基于胶囊及压片制样的实验设计与改进

赵雯 马力

摘要： 教育装备与教学融合创新的视域下，结合创新化学实验SCAMPER法，首次将胶囊及压片制样工艺应用于新实验的设计与改进，对教材中硫与铁、浓硫酸与蔗糖、铝热反应三个实验重新设计，取得较好的实验效果。改进后的实验操作简单、现象清晰、安全环保，实验装置取材容易、经济实惠、易于师生探究与实践，可为广大基层学校推进创客式实验教学提供参考。

关键词： 创客式实验设计； 硫与铁反应； 浓硫酸与蔗糖反应； 铝热反应

文章编号： 1005-6629（2024）02-0062-04

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题的提出

2023年教育部印发《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》、《基础教育课程教学改革深化行动方案》和《中小学实验教学基本目录（2023年版）》，强调要聚焦核心素养导向的实验教学改革重难点问题，加强实验教学。2019年教育部《关于加强和改进中小学实验教学的意见》中指出：“要注重加强实验教学与多学科融合教育、编程教育、创客教育、人工智能教育、社会实践等有机融合……”“在实验教学中要拓展创新，不断将科技知识和技术成果融入实验教学，丰富内容，改进方式……”。粉末压片和胶囊工艺在医药行业的应用极其广泛，现如今90%以上的药物都制成了片剂或胶囊剂。粉末压片和胶囊不仅工艺简单、成品质量稳定，而且药品粉末不易沾容器壁，携带、储存、使用均较为方便。粉末压片是在一定的压力下将粉末压实，最后变为具有一定孔隙率压块的过程，即从松散的结构变为相对均匀的成型固体。胶囊作为药用辅助材料，主要用于填装粉末或颗粒。在中学化学实验中也经常会使用到单一粉末或混合粉末作为反应物，能否引入粉末压片和胶囊工艺对教材实验进行创客式设计呢？基于此，筆者尝试采用胶囊和压片制样的方法，并融入创新化学实验SCAMPER法［1］，借助中学实验室和日常生活中常见易得的仪器及物品，对教材中部分有固体粉末参与的实验（硫与铁、浓硫酸与蔗糖、铝热反应）进行创新与改进，以期在前期研究的基础上［2，3］，依托上海市中小学实验教学指导中心研究项目，继续探寻和提供适合广大基层学校及偏远地区开展创客式实验教学的具体实践路径，促进新课程、新教材（“双新”）背景下教育装备与教学的强衔接、强融合，推动创客式实验教学的实践应用与广泛开展，助推教师和实验员设计制作教具的积极性与创造性。指导师生能够从创客教育理念出发，积极变革实验教学育人方式，重新理解实验教学思维，灵活利用实验教学器材，主动重构实验教学场景，逐步开拓实验教学创新。

2 实验设计与现象

2.1 硫与铁反应的实验改进

硫与铁的反应是中学生认识硫、铁化学性质的重要实验之一，现行的沪科版新教材（2021版）［4］提供的实验方法是将铁粉（4g）和硫粉（2.5g）充分混合后装入干燥的石英试管中。在试管口塞上带有长导管的橡皮塞，在导管末端放入一小团蘸有氢氧化钠溶液的棉花，试管口微朝上。加热试管，待混合物开始出现红热现象后，立即移开热源，观察现象。该实验设计能有效解决普通玻璃试管易破裂、熔化的液体易流出、二氧化硫易污染空气的问题，但存在粉末易沾试管壁、反应物用量过多、生成物不易取出、实验时间较长等问题。基于以上分析，笔者借助陶土网、玻璃三角漏斗、玻璃棒、脱脂棉等常见物品，采用胶囊及压片的制样方式，对硫与铁的反应实验进行改进。

