嚴(yán)春建

（如皋市教育局教研室江蘇南通226500）

醫(yī)用“留置針原理”在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

嚴(yán)春建

（如皋市教育局教研室江蘇南通226500）

借鑒醫(yī)用靜脈留置針的原理，通過(guò)添加注射器、醫(yī)用氧氣袋等附件的方式，對(duì)“測(cè)定空氣里氧氣的含量”“加熱高錳酸鉀制取氧氣”“氧氣的實(shí)驗(yàn)室制取與性質(zhì)”“鐵的吸氧腐蝕”“溶解時(shí)的吸熱或放熱現(xiàn)象”“鐵絲在氧氣中燃燒”等實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加實(shí)驗(yàn)的可視性、對(duì)比性、成功率，有利于學(xué)生理解問(wèn)題、加深印象。

靜脈留置針；注射器；醫(yī)用氧氣袋；燃燒瓶

一、問(wèn)題的提出

在初中化學(xué)日常教學(xué)中，我們經(jīng)常會(huì)遇到這樣的問(wèn)題：在“測(cè)定空氣里氧氣的含量”實(shí)驗(yàn)［1］（如圖1）中，紅磷燃燒消耗氧氣，待紅磷熄滅，裝置冷卻至室溫后，水沿導(dǎo)管進(jìn)入集氣瓶中。此實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)入集氣瓶中的水的體積就是消耗氧氣的體積。對(duì)于“進(jìn)入的水”、“消耗的氧氣”二者體積上的等量關(guān)系，學(xué)生往往是被動(dòng)接受、半信半疑，很難真正認(rèn)可此結(jié)論。如何解釋才能明晰關(guān)系？才能讓學(xué)生認(rèn)可？才能讓學(xué)生印象深刻？

圖2 靜脈留置針

在解答上述問(wèn)題時(shí)，教師最為常用的方法是“黑板實(shí)驗(yàn)+口頭表述”，但其效果并不理想，一定比例的學(xué)生很難真正理解老師的分析。究其原因，往往是因?yàn)檫@樣的分析過(guò)于抽象，學(xué)生缺少直觀的認(rèn)識(shí)。

如果在化學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)借鑒醫(yī)學(xué)上的“留置針原理”，即在實(shí)驗(yàn)裝置上增加一個(gè)注射器，就可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。

二、留置針及其原理的初步運(yùn)用

留置針，醫(yī)學(xué)名詞是“靜脈留置針”（如圖2）。靜脈留置針核心的組成部件包括導(dǎo)管和針芯，使用時(shí)將導(dǎo)管和針芯一起穿刺入血管內(nèi)，當(dāng)導(dǎo)管全部進(jìn)入血管后，抽出針芯，僅將柔軟的導(dǎo)管留置在患者血管內(nèi)，從而可以進(jìn)行多次輸液治療，其優(yōu)點(diǎn)是減少護(hù)士多次針刺給患者帶來(lái)痛苦，且提升工作效益。

留置針的原理對(duì)解決上面的問(wèn)題很有啟發(fā)，實(shí)驗(yàn)裝置中所增加的注射器，在不影響原有實(shí)驗(yàn)效果的前提下，可以借助實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)隱形的思維推理過(guò)程，使抽象問(wèn)題直觀化，更好地為學(xué)生釋疑解惑。改進(jìn)后，學(xué)生能真正認(rèn)可“消耗氣體的體積＝進(jìn)入水的體積”，具體的改進(jìn)方法如下。

學(xué)生按如下步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：【步驟1】組裝好裝置（如圖3），檢查裝置的氣密性；【步驟2】打開(kāi)止水夾1、2，拉動(dòng)注射器活塞，吸進(jìn)一定體積的水，使導(dǎo)管中注滿水，集氣瓶（容量約為250mL）中底部留存一些水，關(guān)閉止水夾1；【步驟3】取下注射器，將活塞移至刻度為50mL處；【步驟4】關(guān)閉止水夾2，接上注射器；【步驟5】取出橡皮塞，在集氣瓶外點(diǎn)燃燃燒匙中的紅磷，迅速將燃燒匙伸入集氣瓶中并塞緊橡皮塞；【步驟6】待裝置冷卻至室溫后，打開(kāi)止水夾2，觀察注射器活塞向右移動(dòng)的體積，記為V1；【步驟7】再次將活塞移至刻度為50mL處；【步驟8】打開(kāi)止水夾1，讀取量筒中減少的水的體積，記為V2；比較V1、V2二者之間的關(guān)系并分析原因。

