初中化学实验教学优化探析

吴良根

摘 要：初三化学实验教学的重要目标之一，就是通过大量生动有趣的化学实验，让学生在观察奇妙实验现象的同时，领悟化学变化的规律，体验科学探究的历程，激发对物质世界的好奇心和探索欲。教学中，教师可以围绕实验方案、实验装置、实验现象、实验成本等进行优化，从而更好地发挥实验教学的功效。

关键词：初中化学；实验教学；科学探究

本文系江苏省苏州市教育科学“十四五”规划课题“‘高·品·质初中化学实验教学研究”（编号：2021/LX/02/156/06）的阶段性研究成果。】

初三化学实验教学的重要目标之一，就是通过大量生动有趣的化学实验，让学生在观察奇妙实验现象的同时，领悟化学变化的规律，体验科学探究的历程，激发对物质世界的好奇心和探索欲。实践中，教师可以根据学情对一些“环节”进行优化，从而更好地发挥实验教学的功效。

一、 优化实验方案

出于学生认知水平与相应教学目标等的考量，初中化学的一些实验会舍弃对一些属性的关注或探究。如初三开始阶段的化学实验重在激趣启思，方案一般简约、易操作。当然，如果学生的认知基础较好，教师就可以相应地提高要求，优化实验方案，帮助学生建构更加完善的认知，培养严谨求实的科学态度。

（一） 让反应更加彻底

例如，沪教版初中化学九年级上册“空气中氧气体积分数的测定”的实验方案如下：

1. 将下页图1所示集气瓶的容积划分为5等分并加以标记。

2. 在带橡皮塞和导管的燃烧匙内装满红磷，将胶管上的止水夹夹紧，把燃烧匙内的红磷放在酒精灯火焰上点燃，并迅速伸入集气瓶内，塞紧橡皮塞，观察到什么现象？红磷在集气瓶中燃烧，消耗了什么气体？

3. 待火焰熄灭后，观察红磷是否已经燃烧完全。待集气瓶冷却到室温后，把导管插入盛水的烧杯中，打开止水夹，观察到什么现象？

4. 依据实验现象推断空气中氧气所占的体积分数。

这是第1章《开启化学之门》中的一个演示实验，用来帮助学生初步了解化学研究物质组成和结构的方法。因为面向的是刚刚开启化学学习之門的学生，所以这一演示实验更加注重现象的直观性和试剂的易得性，而对科学性要求没有很高。事实上，试图利用红磷燃烧除尽集气瓶内空气中的氧气，是不可能达到的。因为在燃烧过程中，随着氧气的消耗，燃烧的激烈程度减弱，产生的热量减少，温度也随之下降。当温度达不到可燃物的着火点时，燃烧便会终止。同时，用这一方法完成实验时，产生误差的人为因素也较多，如红磷在空气中引燃后没有及时地塞进集气瓶中，会造成集气瓶中的空气由于受热而逸出瓶外；如果取用的红磷量不足，则更加不可能将集气瓶内的氧气全部反应掉。另外，在空气中引燃红磷时产生五氧化二磷白烟，容易在教室内扩散，造成一定的污染。

要更加精准地测定出空气中氧气的含量，必须最大可能地把容器内空气中的氧气消耗完。经实验测定，用加热铜丝的方法除去密闭容器内空气中的氧气，较为完全彻底。此外，可以设法让容器内的空气（氧气）流动起来，与铜丝充分接触，以达到反应更加完全彻底的目的。优化后的实验方案如下：

1. 如图2所示，将一根绕成螺旋状的细铜丝小心地装入一支细长的普通硬质玻璃管内，将玻璃管的两端分别用橡胶管和注射器（其中一只注射器调整活塞，内部留有50mL的空气；另一只注射器活塞推进到底部，不留空气）连接成一个密闭系统。

2. 点燃酒精灯，加热装有细铜丝的玻璃管。待铜丝的温度升高后，先推动右边留有空气的注射器的活塞，将留在注射器内的空气通过中间的玻璃管缓慢地推入左边的注射器内。待空气完全进入左边的注射器后，再缓慢地推动左边注射器的活塞，将空气推入右边的注射器内。如此重复交替推动两只注射器的活塞，使空气在铜丝周围来回流动。可以观察到：光亮红色的铜丝逐渐变黑。

3. 熄灭酒精灯，将残留的气体再次全部推入右边的注射器内，冷却至室温后，读出残留在注射器内气体的体积数。与原来的50mL比较，减少的体积即为50mL空气中所含氧气的体积。根据体积分数的计算公式，可以粗略地计算出空气中氧气的体积分数。

该实验所用的硬质玻璃管要求相对细小，这样玻璃管内所含空气的量可以忽略不计。选择的注射器则要求相对较大，注射器内留有的空气也要较多，这样等反应结束后，消耗的氧气的量也多，体积变化才会明显。

