胡天雪

(湖南省長沙市明德中學(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)的幫助下在講臺上完成,此方法效率低下、問題多多。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的同學(xué)能看清)、學(xué)生參與面小、準(zhǔn)備及反應(yīng)時間長、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,有些反應(yīng)現(xiàn)象通過肉眼很難觀察到,因此學(xué)生難以對此類現(xiàn)象產(chǎn)生感性認(rèn)知。例如,對于演示實(shí)驗(yàn)時發(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)測量的方法,讓同學(xué)們感知反應(yīng)時的吸放熱現(xiàn)象,但這兩種方法均難以同一時間讓全班同學(xué)觀測到,此時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)長的時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)生識記結(jié)論一樣,失去了現(xiàn)場感與真實(shí)感,對學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)也沒有幫助。那我們?nèi)绾文茉诂F(xiàn)場觀察到這一反應(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“觀察”到壓強(qiáng)減小來驗(yàn)證氯仿與四氯化碳的生成,而此時油狀液滴用肉眼往往無法察覺。同時我們還對方案作了進(jìn)一步改進(jìn)——使用手持式激光甲烷遙測儀(如圖3)替代壓強(qiáng)傳感器,該儀器專用于測量甲烷,精度更高。同時該儀器可以遙測容器中的甲烷含量,并直接示數(shù),極大地簡化了裝置(只需一個透明反應(yīng)容器),體系密閉性也變得更好。

圖3 激光甲烷遙測儀

二、借慧眼感知微觀世界的變化

我們能通過明顯的現(xiàn)象來確認(rèn)反應(yīng)的發(fā)生,那么我們又能否觀察到反應(yīng)沒有發(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,根據(jù)教材編排做了這樣一個演示實(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——我們的確沒有看到鈉離子與氯離子反應(yīng)的現(xiàn)象,但有沒有可能它們的反應(yīng)就是沒有明顯現(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,但反過來說,如果離子沒有參與反應(yīng),我們能不能“觀察”到相應(yīng)證據(jù)呢?經(jīng)過探討,我們團(tuán)隊(duì)得出方案——可以通過探究鈉離子或氯離子反應(yīng)前后物質(zhì)的量是否減少來驗(yàn)證它們未參與反應(yīng)的結(jié)論(如圖4)。

用鈉離子計(jì)測量燒杯中溶液的c(Na+)

測得鈉離子濃度為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)既可以精密地測定滴定實(shí)驗(yàn)過程中的pH變化,還可以在電腦上自動實(shí)時生成滴定過程的pH曲線(如圖6)。不僅如此,準(zhǔn)確的測定數(shù)據(jù)也證明了強(qiáng)酸與強(qiáng)堿滴定時用酚酞或甲基橙作指示劑帶來的體積誤差很小,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)時測繪出的滴定過程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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對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的“解釋或結(jié)論”正確的是

通過不斷地實(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。有的老師可能會擔(dān)心實(shí)驗(yàn)的“微”會影響同學(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,有時會涉及一些危險(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誤操作會帶來什么后果。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