例谈STEM教育理念下的初中化学实验创新

杨勇 韩雪娇

人教版九年级上册《化学》（2012年秋季修订版）测定空气中氧气含量的实验，引导学生利用物理学科气压知识、数学学科定量计算知识、化学变化观念去探究身边物质的经典实验。实验者在完成实验的过程中，涉及红磷在空气中燃烧产生大量五氧化二磷烟尘的环节，对空气造成污染。如果让学生分组进行该实验，对教师和学生的身体健康伤害极大。因此，笔者对原实验装置进行了改进，改进后的实验装置既能实现实验分组，又能让学生体验科学、技术、工程和数学四门学科交叉融合解决问题的过程，提升学生的科学素养。现将该实验的改进过程分享如下。

一、实验改进

基于原实验的不足和STEM教育理念的指导思想，笔者对该实验进行创新改进。

（一）改进后的实验装置（右图）

（二）所需儀器与药品

仪器：无线信号发射器和接收器（网上购买，价格低廉），带钨丝的陶瓷容器，橡胶塞，直径为3cm、长度为25cm的均匀玻璃管，铁架台，烧杯，红墨水，刻度尺。

药品：红磷、水。

二、实验操作步骤

（一）准备装置

1.向装有水的烧杯中滴入5滴红色墨水，用玻璃棒搅拌均匀（便于观察液面变化）。

2.液封玻璃管下端管口。通过调节铁架台上的铁夹，调节玻璃管伸入水中的长度，经测试，伸入水下3cm以上可以避免空气受热膨胀外溢。

3.连接仪器，并检查装置气密性。

（二）装入药品

将带有点火头的橡胶塞从玻璃管取下，向带钨丝的陶瓷容器中加入红磷，然后塞紧橡胶塞。

（三）测量空气柱长度

因为玻璃管是外形规则的仪器，上下直径相同，所以可以用长度表示空气体积，记录数据为h1cm

（四）引燃红磷并充分消耗氧气

1.按下遥控器，点火头上的电热丝红热并引燃红磷;

2.继续按住遥控器按钮，使电热丝保持红热（为使红磷在高温下转化为白磷，白磷的缓慢氧化能消耗更多的氧气，使结果更加准确），待管壁出现少量黄色附着物（凝华的白磷）时，松开遥控器按钮，停止加热。

（五）观察实验现象

开始时，红磷燃烧，产生大量白烟;片刻后，产生大量黄烟（白磷）;玻璃管内的液面先迅速下降而后逐渐上升（倒吸明显）。

（六）测量剩余气体柱长度

待管内白烟和黄烟完全消失且玻璃管冷却至室温时，将玻璃管下移，使管内液面与烧杯中液面相平（保证恒压测定），测量剩余气体柱长度，记录数据为 h2 cm 。

（七）数据处理

1.计算方法：空气中氧气的含量= （h1-h2） /h1×100%

2. 多次实验均能得出氧气含量20%左右的实验结论。

（八）清洗实验仪器

实验过程中，生成的少量白磷附着在玻璃管壁，为防止发生自燃或火灾，必须及时清除。将纸巾搓成长圆柱形，用玻璃棒将纸巾圆柱从玻璃管一端推入，从另一端取出，此时白磷脱离玻璃管壁，全部粘在纸巾上，最后将纸巾做燃烧处理。

三、实验改进说明

（一）无线遥感技术实现容器内点火

经查阅文献发现，大多数改进方法将红磷改为白磷，利用热水或放大镜或电烙铁引燃白磷。可是，随着国家对易燃易爆物品的严格控制，购买白磷，难以实现。因此，笔者依旧用红磷作为药品，采用钨丝发热头（发热温度600℃）点燃红磷，同时引入无线遥感技术，既能将红磷在容器内引燃，杜绝污染，又能向学生传递科技改变未来的理念，激发学生对信息技术的兴趣。

（二）测定方法彰显科学性和数学运用

首先，改进后的实验，将集气瓶改为玻璃管，并用刻度尺测量气柱长度，将原实验中的“大约1/5”提升至准确测量和数据处理的层次，彰显科学的严谨性和数学学科的重要性;其次，操作过程中，注重恒压状态下测量反应前后的气柱长度，凸显物理学科与数学学科知识在化学学科中的运用，使学生体验多学科交叉融合解决问题的过程，有助于培养学生的综合运用能力。

（三）装置的简易化体现工程创新思维

STEM理念倡导工程改造过程中要在尊重自然规律的基础上改造世界、实现与自然界的和谐共处、解决社会发展过程中遇到的难题。

1.装置连接精简

原实验装置连接复杂，涉及橡胶管与玻璃导管连接（两次），燃烧匙与橡胶塞连接，橡胶塞与集气瓶连接，较多的连接导致气密性难以保证。而改进后的实验，只有两处连接，点火头与橡胶塞和橡胶塞与玻璃管连接，既保证了气密性，组装起来也简单。

2.装置稳定性提升

原实验用导管将集气瓶和烧杯连接起来，导致空的集气瓶稳定性较差，在实际操作时，有倾倒的情况出现。改进后的实验引入铁架台固定主体反应容器，提升装置稳定性，而且便于教师携带（上课前固定好后，拎起铁架台长柱即可）。

3.反应容器微型化

改进后的实验装置用微型陶瓷容器代替铜制燃烧匙，节约药品，减小污染。

4.实验现象动态化

利用改进后的实验装置，实验者可以观察化学变化过程中容器能气压的变化，体现在当红磷开始燃烧时玻璃管内的液面下降，一段时间后，液面又上升。此过程有助于构建学生的化学变化观念，增强实验结果的说服力。

四、讨论与反思

（一）改进过程中的新发现

经过数字手持技术（氧气传感器和数据收集软件）的测定发现，足量红磷燃烧后，容器内剩余氧气的含量为8.85%，而足量的白磷燃烧后，容器内剩余氧气的含量为1.34%;该实验利用无线遥控技术可以有效控制发热丝的发热时间，让红磷燃烧的同时转化为白磷，白磷会进一步消耗容器中的氧气，使实现结果更加准确，同时也解决了购买白磷难的问题，最后的处理过程也能消除白磷的毒害。

（二）改进后实验的实施效果

改进后的实验多角度渗透 STEM 教育理念，有助于创设培养学生创新思维的学习情景，提供给学生利用学科交叉融合思想解决实际问题的机会。学生在利用该实验装置测定空气中氧气的含量时，充满好奇心，能够积极的参与实验活动，与原实验进行对比讨论。学生在获得知识技能的同时，感受了综合运用科学、技术、工程和数学实现创新的重要性，发展了学科整合能力。

责任编辑    李少杰