通過(guò)“步驟1”至“步驟6”的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可發(fā)現(xiàn)“紅磷燃燒消耗氧氣的體積為V1”；通過(guò)“步驟7”和“步驟8”的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可發(fā)現(xiàn)“進(jìn)入集氣瓶的水的體積為V2”；對(duì)比可發(fā)現(xiàn)“V1＝V2”。學(xué)生在動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)據(jù)的對(duì)比，對(duì)于“消耗氣體的體積＝進(jìn)入水的體積”有了更直觀、更深刻的認(rèn)識(shí)；在探尋現(xiàn)象背后原因的過(guò)程中，學(xué)生的認(rèn)識(shí)得以加深、記憶得以鞏固、思維能力得以提升。

圖3 “留置針原理”的運(yùn)用1

圖4 加熱高錳酸鉀制取氧氣

三、“留置針原理”的拓展運(yùn)用

1．“排水法收集純凈氣體”適切時(shí)機(jī)的選擇展示

義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）要求學(xué)生能完成8個(gè)基礎(chǔ)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，“氧氣的實(shí)驗(yàn)室制取與性質(zhì)”實(shí)驗(yàn)是其中之一。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，明晰化學(xué)反應(yīng)原理、熟練運(yùn)用基本的化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能、理解實(shí)驗(yàn)操作要領(lǐng)背后的原因，對(duì)剛剛接觸化學(xué)的初三學(xué)生而言，其重要性不言而喻。

實(shí)驗(yàn)室用排水法收集氧氣時(shí)（如圖4），操作要領(lǐng)：導(dǎo)管口開(kāi)始有氣泡放出時(shí)，不宜立即收集，當(dāng)氣泡連續(xù)并比較均勻地放出時(shí)，再把導(dǎo)管口伸入盛滿水的集氣瓶中［1］。為什么要這樣操作？能否讓學(xué)生“看到”空氣的運(yùn)動(dòng)？

為讓學(xué)生清楚如此操作的原因，教師可按如下步驟進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)：連接實(shí)驗(yàn)裝置（如圖5）并檢查裝置的氣密性；在注射器中充入紅棕色的二氧化氮?dú)怏w，并接上注射器；推動(dòng)注射器活塞，將二氧化氮?dú)怏w慢慢推入導(dǎo)管中（提醒學(xué)生關(guān)注水槽中剛開(kāi)始產(chǎn)生氣泡時(shí)二氧化氮?dú)怏w到達(dá)的位置）。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生觀察到的現(xiàn)象為“水槽中剛開(kāi)始產(chǎn)生氣泡時(shí)，二氧化氮?dú)怏w并未進(jìn)入水中”，由此可體會(huì)到：實(shí)驗(yàn)室制取氣體時(shí)，當(dāng)生成的氣體尚未進(jìn)入集氣瓶中時(shí)，裝置中的空氣已進(jìn)入集氣瓶中。從而進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到：要收集純凈的氣體，導(dǎo)管口開(kāi)始有氣泡時(shí)不能立即收集。

2.充當(dāng)“先行者”角色，讓“生成氣體體積＝排出水的體積”的推論更清晰

在某些以定量實(shí)驗(yàn)為背景的試題中，常常需要測(cè)定產(chǎn)生氣體的體積，通常采用的方法是將氣體的體積轉(zhuǎn)化為排出水的體積，排出水的體積等于反應(yīng)產(chǎn)生氣體的體積。但因?yàn)閷W(xué)生沒(méi)有能親眼觀察到氣體以及氣體的運(yùn)動(dòng)，常常對(duì)此心存疑惑：為什么二者的體積之間會(huì)存在等量關(guān)系呢？

為讓學(xué)生明晰“生成氣體體積＝排出水的體積”，教師可按如下步驟進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)：連接實(shí)驗(yàn)裝置（如圖6）并檢查裝置的氣密性；推動(dòng)注射器活塞，使一定體積（記為V1）的二氧化氮?dú)怏w進(jìn)入容器中；上下移動(dòng)量筒，使集氣瓶與量筒中液面保持水平，觀察量筒中水的體積（記為V2）；進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生可以親眼看到紅棕色的二氧化氮?dú)怏w進(jìn)入容器中，通過(guò)觀察注射器中氣體體積變化，即可判斷出“‘生成’氣體的體積”。實(shí)驗(yàn)時(shí)觀察到集氣瓶中的水進(jìn)入量筒中，學(xué)生可讀取“排出水的體積”，再通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)進(jìn)入容器中的二氧化氮?dú)怏w體積等于進(jìn)入量筒中的水的體積，從而得到結(jié)論：“生成”氣體體積＝排出水的體積。

