基于STEAM理念的焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

林建芬+陳秋伶+刁卓+錢揚(yáng)義

摘要：高中化學(xué)必修模塊中的焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)存在現(xiàn)象不明顯、操作繁瑣等缺憾，在課堂教學(xué)中不便于學(xué)生進(jìn)行觀察。經(jīng)查閱文獻(xiàn)、分析借鑒已有的改進(jìn)方法，基于STEAM理念，自主設(shè)計(jì)了噴霧瓶裝置、彩色火焰打火機(jī)裝置和焰色反應(yīng)圖譜裝置，分別進(jìn)行了焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象清晰，操作方便，實(shí)驗(yàn)效果好。同時(shí)對實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與教學(xué)實(shí)施提出了一些想法和建議。

關(guān)鍵詞：焰色反應(yīng)；噴霧法；彩色火焰打火機(jī)；STEAM理念；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號：1005-6629（2017）8-0065-03

中圖分類號：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1問題的提出

焰色反應(yīng)是高中必修模塊化學(xué)1中的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，對學(xué)生聯(lián)系生活經(jīng)驗(yàn)、培養(yǎng)化學(xué)藝術(shù)美感具有積極的促動(dòng)作用。筆者在課堂上指導(dǎo)學(xué)生完成教材實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了3個(gè)問題：（1）由于酒精燈黃色火焰干擾，難以觀察到KC1灼燒所產(chǎn)生的紫色火焰，而透過可濾去黃光的藍(lán)色鈷玻璃觀察時(shí)，發(fā)現(xiàn)觀察到的顏色失真，學(xué)生不能確定火焰就是紫色。（2）由于酒精燈黃色火焰干擾，學(xué)生甚至難以確定NaCl灼燒所產(chǎn)生的黃色火焰。（3）鉑絲價(jià)格昂貴，實(shí)驗(yàn)后還需要洗滌，操作過程較復(fù)雜，可見實(shí)驗(yàn)存在改進(jìn)的必要性。于是，筆者查閱文獻(xiàn)資料，進(jìn)行分析述評，歸納出粉筆法、試紙法、坩堝法、鋁箔法、固體酒精法、噴霧瓶法等多種改進(jìn)方法。我們對各個(gè)方法進(jìn)行了嘗試，總結(jié)其優(yōu)缺點(diǎn)后，自主設(shè)計(jì)了噴霧瓶法進(jìn)行焰色反應(yīng)，并進(jìn)一步研制設(shè)計(jì)了彩色火焰打火機(jī)、焰色反應(yīng)圖譜裝置，在STEAM理念（Science-Technology-Engineering-Art-Math，科學(xué)一技術(shù)一工程一藝術(shù)一數(shù)學(xué)）的基礎(chǔ)上進(jìn)行跨學(xué)科融合學(xué)習(xí)。學(xué)生在體驗(yàn)焰色反應(yīng)帶來化學(xué)藝術(shù)之美的同時(shí)，也能通過制作實(shí)驗(yàn)裝置活動(dòng)感受到化學(xué)的設(shè)計(jì)美、技術(shù)美、創(chuàng)造美與工程美，見圖1。

2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1實(shí)驗(yàn)原理

生活中煙花綻放、生日蠟燭上的彩色火焰，信號彈、炒菜時(shí)湯汁濺到火焰上等不同場景都存在著焰色反應(yīng)的身影。焰色反應(yīng)是指某些金屬或它們的化合物在無色火焰中灼燒時(shí)使火焰呈現(xiàn)特殊顏色的反應(yīng)。教材實(shí)驗(yàn)是使用一根清潔且較不活潑的金屬絲（例如鉑或鎳鉻合金）盛載塊狀或粉末狀的金屬或其化合物，再放到酒精燈火焰上會(huì)呈現(xiàn)出特征顏色。本實(shí)驗(yàn)自主設(shè)計(jì)研制的特定配比噴霧瓶、彩色火焰打火機(jī)、焰色反應(yīng)圖譜裝置都是基于焰色反應(yīng)原理和STEAM教育理念進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2實(shí)驗(yàn)用品

