熱縮管用于中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的案例

摘要： 從教育裝備與教學(xué)融合的視角出發(fā)，首次利用熱縮管對教材的若干實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了創(chuàng)新改進(jìn)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)了微型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理念和創(chuàng)客教育理念，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置具有制作簡單、試劑微量、有益環(huán)保、可塑性強(qiáng)等特點(diǎn)，能為物資缺乏地區(qū)學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展提供新選擇，能為創(chuàng)客式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展提供方向與路徑指引參考，也能為核心素養(yǎng)理念在教學(xué)實(shí)踐中落地提供新啟示。

關(guān)鍵詞： 熱縮管； 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)； 教育裝備與教學(xué)融合； 微型實(shí)驗(yàn)； 創(chuàng)客式實(shí)驗(yàn)教學(xué)

文章編號： 1005-6629（2023）03-0069-04

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1? 問題的提出

新版義務(wù)教育和普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)［1， 2］提出“化學(xué)教材應(yīng)精心設(shè)計(jì)學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)，適當(dāng)增加微型實(shí)驗(yàn)……”“鼓勵實(shí)驗(yàn)的綠色化，開展微型實(shí)驗(yàn)……”。對教材實(shí)驗(yàn)的微型化設(shè)計(jì)是當(dāng)前中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新與改進(jìn)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，且已有不少一線教師、教育裝備工作者、化學(xué)教育研究者巧用生活中一些常見、易獲取的物品對中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了微型化改進(jìn)［3～7］，這些實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)都取得了一定的效果，較好地豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。但總體而言，由于受裝置本身材料的影響，改進(jìn)后的裝置外形相對固定，所以往往只適用于某一單一實(shí)驗(yàn)或某一類具體實(shí)驗(yàn)。那么能否從裝置材料的角度出發(fā)，選擇一種可塑性、適用性均較強(qiáng)的材料呢？在生活中熱縮管常被廣泛用于電線連接、金屬產(chǎn)品的防銹、防腐蝕處理等，具有優(yōu)良的可塑性、阻燃性、環(huán)保性、耐腐蝕性，而且收縮快、規(guī)格尺寸多樣，那是否能充分利用熱縮管特有的性質(zhì)來對教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行微型化、創(chuàng)客式設(shè)計(jì)呢？鑒于此，筆者基于熱縮管，對教材所涉及的若干實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了創(chuàng)新與改進(jìn)，并將微型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理念和創(chuàng)客教育理念融入研究中，探索創(chuàng)客式教與學(xué)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，探尋開展創(chuàng)客式實(shí)驗(yàn)教學(xué)具體可行的實(shí)踐路徑。在前期研究的基礎(chǔ)上［8～14］繼續(xù)對教育技術(shù)裝備與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合展開具體研究，以期能為實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的變革、創(chuàng)新和完善基礎(chǔ)教育裝備及實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理與研究工作機(jī)制提供新借鑒。

2? 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和現(xiàn)象

本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)基于透明熱縮管（收縮比例為2∶1，收縮溫度范圍為84～110℃），設(shè)計(jì)制作了若干微型化實(shí)驗(yàn)裝置，來完成教材所涉及的一些電化學(xué)實(shí)驗(yàn)、一體化實(shí)驗(yàn)等。

2.1? 基于熱縮管的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

電解飽和食鹽水是學(xué)生學(xué)習(xí)電解原理的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)之一，它能促進(jìn)學(xué)生對電極反應(yīng)、電極材料等電化學(xué)體系基本要素的認(rèn)識，幫助學(xué)生構(gòu)建電化學(xué)問題的基本分析思路，提高學(xué)生對電化學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識。當(dāng)進(jìn)行電解飽和食鹽水實(shí)驗(yàn)時(shí)，可基于熱縮管進(jìn)行如下改進(jìn)。如圖1所示，將一支約22cm的熱縮管（直徑4mm）手動彎成U形后，使用小型熱風(fēng)槍（低溫檔）對U形底部Ⅰ處加熱約1秒，使其略微收縮定型后，注入飽和食鹽水。注意加入的飽和食鹽水液面需距離U形熱縮管Ⅱ和Ⅲ兩端口各約4.5cm。接著在U形熱縮管兩邊各滴入幾滴酚酞，然后將兩支2B鉛筆芯（直徑2mm、長度11cm）插入U(xiǎn)形熱縮管的兩端，其中在陽極（與電源正極相連鉛筆芯）中上部粘貼一小片濕潤的淀粉碘化鉀試紙。調(diào)節(jié)好鉛筆芯伸入熱縮管內(nèi)的長度后，使用熱風(fēng)槍（低溫檔）依次對熱縮管上Ⅱ和Ⅲ處稍許加熱使其完全收縮，經(jīng)熱縮操作后可將2B鉛筆芯密封固定于Ⅱ和Ⅲ端。以兩支2B鉛筆芯作為電極，通過帶鱷魚夾導(dǎo)線分別與27V電源（將3節(jié)9V電池串聯(lián)）相連。接通電源后電解立即開始，兩電極上均能明顯觀察到有氣泡產(chǎn)生。電解飽和食鹽水約25秒，可觀察到U形熱縮管的陰極（與電源負(fù)極相連鉛筆芯）附近無色溶液逐漸變紅，陽極上粘貼的濕潤淀粉碘化鉀試紙變藍(lán)，此時(shí)斷開與電源的連接，完成電解。學(xué)生利用此微型電解實(shí)驗(yàn)裝置除了能進(jìn)行飽和食鹽水的電解實(shí)驗(yàn)，也能進(jìn)行教材中其他電解實(shí)驗(yàn)，如電解水、電解氯化銅溶液等，還能將其應(yīng)用于氫氧化鐵膠體電泳實(shí)驗(yàn)、自制簡單燃料電池實(shí)驗(yàn)等。而且由于裝置制作及實(shí)驗(yàn)操作均較為簡單，學(xué)生可以從創(chuàng)客的角度自己動手輕松完成本裝置制作，并進(jìn)行探究。

