創新實驗教具 巧攻重點實驗

摘 要：本文在綜合比較各種電解水裝置的基礎上，創新自制“水電解—檢驗一體化裝置”，將化學延伸到生活，將傳統中學化學教學中的演示實驗轉化為學生動手實驗。這種創新化學實驗教學的策略，培養了學生化學核心素養并多維度培養了學生設計、操作、觀察、分析和綜合解決問題的能力，提升了學生的創新能力。

關鍵詞：自制教具；創新實驗；水電解器

文章編號：1008-0546（2024）11-0088-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

化學是一門以實驗為基礎的學科，《義務教育化學課程標準（2022年版）》強調經歷科學探究并增強實踐能力的重要性。義務教育階段化學課程提高學生的科學素養是教學的重要目標，實驗探究是學生積極主動獲取化學知識的重要途徑，是培養學生科學思維，增強學生實踐能力，形成科學態度的基礎。［1］

“水分子的變化”是魯教版五四制八年級化學第二單元第三節的內容。教材中設置的“水在直流電作用下的變化”“氫氣在空氣中燃燒”這兩個重點實驗是借助實驗探究物質的組成，認識化學反應實質的開始。然而，在傳統教學過程中由于諸多局限，這兩個實驗多為教師演示實驗或多媒體展示實驗，學生參與度低，探究體驗效果差。因此，筆者在教學過程中創新實驗設計，對比傳統電解水裝置的優缺點，自制實驗教具，將兩個實驗整合起來組裝了水電解—檢驗一體化裝置，學生可以親自參與課堂實驗探究，增強實踐能力，形成科學態度，培養科學思維。

一、傳統水電解裝置

目前，在教學中接觸到的水電解器主要有簡易水電解器、學生實驗水電解器、霍夫曼水電解器三種，筆者結合使用體驗，對比分析了不同裝置的優缺點。

1. 簡易水電解器

簡易水電解器如圖1所示。該實驗裝置結構簡單，但是存在以下兩個弊端：①該裝置具有一定的危險性。電解水時，為了增強水的導電性，需在水中添加氫氧化鈉溶液、硫酸溶液，氫氧化鈉和硫酸溶液對人體均有一定的腐蝕性。②采用該裝置不能進行重復實驗，若要重復實驗需要在兩個試管中裝滿電解液，在裝液和倒置試管的過程中人體也易受到電解液的腐蝕。

2. 學生實驗水電解器

目前筆者所在區域實驗室配備的電解器多為這種學生實驗水電解器（見圖2）。該水電解器是需要專業定制的一體化實驗儀器，與簡易水電解裝置相比，該裝置最大的優點是在電解水過程中可以直接在尖嘴出口處檢驗氣體，實現了電解、檢驗一體化。［2］

然而，這種裝置在實際的教學過程中存在諸多的問題。例如，該實驗裝置下層儲液槽為密閉結構，電解液在容器和管道內流動不暢，嚴重影響實驗的進展，甚至無法完成實驗；實驗完畢后無法徹底清洗下層密閉的儲液槽，殘存電解液的腐蝕經常會導致儀器出現漏液問題；該裝置是專業定制的一體化裝置，一旦某個部分損壞，只能整體替換，實驗成本較高。

3. 霍夫曼水電解器

魯教版五四制八年級化學教材中出現的水電解裝置為霍夫曼水電解器（見圖3）。霍夫曼水電解器在化學儀器中的地位舉足輕重，有特定的歷史意義和科學價值。［3］標準的霍夫曼水電解器制作工藝非常復雜，技術要求較高，且霍夫曼水電解器使用的標準電極為Pt電極，這種電極價格昂貴，不適合普遍使用。霍夫曼水電解裝置整體較為笨重，攜帶不方便。另外，該裝置的主要部件均為玻璃材質，玻璃管細長，重心高不穩定，易損壞且損壞不易修復。霍夫曼水電解器電極距離固定，無法調節，電解液在兩個電極之間流動不通暢，電解水速率慢，實驗用時長。

在日常教學過程中霍夫曼水電解器通常僅作為演示實驗儀器使用。

二、創新水電解裝置設計思路

綜合比較三種常規水電解裝置的優缺點，筆者在簡易水電解器的基礎上進行實驗改進，綜合解決上述三種水電解裝置存在的局限性，保留霍夫曼水電解器的優點。利用身邊常見材料設計出一套取材容易、結構簡單、易于操作、安全可靠、造價低廉、便于自制推廣的水電解器——水電解—檢驗一體化裝置（見圖4）。

1. 電極、電解池

電極主要材料為碳棒，取自廢舊干電池，材料簡單、易得、環保、可循環。碳棒利用導線螺旋固定，一體化設計導電效果好。固定的電極有助于固定收集裝置，防止移位。電解池用透明礦泉水瓶制備，同樣具備環保、易得、可循環的優點，同時電解池無色透明便于觀察，容易清理、修理。電解池底部為封閉狀，徹底解決了在實驗中水電解器的漏液問題。另外，電解池內空間相對寬敞，電極之間電流通道相對流暢，電解速度比霍夫曼水電解器更快。

