借助化学实验仪器培养学生的科学探究意识

井延涛

摘要： 通过探寻化学实验仪器中的“一器多用”、“多器同用”、微量化改进实验仪器和将已知实验仪器重新组合等，凸显实验教学的探究性和开放性，提高实验教学的质量，帮助学生构建化学实验的知识与技能体系，形成“科学探究与创新意识”的化学学科核心素养。

关键词： 实验仪器; 科学探究; 创新意识; 核心素养; 一器多用; 多器同用

文章编号： 1005-6629（2019）8-0085-04            中图分类号： G633.8            文献标识码： B

化学仪器是重要的实验教学资源，以实验仪器为着眼点，优化实验教学的途径和方法，发挥实验仪器在化学实验中的育人功能，有利于培养学生的科学探究与创新意识[1～3]。

1  探寻“一器多用”的实验仪器

探索实验装置的“一器多用”，引导学生对实验仪器的不断优化，从而对实验原理进行深度挖掘。

1.1  广口瓶

以图1所示装置为例，可用于下列各类实验。

（1） 广口瓶中分别放入一定量的氢氧化钠、氯化钠和硝酸铵固体，瓶口右侧的弯管内加入适量红墨水。按图连接好装置后，用注射器向广口瓶注水形成浓溶液。利用广口瓶内的气压变化，结合U型管中左右两端液柱的相对高低情况可以更为生动、直观地判断三种固体溶于水时的吸热和放热情况。

（2） 卸去弯管，换用一个双孔橡皮塞，可根据进气导管和出气导管在广口瓶内的高低差异用作洗气瓶、集气瓶、安全瓶、排液法测量气体体积、监控气体流速等。利用“长进短出”的连接方式，结合适当吸收剂可用作洗气瓶;利用“长进短出”或“短进长出”的空瓶连接方式，可用作集气瓶;利用“短进短出”的空瓶连接方式，可用作安全瓶，防止液体倒吸;利用“短进长出”的连接方式，结合适当液体，可用于排液法测量气体体积或根据气泡逸出快慢监控气体流速等;利用“两长一短”的连接方式，结合一个三孔橡皮塞（见图2），用作缓冲瓶，或再结合适当吸收剂同时用作洗气瓶和缓冲瓶。

1.2  注射器

注射器可以完成取用藥品或充当反应容器等。

（1） 取用质地较软的固体。取一只塑料注射器，切除其前端的针栓部分，使其前端外缘平齐。将处理后的注射器前端小孔对准金属钠下压，金属钠的固体顺利进入注射器。在取出金属钠时，只需稍用力向外推注射器活栓，即可根据需要取用不同长度的钠块。这一做法的优点有： 第一，避免用小刀切割金属钠，更为安全;第二，可较长时间清晰地观察金属钠的颜色，并直观感受金属钠的柔软质地;第三，容易控制取用金属钠的大小;第四： 不涉及擦拭煤油的步骤，排除了煤油的干扰因素。

（2） 用作反应容器。如制取氢氧化亚铁： ①先在注射器内放入铁片，推动活栓至注射器内基本无空气剩余。②卸下针头，吸入适量稀硫酸，迅速直立注射器，使针栓向上并封住针栓孔。③反应结束后，针栓上套好针头，吸入适量氢氧化钠溶液。④反应结束后，继续吸入少量空气。这一改进操作的优点在于反应装置基本处于无氧状态，容易在较长时间内观察到白色沉淀，并继续观察白色沉淀变为灰绿色，最终变为红褐色的现象。又如可用于铜与稀硝酸反应，同样能在较长时间内清晰观察到无色气泡产生，反应后吸入空气有明显红棕色出现，且容易对有毒气体进行无害处理[4]。