圖5 “留置針原理”的運(yùn)用2

圖6 “留置針原理”的運(yùn)用3

3.用于“導(dǎo)管裝水”，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1）減小“測(cè)定空氣里氧氣的含量”實(shí)驗(yàn)的誤差

“測(cè)定空氣里氧氣的含量”實(shí)驗(yàn)［1］（如圖1）是人教版初中化學(xué)的第一個(gè)定量實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)中，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生誤差的原因是多方面的，可從實(shí)驗(yàn)藥品（或?qū)嶒?yàn)原理）、實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)操作等方面尋找原因。雖然由于紅磷燃燒時(shí)無(wú)法耗盡裝置中的氧氣，該實(shí)驗(yàn)無(wú)論如何改進(jìn)，也僅能粗略測(cè)定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)，但是該實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生理解拉瓦錫經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的原理，也是提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)誤差分析能力、培養(yǎng)學(xué)生規(guī)范實(shí)驗(yàn)意識(shí)的極佳范例。故進(jìn)行教學(xué)時(shí)，有必要讓學(xué)生學(xué)會(huì)尋找實(shí)驗(yàn)誤差產(chǎn)生的原因及減小誤差的方法。

按教材要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于導(dǎo)管中含有空氣，會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果有偏小的傾向。為消除這一因素的影響，可采用圖3所示裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在點(diǎn)燃紅磷前通過(guò)拉動(dòng)注射器活塞，使導(dǎo)管中充滿水，可防止因“燒杯中水倒流時(shí)，導(dǎo)管中空氣進(jìn)入集氣瓶中，抵消一部分紅磷燃燒消耗的氧氣”使測(cè)定的氧氣含量偏小。

（2）節(jié)省“鐵的吸氧腐蝕”實(shí)驗(yàn)的時(shí)間

在使用人教版高中化學(xué)教材（選修4）所示裝置（如圖7）進(jìn)行“實(shí)驗(yàn)4-3：鐵的吸氧腐蝕”實(shí)驗(yàn)［2］時(shí)，一般需要5～8分鐘才會(huì)出現(xiàn)較為明顯的現(xiàn)象，耗時(shí)較長(zhǎng)的原因之一是：組裝儀器時(shí)，無(wú)論是先塞緊橡皮塞，還是先將導(dǎo)管伸入水中，都會(huì)使得體系內(nèi)壓強(qiáng)增大，導(dǎo)致試管內(nèi)液面高于導(dǎo)管內(nèi)液面；鐵釘發(fā)生吸氧腐蝕使液面上升時(shí)，要首先彌補(bǔ)這一段高度差。

為消除這一因素的影響，節(jié)約實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，可采用圖8所示裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，在連接好實(shí)驗(yàn)裝置后，打開(kāi)彈簧夾，向左拉動(dòng)活塞，使導(dǎo)管中液面和試管中液面位于同一水平面上，然后夾緊彈簧夾。

圖7 鐵的吸氧腐蝕實(shí)驗(yàn)

圖8 “留置針原理”的運(yùn)用4

（3）提高“溶解時(shí)的吸熱或放熱現(xiàn)象”實(shí)驗(yàn)的可視性

物質(zhì)溶解于水時(shí)，常常會(huì)產(chǎn)生溫度的變化，有些物質(zhì)溶解時(shí)會(huì)產(chǎn)生放熱現(xiàn)象，有些物質(zhì)則會(huì)產(chǎn)生吸熱現(xiàn)象。為探究物質(zhì)溶解于水時(shí)是吸收熱量還是放出熱量，教師常采用如圖9所示裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)原本的設(shè)計(jì)思路是：先在試管中加入一定體積的水，再加入其他試劑，若U型管中左邊的液面高于右邊的液面，則說(shuō)明溶解時(shí)出現(xiàn)吸熱現(xiàn)象；若右邊的液面高于左邊的液面，則說(shuō)明溶解時(shí)出現(xiàn)放熱現(xiàn)象。但是，由于塞入橡皮塞時(shí)集氣瓶?jī)?nèi)空氣被壓縮，使得右邊的液面高于左邊，會(huì)對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)的分析產(chǎn)生不利影響，比如判斷是否出現(xiàn)放熱現(xiàn)象時(shí)，不能通過(guò)比較“加入試劑后左右兩端液面的高低”得到結(jié)論，只能通過(guò)比較“加入試劑前后左右兩端液面的高度差”進(jìn)行判斷。