自制簡單燃料電池是現(xiàn)行四版新教材［15～18］選擇性必修課程學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)之一，而基于熱縮管的燃料電池微型實(shí)驗(yàn)裝置能為學(xué)生實(shí)驗(yàn)的開展提供一種新選擇。以氫氧燃料電池為例，當(dāng)進(jìn)行自制簡單氫氧燃料電池實(shí)驗(yàn)時(shí)，U形熱縮管直徑及電極材料的選擇、Ⅰ～Ⅲ處熱縮、管口密封操作等都和上述電解實(shí)驗(yàn)相同，而熱縮管中選擇注入的則是0.5mol/L的硫酸鈉溶液。選擇硫酸鈉溶液，主要是考慮到電解時(shí)，陰極的氫氣處于堿性環(huán)境，陽極的氧氣處于酸性環(huán)境，故能使電池負(fù)極的電位更負(fù)、正極的電位更正，進(jìn)而增大電池電動勢［19］。而選擇0.5mol/L這一相對較低的濃度，是考慮到電壓為24V、硫酸鈉溶液的濃度為2mol/L或飽和溶液時(shí)，在電解過程中會發(fā)生短路現(xiàn)象［20］。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，先接通電源（27V）電解硫酸鈉溶液約50秒，然后斷開電源，與Vernier無線電壓傳感器相連接，測得最大電壓可達(dá)2.03V；與電子蜂鳴器相連接，能使其連續(xù)發(fā)聲并持續(xù)約90秒。而當(dāng)燃料電池的電量（氣體）耗盡時(shí)，可繼續(xù)接通電源進(jìn)行電解，實(shí)現(xiàn)電解池和燃料電池之間的有效切換。每次電解產(chǎn)生的氫氣和氧氣都能被儲存在密封的熱縮管內(nèi)，后續(xù)可以在進(jìn)行其他探究時(shí)隨時(shí)使用。借助熱縮管制備的簡單氫氧燃料電池，具有制作簡單、試劑用量少、裝置輕巧、現(xiàn)象清晰、操作方便、廉價(jià)易得、能反復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，非常適合學(xué)生實(shí)驗(yàn)使用。

此外，熱縮管還能被拓展應(yīng)用在模擬自然固氮反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中。此處可選用耐高溫鐵氟龍熱縮管作為微型反應(yīng)裝置，并在熱縮管內(nèi)壁上粘貼一張濕潤的藍(lán)色石蕊試紙。然后將熱縮管置于電子感應(yīng)圈（脈沖高壓發(fā)生裝置）的兩個放電桿尖端之間，調(diào)整好位置后在熱縮管兩端口處進(jìn)行熱縮操作并密封。實(shí)驗(yàn)時(shí)接通電源，熱縮管內(nèi)空氣中的氮?dú)夂脱鯕庠诜烹姉l件下反應(yīng)，片刻后可觀察到濕潤的藍(lán)色石蕊試紙變紅。

