中學(xué)濾紙實驗研究進(jìn)展

陳子航 王海燕 徐愛菊

摘 要：文章基于文獻(xiàn)分析，闡述了濾紙實驗的含義、價值，從濾紙在實驗中的用途入手對濾紙實驗進(jìn)行了分類，將綠色化學(xué)視域下的濾紙實驗教學(xué)現(xiàn)有研究成果梳理為“濾紙作反應(yīng)物”和“濾紙作載體”兩大類，并歸納出如何在中學(xué)化學(xué)濾紙創(chuàng)新實驗中設(shè)計巧妙的熱點實驗。

關(guān)鍵詞：濾紙;實驗;化學(xué);載體

中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 收稿日期：2020-07-06 文章編號：1674-120X（2020）33-0077-02

隨著學(xué)科核心素養(yǎng)的提出，培養(yǎng)學(xué)生綜合素養(yǎng)的目標(biāo)日益明確。教師演示實驗已經(jīng)不能滿足學(xué)生的需要，只有讓學(xué)生真正參與到實驗中才能更好地引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)核心素養(yǎng)。但在實際教育過程中也面臨實驗器具不足、試劑有限以及環(huán)境保護(hù)等種種限制。近年來，大量一線教師及高校研究者為解決這些問題，提出了“微型實驗”的概念，其中的濾紙實驗尤為重要，而后利用濾紙的特性優(yōu)勢，把濾紙用作反應(yīng)物和反應(yīng)載體，為高效、環(huán)保的教學(xué)實驗打開了新的思路。本研究對濾紙實驗相關(guān)的文獻(xiàn)進(jìn)行了系統(tǒng)梳理，旨在為利用濾紙創(chuàng)新實驗提供參考。

一、濾紙實驗

（一）濾紙實驗的內(nèi)涵

濾紙是進(jìn)行過濾和紙層析實驗必需的用品，不但具有特殊的孔徑大小和親水性，還有很多優(yōu)良性能，經(jīng)過設(shè)計可以促進(jìn)許多中學(xué)化學(xué)實驗的創(chuàng)新改進(jìn)。使用濾紙參與的實驗，稱為濾紙實驗，包括以濾紙作為載體，反應(yīng)物在濾紙上進(jìn)行實驗;用濾紙自身材質(zhì)作為反應(yīng)物來參與實驗。

（二）濾紙實驗研究的價值

在實驗教學(xué)過程中，試管充當(dāng)著不可替代的角色，其具有操作方便、容易觀察、可加熱、可離心等優(yōu)勢。然而，在某些特定實驗中，試管也存在一些缺點，如試劑使用劑量大、部分實驗現(xiàn)象不明顯、實驗后難以洗滌或處理等。由于試管的特性及現(xiàn)今國家對教學(xué)實驗環(huán)保極為重視等原因，濾紙實驗應(yīng)運而生。而對濾紙實驗的研究則有助于解決上述問題，從而有效地推進(jìn)中學(xué)實驗普及化的發(fā)展。

二、濾紙實驗的研究現(xiàn)狀

（一）濾紙作反應(yīng)物的應(yīng)用

濾紙是一種纖維素材料，在教學(xué)中可以作為反應(yīng)物進(jìn)行實驗的創(chuàng)新改進(jìn)，增加實驗的趣味性，實現(xiàn)實驗的簡約化。

濾紙作為反應(yīng)物的代表性濾紙實驗的相關(guān)性文獻(xiàn)在全部代表性文獻(xiàn)中占比25%，雖其占比不高，但成果都較為完善。濾紙作為反應(yīng)物的使用思路主要分為三類，除用濾紙作為可燃物的實驗外，另外兩類具體實驗為“纖維素水解”和“碳還原金屬氧化物”。

1.“纖維素水解”實驗

“纖維素水解”實驗是高中化學(xué)對多糖水解的研究實驗之一。在實際的教學(xué)過程中多是直接講解或演示濃硫酸對纖維素的水解過程，由于整體教學(xué)過程單一，無法激起學(xué)生的興趣且沒有建立知識與生活的聯(lián)系，難以完成對學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。面對這種情況，有研究者利用濾紙的主要成分為纖維素這一性質(zhì)，設(shè)計了“羊皮紙”的制作實驗。這一實驗建立了知識與生活間的聯(lián)系，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，且在實驗完成后不經(jīng)晾干的濾紙還可以直接用于半透明的相關(guān)實驗。這不僅增加了濾紙的利用性，還培養(yǎng)了學(xué)生不拘于單一實驗的思想。

