创新实验教具 巧攻重点实验

摘 要：本文在综合比较各种电解水装置的基础上，创新自制“水电解—检验一体化装置”，将化学延伸到生活，将传统中学化学教学中的演示实验转化为学生动手实验。这种创新化学实验教学的策略，培养了学生化学核心素养并多维度培养了学生设计、操作、观察、分析和综合解决问题的能力，提升了学生的创新能力。

关键词：自制教具；创新实验；水电解器

文章编号：1008-0546（2024）11-0088-03

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

化学是一门以实验为基础的学科，《义务教育化学课程标准（2022年版）》强调经历科学探究并增强实践能力的重要性。义务教育阶段化学课程提高学生的科学素养是教学的重要目标，实验探究是学生积极主动获取化学知识的重要途径，是培养学生科学思维，增强学生实践能力，形成科学态度的基础。［1］

“水分子的变化”是鲁教版五四制八年级化学第二单元第三节的内容。教材中设置的“水在直流电作用下的变化”“氢气在空气中燃烧”这两个重点实验是借助实验探究物质的组成，认识化学反应实质的开始。然而，在传统教学过程中由于诸多局限，这两个实验多为教师演示实验或多媒体展示实验，学生参与度低，探究体验效果差。因此，笔者在教学过程中创新实验设计，对比传统电解水装置的优缺点，自制实验教具，将两个实验整合起来组装了水电解—检验一体化装置，学生可以亲自参与课堂实验探究，增强实践能力，形成科学态度，培养科学思维。

一、传统水电解装置

目前，在教学中接触到的水电解器主要有简易水电解器、学生实验水电解器、霍夫曼水电解器三种，笔者结合使用体验，对比分析了不同装置的优缺点。

1. 简易水电解器

简易水电解器如图1所示。该实验装置结构简单，但是存在以下两个弊端：①该装置具有一定的危险性。电解水时，为了增强水的导电性，需在水中添加氢氧化钠溶液、硫酸溶液，氢氧化钠和硫酸溶液对人体均有一定的腐蚀性。②采用该装置不能进行重复实验，若要重复实验需要在两个试管中装满电解液，在装液和倒置试管的过程中人体也易受到电解液的腐蚀。

2. 学生实验水电解器

目前笔者所在区域实验室配备的电解器多为这种学生实验水电解器（见图2）。该水电解器是需要专业定制的一体化实验仪器，与简易水电解装置相比，该装置最大的优点是在电解水过程中可以直接在尖嘴出口处检验气体，实现了电解、检验一体化。［2］

然而，这种装置在实际的教学过程中存在诸多的问题。例如，该实验装置下层储液槽为密闭结构，电解液在容器和管道内流动不畅，严重影响实验的进展，甚至无法完成实验；实验完毕后无法彻底清洗下层密闭的储液槽，残存电解液的腐蚀经常会导致仪器出现漏液问题；该装置是专业定制的一体化装置，一旦某个部分损坏，只能整体替换，实验成本较高。

3. 霍夫曼水电解器

鲁教版五四制八年级化学教材中出现的水电解装置为霍夫曼水电解器（见图3）。霍夫曼水电解器在化学仪器中的地位举足轻重，有特定的历史意义和科学价值。［3］标准的霍夫曼水电解器制作工艺非常复杂，技术要求较高，且霍夫曼水电解器使用的标准电极为Pt电极，这种电极价格昂贵，不适合普遍使用。霍夫曼水电解装置整体较为笨重，携带不方便。另外，该装置的主要部件均为玻璃材质，玻璃管细长，重心高不稳定，易损坏且损坏不易修复。霍夫曼水电解器电极距离固定，无法调节，电解液在两个电极之间流动不通畅，电解水速率慢，实验用时长。

在日常教学过程中霍夫曼水电解器通常仅作为演示实验仪器使用。

二、创新水电解装置设计思路

综合比较三种常规水电解装置的优缺点，笔者在简易水电解器的基础上进行实验改进，综合解决上述三种水电解装置存在的局限性，保留霍夫曼水电解器的优点。利用身边常见材料设计出一套取材容易、结构简单、易于操作、安全可靠、造价低廉、便于自制推广的水电解器——水电解—检验一体化装置（见图4）。

1. 电极、电解池

电极主要材料为碳棒，取自废旧干电池，材料简单、易得、环保、可循环。碳棒利用导线螺旋固定，一体化设计导电效果好。固定的电极有助于固定收集装置，防止移位。电解池用透明矿泉水瓶制备，同样具备环保、易得、可循环的优点，同时电解池无色透明便于观察，容易清理、修理。电解池底部为封闭状，彻底解决了在实验中水电解器的漏液问题。另外，电解池内空间相对宽敞，电极之间电流通道相对流畅，电解速度比霍夫曼水电解器更快。

