新技術(shù)背景下化學(xué)演示實(shí)驗(yàn)的革新實(shí)踐

胡天雪

(湖南省長(zhǎng)沙市明德中學(xué))

眾所周知,化學(xué)課堂常常伴隨各種各樣、多姿多彩的演示實(shí)驗(yàn)。演示實(shí)驗(yàn)本應(yīng)起到激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣、引發(fā)思考、明晰規(guī)律的作用。但傳統(tǒng)的演示實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健山處煪?dú)自或在兩三位同學(xué)的幫助下在講臺(tái)上完成,此方法效率低下、問(wèn)題多多。如:現(xiàn)象難以觀察(哪怕現(xiàn)象明顯的實(shí)驗(yàn)也往往只有靠近講臺(tái)的同學(xué)能看清)、學(xué)生參與面小、準(zhǔn)備及反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、難以進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性較大或產(chǎn)生有毒氣體等等。

那么在新技術(shù)背景下,我們能否讓化學(xué)演示實(shí)驗(yàn)變得更易觀察、更高效、更綠色、更多元呢?筆者與長(zhǎng)沙市明德中學(xué)的化學(xué)名師團(tuán)隊(duì)們一起做了以下嘗試和探索。

一、巧妙“捕捉”難以觀察的現(xiàn)象

在進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)時(shí),有些反應(yīng)現(xiàn)象通過(guò)肉眼很難觀察到,因此學(xué)生難以對(duì)此類現(xiàn)象產(chǎn)生感性認(rèn)知。例如,對(duì)于演示實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)生的反應(yīng)放熱或吸熱現(xiàn)象,在傳統(tǒng)教學(xué)模式中,老師們常常用觸摸儀器外壁或溫度計(jì)測(cè)量的方法,讓同學(xué)們感知反應(yīng)時(shí)的吸放熱現(xiàn)象,但這兩種方法均難以同一時(shí)間讓全班同學(xué)觀測(cè)到,此時(shí)我們便可以使用熱成像技術(shù)進(jìn)行觀察,可以清晰而直觀地看到反應(yīng)體系的溫度變化(如圖1)。

圖1 利用熱成像技術(shù)觀察反應(yīng)的放熱現(xiàn)象(左圖為筆者實(shí)拍;右圖來(lái)自“重現(xiàn)化學(xué)”網(wǎng)站)

又比如甲烷與氯氣的取代反應(yīng),本實(shí)驗(yàn)實(shí)際上需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間才能觀察到油狀液滴生成。老師往往選擇在課外完成這一演示實(shí)驗(yàn),在課堂上直接以照片或視頻的形式展示成果。但這樣的演示實(shí)驗(yàn)與直接要求學(xué)生識(shí)記結(jié)論一樣,失去了現(xiàn)場(chǎng)感與真實(shí)感,對(duì)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)也沒(méi)有幫助。那我們?nèi)绾文茉诂F(xiàn)場(chǎng)觀察到這一反應(yīng)的緩慢進(jìn)行呢?根據(jù)《化學(xué)教育(中英文)》2021年03期中江軍老師的創(chuàng)新設(shè)計(jì)(如圖2),我們團(tuán)隊(duì)也成功借助壓力傳感器精確感知到了反應(yīng)體系中的壓強(qiáng)變化。

圖2 甲烷取代反應(yīng)創(chuàng)新裝置

通過(guò)“觀察”到壓強(qiáng)減小來(lái)驗(yàn)證氯仿與四氯化碳的生成,而此時(shí)油狀液滴用肉眼往往無(wú)法察覺(jué)。同時(shí)我們還對(duì)方案作了進(jìn)一步改進(jìn)——使用手持式激光甲烷遙測(cè)儀(如圖3)替代壓強(qiáng)傳感器,該儀器專用于測(cè)量甲烷,精度更高。同時(shí)該儀器可以遙測(cè)容器中的甲烷含量,并直接示數(shù),極大地簡(jiǎn)化了裝置(只需一個(gè)透明反應(yīng)容器),體系密閉性也變得更好。

圖3 激光甲烷遙測(cè)儀

二、借慧眼感知微觀世界的變化

我們能通過(guò)明顯的現(xiàn)象來(lái)確認(rèn)反應(yīng)的發(fā)生,那么我們又能否觀察到反應(yīng)沒(méi)有發(fā)生的證據(jù)呢?筆者在帶領(lǐng)孩子們探究離子反應(yīng)的本質(zhì)時(shí),根據(jù)教材編排做了這樣一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)——混合氯化鋇與硫酸鈉溶液,觀察到有白色沉淀生成,可以知道該反應(yīng)的本質(zhì)是鋇離子與硫酸根離子反應(yīng)生成硫酸鋇沉淀。但同學(xué)們提出了質(zhì)疑——我們的確沒(méi)有看到鈉離子與氯離子反應(yīng)的現(xiàn)象,但有沒(méi)有可能它們的反應(yīng)就是沒(méi)有明顯現(xiàn)象的,或者現(xiàn)象被硫酸鋇沉淀干擾,而不便于觀察了呢?孩子們的話引發(fā)了我的思考——的確,我們能用宏觀現(xiàn)象確定離子反應(yīng)的發(fā)生,但反過(guò)來(lái)說(shuō),如果離子沒(méi)有參與反應(yīng),我們能不能“觀察”到相應(yīng)證據(jù)呢?經(jīng)過(guò)探討,我們團(tuán)隊(duì)得出方案——可以通過(guò)探究鈉離子或氯離子反應(yīng)前后物質(zhì)的量是否減少來(lái)驗(yàn)證它們未參與反應(yīng)的結(jié)論(如圖4)。