实验开始前先进行硫铁粉压片或硫铁粉胶囊的制备。制作硫铁粉压片时，首先将小型家用药片压片机的下模和中模安装好，然后将硫粉（约1.25g）和铁粉（约2.01g）搅拌均匀后，倒入模具，用装有水的小喷壶稍微喷湿一下。接着将上模插入粉末中，用安全锤用力敲打9～10次后，把整个模具倒置过来。从上方取走原下模，然后将中模向下移动，即可取出硫铁粉压片。制作硫铁粉胶囊时，先将硫粉（约0.63g）和铁粉（约1.01g）混合搅拌均匀，接着用药匙将硫、铁混合粉末填装入透明的空胶囊中，然后盖上胶囊帽即可。实验时，如图1所示，将硫铁粉压片或胶囊放在陶土网上，用一个玻璃三角漏斗罩住。接着将一根玻璃棒插入漏斗短颈中，调整漏斗的位置使玻璃棒最下端能接触到硫铁粉压片的中心位置［图1（a）］或硫铁粉胶囊的一端［图1（b）］，并根据漏斗短颈下端口和玻璃棒相接触的位置在玻璃棒上包裹蘸有氢氧化钠溶液的脱脂棉。然后取出已包裹脱脂棉的玻璃棒，在酒精灯上加热其下端25秒左右后迅速将其插回漏斗的短颈中，在硫铁粉压片的中心位置或硫铁粉胶囊的一端引燃，可立即观察到红热现象从硫铁粉压片中心开始向四周蔓延或从硫铁粉胶囊一端开始向另一端蔓延，反应产生的二氧化硫气体则被蘸有氢氧化钠溶液的脱脂棉吸收。

硫与铁反应实验的改进之处：（1）改进后的实验装置简单、材料易得；（2）将硫、铁混合粉末制成压片或装进胶囊的处理方式，既节约了药品用量，反应物又不易向四周飞溅，且实验操作简单、现象清晰、用时较短、安全性较高，易于学生操作，适合学生探究实践；（3）反应直接在陶土网上进行，有效解决了反应后固体在试管中不易取出的问题；（4）反应在相对封闭的体系中进行，实验过程较环保。

2.2 浓硫酸与蔗糖反应的实验改进

浓硫酸使蔗糖脱水是中学化学的经典演示实验之一，蔗糖发生炭化后形成的“黑面包”能给学生留下深刻的印象。现行的沪科版新教材（2021版）［5］提供的实验操作步骤是在敞口的烧杯中依次加入蔗糖（15g）、水（1mL）和浓硫酸（15mL）后，迅速用玻璃棒搅拌后静置。虽然操作简单、现象明显，但是在敞口环境下产物二氧化硫气体难以被检验，易造成空气污染，浓硫酸用量相对较多，实验后因玻璃仪器较难洗涤而造成仪器浪费。现行的苏教版新教材（2021版）［6］提供的实验做法是取蔗糖（2g）放入大试管中，加2～3滴水，再加入约3mL浓硫酸，迅速搅拌，然后塞紧带玻璃导管的橡皮塞，将玻璃导管的另一端插入盛有品红溶液的试管中，观察实验现象。该方法虽然节约了药品，检验了生成的二氧化硫气体，避免了空气污染，但也存在实验后玻璃仪器难以洗涤的问题。查阅文献发现有研究者从实验装置的角度对该实验进行了改进［7，8］，但改进后浓硫酸与蔗糖的反应装置仍以烧杯、试管、广口瓶等玻璃仪器为主，并未解决实验后玻璃仪器难以洗涤等问题。鉴于此，笔者借助玻璃三角漏斗、一次性塑料滴管、废弃硬纸板和脱脂棉等常见物品，采用胶囊及压片的制样方式，对浓硫酸使蔗糖脱水实验进行改进。

