張曉薇

（西安交通大學(xué)附屬中學(xué) 陜西西安 710000）

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)。在化學(xué)學(xué)習(xí)中，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、實(shí)施實(shí)驗(yàn)、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，都是非常重要的化學(xué)思維訓(xùn)練手段。在各種實(shí)驗(yàn)思路中，微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)具有獨(dú)特的優(yōu)勢，它以綠色化學(xué)作為核心理念，以儀器裝置微型化作為實(shí)施手段，對常規(guī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)，使得儀器微型化、試劑用量少[1]，這樣學(xué)生不但可以在教室里完成更多的課本實(shí)驗(yàn)，更可以在家中完成與實(shí)際生活聯(lián)系更緊密的實(shí)驗(yàn)探索。高中化學(xué)微型實(shí)驗(yàn)輔助了新課標(biāo)下研究性學(xué)習(xí)的開展，有效地為實(shí)施素質(zhì)教育、提升學(xué)生創(chuàng)新能力及化學(xué)學(xué)科綜合素養(yǎng)提供了切實(shí)有效的實(shí)施路徑。

一、微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的涵義

上世紀(jì)八十年代，一些發(fā)達(dá)國家的高校為了解決化學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境污染、實(shí)驗(yàn)操作安全隱患，以及儀器試劑成本高昂等問題，發(fā)展出了微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)這種新的方法。它絕不是對常規(guī)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行簡單的微縮，而是始終以綠色化學(xué)作為核心理念，使用新思路、新方式和新手段對常規(guī)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新性變革和根本性發(fā)展所取得的成果。

二、微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢

與常規(guī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)相比較，微型實(shí)驗(yàn)具有節(jié)約空間、節(jié)約時間、節(jié)約試劑、反應(yīng)迅速、效果明顯、操作便捷、安全性高、趣味性強(qiáng)、污染性低等優(yōu)勢[2]。在這種實(shí)驗(yàn)中所使用的儀器通常簡易小巧、成本較低，甚至可以根據(jù)需求自主制作或改造，更有希望實(shí)現(xiàn)每人均配備一套實(shí)驗(yàn)儀器的愿景，使每位學(xué)生均能參與至動手實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)科興趣，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作中積累感性認(rèn)識、分析實(shí)驗(yàn)原理、體會知識的形成，進(jìn)而大幅提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。

三、微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)實(shí)踐探究

1.氯氣的實(shí)驗(yàn)室制備

實(shí)驗(yàn)室制備氯氣的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)使用固液加熱實(shí)驗(yàn)裝置，利用二氧化錳和濃鹽酸之間的氧化還原反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。該套裝置涉及鐵架臺、酒精燈、圓底燒瓶、分液漏斗等多種實(shí)驗(yàn)儀器，較為復(fù)雜。在本課題的課堂實(shí)踐中，將其改進(jìn)為圖1所示裝置，在由小試管及膠頭滴管組成的微型反應(yīng)器中預(yù)先放入0.5g高錳酸鉀固體粉末，從滴管中逐滴加入濃鹽酸，再利用排飽和食鹽水的方法將氣體收集備用。

圖1

利用該裝置還可進(jìn)一步驗(yàn)證氯氣的若干化學(xué)性質(zhì)。例如，收集半瓶氯氣之后，再使用同樣裝置收集半瓶氫氣（將微型反應(yīng)器中的藥品換為0.5 g鋅粒，從膠頭滴管向其中滴加稀硫酸即可），由鎂條在旁點(diǎn)燃提供光照條件，即可實(shí)現(xiàn)該條件下氫氣與氯氣的化合反應(yīng)，或是利用收集到的氯氣進(jìn)行次氯酸漂白性的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)等。