2.2? 基于熱縮管的制取與性質(zhì)一體化實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

利用熱縮管可塑性強(qiáng)、收縮快和耐腐蝕的特性，可設(shè)計(jì)制作藕節(jié)形實(shí)驗(yàn)裝置來進(jìn)行硫化氫和二氧化硫氣體的制取及反應(yīng)一體化實(shí)驗(yàn)。如圖2所示，第一步，取一支約17cm的透明熱縮管（直徑6mm），使用小型熱風(fēng)槍（低溫檔）對熱縮管Ⅰ和Ⅱ處各均勻加熱2～3秒，使管收縮形成A處藕節(jié)；第二步，在熱縮管的B和C處分別加入少量亞硫酸鈉和硫化亞鐵后，并在Ⅲ和Ⅳ處進(jìn)行熱縮操作，使B、 C處形成藕節(jié)；第三步，在Ⅴ和Ⅵ處進(jìn)行熱縮操作，使D、 E處形成藕節(jié)，并分別在D和E處用注射器注入適量濃硫酸和稀鹽酸。然后將熱風(fēng)槍調(diào)至高溫檔使Ⅴ和Ⅵ管口端軟化，并搭配小型熱塑封器將Ⅴ和Ⅵ這兩處完全密封；第四步，將熱縮管兩端微微彎曲斜抬，使原本D、 E藕節(jié)中的液體分別流動到B、 C兩處。B中的亞硫酸鈉與濃硫酸接觸后反應(yīng)生成二氧化硫氣體，同時(shí)C中硫化亞鐵與稀鹽酸反應(yīng)生成硫化氫氣體。由于熱縮管上Ⅴ和Ⅵ端已密封，生成的二氧化硫和硫化氫氣體能在熱縮管的藕節(jié)A處附近接觸并發(fā)生反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)時(shí)可在熱縮管藕節(jié)A處附近明顯觀察到逐漸有黃色的硫生成。利用熱縮管設(shè)計(jì)制作的藕節(jié)形一體化實(shí)驗(yàn)裝置，能很好地將這三個獨(dú)立的化學(xué)反應(yīng)［Na2SO3+H2SO4（濃）Na2SO4+H2O+SO2↑； FeS+2HClFeCl2+H2S↑； 2H2S+SO23S↓+2H2O］串在一個微型裝置內(nèi)進(jìn)行，且現(xiàn)象清晰，試劑用量少，操作簡便。

圖2的實(shí)驗(yàn)裝置也能應(yīng)用于二氧化硫氣體制備和性質(zhì)一體化實(shí)驗(yàn)。第一步，先使用小型熱風(fēng)槍（低溫檔）將熱縮管（直徑6mm）Ⅰ處加熱2～3秒，使其均勻收縮。接著將蘸有品紅溶液的棉花團(tuán)放入A處，并繼續(xù)在Ⅱ處進(jìn)行熱縮操作，形成A處藕節(jié)；第二步，依次在B處加入少量亞硫酸鈉、C處放入蘸有酸性高錳酸鉀溶液的棉花團(tuán)，然后在Ⅲ和Ⅳ處進(jìn)行熱縮操作，使B、 C處形成藕節(jié)；第三步，在Ⅴ處進(jìn)行熱縮操作，使D處形成藕節(jié)，并在D處注入適量濃硫酸。在E處放入蘸有氫氧化鈉溶液的棉花團(tuán)后，在Ⅵ處進(jìn)行熱縮操作，使E處形成藕節(jié)。然后將Ⅴ和Ⅵ端密封；第四步，將熱縮管D處一端微微彎曲斜抬，使D處的濃硫酸流動至B處，與亞硫酸鈉發(fā)生反應(yīng)生成二氧化硫。實(shí)驗(yàn)中可依次觀察到熱縮管A處棉花團(tuán)上的品紅溶液、C處棉花團(tuán)上的酸性高錳酸鉀溶液逐漸褪至無色，而E處蘸有氫氧化鈉溶液的棉花團(tuán)則可吸收反應(yīng)后剩余的二氧化硫氣體。

此外，藕節(jié)形實(shí)驗(yàn)裝置還可連接注射器針頭使用。以乙烯的制備和性質(zhì)一體化實(shí)驗(yàn)為例，如圖3所示，Ⅰ～Ⅳ處熱縮、Ⅲ處管口密封的實(shí)驗(yàn)操作和前述實(shí)驗(yàn)相同。實(shí)驗(yàn)中在熱縮管A和B處分別加入的是少量氫氧化鈉固體和乙烯利溶液，C處放入的是蘸有溴水的棉花團(tuán)，注射器針頭則是通過熱風(fēng)槍將其密封固定于D處。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將熱縮管B處一端微微彎曲斜抬，B中的乙烯利液體會流動到A處，與氫氧化鈉固體發(fā)生反應(yīng)生成乙烯。實(shí)驗(yàn)中可觀察到熱縮管C處的棉花團(tuán)上的溴水逐漸褪至無色。另外，在注射器針頭處可以進(jìn)行乙烯氣體點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)。