此外，还可用注射器代替长颈漏斗或分液漏斗用于滴加少量液体，或代替量筒方便量取体积较少的液体。

1.3  干燥管

干燥管通常被用于干燥、除杂、反应等实验操作。实践中，可以把干燥管与其他仪器优化组合，探索干燥管的新用途。如图3所示，装置Ⅰ、 Ⅱ均在干燥管内垫一小块玻璃纤维，可用于固体与液体反应制气的简易装置，且能控制反应的开始与停止;装置Ⅱ用橡胶软管把干燥管末端与漏斗末端相连，实验时还可通过漏斗补加液体;装置Ⅲ在干燥管内用铜丝吊着一小块金属钠，可在干燥管内用排水法制取氢气;装置Ⅳ按图示方式连接一空干燥管，可用于实验室制取乙酸乙酯;装置Ⅴ可用空干燥管作尾气吸收装置，同时又可防止液体倒吸。

2  探寻“多器同用”的实验仪器

“多器同用”强调在已有认知的基础上，把不同线索和信息指向同一问题的思维导向，并经过对比各方法的优劣，甄选解决问题的最佳方法。教师通过引导学生概括“多器同用”的构造特征，提升学生的实验创新意识，帮助学生拓展视野，形成发散思维。

2.1  “固-液不加热”型制气装置

例如，图4～图6是多种在无需加热的情况下，由固体和液体制取气体的“多器同用”实验装置。图4通过上下移动燃烧匙，控制燃烧匙内固体和溶液的接触和分离;图5通过在干燥管内铺一薄层玻璃纤维，结合活塞的打开和关闭，可控制制气反应的开始和停止;图6所示的四种装置巧借破底试管和多种有孔隔板，通过控制活塞的打开和关闭，也可控制制气反应的开始和停止。各种变异装置都遵循相同的化学原理，对常见仪器进行优化重组，达到快速制气的实验目的，且能实现“随开随停”的效果[5]。

2.2  防堵塞仪器装置

图7是对实验室常见仪器重组后，具有防堵塞功能的“多器同用”的多种实验装置。装置Ⅰ利用观察直玻璃管内液柱是否上升，检验仪器是否堵塞;同时可用作安全瓶，在仪器一旦发生堵塞的情况下，及时排出锥形瓶内液体，确保仪器内压强不急剧增加，防止爆炸;装置Ⅱ中用橡胶管连通分液漏斗和圆底烧瓶的出气口，巧借恒压原理便于分液漏斗中的液体滴落;仪器Ⅲ和装置Ⅳ利用棉花团防止固体进入细导管口，避免堵塞。

2.3  防倒吸仪器

教材中倒扣漏斗的防液体倒吸装置可拓展和发散为其他多种仪器的组合，改进后的装置见图8。装置Ⅰ在导管末端连接多孔球泡，适用于防止密度比空气大的易溶气体的倒吸;装置Ⅱ、 Ⅲ、 Ⅳ、 Ⅴ利用不同形状的干燥管、双球U型管和广口瓶有较大体积，能存储一定体积液体的特性，可防止易溶气体引发倒吸;装置Ⅵ利用气体难溶于CCl4的物理性质，把易溶气体先通入CCl4的有机层，至气泡上升至水层时被安全吸收，有效防止引发倒吸;装置Ⅶ利用圆底烧瓶收集密度小于空气的易溶气体，防止直接通入水中引发液体倒吸。

3  探寻优化重组实验仪器

秉承探究性、开放性和直观性的原则，遵循保护环境、节约资源和简便易行的思想，对教材中的部分实验仪器进行优化改进，让学生切实感受到实验探究和创新的趣味，在潜移默化中增强科学探究与创新意识。

3.1  对传统实验仪器进行微量化改进

所谓的微量化实验就是在保证试剂用量小、污染少、省时间、易操作的同时，仍使用常规仪器、装置，仍能达到常规演示实验的可见度[6]。如上海科学技术出版社高一年级第一学期化学教材的氯气实验（图9），教材所列实验消耗氯气太多，对环境易产生污染，而微量化改进后仅消耗几毫升氯气。

