基于“化学实验三要素”的实验创新与改进实践
作者：曹育红潘则南
实验教学与仪器 2015年07期
在实验教学过程中，经常会遇到一些不易成功、现象不明显、装置过于复杂、不利于在课堂中进行分组实验的实验。这些实验需要教师进行创新或改进，让学生可以较为清楚地观察和体验这些实验的现象、过程及结果，帮助学生建构知识，其目的是使实验能更好地服务于课堂教学。
清华大学宋心琦教授明确提出了“化学实验体系的三要素”，即作为实验对象的物质体系（用于探究化学变化过程，也可称作化学体系）；适当的仪器装置和必要的安全措施；合理的实验步骤和规范的操作技术。他认为，从学科教育的角度来评价，它们的地位是不等的，应该依次递减；在现行化学实验教学中，实验体系来自教材或教参，教师在实施时注意力往往放在了第二、第三两个要素上，物质体系的选择反而成为次要甚至被忽略；同时，教材为什么要设计或选择某一个实验，也就是化学实验教学功能与价值的问题也是教师思考得比较少又比较重要的问题，教师普遍很难全面地阐述某个实验的教学功能与价值。笔者以苏教版化学教材“氮肥的生产和使用”一节内容为教学案例，阐述对中学化学实验创新与改进的认识及实践。
一、加强对实验对象的物质体系分析，为实验创新与改进提供参考
值得关注的是教材“观察与思考”中的实验2及实验3。
【实验2】在一支洁净的试管中滴加几滴氨水，将湿润的红色石蕊试纸（或pH试纸）粘在玻璃棒上靠近试管口，观察试纸颜色的变化情况。
【实验3】在一只烧杯中放两个棉花球，分别在两个棉花球上滴加几滴浓氨水和浓盐酸，用表面皿盖住烧杯口，观察现象。
两个实验揭示了本节课中另一个重要的物质体系：氨水。这两个实验说明了氨水有挥发性，能挥发出氨（）。实验2再次展现氨气遇水（湿润作条件）使指示剂变色的过程，实验3涉及氨气与氯化氢的反应，属于氨（气）作为路易斯碱的性质。对氨水体系的性质及成分探究是教师在课堂教学中容易忽视的地方。
这些理论分析为开展实验探究、创新与改进提供依据，不属于教学过程中实验创新与改进的对象。
二、选择适当的仪器装置，找好实验创新与改进的切入点
从上述理论分析来看，氨（气）的性质探究主要是围绕其水溶性及其碱性来展开（中学阶段不探究其还原性，仅作理论分析）。要探究其水溶性，离不开装气体的容器及水。就容器而言，可以采用针筒（教材二氧化硫性质实验用过针筒），也可以采用日常生活中常见的空矿泉水瓶来代替，用这些仪器或用品来做实验都能够说明氨气的水溶性。但这么多年来教材一直采用如图1所示装置探究氨气的水溶性，在课堂教学中，绝大多数教师并没有对该实验进行创新或改进。这与该装置的价值与功能有关。它的功能与价值体现在以下几方面：其一，为氨气的水溶性实验提供仪器支持。其二，为“喷泉”的产生提供展示平台。其三，为学生理解喷泉实验原理提供实物参考。其四，对理解物质变化过程的复杂性（含物理和化学）进行佐证。其五，可以进一步加强对学生科学严谨的操作意识及学科素养的培养。其六，为提高学生的学习兴趣与求知欲提供实例支持。特别是对实验仪器的认知、对实验过程的科学素养培养及学科意识渗透，是针筒、矿泉水瓶等无法做到的。这也是该装置经典且传承的原因，无需进行创新与改进。
但教材中“在常温下，1体积水大约可溶解700体积的氨”“氨很容易液化”“液氨气化时要吸收大量的热”等文字显得过于苍白，这需要我们利用创新或改进的实验进行展现。
设计实验：在无色透明的塑料袋中收集约750mL的氨气，将塑料袋放入倒有少量液氨的敞口容器中。学生可以观察到在液氨气化时，饱满的塑料袋立刻变瘪，塑料袋内部有液滴形成，与液氨直接接触的部位有固体出现，这充分说明氨很容易液化。用550mL干燥的矿泉水瓶收集满干燥的氨气，用小针筒向矿泉水瓶中逐滴加水，边滴边振荡。学生明显地观察到原本饱满的矿泉水瓶慢慢变瘪，当加入蒸馏水约0.8mL，瓶壁几乎紧贴在一起，这不仅说明氨气极易溶于水，还能根据氨气与水的体积关系，半定量地说明氨气与水体积比约700:1。
