基于“科学探究与创新意识”的化学实验设计

姜大炜 黄斌 冯燕 顾小敏 陈玉乔

摘要：从培养学生化学学科核心素养的角度出发，以固相萃取空管柱为实验装置，应用于过滤、水的净化和色素的脱除、萃取、分离等中学生均可以进行自主操作的化学实验中。实验结果显示，利用空管柱进行实验操作简单，实验效果明显，适合于课堂实验演示和课外兴趣实验活动，且空管柱可以重复利用，绿色环保、安全性高。该实验装置的使用，对培养学生学科核心素养有积极作用。

关键词：科学探究;创新意识;化学实验;固相萃取空管柱

文章編号：1008-0546（2022）10-0091-04中图分类号：G632.41文献标识码：B

普通高中化学课程是落实立德树人，提升学生核心素养的重要载体。[1]化学实验作为化学学习的重要实践活动，对于化学学科核心素养的形成和发展具有不可替代的独特作用。化学学科核心素养中的“宏观辨识与微观探析”“科学探究与创新意识”和“科学态度与社会责任”的落实离不开化学实验。通过化学实验教学，不仅可以激发学生学习化学的兴趣和动机，为学生提供丰富的感性认识，更重要的是可以培养学生的科学思维、动手操作能力和问题解决能力。[2]同时，实验的探究和创新对“科学态度与社会责任”素养的培养又起着重要的推动作用。

一、关于该实验设计的思考

普通高中化学课程标准中提出“科学探究与创新意识”要从实践层面激励学生勇于创新。

对于化学实验，强调“认识化学实验是研究和学习物质及其变化的基本方法，是科学探究的一种重要途径。”要求初步学会物质检验、分离、提纯和溶液配制等化学实验基础知识和基本技能。学习研究物质性质，探究反应规律，进行物质分离、检验和制备等不同类型化学实验及探究活动的核心思路与基本方法。体会实验条件控制对完成科学实验及探究活动的作用。

在“科学态度与安全意识”中，强调发展对化学实验探究活动的好奇心和兴趣，养成注重实证、严谨求实的科学态度，增强合作探究意识，养成独立思考、敢于质疑和勇于创新的精神。树立安全意识和环保意识。熟悉化学品安全使用标识，知道常见废弃物的处理方法，知道实验室突发事件的应对措施，形成良好的实验工作习惯。

对于学生必做实验，要改变在实验中注重动手但缺少思考的现状，强调高级思维过程。认识物质及其变化对环境的影响;体会化学对环境保护的作用。了解关于污染防治、环境治理的相关国策、法规，强化公众共同参与环境治理的责任。

“学业要求”中提出能主动运用所学的化学知识和方法解决生产、生活中简单的化学问题。具有节约资源、保护环境的可持续发展意识。从自身做起，形成简约适度、绿色低碳的生活方式，科学进行固体废弃物和垃圾处理。

为了体现“素养为本”的实验探究教学设计，本文以固相萃取空管柱为基本框架，建构了一套实验装置模型。该实验装置模型可适用于多个中学化学实验教学中，还可以有效地进行科学探究，培养学生创新意识的形成。

固相萃取技术是一种常见的样品预处理方法，广泛应用于环境样品和食品样品中。该方法是利用固体吸附剂吸附液体样品中的目标分析物，再用洗脱液洗脱，达到分离、净化和富集的效果。[3-5]固相萃取空管柱（图1）由针筒型聚丙烯管和多孔聚丙烯筛板（孔径20μm）组成。当管内装有固相填料时，可用于富集食品、农畜产品、环境样品以及生物样品中待测分析物的预处理。固相萃取柱的规格可分为1mL、3mL、6mL、10mL、15mL、20mL、30mL、60mL等。

本文实验装置模型中的空管柱体积为15mL，总管长9.2cm，管身长7.9cm，管口口径1.6cm。利用此装置模型进行了过滤、水的净化和色素的脱除、萃取、色素分离等中学化学实验操作。

二、以“空管柱”实验设计案例

1.基于过滤分离方法的实验——过滤

实验来源：人教版初中九年级化学书下册实验活动：粗盐中难溶性杂质的去除。[6]

实验步骤：称取5g粗盐，加入50mL水，玻璃棒搅拌后转移至装有筛板的空管柱中，等待滤液流出;以滤纸过滤作为对照实验。

实验1利用空管柱装置模型进行过滤操作，其结果与利用滤纸进行过滤的效果相同（图2），可以很好地分离固体与液体，实现过滤的目的。通过此实验，学生能够理解过滤的本质，无论是滤纸还是筛板，均布满了微孔，故能实现固、液的分离。该实验装置简便，操作简单，安全性高，不存在由于装置打碎而引起的安全事故问题;同时起过滤作用的筛板清洗后可以重复使用，不但绿色环保，还能节省滤纸。利用该装置即可进行课堂演示实验，也适合于学生课后的操作实验。此实验有利于开发学生创新性思维，让学生明白过滤操作不再仅仅局限于用滤纸和漏斗，还可以用其他方式替代，拓宽学生的思维，提高学生对课堂的专注度。

