基于“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的化學(xué)實驗設(shè)計

姜大煒 黃斌 馮燕 顧小敏 陳玉喬

摘要：從培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的角度出發(fā)，以固相萃取空管柱為實驗裝置，應(yīng)用于過濾、水的凈化和色素的脫除、萃取、分離等中學(xué)生均可以進(jìn)行自主操作的化學(xué)實驗中。實驗結(jié)果顯示，利用空管柱進(jìn)行實驗操作簡單，實驗效果明顯，適合于課堂實驗演示和課外興趣實驗活動，且空管柱可以重復(fù)利用，綠色環(huán)保、安全性高。該實驗裝置的使用，對培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)有積極作用。

關(guān)鍵詞：科學(xué)探究;創(chuàng)新意識;化學(xué)實驗;固相萃取空管柱

文章編號：1008-0546（2022）10-0091-04中圖分類號：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

普通高中化學(xué)課程是落實立德樹人，提升學(xué)生核心素養(yǎng)的重要載體。[1]化學(xué)實驗作為化學(xué)學(xué)習(xí)的重要實踐活動，對于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展具有不可替代的獨(dú)特作用?；瘜W(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的“宏觀辨識與微觀探析”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”和“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”的落實離不開化學(xué)實驗。通過化學(xué)實驗教學(xué)，不僅可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣和動機(jī)，為學(xué)生提供豐富的感性認(rèn)識，更重要的是可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、動手操作能力和問題解決能力。[2]同時，實驗的探究和創(chuàng)新對“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”素養(yǎng)的培養(yǎng)又起著重要的推動作用。

一、關(guān)于該實驗設(shè)計的思考

普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中提出“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”要從實踐層面激勵學(xué)生勇于創(chuàng)新。

對于化學(xué)實驗，強(qiáng)調(diào)“認(rèn)識化學(xué)實驗是研究和學(xué)習(xí)物質(zhì)及其變化的基本方法，是科學(xué)探究的一種重要途徑?！币蟪醪綄W(xué)會物質(zhì)檢驗、分離、提純和溶液配制等化學(xué)實驗基礎(chǔ)知識和基本技能。學(xué)習(xí)研究物質(zhì)性質(zhì)，探究反應(yīng)規(guī)律，進(jìn)行物質(zhì)分離、檢驗和制備等不同類型化學(xué)實驗及探究活動的核心思路與基本方法。體會實驗條件控制對完成科學(xué)實驗及探究活動的作用。

在“科學(xué)態(tài)度與安全意識”中，強(qiáng)調(diào)發(fā)展對化學(xué)實驗探究活動的好奇心和興趣，養(yǎng)成注重實證、嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度，增強(qiáng)合作探究意識，養(yǎng)成獨(dú)立思考、敢于質(zhì)疑和勇于創(chuàng)新的精神。樹立安全意識和環(huán)保意識。熟悉化學(xué)品安全使用標(biāo)識，知道常見廢棄物的處理方法，知道實驗室突發(fā)事件的應(yīng)對措施，形成良好的實驗工作習(xí)慣。

對于學(xué)生必做實驗，要改變在實驗中注重動手但缺少思考的現(xiàn)狀，強(qiáng)調(diào)高級思維過程。認(rèn)識物質(zhì)及其變化對環(huán)境的影響;體會化學(xué)對環(huán)境保護(hù)的作用。了解關(guān)于污染防治、環(huán)境治理的相關(guān)國策、法規(guī)，強(qiáng)化公眾共同參與環(huán)境治理的責(zé)任。

“學(xué)業(yè)要求”中提出能主動運(yùn)用所學(xué)的化學(xué)知識和方法解決生產(chǎn)、生活中簡單的化學(xué)問題。具有節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展意識。從自身做起，形成簡約適度、綠色低碳的生活方式，科學(xué)進(jìn)行固體廢棄物和垃圾處理。

為了體現(xiàn)“素養(yǎng)為本”的實驗探究教學(xué)設(shè)計，本文以固相萃取空管柱為基本框架，建構(gòu)了一套實驗裝置模型。該實驗裝置模型可適用于多個中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中，還可以有效地進(jìn)行科學(xué)探究，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識的形成。