改进方案为： 用有机玻璃自制铅笔盒大小的微量化气体反应器。可抽出反应器内的支架，支架左端的小试管用于制备气体（本实验制氯气），支架其余孔槽内可放入干、湿彩色布条，KI溶液、KBr溶液、碘酒和淀粉混合液的滤纸。向小试管中加入少许浓盐酸。将支架插入反应器，盖好仪器盖，导气管用橡胶管与烧杯中的NaOH溶液相连（图10）。

改进后优点： 操作方便，效果明显，成功率高。尤其是整个实验仅消耗极少量各种试剂（大多为几滴或几小粒），极大节约成本，减少环境污染。此反应仪器还可做氨气、二氧化硫等气体的制备和性质等系列实验[7]。

3.2  其他气体制取和气体性质實验的微量化改进

教材中SO2气体的制取和性质试验的多步操作，可做微量化实验改进。实验室通常用硫酸和亚硫酸钠固体制二氧化硫气体，可改进为用火柴头在常规试管中完成，如图11所示。用试管夹将试管移至酒精灯外焰上加热，引燃火柴头，提拉棉线取出火柴梗，塞紧橡皮塞，即获得SO2气体，并进行SO2的性质试验。

改进后优点： 可用生活中的材料，且耗量少;安全有趣，可在家中完成;现象明显，可大量减少试剂用量而不影响实验可见度[8]。

此外，还可对SO2气体的制取和性质试验作如图12和图13所示的改进： 图12中，在Y型管的两侧支管中分别完成Cu与浓硫酸反应和验证气体产物的实验，实验仪器简便，易于操作，原料消耗较少。图13中，利用组合仪器形成“套管”，做到毒害气体实验的轻量化设计，既实现SO2气体的制取和性质试验，又极大降低毒害气体的排放，且操作简单。

3.3  改进排液法粗略测量气体体积的仪器

利用气体不溶于某些液体的性质，可用排液法粗略测量气体的体积。根据给出的仪器和实验目的不同，教材中的装置可拓展和发散为图14所示的多种排液法测量气体体积的装置。

图14中，装置Ⅰ测量收集到气体体积时，应先使气体冷却至室温，再慢慢将量筒下移，使量筒内外液面高度相同，再读取读数。装置Ⅱ在实验前烧杯中的液面需没过量筒口，量筒中应装满液体，反应在漏斗中进行，量筒刻度所示气体的体积即为产生气体的体积。装置Ⅲ在读数时应上下移动右管，使左、右两管液面相平后再读数。读取反应前后右管中液面体积读数的差值即为气体体积装置Ⅳ用于测量混合气体中被反应管内溶液吸收（或未被吸收）的气体体积，读数时球形容器和量气管的液面相平，量气管内增加的液体体积等于未被吸收的气体的体积。

总之，借探寻“一器多用”、“多器同用”的实验仪器和探索优化重组实验仪器等实验活动，引导学生对各种实验仪器进行充分探索和拓展，让学生在上述过程中获取知识，提升科学探究与创新意识的核心素养。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[2]姚毅. 浅谈基于实验教学培养学生化学核心素养[J]. 化学周刊. 2018， （10）： 29， 112～113.

[3]邱福明. 浅谈建构主义学习理论及其在中学化学教学中的应用[J]. 化学教与学， 2010， （2）： 25～26.

[4]侯召兵. 例谈注射器在化学实验中的灵活应用[J]. 实验教学与仪器. 2018， （10）： 34～35.

[5]邹标. 巧借化学实验装置， 提升学生核心素养[J]. 中学化学教学参考， 2018， （7）： 65～66.

[6]张凤琼. 初中化学微量化实验的研究[J]. 化学教学， 2010， （6）： 15～17.

[7][8]李光珍. 五个高中化学实验的微量化改进[J]. 化学教学， 2014， （5）： 57～58， 81.