吳青茂,　趙文超

摘要： 運用信息化技術(shù)實現(xiàn)對中學(xué)化學(xué)實驗單元操作的智能控制，分別設(shè)計趣味性較強(qiáng)的氨氣噴泉和化學(xué)“燈塔”實驗，既可作為演示實驗用于化學(xué)教學(xué)，又可作為科普實驗用于科普場館和大型晚會的科學(xué)實驗表演。整個實驗設(shè)計的實踐活動，引領(lǐng)學(xué)生在跨學(xué)科知識的學(xué)習(xí)與運用中提升科學(xué)技術(shù)素養(yǎng)和創(chuàng)新實踐能力。

關(guān)鍵詞： 氨氣噴泉; 化學(xué)“燈塔”; 表演實驗設(shè)計; 化學(xué)振蕩反應(yīng)

文章編號： 10056629（2020）08006703

中圖分類號： G633 8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1? 課題提出

科普實驗表演，是目前國際上流行的一種全新獨特的科普形式。它以各種現(xiàn)象明顯、原理簡單的物理、化學(xué)、生物等科學(xué)實驗為主體，結(jié)合前沿科學(xué)技術(shù)研究成果等科普知識以舞臺表演的形式表現(xiàn)出來，融合了小品、相聲、演唱、舞蹈等多種表演形式，在傳播科普知識和科學(xué)觀念的同時，倡導(dǎo)一種健康、科學(xué)的生活方式，達(dá)到寓教于樂的目的[1]。一臺優(yōu)秀的科學(xué)實驗表演節(jié)目的核心就是科學(xué)實驗的創(chuàng)新設(shè)計。據(jù)此，需要對演出的主體實驗進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計和巧妙編排。

2? 實驗設(shè)計思路

基于以上的真實情境問題，我們與學(xué)生一起探索解決方法，設(shè)計主體實驗、實驗裝置、呈現(xiàn)方式，運用先進(jìn)實驗設(shè)計理念和技術(shù)手段等多方面知識，初步設(shè)計了一套基于Vernier數(shù)字傳感器和TI系統(tǒng)的氨氣噴泉和化學(xué)“燈塔”表演實驗。充分發(fā)揮數(shù)字化實驗的優(yōu)勢，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用技術(shù)來解決真實情境問題，通過技術(shù)的功能與跨學(xué)科知識的融合，把技術(shù)作為獲取知識和加工信息、解決真實問題的有效工具。

我們選擇“多米諾效應(yīng)”作為主體實驗的設(shè)計元素。多米諾效應(yīng)，即“多米諾骨牌效應(yīng)”，指在一個相互聯(lián)系的系統(tǒng)中，一個很小的初始能量就可能產(chǎn)生一系列的連鎖反應(yīng)，通俗點講就是“牽一發(fā)而動全身”。多米諾效應(yīng)有著豐富的文化內(nèi)涵： 一個最小的力量能夠引起的或許只是察覺不到的漸變，但是它所引發(fā)的卻可能是翻天覆地的變化。這有點類似于蝴蝶效應(yīng)，但是比蝴蝶效應(yīng)更注重過程的發(fā)展與變化。

利用Vernier壓強(qiáng)傳感器、TI圖形計算器、TI創(chuàng)新者系統(tǒng)等數(shù)字化技術(shù)對主體實驗中壓強(qiáng)的變化進(jìn)行實時檢測。設(shè)置當(dāng)壓強(qiáng)為98千帕?xí)r，背景燈自動打開;設(shè)置當(dāng)壓強(qiáng)為90千帕?xí)r，花朵自動打開。整個實驗設(shè)計過程： 觸發(fā)氨氣噴泉，使抽濾瓶中壓強(qiáng)迅速減小，引發(fā)多米諾效應(yīng)，化學(xué)燈塔（碘鐘）燈閃花開。實驗一氣呵成，色彩變化豐富，層次分明，效果驚艷，成功率高。

本實驗演示采用的是1000mL規(guī)格的大反應(yīng)容器，目的是凸顯實驗現(xiàn)象，讓觀眾看得更清楚，方便普及科學(xué)知識。同時，科學(xué)與藝術(shù)相結(jié)合，融入舞臺表演藝術(shù)，關(guān)注實驗本身，演示實驗同時以精確的語言揭示實驗原理，解釋實驗現(xiàn)象，取得了令人滿意的教學(xué)效果。

3? 實驗原理

3.1? 氨氣噴泉實驗

氨氣噴泉實驗是中學(xué)化學(xué)的一個經(jīng)典實驗，融化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)知識于一體，具有操作簡單、趣味性強(qiáng)、現(xiàn)象明顯等優(yōu)點。原理是： 在實驗時，燒瓶里面和外面的大氣形成壓強(qiáng)差，導(dǎo)致瓶中的液體被大氣壓壓進(jìn)燒瓶之中形成噴泉。氨氣溶于水時大部分形成NH3·H2O，在常溫下約有1%電離成NH+4和OH-，所以氨水顯弱堿性，能使含有酚酞的溶液變紅[2]。