2.“碳還原金屬氧化物”實驗

“碳還原金屬氧化物”實驗是教學(xué)中的一個難點，已有不少研究從碳和金屬氧化物質(zhì)量比的控制、溫度的控制、碳和金屬氧化物來源的控制三個方面對此實驗進(jìn)行了改進(jìn)，但仍對安全性和操作條件有所要求。有研究者利用濾紙易燃且燃燒后生成還原性碳的特性，設(shè)計出將金屬氧化物覆蓋在濾紙表面后點燃的演示實驗，使金屬氧化物被碳還原為金屬單質(zhì)，從而實現(xiàn)“碳還原金屬氧化物”實驗的簡約化。利用濾紙創(chuàng)新后的“碳還原金屬氧化物”實驗現(xiàn)象明顯，成功率高，且操作簡單，安全性強(qiáng)，富有趣味性;但對部分實驗，如還原實驗，由于本身性質(zhì)及濾紙的燃燒溫度、還原性碳產(chǎn)量等原因，其實驗原理、產(chǎn)物等仍有待商榷。在教學(xué)過程中為保證科學(xué)性，應(yīng)盡量規(guī)避該實驗。

（二）濾紙作載體的應(yīng)用

學(xué)界在對濾紙實驗相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段濾紙的應(yīng)用方向還是更傾向于作為載體，這主要是因為纖維素多孔、表面積大。濾紙作為一種纖維素材料，對氣體、液體、固體化學(xué)試劑具有良好的吸附性，且使用方便、環(huán)保、易處理。不過即使同樣用濾紙作為實驗載體，不同實驗使用的角度也有著極大的不同。

1.濾紙作為氣體載體

化學(xué)教學(xué)實驗中有許多與氣體有關(guān)的實驗，為增強(qiáng)實驗的效果，需要對氣體進(jìn)行聚集或者收集。利用濾紙致密的材質(zhì)，可以實現(xiàn)暫時聚集氣體這一功能，從而在易操作的同時增強(qiáng)化學(xué)實驗效果。例如，①在金屬鈉與水反應(yīng)的實驗中，為強(qiáng)化實驗現(xiàn)象，增加趣味性，用濾紙將鈉塊折疊包裹，然后放入水中，當(dāng)濾紙入水后會迅速膨脹，同時還有火光出現(xiàn)，待火光消失后，則可以聽到爆鳴聲。在實驗結(jié)束后觀察，發(fā)現(xiàn)濾紙被炸出一個洞，整體實驗安全、易操作，能給學(xué)生耳目一新的感受，教學(xué)效果極佳。②常規(guī)的氫氧燃料電池實驗的整體實驗效果一般，持續(xù)時間也相對較短。對該問題，有研究者僅將原實驗中的碳棒用濾紙進(jìn)行包裹，便使電極上吸附了更多的氫氣和氧氣，從而有效地延長了實驗時間，增強(qiáng)了實驗效果。

2.濾紙作為液體載體

在濾紙實驗中，超過50%的實驗均是用濾紙作為液體載體的。這主要得益于濾紙本身材質(zhì)極佳的吸水性，且相較于棉絮、瓊脂等材料，濾紙吸水后的形態(tài)更具穩(wěn)定性，便于接下來的實驗操作。在電化學(xué)和大量顯色的實驗中，相較于傳統(tǒng)的燒杯和試管，濾紙在節(jié)省藥品方面有著絕對的優(yōu)勢。這極大地解決了實驗教學(xué)中玻璃器皿和藥品不足的問題。其中較為典型的實驗包括：①在電化學(xué)中，大多數(shù)實驗除所取反應(yīng)物或使用電極材料不同外，實驗原理基本相同，也均能體現(xiàn)濾紙實驗相較于普通電化學(xué)實驗更加節(jié)省藥品的特點。其中有一個實驗十分新穎，即取一元硬幣10枚，五角硬幣10枚，將濾紙浸泡食醋，在一元硬幣和五角硬幣中放好，然后按順序進(jìn)行交替放置，最終通過導(dǎo)線和用電器構(gòu)建完整的原電池回路。該設(shè)計的原電池能達(dá)到音樂賀卡發(fā)聲的效果，該實驗不僅能提高學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，還能培養(yǎng)學(xué)生將知識與生活結(jié)合起來的思維方式，真正體現(xiàn)了化學(xué)的魅力。②顯色實驗屬于中學(xué)階段常見的實驗之一，整體實驗安全性較高，操作簡單。但為了保障實驗教學(xué)效果，大多數(shù)顯色實驗的藥品用量較多，且由于其操作單一，易使學(xué)生喪失興趣。為此，研究者設(shè)計出各種更具趣味性的濾紙實驗。多數(shù)實驗以濾紙吸附指示劑，折疊成紙花或用指示劑畫出不同的圖形，再進(jìn)行氣液性質(zhì)的檢驗，其中較為突出的實驗是一個晶體顯色實驗。在傳統(tǒng)的晶體顯色實驗中，從逐滴滴水的過程中可以觀察到顏色由藍(lán)色變?yōu)樽仙?、藍(lán)紫色和粉紅色。但是在酒精燈加熱過程中，由于溫度難以控制，造成顏色變化時間驟減，粉紅色瞬間變?yōu)樗{(lán)色，幾乎看不到中間的顏色變化。為解決這一問題，研究者用飽和氯化鈷溶液浸泡濾紙，取出濾紙后將其晾干，之后將濾紙折疊為一朵紙花，待用。實驗時用電吹風(fēng)不斷加熱，在這個過程中可以看到花的顏色由粉紅色變成紫色，后又變成藍(lán)紫色和藍(lán)色，整個實驗變化緩慢（約2分鐘），進(jìn)程可控，且實驗后只要向藍(lán)色的紙花噴水，其又恢復(fù)為粉紅色，紙花可循環(huán)使用。整體實驗將濾紙實驗的易操作和可控性強(qiáng)等特點發(fā)揮得淋漓盡致，是濾紙顯色實驗中較為典型的創(chuàng)新案例。

