基于學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的幾則化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

唐勁軍 黎瓊

摘? 要 從生活化、綠色化、簡易化角度出發(fā)，對(duì)蔗糖與濃硫酸反應(yīng)、二氧化碳與水反應(yīng)、金屬在氯氣中燃燒等實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)儀器裝置生活化、實(shí)驗(yàn)過程綠色化、操作便捷化，解決化學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)中操作復(fù)雜、藥品耗量大、尾氣污染等問題，增強(qiáng)探究性，激活學(xué)生創(chuàng)新思維，為發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)提供實(shí)驗(yàn)素材。

關(guān)鍵詞 學(xué)科核心素養(yǎng);化學(xué)實(shí)驗(yàn);自制儀器;綠色實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G652? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）03-0114-03

1 問題的提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》凝練了學(xué)科核心素養(yǎng)，明確提出“提升學(xué)生綜合素質(zhì)，著力發(fā)展核心素養(yǎng)”[1]的培養(yǎng)目標(biāo)?！翱茖W(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”和“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”作為化學(xué)核心素養(yǎng)，需要在實(shí)驗(yàn)教學(xué)和探究活動(dòng)中落實(shí)。但由于部分中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置復(fù)雜，操作不夠便捷，廢液、廢氣污染較大，制約了實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)的開展，進(jìn)而影響學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)。筆者針對(duì)幾則實(shí)驗(yàn)中存在的問題，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使其更加有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)和學(xué)生探究活動(dòng)，通過實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新發(fā)展學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)于蔗糖與濃硫酸反應(yīng)，二氧化碳與水反應(yīng)，以及鈉、銅在氯氣中燃燒等反應(yīng)，已有實(shí)驗(yàn)改進(jìn)研究。

1）蔗糖與濃硫酸的反應(yīng)。已有研究[2-3]主要設(shè)計(jì)成密閉容器中反應(yīng)，并在容器中檢驗(yàn)產(chǎn)物，較好地解決尾氣污染、藥品耗量大的問題;但裝置比較復(fù)雜，操作不夠簡便。

2）二氧化碳與水的反應(yīng)。已有研究[4-6]將濕潤石蕊試紙置于二氧化碳中，利用試紙變色證明反應(yīng)發(fā)生，便于現(xiàn)象對(duì)比;但仍存在實(shí)驗(yàn)成功率不高的問題，如設(shè)計(jì)用注射器的活塞移動(dòng)來觀測(cè)二氧化碳與水的反應(yīng)，經(jīng)常出現(xiàn)注射器活塞不靈活，導(dǎo)致現(xiàn)象不明顯。

3）鈉和銅在氯氣中燃燒實(shí)驗(yàn)。已有研究[7-9]設(shè)計(jì)了在同一密閉體系中進(jìn)行氯氣發(fā)生和氯氣與鈉燃燒反應(yīng)，避免了氯氣泄露;但整體裝置較復(fù)雜，前期準(zhǔn)備工作較長，部分自制儀器（如無底玻璃瓶）制作難度大。關(guān)于銅在氯氣中燃燒實(shí)驗(yàn)，研究者[10-12]通過外加熱源對(duì)銅絲進(jìn)行加熱，解決了裝置中尾氣泄露問題;但裝置和操作比較復(fù)雜，耗時(shí)較多。

基于此，筆者對(duì)上述幾個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，通過選用生活器材、自制儀器、對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)成趣味性綠色實(shí)驗(yàn)，以便更有利于學(xué)生開展探究活動(dòng)，為落實(shí)“探究意識(shí)、創(chuàng)新精神、社會(huì)責(zé)任感”等學(xué)科核心素養(yǎng)提供參考。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

蔗糖與濃硫酸的反應(yīng)

1）實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置如圖1所示。

2）實(shí)驗(yàn)藥品及儀器：蔗糖、濃硫酸、NaOH溶液、品紅溶液、蒸餾水、500 mL“東方樹葉”綠茶塑料瓶、10 mL注射器、青霉素瓶、白紙、研缽、膠頭滴管和雙面泡棉膠帶等。

