乙醇中碳、氫元素的檢測(cè)探究實(shí)驗(yàn)

劉國(guó)豪

摘要： 設(shè)計(jì)乙醇中碳、氫元素的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)原料的選取、實(shí)驗(yàn)環(huán)境干擾因素的排除等方面入手，有針對(duì)性地對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后手持技術(shù)的運(yùn)用使得實(shí)驗(yàn)操作更簡(jiǎn)單，現(xiàn)象更直觀，數(shù)據(jù)更精確，取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果。通過此系列改進(jìn)，構(gòu)建了物質(zhì)元素組成實(shí)驗(yàn)探究的思維模型，有助于提高學(xué)生的思考能力和實(shí)驗(yàn)探究能力。

關(guān)鍵詞： 乙醇; 碳、氫元素檢測(cè); 手持技術(shù); 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 10056629（2020）08007004

中圖分類號(hào)： G633 8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1? 問題的提出

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》對(duì)初中學(xué)生提出了“知道科學(xué)探究可以通過實(shí)驗(yàn)、觀察等多種手段獲取事實(shí)和證據(jù)”、“認(rèn)識(shí)到科學(xué)探究既需要觀察和實(shí)驗(yàn)，又需要進(jìn)行推理和判斷”[1]等要求。但目前在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中常常存在以下問題： 重視實(shí)驗(yàn)結(jié)果或結(jié)論，更強(qiáng)調(diào)獲得并記住實(shí)驗(yàn)結(jié)論，而忽視對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的探索。至于素質(zhì)教育所提倡的科學(xué)思想、科學(xué)品質(zhì)、科學(xué)態(tài)度等的教學(xué)和培養(yǎng)，在實(shí)際教學(xué)中則更少涉及。

楊硯寧、沈兆剛和丁小勤等人[2～4]指出，基于證據(jù)推理的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)能促進(jìn)學(xué)生增進(jìn)對(duì)科學(xué)探究的理解，培養(yǎng)科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。以“證據(jù)推理”、“實(shí)驗(yàn)教學(xué)”等關(guān)鍵詞在CNKI學(xué)術(shù)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行文獻(xiàn)檢索。通過篩選、整理和分析，發(fā)現(xiàn)基于證據(jù)推理的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究主要集中于以下幾個(gè)主題： （1）物質(zhì)成分的探究[5～7];（2）物質(zhì)性質(zhì)的驗(yàn)證[8，9];（3）常規(guī)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[10];（4）物質(zhì)變化的實(shí)驗(yàn)探究[11～13]。其中部分實(shí)驗(yàn)引入手持技術(shù)傳感器，利用手持技術(shù)數(shù)字化改進(jìn)實(shí)驗(yàn)[14～16]，教學(xué)效果佳，值得借鑒。但暫未發(fā)現(xiàn)從證據(jù)推理角度進(jìn)行物質(zhì)組成元素檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究，因此，本研究以乙醇中碳、氫元素檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，旨在解決以下問題：

（1） 如何從證據(jù)推理角度建立物質(zhì)元素組成的實(shí)驗(yàn)探究模型？

（2） 如何利用手持技術(shù)進(jìn)行物質(zhì)元素檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)？

2? 解決問題的思維模型

2.1? 物質(zhì)元素組成實(shí)驗(yàn)探究的一般思維模型

在初三化學(xué)的學(xué)習(xí)中，學(xué)生已學(xué)習(xí)了幾個(gè)探究物質(zhì)元素組成的實(shí)驗(yàn)，如蠟燭燃燒、水的組成、氫氣和甲烷的元素組成等，通過燃燒、通電等引發(fā)反應(yīng)，進(jìn)而檢測(cè)反應(yīng)產(chǎn)物，根據(jù)質(zhì)量守恒定律實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)元素組成的推理，這是探究物質(zhì)元素組成的一般思路。由證據(jù)推理角度整理得到圖1的思維模型，即通過未知組成的物質(zhì)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)行反應(yīng)產(chǎn)物的檢驗(yàn)并收集實(shí)驗(yàn)證據(jù)，最后根據(jù)產(chǎn)物的元素組成推測(cè)原物質(zhì)的元素組成。

2.2? 乙醇中碳、氫元素檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)探究模型的建構(gòu)