2.氯氣性質(zhì)的綜合實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室探究氯氣的多種化學(xué)性質(zhì)時，往往需要收集多瓶氯氣，再分別去與不同物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)，觀察現(xiàn)象，得出結(jié)論。在本課題的實(shí)踐過程中，設(shè)計(jì)了如圖2所示的微型多泡反應(yīng)裝置。實(shí)驗(yàn)時，將長直玻璃管進(jìn)行改造后得到的多泡反應(yīng)器中，依次于各個球泡處裝入鈉單質(zhì)、銅片、紅色紙條、溴化鉀溶液、淀粉-碘化鉀溶液、紅磷等物質(zhì)，按圖2組裝好儀器。擠壓微型反應(yīng)器上方的膠頭滴管，逐滴加入濃鹽酸至預(yù)先裝入的0.5 g 高錳酸鉀固體粉末中，產(chǎn)生的氯氣隨即通入多泡反應(yīng)裝置，在適當(dāng)?shù)奈恢眠M(jìn)行加熱。首先，可看到氯氣與鈉單質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的白煙，其次看到氯氣和銅片反應(yīng)產(chǎn)生的棕黃色煙，紅色紙條逐漸褪色，溴化鉀溶液由無色變?yōu)槌赛S色，淀粉-碘化鉀溶液變藍(lán)，紅磷處出現(xiàn)白色煙霧等現(xiàn)象。最后，尾氣通入適當(dāng)濃度的氫氧化鈉溶液，完成處理后再排入空氣，減少對環(huán)境的污染。

圖2

在本實(shí)驗(yàn)操作過程中，多孔反應(yīng)器在制作的過程中需注意各個球泡的間距與管徑大小的設(shè)計(jì)，以保證實(shí)驗(yàn)安全及較好的實(shí)驗(yàn)效果。

3.硫化氫與二氧化硫氣體間的反應(yīng)

實(shí)驗(yàn)室探究硫化氫與二氧化硫氣體間的反應(yīng)時，需要分別制備并收集一集氣瓶的硫化氫和二氧化硫，再通過二者瓶口相對的方式使氣體互相接觸，從而進(jìn)行反應(yīng)，用量較大，且尾氣不易處理。在本課題的實(shí)踐過程中，使用兩個微型反應(yīng)器，其中分別預(yù)先放入少量硫化亞鐵固體和亞硫酸鈉固體，在對應(yīng)的膠頭滴管中分別吸滿稀硫酸和70%硫酸溶液，最后使用浸有氫氧化鈉溶液的脫脂棉球放在接收器瓶口上，按圖3所示組裝好。

圖3

實(shí)驗(yàn)過程中，先擠壓左側(cè)膠頭滴管，加入稀硫酸產(chǎn)生硫化氫氣體，再擠壓右側(cè)膠頭滴管，加入70% 硫酸溶液產(chǎn)生二氧化硫，讓二者進(jìn)入接收器，并于其中發(fā)生反應(yīng)?？捎^察到，接收器壁上逐漸析出淡黃色固體，即為反應(yīng)生成的硫單質(zhì)。未反應(yīng)的剩余氣體被脫脂棉球中的氫氧化鈉溶液吸收處理后排空，提高反應(yīng)效率的同時減少污染的產(chǎn)生。

4.二氧化硫綜合性質(zhì)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室通過傳統(tǒng)手段對二氧化硫的各項(xiàng)化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行探究時，通常會使用大型連續(xù)裝置，使制備出的二氧化硫氣體依次通過盛裝于各個不同容器的待反應(yīng)試劑中，依次對現(xiàn)象進(jìn)行觀察與分析，整個過程既復(fù)雜又耗費(fèi)試劑。如圖4，在本課題的實(shí)踐過程中，將一個點(diǎn)滴板置于大培養(yǎng)皿中，培養(yǎng)皿內(nèi)提前放入少量亞硫酸鈉固體，而點(diǎn)滴板的各孔位中，則依次滴入少量品紅溶液、酸性高錳酸鉀溶液、硫化鈉溶液、滴有酚酞的氫氧化鈉溶液、硝酸鋇溶液，以及澄清石灰水。

圖4

實(shí)驗(yàn)過程中，使用膠頭滴管向培養(yǎng)皿中滴入少量70%的較濃硫酸溶液，而后立即蓋上培養(yǎng)皿的蓋子，皿內(nèi)生成的二氧化硫氣體隨即與各個孔位中的試劑反應(yīng)，分別出現(xiàn)品紅溶液紅色褪去、酸性高錳酸鉀溶液褪色、生成淡黃色沉淀、滴有酚酞的氫氧化鈉溶液褪色、生成白色沉淀，以及澄清溶液變渾濁等對應(yīng)現(xiàn)象，由此分析論證二氧化硫的漂白性、還原性、氧化性，以及作為酸性氧化物所體現(xiàn)的性質(zhì)等。反應(yīng)結(jié)束后，再使用膠頭滴管向培養(yǎng)皿內(nèi)滴入氫氧化鈉溶液，并再次立即蓋上培養(yǎng)皿的蓋子，進(jìn)行尾氣處理，減少污染的產(chǎn)生。