用鈉離子計(jì)測(cè)量燒杯中溶液的c(Na+)

測(cè)得鈉離子濃度為15.19 g/L,約0.66 mol/L

加等體積氯化鋇溶液,產(chǎn)生白色渾濁

測(cè)得初始鈉離子濃度為28.95 g/L,約1.26 mol/L

我們還可以在酸堿滴定實(shí)驗(yàn)中借用傳感技術(shù)這雙慧眼。傳統(tǒng)的中和滴定實(shí)驗(yàn)往往用酸堿指示劑來(lái)判斷反應(yīng)的終點(diǎn),但這種間接判斷反應(yīng)終點(diǎn)的做法常被學(xué)生質(zhì)疑不夠準(zhǔn)確。

于是我們團(tuán)隊(duì)再次利用pH傳感器和高頻數(shù)字傳感器技術(shù)對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)革新(如圖5)——利用傳感技術(shù)既可以精密地測(cè)定滴定實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的pH變化,還可以在電腦上自動(dòng)實(shí)時(shí)生成滴定過(guò)程的pH曲線(如圖6)。不僅如此,準(zhǔn)確的測(cè)定數(shù)據(jù)也證明了強(qiáng)酸與強(qiáng)堿滴定時(shí)用酚酞或甲基橙作指示劑帶來(lái)的體積誤差很小,消除了學(xué)生的顧慮!

圖5 利用傳感技術(shù)進(jìn)行中和滴定實(shí)驗(yàn)

圖6 實(shí)時(shí)測(cè)繪出的滴定過(guò)程pH變化曲線

三、微實(shí)驗(yàn)+投屏技術(shù)——less is more

筆者最早是受到一道探究氯氣性質(zhì)的高考題(例題如下)的啟發(fā)而開(kāi)展氣體制備與性質(zhì)探究系列微實(shí)驗(yàn)研究的。

(2012年上海卷,15題)如圖所示是驗(yàn)證氯氣性質(zhì)的微型實(shí)驗(yàn),a、b、d、e是浸有相關(guān)溶液的濾紙。向KMnO4晶體滴加一滴濃鹽酸后,立即用另一培養(yǎng)皿扣在上面。

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對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的“解釋或結(jié)論”正確的是

通過(guò)不斷地實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與嘗試,筆者發(fā)現(xiàn)二氧化硫、硫化氫、氨氣、氯化氫和乙炔等氣體均可設(shè)計(jì)類似的密閉環(huán)境微實(shí)驗(yàn)來(lái)完成氣體制備與性質(zhì)的探究,十分值得推廣。因?yàn)槲?shí)驗(yàn)不僅可以簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備環(huán)節(jié),一次完成氣體制備與多項(xiàng)性質(zhì)探究任務(wù),實(shí)現(xiàn)高效課堂,還可以提高實(shí)驗(yàn)的安全性,減少有害氣體產(chǎn)生,符合綠色化學(xué)的理念。有的老師可能會(huì)擔(dān)心實(shí)驗(yàn)的“微”會(huì)影響同學(xué)們觀察演示實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象,其實(shí)在信息時(shí)代,只要一部擁有高像素鏡頭的智能手機(jī),即可利用投屏技術(shù)與教室內(nèi)的一體機(jī)實(shí)現(xiàn)一鍵連接、實(shí)時(shí)播放,拍攝角度可以靈活調(diào)整,反應(yīng)細(xì)節(jié)可以隨意放大,教室每個(gè)角落的孩子們都能清晰觀察,全面參與(如圖7)。

圖7 利用投屏技術(shù)可以讓全體同學(xué)清晰觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

四、善用模擬實(shí)驗(yàn),讓一切皆有可能

在我們的實(shí)際教學(xué)中,有時(shí)會(huì)涉及一些危險(xiǎn)性較大或是藥品難以獲得的實(shí)驗(yàn),教師往往基于現(xiàn)實(shí)考量,不得不遺憾地將這一類實(shí)驗(yàn)放棄。

利用最新的模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以解決這一難題(如圖8)。模擬實(shí)驗(yàn)雖然少了一點(diǎn)真實(shí)感,但非常適合用來(lái)呈現(xiàn)某些實(shí)驗(yàn)——比如我們可以用金屬銫或氟氣這類現(xiàn)實(shí)中難以獲得的藥品進(jìn)行無(wú)數(shù)次的模擬實(shí)驗(yàn),也可以放心地演示將水倒入裝有濃硫酸的燒杯等錯(cuò)誤操作會(huì)帶來(lái)什么后果。再比如配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液、萃取分液、蒸餾等實(shí)驗(yàn)等,如果讓全體學(xué)生自行用模擬實(shí)驗(yàn)軟件在平板電腦上模擬操作,便能有效幫助學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)儀器、熟練實(shí)驗(yàn)基本操作、掌握實(shí)驗(yàn)流程。有些功能較強(qiáng)的模擬實(shí)驗(yàn)軟件,如NB實(shí)驗(yàn)室,還能羅列出學(xué)生在儀器裝配或?qū)嶒?yàn)操作上的所有失誤。

圖8 利用模擬實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)行現(xiàn)實(shí)中難以完成的實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)基本操作訓(xùn)練

五、結(jié)語(yǔ)