参照前述2.1中压片及胶囊的制作方法，制备蔗糖压片（约2.63g）或蔗糖胶囊（约0.89g）。在多次试验后发现，如果采用填充胶囊的方式，在蔗糖加入透明空胶囊后，可在蔗糖中滴加1滴水，然后将胶囊盖紧后浸入水中约30秒后取出使用，实验效果最佳。实验时，如图2所示，先将制作好的蔗糖压片或经水浸润过的蔗糖胶囊放在硬纸板上，并在其周围放置蘸有酸性高锰酸钾溶液的脱脂棉。用一个玻璃三角漏斗罩住蔗糖压片（或胶囊）以及脱脂棉。用塑料滴管吸取少量浓硫酸后插入漏斗的短颈中，略微调整漏斗位置使滴管下端对准蔗糖压片或胶囊的中心，并用蘸有氢氧化钠溶液的脱脂棉紧密包裹住漏斗短颈最下端和滴管的相交处，使反应在封闭体系中进行。然后挤压滴管，在蔗糖压片或胶囊上滴加5滴浓硫酸后，可迅速观察到“黑面包”现象。与此同时，可观察到脱脂棉上的酸性高锰酸钾逐渐开始退色，而剩余的二氧化硫气体则被蘸有氢氧化钠溶液的脱脂棉吸收。如果想要观察到更加明显的“黑面包”膨胀现象，可以通过“品字形”叠放三块蔗糖压片或胶囊来实现。此外，在漏斗罩住的区域内除了放置蘸有酸性高锰酸钾溶液的脱脂棉，也可以放入蘸有石蕊、品红溶液等的脱脂棉，进行二氧化硫气体检验及性质的一体化实验。

本实验的改进和创新之处：（1）蔗糖在胶囊及压片制样时已经加过水，且胶囊又经浸润处理，故在后续操作中无需再加水，只需滴加数滴浓硫酸即可。这既简化了操作，又节约了药品，同时也提升了安全性，在没有搅拌的情况下，实验现象清晰、成功率高；（2）相较于块状蔗糖只能表面和浓硫酸发生反应、粉末状蔗糖不易定形导致固体产物杂乱无规则，蔗糖压片在具有规则形状的同时保留有疏松多孔的结构，故其内部也易于和浓硫酸发生反应；（3）利用废弃硬纸板作为蔗糖和浓硫酸反应的发生装置，实验后可以进行简单处理并丢弃，有效解决反应后固体产物难以洗涤造成玻璃仪器浪费的问题（由于加入浓硫酸的量较少，硬纸板在较短时间内并不会发生明显的炭化现象）；（4）装置简单、安全环保，在清楚观察到“黑面包”实验现象的同时，还能拓展进行二氧化硫气体的检验、吸收及性质一体化实验，不仅能用于课堂演示，还能用于学生探究实践。

2.3 铝热反应的实验改进

铝热反应是将铝粉和氧化铁粉末均匀混合后，在高温条件下发生反应生成液态铁和氧化铝，并放出大量的热，在工业上常利用该反应原理来焊接钢轨。现行的沪科版［9］和苏教版［10］新教材（2021版）提供的实验做法是将两个纸漏斗套在一起后架在铁架台的铁圈上，在其下方放置盛有细沙的铁盘，并在铝热剂中添加氯酸钾，用镁条引燃。照此方法进行实验，虽然剧烈的火星四射现象能带给学生足够的震撼感，但装置较为复杂、实验操作步骤多且耗时长、落下的红热熔融物易损坏实验台等；其次，镁条燃烧产生的耀眼强光容易对学生的视力造成一定损伤，且镁的还原性比铝更强，易干扰学生对反应原理的认识；再者，铝热剂用量多易导致实验中产生的火花较多，存在火星四面喷溅及熔融物飞溅较远的危险；此外，滤纸易被引燃且燃烧时产生大量的烟也容易干扰实验效果。针对该实验的诸多不足，有研究者尝试从实验装置、引燃方法、铝热剂微量化等角度对铝热反应进行改进［11］，也取得一定的效果，但改进后的实验基本都使用了助燃剂和引燃剂，部分实验装置较为复杂，且有的装置在反应中有爆裂的危险，不适宜课堂演示。鉴于此，笔者借助耐高温石英坩埚、家用小型高温焊枪和细沙等常见物品，采用胶囊及压片的制样方式，对铝热反应实验进行改进。