就氨水体系而言，其重要性质主要是根据挥发性、不稳定性（一水合氨）及碱性来展开。教材所提供的实验能很好地体现氨水的挥发性。但实验3中利用浓氨水与浓盐酸的挥发性探究氨气与酸的反应，采用的是烧杯和表面皿的仪器组合，属于半封闭体系，若用玻璃管与橡皮塞仪器组合进行改进，效果会更好。如图2所示，将棉花团固定在橡皮塞上，分别向其中滴加浓盐酸和浓氨水，塞在玻璃管两端，观察实验现象。这样做的好处不仅在于封闭体系，而且操作起来非常灵活，比如可拿着玻璃管倾斜、颠倒等，现象非常明显。
另外，笔者建议补做一个氨水与盐溶液反应产生沉淀的试管实验，这对于加强氨水呈碱性及氨水成分的探究都有益处；补做一个如图3所示的实验，将滴有酚酞的氨水（红色溶液）少量装于试管，在试管口处用气球密封。加热试管，颜色逐渐变浅；停止加热，颜色逐渐恢复，该实验能说明一水合氨的存在及其稳定性。
铵盐的性质探究主要围绕其热稳定性来展开，涉及铵盐自身的热稳定性、铵盐与碱共热，能够用来加热的常见仪器主要是试管。因此，这组性质探究实验的仪器就离不开试管与酒精灯。学生按照教材中“活动与探究”的实验操作在课堂上实施，将药品装入试管、预热、加热至观察到实验现象，两组实验顺利实施下来，很多学生时间上不够。为此做一些实验的创新与改进显得很有必要。如下页图4所示的封闭试管内装少许氯化铵进行氯化铵热稳定性实验是一种可供参考的选择。还可选用可封口的塑料袋来完成氢氧化钙与氯化铵混合反应（手搓）实验替代教材中氢氧化钙与氯化铵反应实验。要说明的`是，这两种创新性的实验方式在课堂教学中不要同时使用。因为教材中的两个实验在培养学生基本实验操作及规范性方面的功能与价值是上述创新性实验无法达到的。
三、重视实验步骤和操作，在实验创新与改进中培养学生的基本实验素养
很多教师在做喷泉实验时，注重对实验现象与结果的理论分析，而忽视对实验过程细节的把握。一些教师为了在课堂教学中争取更多的时间，虽然会把已经组装好的仪器向学生展示，但并没有按照教材上的程序来演示该实验，这实际上是很可惜的。仪器介绍及作用分析、实验装置的组装顺序、实验步骤的严谨实施是消除学生实验认知障碍的关键，也是于无声处培养学生科学素养的良好时机。
例如，对装置组成中双孔橡皮塞部分进行以下介绍：“大家看一下（拿起来展示给学生看），这个双孔橡皮塞连接两个，一个是胶头滴管，胶头滴管里已装满水。另外一个连接的是什么呢？是玻璃管。两段玻璃管当中还有一段橡皮管，橡皮管中还有止水夹。止水夹夹住橡皮管，上下两处玻璃管不能连通；如果打开，上下两部分就连通了。”这种细致的解读，使得学生对喷泉实验有更为全面的认识，同时，可以引导学生形成仔细观察、认真思考的好习惯。这些，可能比由实验探究氨的性质所得出的结论更为重要。
探究铵盐的性质，通常以分组实验的方式，由学生进行自主探究。对学生进行必要的指导，是实验顺利进行的关键。教材中的实验描述如下：
【实验1】取少量氯化铵晶体，放入试管中，在酒精灯火焰上微热，观察发生的现象。
【实验2】将少量氯化铵与少量氢氧化钙混合后放入试管中，在酒精灯火焰上微热，用湿润的红色石蕊试纸检验反应产生的气体。
针对以上实验，教师会对学生进行实验指导，但对教材中“少量”的理解存在盲区。怎样做才能使得实验达到一种理想的效果呢？课堂教学实践表明，对实验1，用如图5所示药匙柄末端小凹槽，取2～3颗粒米大小氯化铵固体；对实验2，强调氯化铵和氢氧化钙的用量均为一药匙，实验效果明显。这样的指导使得对“少量”的理解变得更加具体，操作起来有据可依。
综上所述，以“化学实验三要素”为指导，在进行实验的创新性实施或改进性实施时，其方向性有了保证。同时，也要考虑实验的功能与价值，课堂教学的实际需要，学生基础实验能力与素养的培养，以此来提升实验创新与改进的价值和作用。
编辑手记：深入分析实验三要素，明晰教材所选实验的功能与价值，是进行实验创新与改进的前提。教材中的某些实验或许有这样那样的不足，但是在培养学生基本实验操作能力和规范性方面却是一些创新实验所不及的。当下，一些“因陋就简”的非常规实验、低成本实验研究如火如荼，当然，不可否认其价值，但这些应是常规实验的有益补充，而非取常规实验而代之，否则便是舍本而逐末了。
作者介绍：曹育红，福建省闽江学院附属中学（350005）；潘则南，福建师范大学附属中学（350007）。
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