5.焰色反應(yīng)

實(shí)驗(yàn)室使用傳統(tǒng)做法對金屬元素的焰色反應(yīng)進(jìn)行檢驗(yàn)時，需要用到鉑絲或無銹鐵絲蘸取稀鹽酸和樣品，反復(fù)灼燒，觀察火焰顏色，操作稍顯復(fù)雜。在本課題的實(shí)踐過程中，采用如圖5所示的儀器裝置。將脫脂棉團(tuán)成小棉球，先置于90%的乙醇溶液中浸濕，再分別蘸取少量氯化鉀、氯化鈉、氯化鋇、氯化鈣、氯化鍶、氯化銅固體粉末，之后置于點(diǎn)滴板對應(yīng)孔位上，用火柴點(diǎn)燃，即可同時觀察到不同金屬元素對應(yīng)的焰色，操作簡單，現(xiàn)象明顯。焰色分別如下：氯化鉀—紫色（透過藍(lán)色鈷玻璃觀察）、氯化鈉—黃色、氯化鋇—黃綠色、氯化鈣—磚紅色、氯化鍶—洋紅色、氯化銅—綠色。

圖5

6.銅與稀硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室探究銅與稀硝酸的反應(yīng)性質(zhì)及其反應(yīng)產(chǎn)物時，往往將銅片置于小試管中，再向其中加入少量稀硝酸進(jìn)行反應(yīng)，雖然反應(yīng)現(xiàn)象明顯，但不易觀察反應(yīng)產(chǎn)物一氧化氮?dú)怏w的顏色，試管中液面上方與空氣直接接觸，無色氣體與紅棕色氣體的邊界模糊，給學(xué)生帶來一定干擾，并且尾氣不易處理，排放于空氣中，產(chǎn)生污染隱患。在本課題的實(shí)踐過程中，采用圖6所示的微型實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置使用一次性注射器作為反應(yīng)容器。

圖6

實(shí)驗(yàn)過程中，預(yù)先取下注射器的針頭，將其換為帶有止水夾的橡膠管。向注射器內(nèi)裝入少量銅片后，將其活塞推至左端盡頭，使注射器中的空氣盡可能全部被排出。打開止水夾，拉動活塞，從橡膠管另一端吸入少量稀硝酸，立即關(guān)閉止水夾，可觀察到銅與稀硝酸開始反應(yīng)，生成無色氣體，該氣體推動注射器活塞向右移動。待生成氣體體積達(dá)到注射器容積的四分之一處時，將注射器豎直立起，松開止水夾，吸入少量空氣，可立即觀察到紅棕色氣體的產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，再次由橡膠管一端吸入少量氫氧化鈉溶液至注射器中，進(jìn)行尾氣及酸性廢液的雙重處理，消除環(huán)境污染隱患。

此裝置密封性良好，氣體逸出風(fēng)險(xiǎn)低，且現(xiàn)象明顯，易于操作。值得注意的是，橡膠管與注射器的連接處需格外注意氣密性的保障。

以上為微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂實(shí)踐過程中的部分設(shè)計(jì)案例。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，教師可以根據(jù)學(xué)生們在具體操作中出現(xiàn)的各種問題及時地進(jìn)行針對性輔導(dǎo)，并將觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象作出完整記錄。

四、微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)與化學(xué)課堂教學(xué)相結(jié)合的實(shí)踐分析

在微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的課堂實(shí)踐中，教師的教學(xué)模式和學(xué)生的學(xué)習(xí)模式都發(fā)生了改變。

對于教師來說，這一實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的實(shí)踐打破了當(dāng)前課堂教學(xué)中教師演示實(shí)驗(yàn)為主的桎梏，也給了一些復(fù)雜的綜合性實(shí)驗(yàn)從視頻中走向?qū)W生中間的可能。學(xué)生通過微型實(shí)驗(yàn)有了更多親手參與實(shí)驗(yàn)的機(jī)會，學(xué)習(xí)興趣得到了激發(fā)，動手能力得到了提升，培養(yǎng)了主動學(xué)習(xí)的習(xí)慣與求真務(wù)實(shí)的科學(xué)態(tài)度，從而提升了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)[3]。