乙醇是一種常見的化學(xué)燃料，在人教版九年級(jí)《化學(xué)》上冊(cè)教材中并沒有探究乙醇元素組成的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，而是直接給出化學(xué)式，學(xué)生對(duì)該部分的學(xué)習(xí)處于被動(dòng)接受的狀態(tài)。因此筆者在實(shí)際教學(xué)中，嘗試讓學(xué)生進(jìn)行乙醇元素組成的探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。學(xué)生根據(jù)探究物質(zhì)元素組成實(shí)驗(yàn)的一般思維模型，模仿課本中原有的對(duì)蠟燭、氫氣和甲烷燃燒產(chǎn)物的探究實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了如圖2所示的實(shí)驗(yàn)1——燒杯收集法實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)用到的實(shí)驗(yàn)器材有酒精燈、火柴、滴瓶和燒杯，實(shí)驗(yàn)藥品為澄清石灰水。實(shí)驗(yàn)過程中，干冷燒杯內(nèi)壁迅速出現(xiàn)白霧，將燒杯倒過來，加入澄清石灰水后，石灰水變渾濁的現(xiàn)象并不明顯，對(duì)實(shí)驗(yàn)證據(jù)的分析推理如表1所示。

步驟1? 在燃著的酒精燈火焰上方罩一個(gè)干冷燒杯

步驟2? 迅速倒轉(zhuǎn)燒杯，倒入澄清石灰水、振蕩

實(shí)驗(yàn)證據(jù)直接推理間接推理

燒杯內(nèi)壁出現(xiàn)白霧燃燒產(chǎn)物中有H2O乙醇中含有氫元素

倒入澄清石灰水后變渾濁

現(xiàn)象不明顯無無

在實(shí)際教學(xué)過程中，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)后填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告并進(jìn)行小組討論，發(fā)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)有3個(gè)不合理之處： （1）澄清石灰水變渾濁的現(xiàn)象不明顯，無法推理;（2）酒精燈中的酒精是工業(yè)酒精，含有水分，白霧可能是酒精燈中的水蒸發(fā)液化而成，推理不嚴(yán)謹(jǐn);（3）酒精燈芯也同時(shí)在燃燒，對(duì)酒精成分的推理造成干擾。

針對(duì)以上三個(gè)問題，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度思考，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)證據(jù)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境，從嚴(yán)密邏輯推理的角度，討論并總結(jié)出乙醇中碳、氫元素檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)探究模型，如圖3所示。引導(dǎo)學(xué)生需要從選取純凈的實(shí)驗(yàn)原料、設(shè)置排除干擾的實(shí)驗(yàn)環(huán)境、有針對(duì)性地檢測(cè)產(chǎn)物三個(gè)方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的改進(jìn)。

3? 基于嚴(yán)密邏輯推理的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

3.1? 改進(jìn)： 錐形瓶收集法檢測(cè)酒精中碳、氫元素

3.1.1? 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于對(duì)實(shí)驗(yàn)1的不足之處的分析，教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)具體的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)2）方案如下： （1）改工業(yè)酒精為無水乙醇，排除水的干擾;（2）改酒精燈為燃燒匙，排除酒精燈棉芯的干擾;（3）開放體系實(shí)驗(yàn)改為密閉體系實(shí)驗(yàn)，便于收集產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)。圖4為改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)步驟及裝置示意圖，實(shí)驗(yàn)器材及藥品有： 燃燒匙、酒精燈、火柴、

橡膠塞、注射器、錐形瓶、滴瓶、無水乙醇（分析純）、澄清石灰水，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析推理見表2。

實(shí)驗(yàn)證據(jù)直接推理間接推理

錐形瓶?jī)?nèi)壁出現(xiàn)白霧燃燒產(chǎn)物中有H2O乙醇中含有氫元素

擠入澄清石灰水后變渾濁燃燒產(chǎn)物中有CO2乙醇中含有碳元素

3.1.2? 評(píng)析改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)

小組討論后，很多學(xué)生覺得實(shí)驗(yàn)2還有一處推理不嚴(yán)謹(jǐn)： 據(jù)了解，在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，酒精的沸點(diǎn)為78.50℃，比水還低，因此，燃燒后錐形瓶?jī)?nèi)產(chǎn)生的白霧有可能是酒精蒸氣液化而成。如何有針對(duì)性地檢測(cè)燃燒產(chǎn)物H2O成為進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)必須解決的問題。

3.2? 創(chuàng)新： 手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)法檢測(cè)酒精中碳、氫元素

3.2.1? 應(yīng)用手持技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)難以有針對(duì)性、一步到位地檢測(cè)生成物，而用手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備則能很好地解決這個(gè)問題。手持技術(shù)是可以定量采集各種常見數(shù)據(jù)，并能與計(jì)算機(jī)連接的實(shí)驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)[17]，具有便攜、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、綜合、直觀等優(yōu)點(diǎn)[18]。在本實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)3）中，用濕度傳感器和二氧化碳傳感器檢測(cè)乙醇燃燒產(chǎn)物。實(shí)驗(yàn)用到的器材有： 威尼爾手持設(shè)備Labquest2、 CO2傳感器、濕度傳感器、燃燒匙、酒精燈和火柴;實(shí)驗(yàn)藥品有： 無水乙醇（分析純）。實(shí)驗(yàn)裝置及步驟見圖5。