固相萃取技術(shù)是一種常見的樣品預(yù)處理方法，廣泛應(yīng)用于環(huán)境樣品和食品樣品中。該方法是利用固體吸附劑吸附液體樣品中的目標(biāo)分析物，再用洗脫液洗脫，達(dá)到分離、凈化和富集的效果。[3-5]固相萃取空管柱（圖1）由針筒型聚丙烯管和多孔聚丙烯篩板（孔徑20μm）組成。當(dāng)管內(nèi)裝有固相填料時，可用于富集食品、農(nóng)畜產(chǎn)品、環(huán)境樣品以及生物樣品中待測分析物的預(yù)處理。固相萃取柱的規(guī)格可分為1mL、3mL、6mL、10mL、15mL、20mL、30mL、60mL等。

本文實驗裝置模型中的空管柱體積為15mL，總管長9.2cm，管身長7.9cm，管口口徑1.6cm。利用此裝置模型進(jìn)行了過濾、水的凈化和色素的脫除、萃取、色素分離等中學(xué)化學(xué)實驗操作。

二、以“空管柱”實驗設(shè)計案例

1.基于過濾分離方法的實驗——過濾

實驗來源：人教版初中九年級化學(xué)書下冊實驗活動：粗鹽中難溶性雜質(zhì)的去除。[6]

實驗步驟：稱取5g粗鹽，加入50mL水，玻璃棒攪拌后轉(zhuǎn)移至裝有篩板的空管柱中，等待濾液流出;以濾紙過濾作為對照實驗。

實驗1利用空管柱裝置模型進(jìn)行過濾操作，其結(jié)果與利用濾紙進(jìn)行過濾的效果相同（圖2），可以很好地分離固體與液體，實現(xiàn)過濾的目的。通過此實驗，學(xué)生能夠理解過濾的本質(zhì)，無論是濾紙還是篩板，均布滿了微孔，故能實現(xiàn)固、液的分離。該實驗裝置簡便，操作簡單，安全性高，不存在由于裝置打碎而引起的安全事故問題;同時起過濾作用的篩板清洗后可以重復(fù)使用，不但綠色環(huán)保，還能節(jié)省濾紙。利用該裝置即可進(jìn)行課堂演示實驗，也適合于學(xué)生課后的操作實驗。此實驗有利于開發(fā)學(xué)生創(chuàng)新性思維，讓學(xué)生明白過濾操作不再僅僅局限于用濾紙和漏斗，還可以用其他方式替代，拓寬學(xué)生的思維，提高學(xué)生對課堂的專注度。

2.基于吸附原理的實驗——水的凈化、設(shè)計性趣味實驗

（1）水的凈化

實驗來源：人教版初中化學(xué)九年級上冊課外實驗：自制簡易凈水器。[7]

實驗步驟：

凈化柱的制作：取一干凈、裝好篩板的空管柱，裝入厚度1cm左右的活性炭層，在活性炭層上裝入一層蓬松脫脂棉，再裝入厚度2cm左右的石英砂，繼續(xù)在石英砂上層裝入一層蓬松脫脂棉。

污水的凈化：用滴管吸取污水濁液（5g泥沙加入到50mL水中，用玻璃棒攪勻，形成濁液）緩慢加入凈化柱中，等待濾液流出，觀察濾液顏色（圖3）。

（2）課外興趣拓展設(shè)計性試驗——藍(lán)墨水、可樂中色素的脫除

泥沙水凈化主要原因是利用活性炭的吸附性?；钚蕴砍丝梢晕郊?xì)小顆粒和一些可溶性雜質(zhì)外，還可吸附色素、氣味等，因此利用上述裝置可以進(jìn)行新實驗開發(fā)、設(shè)計，如藍(lán)墨水溶液和可樂飲料中色素的脫除等。

①藍(lán)墨水溶液中色素的脫除

實驗步驟：用膠頭滴管吸取稀釋后的藍(lán)墨水（向50mL水中滴入2-3滴的藍(lán)墨水，用玻璃棒攪拌，得到藍(lán)色溶液）緩慢加入已經(jīng)裝好的柱子中，避免藍(lán)墨水溶液漫過柱口，等待濾液流出，觀察濾液顏色。

②可樂飲料中色素的脫除

實驗步驟：往燒杯中倒入適量可樂，用膠頭滴管吸取可樂緩慢加入已經(jīng)裝好的柱子中，等待濾液流出，觀察濾液顏色（圖4）。

實驗2中水的凈化和色素溶液的脫色實驗現(xiàn)象明顯，實驗效果佳。該實驗裝置模型小，易攜帶至課堂，讓學(xué)生更清晰地了解活性炭的吸附能力，提升學(xué)生的關(guān)注度。