3.濾紙作為固體載體

因為濾紙對固體的吸附性一般，所以濾紙作為固體載體的實驗設(shè)計還比較少，可以分為兩類：一個實驗是鋁粉的燃燒實驗，都將濾紙扎滿小孔以增加其對鋁粉的吸附性，在沾滿鋁粉后用坩堝鉗在酒精燈上引燃，并快速自上而下放入盛滿氧氣的集氣瓶中，隨即可觀察到明顯現(xiàn)象。整體實驗相較于傳統(tǒng)實驗，對鋁粉的控制性增強(qiáng)且更安全。另一個實驗是示溫涂料的應(yīng)用實驗，有毒性，對環(huán)境影響較大，研究者將其與透明膠水混合后涂在濾紙表面，經(jīng)修剪后貼至有溫度變化的地方，不僅實驗現(xiàn)象明顯、趣味性強(qiáng)，而且試劑的使用量小，在達(dá)到實驗效果的同時符合綠色化學(xué)的要求。

三、總結(jié)及展望

從文獻(xiàn)整理中可以看出，在中學(xué)實驗教學(xué)過程中，濾紙實驗所涉及的具體實驗很多。研究者從載體和參與反應(yīng)的角度出發(fā)，利用濾紙色白、吸附性強(qiáng)、消耗藥品較少及環(huán)保安全等優(yōu)勢，不斷創(chuàng)造出生動、簡便、綠色的化學(xué)實驗，這對中學(xué)實驗教育的普及有著非同凡響的意義。

濾紙實驗雖有眾多優(yōu)點，但并不能完全代替其他的化學(xué)器皿，更多情況下其僅適用于實驗現(xiàn)象相對明顯的性質(zhì)實驗。這對濾紙實驗研究有著極大的限制性，我們應(yīng)該善于發(fā)掘平時較為常見的實驗用品，不局限于濾紙實驗，通過不斷思考和探索，開發(fā)出更多的瓊脂實驗、棉絮實驗等。與此同時，也可以借鑒生物等學(xué)科實驗對實驗用品的使用情況，將全學(xué)科實驗結(jié)合在一起，最終為學(xué)生帶來更多簡單易操作、成本低廉、綠色環(huán)保以及符合新課程標(biāo)準(zhǔn)的實驗方案，真正推進(jìn)“實驗是化學(xué)的基礎(chǔ)”在課堂中的落實。

參考文獻(xiàn)：

[1]王紅云，鐘四姣.濾紙上化學(xué)實驗的研究[J].化學(xué)教育，2008，29（8）：60-62.

[2]耿 芬，丁 偉.自制“羊皮紙”的趣味實驗[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2012（1）：61-62.

[3]黃姚昊，陽志高.使用濾紙巧做C還原Fe2O3的實驗[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2016（22）：72-73.

[4]李細(xì)妹，鄭柳萍.濾紙在實驗中的妙用[J].化學(xué)教育，2013，34（11）：81.

[5]馬酈玨，丁 偉.巧用濾紙創(chuàng)新實驗[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2019（6）：58-60.

[6]鄒 曄.利用濾紙做CoCl2晶體顯色實驗[J].實驗教學(xué)與儀器，2014，31（7）：78.

[7]馬酈玨，丁 偉.巧用濾紙創(chuàng)新實驗[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2019（6）：58-60.

[8]曾德琨，劉麗君.濾紙上的趣味化學(xué)實驗設(shè)計[J].實驗教學(xué)與儀器，2017，34（7）：74-75.

[9]邢泰宇.電化學(xué)中的濾紙實驗[J].化學(xué)教與學(xué)，2015（5）：90-91.