3.2.2? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

在乙醇燃燒后，手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備檢測(cè)到三頸燒瓶?jī)?nèi)CO2和H2O的含量迅速上升（圖6中上圖為二氧化碳含量變化，下圖為相對(duì)濕度變化），其中，二氧化碳含量由原空氣中含量約1000ppm最終上升到

約10000ppm，相對(duì)濕度由原空氣的55%上升到83%。通過直接推理，即可推出乙醇的元素組成中含有碳、氫元素（見表3）。

實(shí)驗(yàn)證據(jù)直接推理

三頸燒瓶?jī)?nèi)CO2的含量迅速上升乙醇中含有碳元素

三頸燒瓶?jī)?nèi)H2O的含量迅速上升乙醇中含有氫元素

3.3? 評(píng)析： 認(rèn)識(shí)手持技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)

通過對(duì)比（見表4）我們發(fā)現(xiàn)，燃燒法檢測(cè)可燃物元素組成的實(shí)驗(yàn)，需要注意兩點(diǎn)： （1）要在密閉體系里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，防止氣體生成物逸出導(dǎo)致檢測(cè)現(xiàn)象不明顯的情況;（2）實(shí)驗(yàn)的方案務(wù)必排除無關(guān)因素的干擾，注重證據(jù)推理的嚴(yán)謹(jǐn)性。另外，手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于產(chǎn)物的檢測(cè)不僅具有操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯、推理嚴(yán)謹(jǐn)?shù)忍攸c(diǎn)，而且使實(shí)驗(yàn)由定性檢驗(yàn)上升為定量檢測(cè)，具有更多的學(xué)科價(jià)值。

序號(hào)收集產(chǎn)物方法檢測(cè)產(chǎn)物CO2和H2O的方法優(yōu)點(diǎn)不足

實(shí)驗(yàn)1? 燒杯收集法檢測(cè)酒精中碳、氫元素?zé)?/p>

（開放體系）澄清石灰水和

觀察水霧裝置簡(jiǎn)單現(xiàn)象不明顯

推理不嚴(yán)謹(jǐn)

實(shí)驗(yàn)2? 錐形瓶收集法檢測(cè)酒精中碳、氫元素錐形瓶

（密閉體系）澄清石灰水和

觀察水霧裝置簡(jiǎn)單

現(xiàn)象明顯推理不嚴(yán)謹(jǐn)

實(shí)驗(yàn)3 ?手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)法檢測(cè)酒精中碳、氫元素三頸燒瓶

（密閉體系）傳感器操作簡(jiǎn)單

現(xiàn)象明顯

推理嚴(yán)謹(jǐn)

定量檢測(cè)

4? 教學(xué)反思

4.1? 從證據(jù)推理角度設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)——結(jié)論的推理更嚴(yán)謹(jǐn)

在平時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生往往只需按照教材中設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作，因此很多學(xué)生在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后仍不清楚實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，也缺乏?duì)實(shí)驗(yàn)方法的整體認(rèn)識(shí)。本研究通過乙醇中碳、氫元素檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象推理乙醇元素的組成，從證據(jù)推理的角度進(jìn)行物質(zhì)組成的實(shí)驗(yàn)探究，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，促進(jìn)和幫助學(xué)生快速、準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)好嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)方案。

4.2? 從嚴(yán)密邏輯推理角度改進(jìn)實(shí)驗(yàn)探究方案——學(xué)生的思考更深入

在實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作過程中，往往會(huì)出現(xiàn)新的、沒有預(yù)想到的問題，使學(xué)生理解構(gòu)思和實(shí)踐之間有一定的差距。學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)束后經(jīng)過書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，反思實(shí)驗(yàn)不足，再重新改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，變學(xué)生被動(dòng)地操作實(shí)驗(yàn)為主動(dòng)地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思維容量，培養(yǎng)了學(xué)生深度思考的能力。

4.3? 手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行物質(zhì)組成的探究實(shí)驗(yàn)——現(xiàn)象的顯現(xiàn)更科學(xué)

本研究使用手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)無水乙醇燃燒的產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠，操作更為簡(jiǎn)單，可重復(fù)性強(qiáng)，使推理嚴(yán)謹(jǐn)，同時(shí)讓實(shí)驗(yàn)由定性檢驗(yàn)上升為定量檢測(cè)，根據(jù)數(shù)據(jù)的變化，還可以讓學(xué)生展開更深層次的探究，拓寬了探究的維度?；谑殖旨夹g(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用，還有很多有待開發(fā)的空間，需要廣大的基礎(chǔ)化學(xué)教育工作者共同開展理論和實(shí)踐的研究。

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