對于學(xué)生來說，在微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，更多的學(xué)生獲得了動手實(shí)踐的機(jī)會，不僅動手能力得到了訓(xùn)練，更重要的是自發(fā)形成的知識增多了，創(chuàng)新精神得以發(fā)揮，枯燥的文字知識變?yōu)榱松鷦泳唧w的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，更易被接受和吸收，教學(xué)效果良好。

不僅如此，微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)還對培養(yǎng)學(xué)生的溝通交流能力、小組合作能力、綜合探究能力及創(chuàng)新思維能力都具有良好的促進(jìn)與輔助作用，而這些能力都是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成內(nèi)容。通過微型實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐，學(xué)生從設(shè)計(jì)、實(shí)施、觀察、分析、改進(jìn)、總結(jié)等方面全過程參與，有效鞏固了所學(xué)知識，也強(qiáng)化了理論與實(shí)際相結(jié)合的意識。

五、微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中的反思與展望

最開始實(shí)踐微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)時，很多學(xué)生會感覺到非常陌生，對裝置組裝與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)毫無思路，這時，教師不必急躁或者氣餒，而是要遵循學(xué)習(xí)的規(guī)律，對學(xué)生進(jìn)行循序漸進(jìn)的引導(dǎo)。初期，教師的親自示范必不可少，向?qū)W生清楚而全面地介紹設(shè)計(jì)思路及儀器的功能特點(diǎn)，讓學(xué)生來模仿，或作出小改進(jìn)、小創(chuàng)新。經(jīng)過一段時間的訓(xùn)練和適應(yīng)之后，學(xué)生對微型實(shí)驗(yàn)及儀器用途有了全面的感知，課程實(shí)施起來便有了更多的靈活度，可以給予學(xué)生更多的實(shí)驗(yàn)自由。在保證安全的前提下，由學(xué)生根據(jù)已有知識、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，來進(jìn)行獨(dú)立自主的探究實(shí)驗(yàn)。

此外，在教學(xué)實(shí)踐過程當(dāng)中進(jìn)行反思時，也發(fā)現(xiàn)一些問題需要得到進(jìn)一步研究。例如，微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)由于具有“裝置微型化、試劑微量化”等特點(diǎn)，在觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時，需要近距離來操作。因此，微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)并不適宜作為教師演示實(shí)驗(yàn)來使用。此外，實(shí)驗(yàn)儀器的種種創(chuàng)新，使得在同一物質(zhì)性質(zhì)探究的反應(yīng)過程中，微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室傳統(tǒng)操作方法之間存在一定差異，其相關(guān)操作并非常規(guī)規(guī)范化操作。因此，在對學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)操作技能的培養(yǎng)方面，微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)往往也存在一定的局限性。第三，微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)中，對于反應(yīng)容器的選擇開放度較高，因此常常遇到使用塑料材料（如一次性注射器等）或橡膠材料進(jìn)行裝置組裝的情況，因此，教師在前期設(shè)計(jì)階段，務(wù)必注意對反應(yīng)條件及所選用試劑的摸索。在指導(dǎo)過程中，也需及時引導(dǎo)學(xué)生注意器材對于反應(yīng)條件或反應(yīng)試劑的限制，如塑料型裝置不可加熱，橡膠材料參與組裝的裝置需注意防腐蝕等。從另一角度來說，這些分析過程也有利于培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)書本知識解決實(shí)際問題的能力。

總之，微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)開辟了中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一條新路徑。教師在實(shí)踐這項(xiàng)改革的過程中，根據(jù)本?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際情況，當(dāng)好引導(dǎo)者，設(shè)計(jì)出生動有趣又高效綠色的實(shí)驗(yàn)，時刻秉持著“由學(xué)生來做課堂的主人”的思想，引導(dǎo)學(xué)生變被動為主動、由模仿到創(chuàng)新，培養(yǎng)科學(xué)精神，提高學(xué)科素養(yǎng)。