2. 气体收集装置

气体收集装置主要材料为一次性注射器和输液软管（带罗伯特夹），注射器自带刻度，可以准确记录水电解过程中氢气和氧气的体积比。这种气体收集装置与简易水电解装置相比最大的优点是：在电解水过程中通过输液软管上的罗伯特夹作为控制气体的开关，可以直接在尖嘴出口进行气体检验，手无需接触腐蚀性电解液即可实现电解检验一体化。气体收集装置的负极利用分支软管配合罗伯特夹开关，方便收集氢气验纯并直接在末端针头处点燃。另外，通过罗伯特夹的开关可以利用连通器原理使收集装置装满电解液，避免了用简易水电解装置倒置试管时手接触腐蚀性电解液的问题，实验过程更加安全。同时，利用创新装置只需要打开罗伯特夹就可以实现重复实验，更加方便。

3. 装置创新优势

与简易水电解装置相比自制水电解—检验一体化装置解决了原装置不能直接检验收集气体的问题，实现了气体末端直接检验，并且电解过程中电解液安全无接触，操作简单安全。

与学生实验水电解器相比自制水电解—检验一体化装置的电解池为开放空间，组装清洗方便，电解池空间可变可调，能够保证宽敞的电流通道，保证较快的电解速度。

与霍夫曼水电解器相比自制水电解—检验一体化装置最大的优点在于成本方面。自制水电解—检验一体化装置所用原料价格低廉、仪器制作简单、损坏容易置换、适用性和实用性强。同时，霍夫曼水电解器具有的气体体积直观可测、电解液安全非接触、气体末端直接检验这些优点，创新自制的水电解—检验一体化装置也都具备。

三、实验教学过程

在教学过程中使用自制水电解—检验一体化装置的实验效果良好，实际使用过程中装置兼顾了安全性、直观性、可连续性的优点。该装置操作安装、加液和清理都很方便，且装置本身携带方便，可以实现连续使用。具体实验通电后反应快，电极上产生气泡明显，通过注射器刻度可以清晰地读取并收集到的氢气与氧气体积比约为2∶1。正极气体能使带火星的木条复燃，负极验纯后可以直接在集气装置末端的针头处点燃，实验现象明显。实验教学过程如图5所示。

1. 问题创设，导入新课

教师提出问题：我们都知道水在加热过程中水分子本身不会发生变化。那么给水通电条件下，水分子会不会发生变化？在引起学生好奇心的同时，激发学生学习的兴趣，进而导入课题。以水的三态变化为引入点，提出问题，建立由分子间间隔的变化到电解水分子本身变化的过渡，温故知新，激发学生探究的欲望。

2. 创新实验，重点探究

针对水通直流电问题，学生可能会提出不同的猜想，为了验证猜想，让学生动手实验。教师在实验前讲解创新装置的结构和使用方法，调动学生积极参与科学探究的兴趣。

学生分享课前查阅的有关氢气、氧气的检验资料，为氢气、氧气的检验实验奠定基础。小组合作共同讨论出具体的实验步骤，分工完成。小组合作完成实验，准确记录实验现象。实验后交流讨论，展示实验成果。通过实验进一步验证正负极产生的气体成分，最终得出结论：水在通电的条件下生成氢气和氧气。利用创新装置将传统的演示实验变为学生动手实验，实验更清晰、更直观。每一个学生都能看清楚实验过程，学生在亲自参与体验科学探究的过程中，增强了学习信心，提高了思维能力和动手能力。

3. 微观探析，难点突破

结合实验现象进一步提出问题，实验过程中我们可以从气体收集装置的注射器刻度上清楚地读取出氢气和氧气的体积比为2∶1，请结合教材分析原因。学生分析电解水的微观过程，并用水分子模型模拟这个反应的微观过程，直观地感知化学变化的实质，进一步体会宏观与微观之间的联系，逐步建立微粒观。

4. 巩固练习，反思提升

绘制氢气燃烧过程的微观示意图，小组内交流分享，举一反三，巩固学生对化学变化实质的认识。学生绘制出本节课的知识网络并进行展示，对本节课的重点知识进行归纳总结，对学习目标进行回扣。

四、实验教学价值

实验教学是科学课堂的出发点，创新实验装置能够立足教材，回归原点，助力学生参与课堂实验。在教学实施过程中，利用创新实验装置将传统的演示实验改为学生动手实验，可以充分调动学生学习的积极主动性，给学生更多的实验机会，提高学生的科学探究能力。学生通过亲自经历科学探究，增强实践能力，发展科学探究能力。创新实验装置的实验效果明显，可以增强实验的直观性与立体性，唤起学生的求知欲和探究欲，在潜移默化中激活学生的思维，使其对所学知识进行融会贯通，养成利用身边材料研究化学的习惯。

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）［M］.北京：北京师范大学出版社，2022．

［2］黄海燕，王泽安.电解水小型实验装置的设计［J］.化学教学，2021（8）：72-75．

［3］钱勤.初中化学实验改进与创新现状的调查研究［J］.化学教与学，2015（5）：62-64．