中学滤纸实验研究进展

陈子航 王海燕 徐爱菊

摘 要：文章基于文献分析，阐述了滤纸实验的含义、价值，从滤纸在实验中的用途入手对滤纸实验进行了分类，将绿色化学视域下的滤纸实验教学现有研究成果梳理为“滤纸作反应物”和“滤纸作载体”两大类，并归纳出如何在中学化学滤纸创新实验中设计巧妙的热点实验。

关键词：滤纸;实验;化学;载体

中图分类号：G633.8 文献标识码：A 收稿日期：2020-07-06 文章编号：1674-120X（2020）33-0077-02

随着学科核心素养的提出，培养学生综合素养的目标日益明确。教师演示实验已经不能满足学生的需要，只有让学生真正参与到实验中才能更好地引导学生培养核心素养。但在实际教育过程中也面临实验器具不足、试剂有限以及环境保护等种种限制。近年来，大量一线教师及高校研究者为解决这些问题，提出了“微型实验”的概念，其中的滤纸实验尤为重要，而后利用滤纸的特性优势，把滤纸用作反应物和反应载体，为高效、环保的教学实验打开了新的思路。本研究对滤纸实验相关的文献进行了系统梳理，旨在为利用滤纸创新实验提供参考。

一、滤纸实验

（一）滤纸实验的内涵

滤纸是进行过滤和纸层析实验必需的用品，不但具有特殊的孔径大小和亲水性，还有很多优良性能，经过设计可以促进许多中学化学实验的创新改进。使用滤纸参与的实验，称为滤纸实验，包括以滤纸作为载体，反应物在滤纸上进行实验;用滤纸自身材质作为反应物来参与实验。

（二）滤纸实验研究的价值

在实验教学过程中，试管充当着不可替代的角色，其具有操作方便、容易观察、可加热、可离心等优势。然而，在某些特定实验中，试管也存在一些缺点，如试剂使用剂量大、部分实验现象不明显、实验后难以洗涤或处理等。由于试管的特性及现今国家对教学实验环保极为重视等原因，滤纸实验应运而生。而对滤纸实验的研究则有助于解决上述问题，从而有效地推进中学实验普及化的发展。

二、滤纸实验的研究现状

（一）滤纸作反应物的应用

滤纸是一种纤维素材料，在教学中可以作为反应物进行实验的创新改进，增加实验的趣味性，实现实验的简约化。

滤纸作为反应物的代表性滤纸实验的相关性文献在全部代表性文献中占比25%，虽其占比不高，但成果都较为完善。滤纸作为反应物的使用思路主要分为三类，除用滤纸作为可燃物的实验外，另外两类具体实验为“纤维素水解”和“碳还原金属氧化物”。

1.“纤维素水解”实验

“纤维素水解”实验是高中化学对多糖水解的研究实验之一。在实际的教学过程中多是直接讲解或演示浓硫酸对纤维素的水解过程，由于整体教学过程单一，无法激起学生的兴趣且没有建立知识与生活的联系，难以完成对学生核心素养的培养。面对这种情况，有研究者利用滤纸的主要成分为纤维素这一性质，设计了“羊皮纸”的制作实验。这一实验建立了知识与生活间的联系，提高了学生学习化学的兴趣，且在实验完成后不经晾干的滤纸还可以直接用于半透明的相关实验。这不仅增加了滤纸的利用性，还培养了学生不拘于单一实验的思想。

2.“碳还原金属氧化物”实验

“碳还原金属氧化物”实验是教学中的一个难点，已有不少研究从碳和金属氧化物质量比的控制、温度的控制、碳和金属氧化物来源的控制三个方面对此实验进行了改进，但仍对安全性和操作条件有所要求。有研究者利用滤纸易燃且燃烧后生成还原性碳的特性，设计出将金属氧化物覆盖在滤纸表面后点燃的演示实验，使金属氧化物被碳还原为金属单质，从而实现“碳还原金属氧化物”实验的简约化。利用滤纸创新后的“碳还原金属氧化物”实验现象明显，成功率高，且操作简单，安全性强，富有趣味性;但对部分实验，如还原实验，由于本身性质及滤纸的燃烧温度、还原性碳产量等原因，其实验原理、产物等仍有待商榷。在教学过程中为保证科学性，应尽量规避该实验。

（二）滤纸作载体的应用

学界在对滤纸实验相关文献进行分析后，发现现阶段滤纸的应用方向还是更倾向于作为载体，这主要是因为纤维素多孔、表面积大。滤纸作为一种纤维素材料，对气体、液体、固体化学试剂具有良好的吸附性，且使用方便、环保、易处理。不过即使同样用濾纸作为实验载体，不同实验使用的角度也有着极大的不同。