用壓強(qiáng)傳感器實時檢測噴泉實驗中壓強(qiáng)的變化，即可讓學(xué)生從數(shù)據(jù)的變化中感知壓強(qiáng)的變化[3，4]。

3.2? 化學(xué)“燈塔”實驗

化學(xué)燈塔實驗[5]： 夜晚在港口觀察燈塔時，可以看見燈塔的燈光呈現(xiàn)周期性的明滅現(xiàn)象。在化學(xué)的世界里我們也可找到一類特殊的化學(xué)反應(yīng)——化學(xué)振蕩反應(yīng)，來實現(xiàn)這一現(xiàn)象。本文的化學(xué)振蕩反應(yīng)，是將三種無色的液體混合在一起，在幾秒鐘后變成深藍(lán)色，然后變?yōu)殓晟僮優(yōu)闊o色，8秒一周期的變化。真是太神奇啦！

通過將兩口燒瓶中的氨氣溶于水（在常溫下，1體積水大約可溶解700體積的氨氣），致使兩口燒瓶內(nèi)的氣體壓強(qiáng)迅速減小，小于外界大氣壓，從而將抽濾瓶中的溶液泵入裝氨氣的兩口燒瓶中，導(dǎo)致抽濾瓶和左邊兩口燒瓶內(nèi)壓強(qiáng)減小，三個燒杯中的溶液分別泵入左邊兩口燒瓶中，引發(fā)“燈塔”實驗（見圖2）。

將H2O2的A溶液及丙二酸、MnSO4和淀粉的B溶液與H2SO4酸化KIO3的C溶液混合。此時，溶液顏色在藍(lán)色→琥珀色→無色三者間反復(fù)變化，主要化學(xué)反應(yīng)如下[6]：

2KIO3+5H2O2+H2SO4Mn2+I2+K2SO4+6H2O+5O2↑

I2+5H2O22H2IO3+4H2O

I2+CH2（COOH）2CHI（COOH）2+I-+H+

I2+CHI（COOH）2CI2（COOH）2+I-+H+

I-+I2I-3

反應(yīng)過程中呈現(xiàn)的顏色：

（1） 藍(lán)色為游離碘I2和碘離子I-結(jié)合生成I-3，遇淀粉變藍(lán)。

（2） 無色為I2與CH2（COOH）2作用生成CHI（COOH）2。

（3） 琥珀色為Mn3+與Mn2+濃度比顏色。

3.3? TI圖形計算器工作原理

利用Vernier壓強(qiáng)傳感器、TI圖形計算器、TI創(chuàng)新者系統(tǒng)等數(shù)字化技術(shù)對主體實驗中壓強(qiáng)的變化進(jìn)行實時檢測，實驗中設(shè)置當(dāng)壓強(qiáng)為98千帕?xí)r，背景燈自動打開，設(shè)置當(dāng)壓強(qiáng)為90千帕?xí)r，花朵自動打開。這是運用TI對裝置的控制。本實驗的裝置工作流程如圖1所示。

4? 實驗

4.1? 試劑與儀器

試劑： 氨水（25%～28%）、堿石灰、酚酞試液、雙氧

水（30%）、KIO3（s）、硫酸溶液（2mol/L）、MnSO4·H2O（s）、丙二酸、淀粉、蒸餾水

儀器： Vernier氣體壓力傳感器、計算機(jī)及Logger Pro 3.8.6軟件、Vernier數(shù)據(jù)采集器、TI圖形計算機(jī)、TI

創(chuàng)新者系統(tǒng)、TI數(shù)據(jù)采集器、透明軟導(dǎo)管、電路連接線、干電池、電池盒、場效應(yīng)晶體管、燈帶、盆花、玻璃管、直形活塞、止水夾、火柴、鐵架臺、萬用夾、燒杯（500mL）、抽濾瓶（1000mL）、定制兩口燒瓶（文中稱兩口燒瓶，1000mL）、注射器、導(dǎo)氣管若干、橡膠塞若干

4.2? 實驗過程與現(xiàn)象

（1） 配制下列三種溶液[7]。

A液： 205mL 30% H2O2用水稀釋至500mL;

B液： 7.8g丙二酸、1.52g硫酸錳（MnSO4）、0.15g淀粉，用水稀釋至500mL（淀粉用少量水先溶解，再加熱至沸）;

C液： 將21.5g碘酸鉀（KIO3），溶于60℃的熱水里，加入40mL 2mol/L稀H2SO4，再用水稀釋至500mL。

（2） 如圖2所示，組裝好實驗裝置，并檢查裝置氣密性。在TI圖形計算器中設(shè)置： 當(dāng)壓強(qiáng)為98千帕?xí)r，背景燈自動打開;當(dāng)壓強(qiáng)為90千帕?xí)r，花朵自動打開。