2.基于吸附原理的实验——水的净化、设计性趣味实验

（1）水的净化

实验来源：人教版初中化学九年级上册课外实验：自制简易净水器。[7]

实验步骤：

净化柱的制作：取一干净、装好筛板的空管柱，装入厚度1cm左右的活性炭层，在活性炭层上装入一层蓬松脱脂棉，再装入厚度2cm左右的石英砂，继续在石英砂上层装入一层蓬松脱脂棉。

污水的净化：用滴管吸取污水浊液（5g泥沙加入到50mL水中，用玻璃棒搅匀，形成浊液）缓慢加入净化柱中，等待滤液流出，观察滤液颜色（图3）。

（2）课外兴趣拓展设计性试验——蓝墨水、可乐中色素的脱除

泥沙水净化主要原因是利用活性炭的吸附性。活性炭除了可以吸附细小颗粒和一些可溶性杂质外，还可吸附色素、气味等，因此利用上述装置可以进行新实验开发、设计，如蓝墨水溶液和可乐饮料中色素的脱除等。

①蓝墨水溶液中色素的脱除

实验步骤：用胶头滴管吸取稀释后的蓝墨水（向50mL水中滴入2-3滴的蓝墨水，用玻璃棒搅拌，得到蓝色溶液）缓慢加入已经装好的柱子中，避免蓝墨水溶液漫过柱口，等待滤液流出，观察滤液颜色。

②可乐饮料中色素的脱除

实验步骤：往烧杯中倒入适量可乐，用胶头滴管吸取可乐缓慢加入已经装好的柱子中，等待滤液流出，观察滤液颜色（图4）。

实验2中水的净化和色素溶液的脱色实验现象明显，实验效果佳。该实验装置模型小，易携带至课堂，让学生更清晰地了解活性炭的吸附能力，提升学生的关注度。

由生活中水的净化实验为基础，开展了课外实验的拓展，设计了趣味性实验——色素的脱除。该实验符合新课标中教材编写建议部分中强调“重视实验探究与实践活动，要求适当增加微型实验、家庭小实验等，让学生在实验探究中学习，形成严谨求实、勇于实践的科学態度，发展实践能力”的要求，此设计可以作为家庭兴趣实验项目进行辅助教学。从课本实验向生活实验转化，将理论与生活实际结合起来，激发学生主动探究学习的动力和对环境保护重要性的认识。此部分内容契合新课标中强调教学内容“主题为引领，使课程内容情境化”，促进化学学科核心素养的形成与发展，实现了“科学态度与社会责任”的学科核心素养的培养目标。从核心素养的发展角度看，结合生产生活创设情境，使得化学学习与生活紧密相连。贴近学生生活的化学现象更能激发学生的求知欲，也更能体会化学学科的价值，不断树立环保意识、人与自然的和谐相处、提高绿色化学意识、建立可持续发展的理念，从而肩负更多的社会责任。正如杜威认为最好的教学是“要牢牢记住学校教材与现实生活二者相互联系的必要性，使学生养成一种态度，习惯于寻找这两方面的接触点和相互的联系”[8]。

3.基于溶解度差异的实验——萃取

实验来源：苏教版高中化学选修6—实验化学课题：海带中碘元素的分离及检验;[9]人教版化学1第一章：从实验学化学。[10]

实验步骤：称取1g碘单质，加入20mL水，用玻璃棒搅拌至溶液呈淡棕黄色（碘单质微溶于水）。取一次性塑料滴管一根，从下端剪下长约1cm左右的细塑料软管，将其套在空管柱下端，用弹簧夹夹住塑料软管，加入适量水至空管柱中，空管柱上端口塞上橡胶塞，对上端、下端进行检漏。取4mL碘的水溶液于空管柱中，再量取2mL四氯化碳加入空管柱中，塞上橡胶塞，将空管柱子倒置后振荡2-3次后，打开弹簧夹放气。重复几次后静置分层。取出上端口橡胶塞，打开下端弹簧夹，待下层液体完全流出后，夹好弹簧夹，上层液体从上端口倒出。

实验3的结果表明空管柱装置模型可以很好地萃取出碘—水溶液中的碘，现象非常明显（图5），有利于学生对萃取原理的掌握。利用此装置模型可以显著减小高毒性萃取剂CCl4的用量，既能达到教学目标，又有效降低对环境的污染的目的，在教学过程中潜移默化地实现了保护环境的观念，促进学生“科学态度与社会责任”学科核心素养的形成。

4.基于层析原理的实验——色素分离

实验来源：苏教版高中化学选修6—实验化学拓展课题：菠菜的叶绿体中色素的提取和分离。[9]

