅后的三個階段進行觀察……

觀察蠟燭熄滅時有什么現象發生。用火柴去點蠟燭剛熄滅時產生的白煙（如圖3），蠟燭能否重新燃燒？

蠟燭熄滅后在燭心上方會形成一縷白煙，這是燃燒時氣化的石蠟蒸氣經冷卻凝固而成的。因此，這縷白煙的主要成分為石蠟，具有可燃性，從理論上講引燃后是可以燃燒的。但是，蠟燭火焰熄滅（一般用嘴吹滅）后，這縷白煙很容易隨風流動而消散，不容易凝聚在一起，造成石蠟的量過少且不集中（濃度低），如此是很難用火柴引燃的，在實際操作中成功率也不高。

欲使石蠟熄滅時產生的白煙燃燒起來，白煙的濃度越高，效果就會越明顯。因此，在操作中最好先將白煙收集起來，然后進行引燃操作。在實際操作中，可以先用器材吸取燭心中的白煙，等采集到的白煙量較多時，再進行引燃操作。我們可以用一個玻璃材質的醫用注射器伸入燃著的蠟燭火焰的焰心部分，輕輕抽動活塞，從而明顯觀察到白煙被收集到注射器內（如圖4）；然后輕輕推動活塞，將推擠出來的白煙在火焰上引燃，從而觀察到明亮的火焰（如圖5）。也可以用體積較大的膠頭滴管吸取白煙（如圖6），擠出后在火焰上引燃（圖7）。

二、 優化實驗裝置

初中化學實驗室的儀器大多屬于常規儀器，藥品種類和儲存、測量手段也比較有限，導致有些實驗在教學時效果不盡如人意。對此，我們可以通過優化實驗裝置來提升實驗教學效果。優化可以是整體替換，如采用一體化裝置；也可以是局部調整，如更換實驗使用的儀器，改變反應物種類或用量，調整操作順序等。

例如，滬教版初中化學九年級上冊《性質活潑的氧氣》一節的編排是，先教學氧氣的性質，再教學氧氣的實驗室制法。教學時，大多數教師的做法是：課前，在化學實驗室制取并收集幾瓶氧氣帶進教室；上課時，先給學生講解氧氣的性質，再完成木炭、石蠟、硫、磷、鐵絲等物質在空氣和氧氣中燃燒的比較實驗，通過比較燃燒的劇烈程度驗證氧氣具有助燃性的結論。

微粒是不斷運動的。收集在集氣瓶中的氧氣容易逸出集氣瓶外，時間長了，集氣瓶內氧氣的濃度也隨之降低，因此在進行氧氣性質驗證實驗時，一些實驗的現象不是很明顯，特別是鐵絲在氧氣中的燃燒實驗效果比較不理想。

理想的實驗裝置要能根據需要隨時開始和中止氧氣的制取。圖8所示即為一種優化后的實驗裝置：將一個集氣瓶（無底）與一個吸濾瓶（瓶口分別塞有單孔橡皮塞）中間用一段玻璃管相連通；用鐵架臺將分液漏斗固定，下端用膠皮管與吸濾瓶支管相連；在吸濾瓶中放入少量二氧化錳，在分液漏斗內裝入一定量的稀雙氧水（過氧化氫溶液）。

實驗時，打開分液漏斗活塞，少量雙氧水流入吸濾瓶內，遇二氧化錳后迅速反應產生氧氣，經玻璃管進入上方無底的集氣瓶中。在這個無底集氣瓶（作為反應容器）中，即可連續完成木炭、石蠟、硫、磷、鐵絲等物質在空氣和氧氣中燃燒的實驗。在實驗過程中，如果氧氣量少了，可再次打開活塞，讓雙氧水流入吸濾瓶中；而反應太快或實驗即將結束時，可關閉活塞。這樣，既節約藥品，也不用提前在實驗室里制取并收集氧氣，再來完成氧氣的性質實驗，實驗教學效果也很好。

三、 優化實驗現象

初中化學的某些實驗，反應較為緩慢或現象不是很明顯。對此，教師可以引入數字化技術，運用溫度、壓強、二氧化碳、氧氣、電流、酸度等數字傳感器，即時呈現細微的物理量變化，使實驗現象更加直觀、精確。

例如，人教版初中化學九年級上冊“對蠟燭及其燃燒的探究”實驗中的“蠟燭火焰各層溫度比較”實驗：

點燃蠟燭，仔細觀察燃著的蠟燭。蠟燭燃燒時發生了哪些變化？火焰分為幾層？哪層最明亮？哪層最暗？

取一根火柴梗，拿住一端迅速平放入火焰中（如圖9），約1s后取出。根據火柴梗在火焰不同部位被燒的情況，推測火焰哪一部分的溫度最高，哪一部分的溫度最低。

與酒精燈的火焰相比，蠟燭的火焰比較小，憑肉眼觀察蠟燭火焰中的外焰、內焰和焰心三層火焰，區別不是特別明顯。將火柴梗（細木棍）放入燃燒著的蠟燭火焰中，很快取出，可觀察到處于焰心部位的木棒炭化最為輕微，說明此處的溫度較低，但處于內焰和外焰部位的木棒炭化程度相近（如圖10），很難根據其來比較外焰和內焰的溫度高低。