實(shí)驗(yàn)藥品：①分析純的固體藥品：碳酸鋰、氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、硝酸鍶、氯化鋇、氯化銅；②分析純的液體藥品：鹽酸、無水乙醇、蒸餾水

實(shí)驗(yàn)儀器：火柴（1盒）、酒精燈（1個(gè)）、升降臺（1個(gè)）、燒杯（6個(gè)）、噴霧瓶（2個(gè)）、脫脂棉（1包）、坩堝鉗（1把）、棉簽盒（1組）、棉簽（10支）、鉑絲（1根）、鈷玻璃（1塊）、打火機(jī)（5個(gè)）、焰色反應(yīng)圖譜裝置（1組）、濕抹布（1塊）

2.3實(shí)驗(yàn)裝置

自主研制的3個(gè)焰色反應(yīng)改進(jìn)裝置，所選擇的材料和使用方法如下：（1）噴霧瓶裝置：需要噴霧瓶、乙醇、蒸餾水、金屬鹽等材料，使用方法是將金屬鹽溶液與乙醇混合，裝入噴霧瓶中，向燃著的酒精脫脂棉火焰上方噴射混合液。（2）彩色火焰打火機(jī)裝置：以市面上常見的防風(fēng)打火機(jī)為火源，在噴火口周圍涂抹金屬鹽即成。（3）焰色反應(yīng)圖譜裝置：內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由丁烷便攜氣瓶、卡式閥門、橡膠軟管、四嘴噴火槍主管、固定臺組成，外部結(jié)構(gòu)由四嘴噴火槍噴嘴、定制盒、背景板組成，見圖2。使用方法：打開丁烷氣瓶閥門，用打火槍點(diǎn)燃噴嘴口的丁烷氣體后，用棉簽、鐵絲、鉑絲等載體蘸取待測樣品在火焰上灼燒，產(chǎn)生焰色效果十分明顯，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后關(guān)閉丁烷氣瓶閥門即可。

3實(shí)驗(yàn)過程

3.1利用噴霧瓶法改進(jìn)焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)

對噴霧溶液中各成分的比例逐一嘗試，得到現(xiàn)象最明顯、黃色尾焰影響最小的配比，即綠豆粒般大小的金屬鹽固體溶于lOOmL水中，再將水與酒精的體積比按1：1.5配制，用微微濕潤的棉花蘸取足量酒精，分別點(diǎn)燃即可噴出焰色較純（NaCl為黃色、KC1為紫色）且火焰團(tuán)較大的火焰。優(yōu)點(diǎn)在于學(xué)生觀察到的現(xiàn)象非常明顯，且實(shí)驗(yàn)操作簡單。

3.2利用彩色火焰打火機(jī)改進(jìn)焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)

用一個(gè)噴火口不涂金屬鹽的打火機(jī)做空白對照實(shí)驗(yàn)，在其他4個(gè)打火機(jī)噴火口周圍分別涂抹不同金屬鹽，如NaCl、KC1、CuCl₂、CaCl₂，，按下打火機(jī)即可觀察到有不同顏色的火焰。用彩色火焰打火機(jī)法改進(jìn)焰色反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)有3個(gè)：（1）取材生活化，將應(yīng)用與生活中常見的物品相聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生思維遷移的能力，體會(huì)“創(chuàng)造美”。（2）制作簡單，學(xué)生可以自行制作。（3）利用焰色反應(yīng)產(chǎn)生多彩的顏色，用“化學(xué)美”培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)興趣。

3.3 利用焰色反應(yīng)圖譜裝置改進(jìn)焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)