1.滤纸作为气体载体

化学教学实验中有许多与气体有关的实验，为增强实验的效果，需要对气体进行聚集或者收集。利用滤纸致密的材质，可以实现暂时聚集气体这一功能，从而在易操作的同时增强化学实验效果。例如，①在金属钠与水反应的实验中，为强化实验现象，增加趣味性，用滤纸将钠块折叠包裹，然后放入水中，当滤纸入水后会迅速膨胀，同时还有火光出现，待火光消失后，则可以听到爆鸣声。在实验结束后观察，发现滤纸被炸出一个洞，整体实验安全、易操作，能给学生耳目一新的感受，教学效果极佳。②常规的氢氧燃料电池实验的整体实验效果一般，持续时间也相对较短。对该问题，有研究者仅将原实验中的碳棒用滤纸进行包裹，便使电极上吸附了更多的氢气和氧气，从而有效地延长了实验时间，增强了实验效果。

2.滤纸作为液体载体

在滤纸实验中，超过50%的实验均是用滤纸作为液体载体的。这主要得益于滤纸本身材质极佳的吸水性，且相较于棉絮、琼脂等材料，滤纸吸水后的形态更具稳定性，便于接下来的实验操作。在电化学和大量显色的实验中，相较于传统的烧杯和试管，滤纸在节省药品方面有着绝对的优势。这极大地解决了实验教学中玻璃器皿和药品不足的问题。其中较为典型的实验包括：①在电化学中，大多数实验除所取反应物或使用电极材料不同外，实验原理基本相同，也均能体现滤纸实验相较于普通电化学实验更加节省药品的特点。其中有一个实验十分新颖，即取一元硬币10枚，五角硬币10枚，将滤纸浸泡食醋，在一元硬币和五角硬币中放好，然后按顺序进行交替放置，最终通过导线和用电器构建完整的原电池回路。该设计的原电池能达到音乐贺卡发声的效果，该实验不仅能提高学生学习化学的兴趣，还能培养学生将知识与生活结合起来的思维方式，真正体现了化学的魅力。②显色实验属于中学阶段常见的实验之一，整体实验安全性较高，操作简单。但为了保障实验教学效果，大多数显色实验的药品用量较多，且由于其操作单一，易使学生丧失兴趣。为此，研究者设计出各种更具趣味性的滤纸实验。多数实验以滤纸吸附指示剂，折叠成纸花或用指示剂画出不同的图形，再进行气液性质的检验，其中较为突出的实验是一个晶体显色实验。在传统的晶体显色实验中，从逐滴滴水的过程中可以观察到颜色由蓝色变为紫色、蓝紫色和粉红色。但是在酒精灯加热过程中，由于温度难以控制，造成颜色变化时间骤减，粉红色瞬间变为蓝色，几乎看不到中间的颜色变化。为解决这一问题，研究者用饱和氯化钴溶液浸泡滤纸，取出滤纸后将其晾干，之后将滤纸折叠为一朵纸花，待用。实验时用电吹风不断加热，在这个过程中可以看到花的颜色由粉红色变成紫色，后又变成蓝紫色和蓝色，整个实验变化缓慢（约2分钟），进程可控，且实验后只要向蓝色的纸花喷水，其又恢复为粉红色，纸花可循环使用。整体实验将滤纸实验的易操作和可控性强等特点发挥得淋漓尽致，是滤纸显色实验中较为典型的创新案例。

3.滤纸作为固体载体

因为滤纸对固体的吸附性一般，所以滤纸作为固体载体的实验设计还比较少，可以分为两类：一个实验是铝粉的燃烧实验，都将滤纸扎满小孔以增加其对铝粉的吸附性，在沾满铝粉后用坩埚钳在酒精灯上引燃，并快速自上而下放入盛满氧气的集气瓶中，随即可观察到明显现象。整体实验相较于传统实验，对铝粉的控制性增强且更安全。另一个实验是示温涂料的应用实验，有毒性，对环境影响较大，研究者将其与透明胶水混合后涂在滤纸表面，经修剪后贴至有温度变化的地方，不仅实验现象明显、趣味性强，而且试剂的使用量小，在达到实验效果的同时符合绿色化学的要求。

三、总结及展望

从文献整理中可以看出，在中学实验教学过程中，滤纸实验所涉及的具体实验很多。研究者从载体和参与反应的角度出发，利用滤纸色白、吸附性强、消耗药品较少及环保安全等优势，不断创造出生动、简便、绿色的化学实验，这对中学实验教育的普及有着非同凡响的意义。

滤纸实验虽有众多优点，但并不能完全代替其他的化学器皿，更多情况下其仅适用于实验现象相对明显的性质实验。这对滤纸实验研究有着极大的限制性，我们应该善于发掘平时较为常见的实验用品，不局限于滤纸实验，通过不断思考和探索，开发出更多的琼脂实验、棉絮实验等。与此同时，也可以借鉴生物等学科实验对实验用品的使用情况，将全学科实验结合在一起，最终为学生带来更多简单易操作、成本低廉、绿色环保以及符合新课程标准的实验方案，真正推进“实验是化学的基础”在课堂中的落实。

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