由生活中水的凈化實驗為基礎(chǔ)，開展了課外實驗的拓展，設(shè)計了趣味性實驗——色素的脫除。該實驗符合新課標(biāo)中教材編寫建議部分中強(qiáng)調(diào)“重視實驗探究與實踐活動，要求適當(dāng)增加微型實驗、家庭小實驗等，讓學(xué)生在實驗探究中學(xué)習(xí)，形成嚴(yán)謹(jǐn)求實、勇于實踐的科學(xué)態(tài)度，發(fā)展實踐能力”的要求，此設(shè)計可以作為家庭興趣實驗項目進(jìn)行輔助教學(xué)。從課本實驗向生活實驗轉(zhuǎn)化，將理論與生活實際結(jié)合起來，激發(fā)學(xué)生主動探究學(xué)習(xí)的動力和對環(huán)境保護(hù)重要性的認(rèn)識。此部分內(nèi)容契合新課標(biāo)中強(qiáng)調(diào)教學(xué)內(nèi)容“主題為引領(lǐng)，使課程內(nèi)容情境化”，促進(jìn)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成與發(fā)展，實現(xiàn)了“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”的學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)。從核心素養(yǎng)的發(fā)展角度看，結(jié)合生產(chǎn)生活創(chuàng)設(shè)情境，使得化學(xué)學(xué)習(xí)與生活緊密相連。貼近學(xué)生生活的化學(xué)現(xiàn)象更能激發(fā)學(xué)生的求知欲，也更能體會化學(xué)學(xué)科的價值，不斷樹立環(huán)保意識、人與自然的和諧相處、提高綠色化學(xué)意識、建立可持續(xù)發(fā)展的理念，從而肩負(fù)更多的社會責(zé)任。正如杜威認(rèn)為最好的教學(xué)是“要牢牢記住學(xué)校教材與現(xiàn)實生活二者相互聯(lián)系的必要性，使學(xué)生養(yǎng)成一種態(tài)度，習(xí)慣于尋找這兩方面的接觸點(diǎn)和相互的聯(lián)系”[8]。

3.基于溶解度差異的實驗——萃取

實驗來源：蘇教版高中化學(xué)選修6—實驗化學(xué)課題：海帶中碘元素的分離及檢驗;[9]人教版化學(xué)1第一章：從實驗學(xué)化學(xué)。[10]

實驗步驟：稱取1g碘單質(zhì)，加入20mL水，用玻璃棒攪拌至溶液呈淡棕黃色（碘單質(zhì)微溶于水）。取一次性塑料滴管一根，從下端剪下長約1cm左右的細(xì)塑料軟管，將其套在空管柱下端，用彈簧夾夾住塑料軟管，加入適量水至空管柱中，空管柱上端口塞上橡膠塞，對上端、下端進(jìn)行檢漏。取4mL碘的水溶液于空管柱中，再量取2mL四氯化碳加入空管柱中，塞上橡膠塞，將空管柱子倒置后振蕩2-3次后，打開彈簧夾放氣。重復(fù)幾次后靜置分層。取出上端口橡膠塞，打開下端彈簧夾，待下層液體完全流出后，夾好彈簧夾，上層液體從上端口倒出。

實驗3的結(jié)果表明空管柱裝置模型可以很好地萃取出碘—水溶液中的碘，現(xiàn)象非常明顯（圖5），有利于學(xué)生對萃取原理的掌握。利用此裝置模型可以顯著減小高毒性萃取劑CCl4的用量，既能達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，又有效降低對環(huán)境的污染的目的，在教學(xué)過程中潛移默化地實現(xiàn)了保護(hù)環(huán)境的觀念，促進(jìn)學(xué)生“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”學(xué)科核心素養(yǎng)的形成。

4.基于層析原理的實驗——色素分離

實驗來源：蘇教版高中化學(xué)選修6—實驗化學(xué)拓展課題：菠菜的葉綠體中色素的提取和分離。[9]

實驗步驟：

色素提取：將5g綠草和適量胡蘿卜剪碎后，放入研缽中，加入少量的碳酸鈣和石英砂，加入3mL石油醚和3mL乙醇，迅速充分地研磨出漿液，將研磨出的漿液倒入干凈的具有篩板的空管柱中靜置分層后過濾，先收集下層乙醇溶液，再收集上層石油醚溶液（石油醚與乙醇不互溶）。乙醇層用石油醚萃取兩次，合并石油醚層至小燒杯中，加入3g硅膠粉，置于通風(fēng)櫥中，搖勻后緩緩?fù)ㄈ氲獨(dú)猓蹈扇軇ㄒ部蓪⑾炊虿迦氩ＡЧ苤?，不停擠壓，使溶劑揮發(fā)），制得吸附在硅膠粉末中的混合色素樣品（注：樣品要現(xiàn)制現(xiàn)用，防止放置時間長后，樣品變質(zhì)）。