实验步骤：

色素提取：将5g绿草和适量胡萝卜剪碎后，放入研钵中，加入少量的碳酸钙和石英砂，加入3mL石油醚和3mL乙醇，迅速充分地研磨出浆液，将研磨出的浆液倒入干净的具有筛板的空管柱中静置分层后过滤，先收集下层乙醇溶液，再收集上层石油醚溶液（石油醚与乙醇不互溶）。乙醇层用石油醚萃取两次，合并石油醚层至小烧杯中，加入3g硅胶粉，置于通风橱中，摇匀后缓缓通入氮气，吹干溶剂（也可将洗耳球插入玻璃管中，不停挤压，使溶剂挥发），制得吸附在硅胶粉末中的混合色素样品（注：样品要现制现用，防止放置时间长后，样品变质）。

样品装柱：向具有筛板的空管柱中加入2-3cm高的硅胶粉，以木棒敲击空管柱外壁使硅胶粉铺平装实，装入2-3mm高的混合色素硅胶样品，敲击装实后，加1cm高的石英砂粉末（也可用干净的细沙），保护样品层平整（图6）。

色素分离：缓慢向空管柱中加入石油醚，随着洗脱剂的流动，黄色的胡萝卜色素带逐渐下移（注：空管柱样品层上方要间断性补加洗脱剂，防止溶剂流干）;待胡萝卜色素完全流出后，先用体积比为19∶1的石油醚-丙酮混合液洗脱（防止硅胶断层），再用体积比为9：1的石油醚-丙酮混合液冲洗剩余的色素，根据色带的不同，分别收集洗脱液（图7-10）。

新课标中教材编写建议部分中强调重视实验探究与实践活动，要求适当增加微型实验、家庭小实验等，让学生在实验探究中学习，发展实践能力，实验4的设计正是以此为目的。该实验是绿色植物中色素分离的设计性实验。教材中采用纸上层析法分离菠菜中叶绿素;我们采取了适合学生课外开展的实践活动实验——柱层析分离法，使学生认识到除了纸色谱分离方法以外，还可以利用柱色谱法进行，拓宽学生知识面，帮助学生理解、掌握层析分离的原理。学生在实验过程中可以直观地观察到各个色素带的流出过程，同时能收集到各色素的纯组分溶液（图11）。综合纸上层析法和柱上层析分离法实验，可以促使学生从物质微观层面的视角认识到，由于色素混合物中各自分子结构上存在的差异性导致其在滤纸纤维素中分配系数不同，以及硅胶固定相中色素混合物各组分吸附能力存在差异的原因，使得混合物得到分离。这对“宏观辨识与微观探析”化学学科核心素养的形成有着积极的作用。

三、教学启示

综上所述，这些实验具有操作简单，现象明显、便于观察等特点。此实验装置模型简单易得，教学功能丰富，易于课堂教学和课外实践活动的展开，学生对实验现象的观察一目了然。同时该装置模型具有绿色、高效的优势，空管柱不易被打碎，不会出现因仪器破损造成伤害，提高实验安全性。实验试剂用量小，节省资源，减少污染;装置绿色环保，可重复使用，使这些实验更方便带入课堂进行教学演示，加强学生对理论知识的消化理解，提高教学效率;此类实验是对常规实验的补充和拓展，作为一种教学手段，用以提高教学效率，使学生更直接地了解化学的神奇，激发学生们学习化学理论知识的积极性，有利于理论与实际相结合，丰富学生的课外生活。利用此装置模型可以使化学教学的课堂生动起来，丰富了学生的想象，有利于激发学生探索的精神;同时也可以解决因资源有限而无法使每个学生动手做实验的问题，让学生有机会直接感受实验现象，直接体会化学的神奇，锻炼学生的动手能力。[11]这对于培养、落实“科学探究与创新意识”“宏观辨识与微观探析”和“科学态度与社会责任”等化学学科核心素养的形成有积极的推动作用。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]毕华林.对高中化学学科核心素养的认识和理解[J].化学教学，2021（1）：3-9.

[3]王薇薇，刘素琴，薛芸，王彦，阎超.核酸适配体在固相萃取技术中的研究进展[J].色谱，2017（1）：99-104.

[4]廖颖敏，黄晓佳，王卓卓，甘蕊.基于碳基磁性材料的磁固相萃取技术在食品分析应用中的研究进展[J].色谱，2021（4），368-375.

[5]孟玲芝.固相萃取技术在农药残留检测中的应用[J].实验研究，2018（3）：55-56.

[6]人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.义务教育教科书（化学九年级下册）[M].北京：人民教育出版社，2012.

[7]人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.义务教育教科书（化学九年级上册）[M].北京：人民教育出版社，2012.

[8]范标.核心素养视域下的情境创设——以“水的净化与组成”为例[J].化学教学，2019（2）：51-54.

[9]王祖浩.普通高中课程标准实验教科书（实验化学选修） [M].南京：江苏教育出版社，2009.

[10]人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书（化学必修 1） [M].北京：人民教育出版社，2004.[11]陈丽东.浅谈中学微型化学实验的功能及实施[J].广州化工，2014（6）：160-161.