以丁烷為燃料，接上一個(gè)擁有4個(gè)并排噴火嘴的燃?xì)夤?，再對其進(jìn)行包裝，制成一個(gè)焰色反應(yīng)圖譜裝置。利用自主研制的焰色反應(yīng)圖譜裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，裝置火焰呈現(xiàn)淡藍(lán)色，用價(jià)格低廉的棉簽代替鉑絲，先做空白實(shí)驗(yàn)證明棉簽不影響焰色，然后蘸取藥品灼燒，看到明顯現(xiàn)象，證明藥品狀態(tài)不影響其焰色反應(yīng)。再利用裝置再現(xiàn)課本上給出的7種金屬元素的焰色反應(yīng)現(xiàn)象，拍照形成自制的焰色反應(yīng)精彩化學(xué)圖譜，見圖3。優(yōu)點(diǎn)有4個(gè)：（1）火焰溫度高，顯色迅速。（2）火焰呈現(xiàn)淡藍(lán)色，消除黃色火焰干擾，使現(xiàn)象明顯、準(zhǔn)確。（3）打破液體的局限，以棉簽為載體，可以蘸取固體或液體藥品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。（4）可同時(shí)進(jìn)行四種金屬元素的焰色反應(yīng)，形成對比，便于教學(xué)，同時(shí)火焰的繽紛多彩體現(xiàn)“化學(xué)美”，而裝置為實(shí)驗(yàn)的增光添彩也體現(xiàn)化學(xué)的“創(chuàng)造美”和“工程美”。

4結(jié)論與建議

4.1結(jié)論

教材中的焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)具有實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，操作繁瑣等缺點(diǎn)，在課堂教學(xué)中不便于學(xué)生觀察。筆者在執(zhí)教時(shí)，讓學(xué)生先熟悉焰色反應(yīng)原理并對原理進(jìn)行深度分析后，基于STEAM理念驅(qū)動(dòng)學(xué)生使用噴霧瓶裝置、彩色火焰打火機(jī)裝置、焰色反應(yīng)圖譜裝置進(jìn)行焰色反應(yīng)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。其中，噴霧瓶法是在大量實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)后得以成功配制其溶液配比，在現(xiàn)象與穩(wěn)定性方面使得教學(xué)效果更好；彩色火焰打火機(jī)法簡單易操作、取材于生活；而焰色反應(yīng)圖譜裝置是專為焰色反應(yīng)設(shè)計(jì)的，能夠完美再現(xiàn)課本實(shí)驗(yàn)。上述改進(jìn)方案既提高了教師教學(xué)效果，義提升了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，體現(xiàn)了化學(xué)美和創(chuàng)造美。

4.2建議

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，隨著課程改革的推進(jìn)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能和價(jià)值不再局限于知識和技能的掌握，而正朝著促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展、提升化學(xué)核心素養(yǎng)的方向改革。教材中的經(jīng)典演示實(shí)驗(yàn)或探究活動(dòng)，均建立在大量實(shí)證研究的基礎(chǔ)上，有著意義深刻的教育教學(xué)功能和立德樹人價(jià)值，促進(jìn)學(xué)生對基本化學(xué)知識和實(shí)驗(yàn)基本技能的掌握。而實(shí)驗(yàn)改進(jìn)作為一線教師在教學(xué)實(shí)踐中深入研究和不斷創(chuàng)新的成果，在對學(xué)生學(xué)習(xí)過程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀的培養(yǎng)和思維能力的訓(xùn)練等方面發(fā)揮著重要作用?；诤诵乃仞B(yǎng)發(fā)展的教學(xué)立足于讓學(xué)生適應(yīng)現(xiàn)代生活和未來發(fā)展的需要，教師應(yīng)正確處理好傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的價(jià)值和關(guān)系，將二者有機(jī)融合，讓化學(xué)實(shí)驗(yàn)充分發(fā)揮培育學(xué)生核心素養(yǎng)的功能與價(jià)值，讓學(xué)生體會(huì)化學(xué)的思維、實(shí)驗(yàn)、方法、技術(shù)之美。endprint