3）實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象。按圖連接裝置，檢查氣密性;注射器吸取10 mL NaOH溶液，透過泡棉膠帶插入瓶蓋;將浸有品紅溶液的白紙片置于瓶底鋪開，壓扁，盡量排出空氣;往青霉素瓶中加6～8 g蔗糖，加幾滴蒸餾水，攪至糨糊狀后加入6 mL濃硫酸，攪拌，將青霉素瓶放進(jìn)瓶中，旋緊瓶蓋;觀察到青霉素瓶中黑色物質(zhì)迅速膨脹，發(fā)出白煙，飲料瓶逐漸膨脹，有水霧（圖2、圖3）;紙片由紅色逐漸褪成無色（圖4、圖5）;反應(yīng)結(jié)束后，將NaOH溶液注入瓶中，振蕩，吸收尾氣。

4）改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)。

①采用常見的生活器材，裝置可循環(huán)使用。生活化、綠色化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能讓學(xué)生感知反應(yīng)過程，幫助學(xué)生克服對(duì)該實(shí)驗(yàn)的畏懼，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)探究的趣味性。

②實(shí)驗(yàn)操作簡單，無尾氣排放，現(xiàn)象明顯，能用于學(xué)生探究活動(dòng)和家庭小實(shí)驗(yàn)。

③依據(jù)此實(shí)驗(yàn)的啟示，學(xué)生可設(shè)計(jì)不同的替代用品，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感。

二氧化碳與水的反應(yīng)

1）實(shí)驗(yàn)藥品及儀器：紫色石蕊溶液、紅墨水、CO2氣體、蒸餾水、10 mL注射器、橡膠管、具支U形管、泡沫板、白紙、醫(yī)用輸液管、止水夾。

2）實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置（圖6）。

3）實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象。

①制作U形管壓力計(jì)。利用泡沫和雙面膠制作白板;取一段醫(yī)用輸液管，注入紅墨水，置于具支U形管中，固定于白色硬紙板上，調(diào)整液柱高度，使兩邊高度持平（圖7）。

②CO2與水反應(yīng)。用注射器吸取5 mL紫色石蕊溶液，吸入半筒CO2，與醫(yī)用輸液管一端橡膠管連接，多次倒轉(zhuǎn)注射器，發(fā)現(xiàn)紫色石蕊溶液逐漸變紅，兩端紅墨水形成高度差（圖8）。

4）改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)。

①相比教材中用礦泉水瓶驗(yàn)證CO2水溶性的實(shí)驗(yàn)，自制U形管壓力計(jì)，液柱高度變化較大，便于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，有利于感受探究的樂趣。

②使用泡沫板、醫(yī)用輸液管、注射器等材料，實(shí)驗(yàn)器材靈活多變，體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置的新穎性，促進(jìn)學(xué)生發(fā)散實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路。

鈉、銅在氯氣中的聯(lián)合反應(yīng)? 高中化學(xué)教材中關(guān)于“氯氣的性質(zhì)”的內(nèi)容，有氯氣分別和金屬鈉、銅反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，以此學(xué)習(xí)氯氣的氧化性。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理相似，實(shí)驗(yàn)分開做，加大了操作難度。將兩個(gè)反應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為分步反應(yīng)的一體化實(shí)驗(yàn)，簡化實(shí)驗(yàn)操作，提高實(shí)驗(yàn)的效率。

1）實(shí)驗(yàn)原理。設(shè)計(jì)密閉裝置，將鈉與銅同時(shí)放入反應(yīng)容器，在鈉與銅之間放一薄層細(xì)沙，避免同時(shí)反應(yīng);利用鈉在氯氣中燃燒產(chǎn)生的熱量引燃銅，而使鈉、銅在氯氣中先后燃燒。

2）儀器及藥品：60 mL注射器、500 mL廣口瓶、燒杯、干燥管、鑷子、導(dǎo)管、KMnO4固體、濃鹽酸、NaOH溶液、玻璃纖維、銅片、鈉、蒸餾水和細(xì)沙。

3）實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置如圖9所示。

4）實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象。

①按圖連接裝置，檢查氣密性（用止水夾夾住a處膠管，手或熱毛巾包裹瓶身，如導(dǎo)管口處有氣泡產(chǎn)生，下端形成一段水柱，則裝置氣密性良好）。