2. 氣體收集裝置

氣體收集裝置主要材料為一次性注射器和輸液軟管（帶羅伯特夾），注射器自帶刻度，可以準確記錄水電解過程中氫氣和氧氣的體積比。這種氣體收集裝置與簡易水電解裝置相比最大的優點是：在電解水過程中通過輸液軟管上的羅伯特夾作為控制氣體的開關，可以直接在尖嘴出口進行氣體檢驗，手無需接觸腐蝕性電解液即可實現電解檢驗一體化。氣體收集裝置的負極利用分支軟管配合羅伯特夾開關，方便收集氫氣驗純并直接在末端針頭處點燃。另外，通過羅伯特夾的開關可以利用連通器原理使收集裝置裝滿電解液，避免了用簡易水電解裝置倒置試管時手接觸腐蝕性電解液的問題，實驗過程更加安全。同時，利用創新裝置只需要打開羅伯特夾就可以實現重復實驗，更加方便。

3. 裝置創新優勢

與簡易水電解裝置相比自制水電解—檢驗一體化裝置解決了原裝置不能直接檢驗收集氣體的問題，實現了氣體末端直接檢驗，并且電解過程中電解液安全無接觸，操作簡單安全。

與學生實驗水電解器相比自制水電解—檢驗一體化裝置的電解池為開放空間，組裝清洗方便，電解池空間可變可調，能夠保證寬敞的電流通道，保證較快的電解速度。

與霍夫曼水電解器相比自制水電解—檢驗一體化裝置最大的優點在于成本方面。自制水電解—檢驗一體化裝置所用原料價格低廉、儀器制作簡單、損壞容易置換、適用性和實用性強。同時，霍夫曼水電解器具有的氣體體積直觀可測、電解液安全非接觸、氣體末端直接檢驗這些優點，創新自制的水電解—檢驗一體化裝置也都具備。

三、實驗教學過程

在教學過程中使用自制水電解—檢驗一體化裝置的實驗效果良好，實際使用過程中裝置兼顧了安全性、直觀性、可連續性的優點。該裝置操作安裝、加液和清理都很方便，且裝置本身攜帶方便，可以實現連續使用。具體實驗通電后反應快，電極上產生氣泡明顯，通過注射器刻度可以清晰地讀取并收集到的氫氣與氧氣體積比約為2∶1。正極氣體能使帶火星的木條復燃，負極驗純后可以直接在集氣裝置末端的針頭處點燃，實驗現象明顯。實驗教學過程如圖5所示。

1. 問題創設，導入新課

教師提出問題：我們都知道水在加熱過程中水分子本身不會發生變化。那么給水通電條件下，水分子會不會發生變化？在引起學生好奇心的同時，激發學生學習的興趣，進而導入課題。以水的三態變化為引入點，提出問題，建立由分子間間隔的變化到電解水分子本身變化的過渡，溫故知新，激發學生探究的欲望。

2. 創新實驗，重點探究

針對水通直流電問題，學生可能會提出不同的猜想，為了驗證猜想，讓學生動手實驗。教師在實驗前講解創新裝置的結構和使用方法，調動學生積極參與科學探究的興趣。

學生分享課前查閱的有關氫氣、氧氣的檢驗資料，為氫氣、氧氣的檢驗實驗奠定基礎。小組合作共同討論出具體的實驗步驟，分工完成。小組合作完成實驗，準確記錄實驗現象。實驗后交流討論，展示實驗成果。通過實驗進一步驗證正負極產生的氣體成分，最終得出結論：水在通電的條件下生成氫氣和氧氣。利用創新裝置將傳統的演示實驗變為學生動手實驗，實驗更清晰、更直觀。每一個學生都能看清楚實驗過程，學生在親自參與體驗科學探究的過程中，增強了學習信心，提高了思維能力和動手能力。

3. 微觀探析，難點突破

結合實驗現象進一步提出問題，實驗過程中我們可以從氣體收集裝置的注射器刻度上清楚地讀取出氫氣和氧氣的體積比為2∶1，請結合教材分析原因。學生分析電解水的微觀過程，并用水分子模型模擬這個反應的微觀過程，直觀地感知化學變化的實質，進一步體會宏觀與微觀之間的聯系，逐步建立微粒觀。

4. 鞏固練習，反思提升

繪制氫氣燃燒過程的微觀示意圖，小組內交流分享，舉一反三，鞏固學生對化學變化實質的認識。學生繪制出本節課的知識網絡并進行展示，對本節課的重點知識進行歸納總結，對學習目標進行回扣。

四、實驗教學價值

實驗教學是科學課堂的出發點，創新實驗裝置能夠立足教材，回歸原點，助力學生參與課堂實驗。在教學實施過程中，利用創新實驗裝置將傳統的演示實驗改為學生動手實驗，可以充分調動學生學習的積極主動性，給學生更多的實驗機會，提高學生的科學探究能力。學生通過親自經歷科學探究，增強實踐能力，發展科學探究能力。創新實驗裝置的實驗效果明顯，可以增強實驗的直觀性與立體性，喚起學生的求知欲和探究欲，在潛移默化中激活學生的思維，使其對所學知識進行融會貫通，養成利用身邊材料研究化學的習慣。

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）［M］.北京：北京師范大學出版社，2022．

［2］黃海燕，王澤安.電解水小型實驗裝置的設計［J］.化學教學，2021（8）：72-75．

［3］錢勤.初中化學實驗改進與創新現狀的調查研究［J］.化學教與學，2015（5）：62-64．