参照前述2.1中压片及胶囊的制作方法，制备铝热剂压片（铝粉约0.2g、氧化铁约0.5g）或铝热剂胶囊（铝粉约0.1g、氧化铁约0.25g）。实验开始前，在耐高温石英坩埚中放置适量细沙，并用药匙在细沙中央挖出小坑，以放置压片或胶囊。实验时，如图3所示，先将制作好的铝热剂压片或胶囊放置于细沙中央小坑［见图3（a）和图3（b）］，接着使用家用小型高温焊枪加热铝热剂压片或胶囊15秒左右后移开，可以观察到压片或胶囊处产生火星，且一般情况下火星飞溅的范围不会超过石英坩埚。反应结束后可观察到有小铁珠生成。此外，还可以在铝热剂胶囊上稍作改动来完成焊接实验。如图3（c）所示，在空胶囊的左右两端各插入一支小铁钉（长度约2cm）后，填装入铝热剂，并保证在胶囊盖紧后两支铁钉的尖部能重叠并靠紧。然后将其放入石英坩埚的细沙小坑中，实验操作步骤和前述相同。反应结束后使用坩埚钳取出铁钉，可观察到两支铁钉已被焊接在一起。

铝热反应实验的改进和创新之处：（1）改进后的实验试剂用量较少，装置简单，取材容易，操作步骤少且耗时较短；（2）选用耐高温石英坩埚作为反应容器，在反应中不易损坏；（3）无需借助引燃剂和助燃剂，直接使用小型高溫焊枪加热铝热剂即可，操作简单，现象清晰，实验中也不会产生强光、浓烟等污染；（4）将铝热剂制作成压片或胶囊，能控制反应时火星飞溅发生在较小的范围内（即不超过石英坩埚），实验安全性较高，方便学生操作；（5）铝热剂胶囊还可被拓展设计进行焊接实验。

3 结语

本研究首次在实验创新与改进中引入胶囊及压片制样工艺，在教学实践中具有较好的应用和推广价值，体现了实验教学与创客教育理念的有机融合，为一线教师提供了开展创客式实验教学实践的新路径。不仅开拓了“双新”背景下教育装备与教学的融合创新［12］，推进了创客式实验教学的开展，也为广大基层学校灵活运用教育装备、师生主动重构实验教学提供了新指引，为“双新”背景下实验教学深化改革行动提供了新思路。

参考文献：

［1］赵雯. 中学化学教师实验素养的评价建议与提升策略——基于上海市中小学教师实验能力大赛实践的思考［J］. 实验教学与仪器， 2023， （8）： 27～31.

［2］赵雯. 热缩管用于中学化学实验改进的案例［J］. 化学教学， 2023， （3）： 69～72.

［3］赵雯， 马力. 启普发生器装置的新改进［J］. 化学教学， 2022， （7）： 53～56.

［4］［5］麻生明， 陈寅主编. 普通高中教科书·化学·必修第一册［M］. 上海： 上海科学技术出版社， 2021：75.

［6］王祖浩主编. 普通高中教科书·化学·必修第一册［M］. 南京： 江苏凤凰教育出版社， 2021： 95.

［7］黄亚武， 姚亮发， 张贤金. 蔗糖与浓硫酸反应实验的一体化设计［J］. 化学教学， 2022， （10）： 68～71.

［8］张丽敏. 蔗糖与浓硫酸反应实验的新设计［J］. 化学教学， 2021， （12）： 75～77.

［9］麻生明， 陈寅主编. 普通高中教科书·化学·必修第二册［M］. 上海： 上海科学技术出版社， 2021：24.

［10］王祖浩主编. 普通高中教科书·化学·必修第二册［M］. 南京： 江苏凤凰教育出版社， 2021： 97.

［11］杨香菊， 吴国权， 许长志. 钠与水及铝热反应演示实验的再探究［J］. 化学教学， 2023， （4）： 77～79.

［12］赵雯. 对上海市中小学实验教学工作的分析与思考［J］. 中国现代教育装备， 2023，（12）：5～7.