樣品裝柱：向具有篩板的空管柱中加入2-3cm高的硅膠粉，以木棒敲擊空管柱外壁使硅膠粉鋪平裝實，裝入2-3mm高的混合色素硅膠樣品，敲擊裝實后，加1cm高的石英砂粉末（也可用干凈的細(xì)沙），保護(hù)樣品層平整（圖6）。

色素分離：緩慢向空管柱中加入石油醚，隨著洗脫劑的流動，黃色的胡蘿卜色素帶逐漸下移（注：空管柱樣品層上方要間斷性補(bǔ)加洗脫劑，防止溶劑流干）;待胡蘿卜色素完全流出后，先用體積比為19∶1的石油醚-丙酮混合液洗脫（防止硅膠斷層），再用體積比為9：1的石油醚-丙酮混合液沖洗剩余的色素，根據(jù)色帶的不同，分別收集洗脫液（圖7-10）。

新課標(biāo)中教材編寫建議部分中強(qiáng)調(diào)重視實驗探究與實踐活動，要求適當(dāng)增加微型實驗、家庭小實驗等，讓學(xué)生在實驗探究中學(xué)習(xí)，發(fā)展實踐能力，實驗4的設(shè)計正是以此為目的。該實驗是綠色植物中色素分離的設(shè)計性實驗。教材中采用紙上層析法分離菠菜中葉綠素;我們采取了適合學(xué)生課外開展的實踐活動實驗——柱層析分離法，使學(xué)生認(rèn)識到除了紙色譜分離方法以外，還可以利用柱色譜法進(jìn)行，拓寬學(xué)生知識面，幫助學(xué)生理解、掌握層析分離的原理。學(xué)生在實驗過程中可以直觀地觀察到各個色素帶的流出過程，同時能收集到各色素的純組分溶液（圖11）。綜合紙上層析法和柱上層析分離法實驗，可以促使學(xué)生從物質(zhì)微觀層面的視角認(rèn)識到，由于色素混合物中各自分子結(jié)構(gòu)上存在的差異性導(dǎo)致其在濾紙纖維素中分配系數(shù)不同，以及硅膠固定相中色素混合物各組分吸附能力存在差異的原因，使得混合物得到分離。這對“宏觀辨識與微觀探析”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成有著積極的作用。

三、教學(xué)啟示

綜上所述，這些實驗具有操作簡單，現(xiàn)象明顯、便于觀察等特點(diǎn)。此實驗裝置模型簡單易得，教學(xué)功能豐富，易于課堂教學(xué)和課外實踐活動的展開，學(xué)生對實驗現(xiàn)象的觀察一目了然。同時該裝置模型具有綠色、高效的優(yōu)勢，空管柱不易被打碎，不會出現(xiàn)因儀器破損造成傷害，提高實驗安全性。實驗試劑用量小，節(jié)省資源，減少污染;裝置綠色環(huán)保，可重復(fù)使用，使這些實驗更方便帶入課堂進(jìn)行教學(xué)演示，加強(qiáng)學(xué)生對理論知識的消化理解，提高教學(xué)效率;此類實驗是對常規(guī)實驗的補(bǔ)充和拓展，作為一種教學(xué)手段，用以提高教學(xué)效率，使學(xué)生更直接地了解化學(xué)的神奇，激發(fā)學(xué)生們學(xué)習(xí)化學(xué)理論知識的積極性，有利于理論與實際相結(jié)合，豐富學(xué)生的課外生活。利用此裝置模型可以使化學(xué)教學(xué)的課堂生動起來，豐富了學(xué)生的想象，有利于激發(fā)學(xué)生探索的精神;同時也可以解決因資源有限而無法使每個學(xué)生動手做實驗的問題，讓學(xué)生有機(jī)會直接感受實驗現(xiàn)象，直接體會化學(xué)的神奇，鍛煉學(xué)生的動手能力。[11]這對于培養(yǎng)、落實“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”“宏觀辨識與微觀探析”和“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成有積極的推動作用。

參考文獻(xiàn)

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