為消除這一因素的影響，提高實(shí)驗(yàn)的可視性，可采用圖10所示裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先在試管中加入一定體積的水，然后塞緊橡皮塞；向左拉動(dòng)注射器活塞，當(dāng)U型管中左右兩邊的液面齊平時(shí)，停止拉動(dòng)活塞，并夾緊彈簧夾。在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行分析判斷。

圖9 溶解時(shí)的吸熱或放熱現(xiàn)象

圖10 “留置針原理”的運(yùn)用5

三、“留置針原理”的變式運(yùn)用

“留置針原理”應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，所添加的附件不局限于注射器，還可使用其他的器材，比如氣囊、醫(yī)用氧氣袋等。以下改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中用于盛放氧氣和空氣的即為醫(yī)用氧氣袋，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)有利于提高人教版初中化學(xué)教材（2012年教育部審定）上冊(cè)“鐵絲在氧氣中燃燒”實(shí)驗(yàn)［1］的成功率和探究性。

“鐵絲在氧氣中燃燒”實(shí)驗(yàn)是初中化學(xué)重要的演示實(shí)驗(yàn)，教師在演示時(shí)，成功率并不高，學(xué)生難以留下深刻的印象。另外，此實(shí)驗(yàn)主要用于驗(yàn)證氧氣“能支持燃燒”這一化學(xué)性質(zhì)，學(xué)生的主要學(xué)習(xí)活動(dòng)是“觀察實(shí)驗(yàn)——描述現(xiàn)象——回答問(wèn)題”，主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)較少。那么，如何才能大幅度地提高這個(gè)實(shí)驗(yàn)的成功率呢？如何增加學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)探究的機(jī)會(huì)呢？

為解決以上兩個(gè)問(wèn)題，筆者自制了一套玻璃材質(zhì)的教具——燃燒瓶，其主體為空心的圓柱體，立體造型如圖11（a）所示，并利用“燃燒瓶”改進(jìn)了“鐵絲在氧氣中燃燒”實(shí)驗(yàn)裝置，如圖11（b）所示。

教師首先按照教材所示方式進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)：在空氣中加熱鐵絲、在集有純氧的集氣瓶中引燃鐵絲，并引導(dǎo)學(xué)生思考和研討如下問(wèn)題：【問(wèn)題①】實(shí)驗(yàn)中觀察到“鐵絲在空氣中紅熱、在氧氣中劇烈燃燒”，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的差異與何種氣體有關(guān)？【問(wèn)題②】結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)及演示實(shí)驗(yàn)，你認(rèn)為氧氣的濃度對(duì)燃燒的劇烈程度有何影響？【問(wèn)題③】實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，常因?yàn)椤凹瘹馄咳萘啃。鯕饪偭坎蛔?；剛點(diǎn)燃鐵絲下端所系火柴，就將鐵絲伸入集氣瓶中”等因素，導(dǎo)致“鐵絲無(wú)法燃燒”“燃燒時(shí)間較短”“燃燒不夠劇烈”等現(xiàn)象的發(fā)生，結(jié)合問(wèn)題②的結(jié)論，你有辦法提高實(shí)驗(yàn)的成功率嗎？

對(duì)于問(wèn)題①和②，絕大部分學(xué)生獨(dú)立思考后能達(dá)成共識(shí)：現(xiàn)象的差異與氧氣有關(guān)；在其他條件相同時(shí)，氧氣濃度越大，燃燒越劇烈。而問(wèn)題③需要學(xué)生運(yùn)用問(wèn)題②的結(jié)論解決問(wèn)題，要給予學(xué)生思考和交流的時(shí)間。實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，較多的學(xué)生通過(guò)獨(dú)立思考能提供的思路是“增大氧氣濃度”，但不少學(xué)生忽視了“集氣瓶中最初收集的是純凈的氧氣”這一前提，通過(guò)小組交流，大部分學(xué)生都能認(rèn)可“實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通入氧氣，以補(bǔ)充消耗的氧氣、增大集氣瓶中氧氣的濃度”這一思路。