（二） 让反应更容易发生

例如，人教版初中化学九年级上册“对蜡烛及其燃烧的探究”实验，要求观察蜡烛熄灭时的现象：

蜡烛是由石蜡和棉线烛芯组成的。运用除味觉以外的所有感官，尽可能对一支蜡烛在点燃前、燃着时和熄灭后的三个阶段进行观察……

观察蜡烛熄灭时有什么现象发生。用火柴去点蜡烛刚熄灭时产生的白烟（如图3），蜡烛能否重新燃烧？

蜡烛熄灭后在烛心上方会形成一缕白烟，这是燃烧时气化的石蜡蒸气经冷却凝固而成的。因此，这缕白烟的主要成分为石蜡，具有可燃性，从理论上讲引燃后是可以燃烧的。但是，蜡烛火焰熄灭（一般用嘴吹灭）后，这缕白烟很容易随风流动而消散，不容易凝聚在一起，造成石蜡的量过少且不集中（浓度低），如此是很难用火柴引燃的，在实际操作中成功率也不高。

欲使石蜡熄灭时产生的白烟燃烧起来，白烟的浓度越高，效果就会越明显。因此，在操作中最好先将白烟收集起来，然后进行引燃操作。在实际操作中，可以先用器材吸取烛心中的白烟，等采集到的白烟量较多时，再进行引燃操作。我们可以用一个玻璃材质的医用注射器伸入燃着的蜡烛火焰的焰心部分，轻轻抽动活塞，从而明显观察到白烟被收集到注射器内（如图4）；然后轻轻推动活塞，将推挤出来的白烟在火焰上引燃，从而观察到明亮的火焰（如图5）。也可以用体积较大的胶头滴管吸取白烟（如图6），挤出后在火焰上引燃（图7）。

二、 优化实验装置

初中化学实验室的仪器大多属于常规仪器，药品种类和储存、测量手段也比较有限，导致有些实验在教学时效果不尽如人意。对此，我们可以通过优化实验装置来提升实验教学效果。优化可以是整体替换，如采用一体化装置；也可以是局部调整，如更换实验使用的仪器，改变反应物种类或用量，调整操作顺序等。

例如，沪教版初中化学九年级上册《性质活泼的氧气》一节的编排是，先教学氧气的性质，再教学氧气的实验室制法。教学时，大多数教师的做法是：课前，在化学实验室制取并收集几瓶氧气带进教室；上课时，先给学生讲解氧气的性质，再完成木炭、石蜡、硫、磷、铁丝等物质在空气和氧气中燃烧的比较实验，通过比较燃烧的剧烈程度验证氧气具有助燃性的结论。

微粒是不断运动的。收集在集气瓶中的氧气容易逸出集气瓶外，时间长了，集气瓶内氧气的浓度也随之降低，因此在进行氧气性质验证实验时，一些实验的现象不是很明显，特别是铁丝在氧气中的燃烧实验效果比较不理想。

理想的实验装置要能根据需要随时开始和中止氧气的制取。图8所示即为一种优化后的实验装置：将一个集气瓶（无底）与一个吸滤瓶（瓶口分别塞有单孔橡皮塞）中间用一段玻璃管相连通；用铁架台将分液漏斗固定，下端用胶皮管与吸滤瓶支管相连；在吸滤瓶中放入少量二氧化锰，在分液漏斗内装入一定量的稀双氧水（过氧化氢溶液）。

实验时，打开分液漏斗活塞，少量双氧水流入吸滤瓶内，遇二氧化锰后迅速反应产生氧气，經玻璃管进入上方无底的集气瓶中。在这个无底集气瓶（作为反应容器）中，即可连续完成木炭、石蜡、硫、磷、铁丝等物质在空气和氧气中燃烧的实验。在实验过程中，如果氧气量少了，可再次打开活塞，让双氧水流入吸滤瓶中；而反应太快或实验即将结束时，可关闭活塞。这样，既节约药品，也不用提前在实验室里制取并收集氧气，再来完成氧气的性质实验，实验教学效果也很好。

三、 优化实验现象

初中化学的某些实验，反应较为缓慢或现象不是很明显。对此，教师可以引入数字化技术，运用温度、压强、二氧化碳、氧气、电流、酸度等数字传感器，即时呈现细微的物理量变化，使实验现象更加直观、精确。

例如，人教版初中化学九年级上册“对蜡烛及其燃烧的探究”实验中的“蜡烛火焰各层温度比较”实验：

点燃蜡烛，仔细观察燃着的蜡烛。蜡烛燃烧时发生了哪些变化？火焰分为几层？哪层最明亮？哪层最暗？

取一根火柴梗，拿住一端迅速平放入火焰中（如图9），约1s后取出。根据火柴梗在火焰不同部位被烧的情况，推测火焰哪一部分的温度最高，哪一部分的温度最低。

与酒精灯的火焰相比，蜡烛的火焰比较小，凭肉眼观察蜡烛火焰中的外焰、内焰和焰心三层火焰，区别不是特别明显。将火柴梗（细木棍）放入燃烧着的蜡烛火焰中，很快取出，可观察到处于焰心部位的木棒炭化最为轻微，说明此处的温度较低，但处于内焰和外焰部位的木棒炭化程度相近（如图10），很难根据其来比较外焰和内焰的温度高低。