（3） 向抽濾瓶中加入約1000mL的蒸餾水并滴加5～6滴酚酞試液，關(guān)閉止水夾;將A、 B、 C三種溶液各

400mL分別加入三個燒杯中。

（4） 點燃酒精燈，加熱裝有氨水與堿石灰的錐形瓶，約30秒后，將導(dǎo)氣管由兩口燒瓶的下口伸入燒瓶底部并用棉花團(tuán)封口，將氨氣經(jīng)U型干燥管中的堿石灰干燥后通入兩口燒瓶，在兩口燒瓶的下口處用濕潤的

圖2? 化學(xué)燈塔實驗裝置簡示圖

紅色石蕊試紙檢驗氨氣是否充滿燒瓶。待紅色石蕊試紙變藍(lán)后，移出導(dǎo)氣管，將兩口燒瓶下口用帶導(dǎo)管橡膠塞塞緊。

（5） 向兩口燒瓶上口注入少量水，由于氨氣迅速溶于水，導(dǎo)致右邊兩口燒瓶內(nèi)壓強(qiáng)快速下降，形成紅色噴泉。從而，又導(dǎo)致下方抽濾瓶及左邊兩口燒瓶內(nèi)壓強(qiáng)快速下降，三個燒杯中的A、 B、 C液同時被吸入左邊兩口燒瓶中，此時燈亮了，繼而花兒也開啦。同時，兩個氣體壓強(qiáng)傳感器壓強(qiáng)同時快速下降（見圖3）。

（6） 右瓶的噴泉大約能充滿圓底蒸餾燒瓶體積的四分之三，左邊兩口燒瓶中的溶液開始時完全無色，約2～3秒后顏色改變?yōu)殓晟?，又迅速變?yōu)樗{(lán)色。溶液的顏色就在無色→琥珀色→藍(lán)色之間振蕩，約8秒一周期變化，該化學(xué)振蕩大約能持續(xù)2分鐘左右。實驗畫面感強(qiáng)，顏色豐富多彩，十分美麗。

5? 教學(xué)效果

運用信息技術(shù)對反應(yīng)體系中壓強(qiáng)的變化進(jìn)行自動化檢測，初步實現(xiàn)了控制化學(xué)實驗單元操作的目的。學(xué)生通過對程序指令、數(shù)據(jù)、圖形等的處理和分析，增進(jìn)了對化學(xué)現(xiàn)象和原理本質(zhì)的認(rèn)識，提高了分析問題、解決問題的方法和能力。當(dāng)然，本實驗還能拓展延伸對其他影響因素進(jìn)行探究，極大地豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗，也對學(xué)生的工程思維提出了較高的要求。

在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生對噴泉實驗產(chǎn)生原理（燒瓶內(nèi)外壓強(qiáng)差）的認(rèn)知僅僅局限于表面現(xiàn)象（如橡膠管變扁、礦泉水瓶變癟），而且傳統(tǒng)實驗儀器不能定量測出體系的壓強(qiáng)，必然弱化了學(xué)生對噴泉實驗原理的認(rèn)知。利用數(shù)字化信息技術(shù)，不僅能實時檢測燒瓶內(nèi)壓強(qiáng)的變化，還可以壓強(qiáng)為觸發(fā)器，開啟一系列“多米諾效應(yīng)”，體現(xiàn)了現(xiàn)代化學(xué)從粗放型實驗向精細(xì)化、可控化、自動化實驗發(fā)展的趨勢。

整個實驗過程將氨氣的水溶性、氨水呈堿性、化學(xué)振蕩反應(yīng)集于一體，實驗現(xiàn)象明顯，趣味性濃，互動性強(qiáng)，不僅激發(fā)學(xué)生的興趣，活躍學(xué)生的思維，寓教于樂，而且編排成化學(xué)實驗情景劇進(jìn)行舞臺表演，社會反響良好。實驗設(shè)計過程以整合的方式解決真實的問題，為學(xué)生提供真實而富有現(xiàn)實意義的學(xué)習(xí)情景，培養(yǎng)學(xué)生的高階思維，從而全面提升學(xué)生知識、能力與創(chuàng)新方面的核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]王杰. 手持技術(shù)在噴泉實驗中的運用[J]. 實驗設(shè)計與技術(shù)， 2012， （10）： 39～41.

[4]王欣磊， 沈甸. 氣體壓強(qiáng)傳感技術(shù)在中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2015， （9）： 58～61.

[5]中國化學(xué)會. 2011世界化學(xué)年趣味實驗全國大獎作品匯集[C]. 2011： 7～8， 47～51.

[6][7]王程杰主編. 中學(xué)化學(xué)實驗研究[M]. 上海： 華東師范大學(xué)出版社， 2005： 162～164.