在此基礎(chǔ)上，教師展示如圖11（b）所示裝置，并要求學(xué)生按如下步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：取一根較長(zhǎng)的細(xì)鐵絲，繞成螺旋狀，在其末端系一根火柴，再將另一端系在燃燒匙的金屬絲上；按壓氧氣袋，使燃燒瓶中充滿氧氣；引燃鐵絲下端的火柴，立即將鐵絲伸入燃燒瓶中；待鐵絲燃燒劇烈程度明顯變?nèi)鯐r(shí)，按壓氧氣袋，持續(xù)通入氧氣，關(guān)注鐵絲燃燒的劇烈程度是否加劇；再按壓空氣袋，觀察鐵絲燃燒的劇烈程度是否變?nèi)酢?/p>

按照課本所示方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生一般會(huì)機(jī)械記憶實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵要素之一是“實(shí)驗(yàn)時(shí)，一定要待火柴快燃盡時(shí)，才可將鐵絲插入充滿氧氣的集氣瓶中”，而忽視了操作背后的化學(xué)原理。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)，有利于學(xué)生突破思維定勢(shì)，更多地關(guān)注實(shí)驗(yàn)操作背后的化學(xué)知識(shí)。改進(jìn)后，學(xué)生觀察到鐵絲持續(xù)燃燒、火星四射，實(shí)驗(yàn)的成功率可達(dá)100%，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣、保持探究的欲望、樹立學(xué)好化學(xué)的信心。

需要補(bǔ)充說(shuō)明的是，教材所設(shè)計(jì)的“硫分別在空氣和氧氣里燃燒”實(shí)驗(yàn)［1］，由于硫粉分別在不同時(shí)間段、在不同集氣瓶中燃燒，現(xiàn)象對(duì)比不同步，實(shí)驗(yàn)的對(duì)比性略有欠缺?？墒褂脠D11（b）所示裝置增加實(shí)驗(yàn)的對(duì)比性，具體實(shí)驗(yàn)步驟和現(xiàn)象為：將點(diǎn)燃的硫粉伸入充滿空氣的燃燒瓶中[可使用圖11（c）所示裝置，以防止二氧化硫污染環(huán)境]，觀察到產(chǎn)生微弱的淡藍(lán)色火焰；按壓氧氣袋，通入純凈的氧氣，硫粉燃燒明顯加劇，發(fā)出明亮的藍(lán)紫色火焰；按壓空氣袋，通入空氣，硫粉燃燒劇烈程度變?nèi)酢瓕?shí)驗(yàn)過(guò)程中可反復(fù)增大、減小氧氣的濃度，燃燒的劇烈程度隨之加劇、變?nèi)?，現(xiàn)象對(duì)比鮮明，給學(xué)生以較強(qiáng)的視覺(jué)震撼。

圖11 “留置針原理”的運(yùn)用6、7

對(duì)于初中化學(xué)另一基礎(chǔ)學(xué)生實(shí)驗(yàn)“實(shí)驗(yàn)活動(dòng)3燃燒的條件”，清華大學(xué)宋心琦教授指出：“所謂條件至少應(yīng)當(dāng)包括與燃燒現(xiàn)象的發(fā)生、控制和終止等有關(guān)的三個(gè)方面，才能夠算是一組比較完整的科學(xué)探究活動(dòng)”［3］，而人教版教材上冊(cè)第七單元并未出現(xiàn)對(duì)燃燒現(xiàn)象進(jìn)行控制的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，所以很有必要抓住這個(gè)教學(xué)契機(jī)。學(xué)生使用圖11（b）所示裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)他們改變氧氣濃度時(shí)，鐵絲、硫粉等可燃物燃燒的劇烈程度也隨之改變，故改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)學(xué)會(huì)對(duì)“燃燒現(xiàn)象的控制”是大有裨益的。

［1］人民教育出版社課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開(kāi)發(fā)中心．義務(wù)教育教科書·化學(xué)（九年級(jí)上冊(cè)）［M］.北京：人民教育出版社，2012：27，33，34，45

［2］人民教育出版社課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開(kāi)發(fā)中心．普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)（選修4）［M］.北京：人民教育出版社，2004：85

［3］宋心琦.化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革建議之五——燃燒的條件［J］.化學(xué)教學(xué)，2012（12）：3

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