對此，考慮引入數字化技術進行即時數據采集：將三支高溫傳感器與數據采集器、計算機（安裝有相關數據處理軟件）相連接，組合成一套能測量出蠟燭燃燒時三層火焰溫度的數字化實驗裝置；將三支高溫傳感器同時插入蠟燭火焰中的三處不同部位（如圖11），打開軟件的“采集”按鈕，觀察實驗數據和曲線變化。

可觀察到處于蠟燭火焰三處部位的高溫傳感器呈現出來的溫度值均迅速升高，產生的曲線（如圖12）也呈明顯的由低向高的趨勢；經過一段時間，溫度慢慢穩定，等數據基本平穩后，讀出外焰、內焰和焰心的溫度分別為780℃、610℃和510℃左右。

教學中，可先通過木棒炭化實驗，讓學生對蠟燭燃燒時三層火焰處的溫度高低有個初步認識；再通過數字傳感器獲得的精準數據，對三層火焰處的溫度高低有更為明確的結論。數字化實驗與傳統實驗相互呼應、相互印證，可極大地提高實驗數據的準確度，優化實驗現象。

四、 優化實驗成本

初中化學的很多實驗只需要學生定性了解，或者只需要很少的試劑用量便能觀察到實驗現象。而初中化學實驗室的儀器大多屬于常規儀器，試劑等的用量是相對固定的，可能導致實驗成本的浪費。因此，《義務教育化學課程標準（2022年版）》“鼓勵實驗的綠色化設計，開展微型實驗”［1］。即在開展化學實驗時，盡可能使用微型化的實驗儀器，取用最少量的化學試劑。這樣，既可避免浪費藥品，又能避免污染環境，同時還能提升實驗的安全性，達到化學實驗綠色化的目標。開展微型實驗教學的關鍵是選用合適的、微小的反應儀器，目前選擇較多的有注射器、W型中空玻璃管和西林瓶等。

例如，人教版初中化學九年級下冊“一氧化碳還原氧化鐵”實驗：

在實驗室里，可以利用下頁圖13所示的裝置進行實驗。從實驗中可以看到，玻璃管里的粉末由紅色逐漸變黑，這種黑色的粉末就是被還原出來的鐵；試管里的澄清石灰水變渾濁，證明有二氧化碳生成。

本實驗是初中化學中一個裝置較為復雜、操作較為嚴格、污染較為嚴重的實驗。選用上述裝置完成實驗，需要在實驗室中先制取并儲存一定量的一氧化碳氣體。實驗結束后，需要將沒有反應掉的一氧化碳氣體進行燃燒處理，既浪費了資源，也對教室內的環境造成了影響。此外，這個反應要求的溫度較高，需要使用酒精噴燈，如果操作不當，容易引起一氧化碳氣體的爆炸。所以，在實際教學中，一些教師會采用回避的方法，用講解或播放視頻的方式代替實驗。

完成本實驗最大的問題是要使用大量的一氧化碳氣體（初中化學實驗室中較少有制取一氧化碳的藥品和儲存一氧化碳氣體的設備），同時安全較難得到保障，環境會被污染。因此，比較合理的做法是，先用教材中的實驗方案進行實驗原理及操作要領的教學，然后采用微型實驗裝置來完成這個實驗。理想的設計是，能即時產生少量的一氧化碳氣體用于實驗，達到即時、迅速、安全、節能和環保的目的。我們可以用5mm—10mm的中空玻璃管在酒精噴燈上加工制作成W型玻璃管。將W型玻璃管作為反應容器，在實驗時需要取用藥品的量少，也很方便將藥品加入其中，效果很好。也可以將兩根“V”字形玻璃管用膠皮管連接成W型玻璃管，甚至可以連接多個“V”字形玻璃管組裝成加長版的W型玻璃管。

在講解示范“一氧化碳還原氧化鐵”實驗的要點后，取三根“V”字形玻璃管，在每根玻璃管的凹處分別加入濃硫酸、氧化鐵粉末和澄清石灰水，然后用膠皮管連接成一個加長版的W型玻璃管，做成實驗裝置（如圖14），完成該實驗。

用該裝置完成“一氧化碳還原氧化鐵”實驗，由于取用的氧化鐵數量少，因此，參加反應的一氧化碳氣體的量也少。不需要提前在實驗室制取并儲存一氧化碳氣體。只要在實驗時輕擠出膠頭滴管中的甲酸溶液，滴入硫酸中加熱，就能產生一氧化碳氣體。這樣，可極大地提高完成該實驗的效率。未反應掉的少量一氧化碳氣體可用氣球收集起來，進行回收處理，從而較好地解決實驗中的環保問題。用燈罩固定火焰，提高溫度，代替酒精噴燈。整套實驗裝置小巧、精致且完整、合理，實用性和操作性強，安全性也能得到保障，實驗效果極佳。

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準（2022年版）［S］.北京：北京師范大學出版社，2022：43.