对此，考虑引入数字化技术进行即时数据采集：将三支高温传感器与数据采集器、计算机（安装有相关数据处理软件）相连接，组合成一套能测量出蜡烛燃烧时三层火焰温度的数字化实验装置；将三支高温传感器同时插入蜡烛火焰中的三处不同部位（如图11），打开软件的“采集”按钮，观察实验数据和曲线变化。

可观察到处于蜡烛火焰三处部位的高温传感器呈现出来的温度值均迅速升高，产生的曲线（如图12）也呈明显的由低向高的趋势；经过一段时间，温度慢慢稳定，等数据基本平稳后，读出外焰、内焰和焰心的温度分别为780℃、610℃和510℃左右。

教学中，可先通过木棒炭化实验，让学生对蜡烛燃烧时三层火焰处的温度高低有个初步认识；再通过数字传感器获得的精准数据，对三层火焰处的温度高低有更为明确的结论。数字化实验与传统实验相互呼应、相互印证，可极大地提高实验数据的准确度，优化实验现象。

四、 优化实验成本

初中化学的很多实验只需要学生定性了解，或者只需要很少的试剂用量便能观察到实验现象。而初中化学实验室的仪器大多属于常规仪器，试剂等的用量是相对固定的，可能导致实验成本的浪费。因此，《义务教育化学课程标准（2022年版）》“鼓励实验的绿色化设计，开展微型实验”［1］。即在开展化学实验时，尽可能使用微型化的实验仪器，取用最少量的化学试剂。这样，既可避免浪费药品，又能避免污染环境，同时还能提升实验的安全性，达到化学实验绿色化的目标。开展微型实验教学的关键是选用合适的、微小的反应仪器，目前选择较多的有注射器、W型中空玻璃管和西林瓶等。

例如，人教版初中化学九年级下册“一氧化碳还原氧化铁”实验：

在实验室里，可以利用下页图13所示的装置进行实验。从实验中可以看到，玻璃管里的粉末由红色逐渐变黑，这种黑色的粉末就是被还原出来的铁；试管里的澄清石灰水变浑浊，证明有二氧化碳生成。

本实验是初中化学中一个装置较为复杂、操作较为严格、污染较为严重的实验。选用上述装置完成实验，需要在实验室中先制取并储存一定量的一氧化碳气体。实验结束后，需要将没有反应掉的一氧化碳气体进行燃烧处理，既浪费了资源，也对教室内的环境造成了影响。此外，这个反应要求的温度较高，需要使用酒精喷灯，如果操作不当，容易引起一氧化碳气体的爆炸。所以，在实际教学中，一些教师会采用回避的方法，用讲解或播放视频的方式代替实验。

完成本实验最大的问题是要使用大量的一氧化碳气体（初中化学实验室中较少有制取一氧化碳的药品和储存一氧化碳气体的设备），同时安全较难得到保障，环境会被污染。因此，比较合理的做法是，先用教材中的实验方案进行实验原理及操作要领的教学，然后采用微型实验装置来完成这个实验。理想的设计是，能即时产生少量的一氧化碳气体用于实验，达到即时、迅速、安全、节能和环保的目的。我们可以用5mm—10mm的中空玻璃管在酒精喷灯上加工制作成W型玻璃管。将W型玻璃管作为反应容器，在实验时需要取用药品的量少，也很方便将药品加入其中，效果很好。也可以将两根“V”字形玻璃管用胶皮管连接成W型玻璃管，甚至可以连接多个“V”字形玻璃管组装成加长版的W型玻璃管。

在讲解示范“一氧化碳还原氧化铁”实验的要点后，取三根“V”字形玻璃管，在每根玻璃管的凹处分别加入浓硫酸、氧化铁粉末和澄清石灰水，然后用胶皮管连接成一个加长版的W型玻璃管，做成实验装置（如图14），完成该实验。

用该装置完成“一氧化碳还原氧化铁”实验，由于取用的氧化铁数量少，因此，参加反应的一氧化碳气体的量也少。不需要提前在实验室制取并储存一氧化碳气体。只要在实验时轻挤出胶头滴管中的甲酸溶液，滴入硫酸中加热，就能产生一氧化碳气体。这样，可极大地提高完成该实验的效率。未反应掉的少量一氧化碳气体可用气球收集起来，进行回收处理，从而较好地解决实验中的环保问题。用灯罩固定火焰，提高温度，代替酒精喷灯。整套实验装置小巧、精致且完整、合理，实用性和操作性强，安全性也能得到保障，实验效果极佳。

参考文献：

［1］ 中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准（2022年版）［S］.北京：北京师范大学出版社，2022：43.