新技术背景下化学演示实验的革新实践

胡天雪

(湖南省长沙市明德中学)

众所周知,化学课堂常常伴随各种各样、多姿多彩的演示实验。演示实验本应起到激发学生们的学习兴趣、引发思考、明晰规律的作用。但传统的演示实验模式——由教师独自或在两三位同学的帮助下在讲台上完成,此方法效率低下、问题多多。如:现象难以观察(哪怕现象明显的实验也往往只有靠近讲台的同学能看清)、学生参与面小、准备及反应时间长、难以进行平行实验、实验危险性较大或产生有毒气体等等。

那么在新技术背景下,我们能否让化学演示实验变得更易观察、更高效、更绿色、更多元呢?笔者与长沙市明德中学的化学名师团队们一起做了以下尝试和探索。

一、巧妙“捕捉”难以观察的现象

在进行演示实验时,有些反应现象通过肉眼很难观察到,因此学生难以对此类现象产生感性认知。例如,对于演示实验时发生的反应放热或吸热现象,在传统教学模式中,老师们常常用触摸仪器外壁或温度计测量的方法,让同学们感知反应时的吸放热现象,但这两种方法均难以同一时间让全班同学观测到,此时我们便可以使用热成像技术进行观察,可以清晰而直观地看到反应体系的温度变化(如图1)。

图1 利用热成像技术观察反应的放热现象(左图为笔者实拍;右图来自“重现化学”网站)

又比如甲烷与氯气的取代反应,本实验实际上需要相当长的时间才能观察到油状液滴生成。老师往往选择在课外完成这一演示实验,在课堂上直接以照片或视频的形式展示成果。但这样的演示实验与直接要求学生识记结论一样,失去了现场感与真实感,对学科核心素养的培养也没有帮助。那我们如何能在现场观察到这一反应的缓慢进行呢?根据《化学教育(中英文)》2021年03期中江军老师的创新设计(如图2),我们团队也成功借助压力传感器精确感知到了反应体系中的压强变化。

图2 甲烷取代反应创新装置

通过“观察”到压强减小来验证氯仿与四氯化碳的生成,而此时油状液滴用肉眼往往无法察觉。同时我们还对方案作了进一步改进——使用手持式激光甲烷遥测仪(如图3)替代压强传感器,该仪器专用于测量甲烷,精度更高。同时该仪器可以遥测容器中的甲烷含量,并直接示数,极大地简化了装置(只需一个透明反应容器),体系密闭性也变得更好。

图3 激光甲烷遥测仪

二、借慧眼感知微观世界的变化

我们能通过明显的现象来确认反应的发生,那么我们又能否观察到反应没有发生的证据呢?笔者在带领孩子们探究离子反应的本质时,根据教材编排做了这样一个演示实验——混合氯化钡与硫酸钠溶液,观察到有白色沉淀生成,可以知道该反应的本质是钡离子与硫酸根离子反应生成硫酸钡沉淀。但同学们提出了质疑——我们的确没有看到钠离子与氯离子反应的现象,但有没有可能它们的反应就是没有明显现象的,或者现象被硫酸钡沉淀干扰,而不便于观察了呢?孩子们的话引发了我的思考——的确,我们能用宏观现象确定离子反应的发生,但反过来说,如果离子没有参与反应,我们能不能“观察”到相应证据呢?经过探讨,我们团队得出方案——可以通过探究钠离子或氯离子反应前后物质的量是否减少来验证它们未参与反应的结论(如图4)。

用钠离子计测量烧杯中溶液的c(Na+)

测得钠离子浓度为15.19 g/L,约0.66 mol/L

加等体积氯化钡溶液,产生白色浑浊

测得初始钠离子浓度为28.95 g/L,约1.26 mol/L

我们还可以在酸碱滴定实验中借用传感技术这双慧眼。传统的中和滴定实验往往用酸碱指示剂来判断反应的终点,但这种间接判断反应终点的做法常被学生质疑不够准确。

于是我们团队再次利用pH传感器和高频数字传感器技术对该实验进行了实验革新(如图5)——利用传感技术既可以精密地测定滴定实验过程中的pH变化,还可以在电脑上自动实时生成滴定过程的pH曲线(如图6)。不仅如此,准确的测定数据也证明了强酸与强碱滴定时用酚酞或甲基橙作指示剂带来的体积误差很小,消除了学生的顾虑!

图5 利用传感技术进行中和滴定实验

图6 实时测绘出的滴定过程pH变化曲线

三、微实验+投屏技术——less is more

笔者最早是受到一道探究氯气性质的高考题(例题如下)的启发而开展气体制备与性质探究系列微实验研究的。

(2012年上海卷,15题)如图所示是验证氯气性质的微型实验,a、b、d、e是浸有相关溶液的滤纸。向KMnO4晶体滴加一滴浓盐酸后,立即用另一培养皿扣在上面。

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对实验现象的“解释或结论”正确的是

通过不断地实验设计与尝试,笔者发现二氧化硫、硫化氢、氨气、氯化氢和乙炔等气体均可设计类似的密闭环境微实验来完成气体制备与性质的探究,十分值得推广。因为微实验不仅可以简化实验的准备环节,一次完成气体制备与多项性质探究任务,实现高效课堂,还可以提高实验的安全性,减少有害气体产生,符合绿色化学的理念。有的老师可能会担心实验的“微”会影响同学们观察演示实验的现象,其实在信息时代,只要一部拥有高像素镜头的智能手机,即可利用投屏技术与教室内的一体机实现一键连接、实时播放,拍摄角度可以灵活调整,反应细节可以随意放大,教室每个角落的孩子们都能清晰观察,全面参与(如图7)。

图7 利用投屏技术可以让全体同学清晰观察实验现象

四、善用模拟实验,让一切皆有可能

在我们的实际教学中,有时会涉及一些危险性较大或是药品难以获得的实验,教师往往基于现实考量,不得不遗憾地将这一类实验放弃。

利用最新的模拟实验技术可以解决这一难题(如图8)。模拟实验虽然少了一点真实感,但非常适合用来呈现某些实验——比如我们可以用金属铯或氟气这类现实中难以获得的药品进行无数次的模拟实验,也可以放心地演示将水倒入装有浓硫酸的烧杯等错误操作会带来什么后果。再比如配制一定物质的量浓度的溶液、萃取分液、蒸馏等实验等,如果让全体学生自行用模拟实验软件在平板电脑上模拟操作,便能有效帮助学生熟悉实验仪器、熟练实验基本操作、掌握实验流程。有些功能较强的模拟实验软件,如NB实验室,还能罗列出学生在仪器装配或实验操作上的所有失误。

图8 利用模拟实验软件进行现实中难以完成的实验和实验基本操作训练

五、结语