2.3? 基于熱縮管的其他實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

學(xué)生借助熱縮管還可以進(jìn)行水的凈化實(shí)驗(yàn)。例如在熱縮管中依次放入棉花團(tuán)、活性炭、小碎石、細(xì)沙等材料，通過熱縮操作依次將上述材料固定并形成藕節(jié)，完成自制簡易凈水裝置。較傳統(tǒng)水的凈化裝置而言，學(xué)生不僅可以選擇不同尺寸、不同收縮比的熱縮管來制作各種規(guī)格的凈水裝置，而且通過熱縮管上連續(xù)間隔的收縮部分還能更清晰地觀察到每一種材料的凈水效果，也能帶給學(xué)生更好的實(shí)踐體驗(yàn)。

除了U形和藕節(jié)形，學(xué)生還可將熱縮管加工成W形、V形、直角形等其他形狀，進(jìn)行各類探究活動。對于熱縮管的形狀加工，以W形為例，制作時(shí)先將一根細(xì)銅絲插入熱縮管中，然后手工彎折出W形后，使用小型熱風(fēng)槍（低溫檔）對熱縮管上Ⅰ～Ⅲ處稍許加熱約1秒（如圖4所示），使其略微收縮定型。然后抽出細(xì)銅絲，W形熱縮管即制作完成。和傳統(tǒng)W形玻璃管相比較，熱縮管柔軟、收縮快，規(guī)格尺寸多樣，形狀可塑性較強(qiáng)，操作難度又較低，且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，更易于學(xué)生自己制作與使用。此外，熱縮管還能被應(yīng)用于搭建各種實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)儀器接口的連接，利用其收縮特性來提高各儀器連接處的密封性。

3? 改進(jìn)和創(chuàng)新之處

（1） 本研究首次應(yīng)用熱縮管對教材的若干典型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了微型化、創(chuàng)客式創(chuàng)新與改進(jìn)，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置制作簡單、可塑性強(qiáng)、現(xiàn)象明顯、安全環(huán)保、試劑微量化，適合學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)及探究。實(shí)驗(yàn)時(shí)還可以根據(jù)實(shí)際需要將裝置直接密封，可操作性、拓展性和應(yīng)用性都較強(qiáng)，且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、簡便易得，在教學(xué)中有較好的推廣和應(yīng)用價(jià)值，也能為物資缺乏地區(qū)學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展提供一種新選擇。

（2） 本研究為化學(xué)教學(xué)中創(chuàng)客式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展提供了方向與路徑指引，并將創(chuàng)客式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐路徑具體化，利用熱縮管可塑、耐腐蝕、收縮快、規(guī)格尺寸多樣等特性，可設(shè)計(jì)制作U形、藕節(jié)形、W形、V形、直角形等多種形狀的實(shí)驗(yàn)裝置，能夠指導(dǎo)教師從創(chuàng)客的角度對實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行創(chuàng)新與改進(jìn)，培養(yǎng)教師的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)，引發(fā)教學(xué)方式的變革；能夠引導(dǎo)學(xué)生從創(chuàng)客的角度在實(shí)驗(yàn)一開始就自主去構(gòu)思、創(chuàng)新和制作相關(guān)裝置，能夠讓學(xué)生親身經(jīng)歷科學(xué)探究與工程實(shí)踐活動的一般過程，培養(yǎng)創(chuàng)新意識與實(shí)踐能力，引發(fā)學(xué)習(xí)方式的變革，將核心素養(yǎng)培育理念在課堂教學(xué)實(shí)踐中落地，并促進(jìn)化學(xué)教學(xué)中工程技術(shù)教育、跨學(xué)科教育的實(shí)踐。

4? 結(jié)語

熱縮管在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用絕不僅限于本文的研究，還有待更多研究者的進(jìn)一步挖掘和探索。在“雙新”對實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了更新、更高要求的背景下，上述研究能為教師開展核心素養(yǎng)導(dǎo)向的教學(xué)實(shí)踐提供新參考，能為創(chuàng)客式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展及創(chuàng)新人才培養(yǎng)的實(shí)踐提供方向與路徑指引，也能為基礎(chǔ)教育裝備及實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作的思路創(chuàng)新、機(jī)制完善提供新啟示，還能有效促進(jìn)教育技術(shù)裝備與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)融合。此外，筆者也希望無論是師范生、一線教師、實(shí)驗(yàn)員還是教育裝備工作者，都能積極探索和研究一些緊密結(jié)合化學(xué)學(xué)科特點(diǎn)的微型化實(shí)驗(yàn)，積極探尋和研究創(chuàng)客式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施途徑及實(shí)踐應(yīng)用，為學(xué)生實(shí)驗(yàn)的開展創(chuàng)造更多有利條件，以滿足學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的需要。

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