“燃烧与灭火实验装置”的实验教学创新设计

刘广斌 王曙华

摘    要：燃烧的条件实验在具体教学中往往存在着不环保、现象不明显、实验不可控等诸多问题，致使许多教师在实际教学中不愿意做实验，多采用录像播放等形式进行教学。为克服实验的不足，設计采用具支试管、带托的玻璃管等组装新型实验装置，该装置不仅具有对比性强、操作简便、安全环保、现象明显、实验可控等优点，还为学生提供多种学习体验，培养学生的创新意识。

关键词：实验教学;创新设计;燃烧与灭火

在中学化学教学和知识结构中，实验教学是培养学生探究能力与创新精神的重要手段，也是让学生从接受知识转向自己去探索知识形成过程的有效途径。目前在教学中，许多教师往往将实验按照教材中提供的方法与设计进行演示与操作，这限制了学生创新思维的培养和创造智慧的发展。这不仅要求教师要突破原有的教学模式，在创新中构建新的教学模式，而且要求教师要不断改进实验教学方法，注重实验的创新设计，激发学生学习的兴趣，培养学生的创新能力，提高学生的综合素养。

燃烧的条件是初中化学实验教学中一个非常重要的内容。它不仅有燃烧的条件等知识性内容，更涉及对比探究中有关技能与方法等内容。由于学生在日常生活中对这一内容已有一定的认识与感悟，同时作为一个完整的科学探究，此实验应包括燃烧现象的发生、控制与停止三个方面内容，所以此实验可在创新的基础上进行进一步的深化与拓展。

一、经典回放

作为教材推荐的原有实验设计，这是一个我们必须充分认可的经典设计。下面，我们先一起来感悟教材原有的实验设计[1]（如图1）。

教材实验优点：

（1）实验装置简单;实验用品易得：烧杯、铜片、硬纸圈。

（2）实验设计对比明显。

①铜片上的白磷与红磷的对比，可得出燃烧需可燃物温度达到着火点。

②铜片上的白磷与水中的白磷对比，可得出燃烧需要可燃物与氧气（或空气）接触。

③图1实验Ⅱ向热水中的白磷通入氧气后，白磷在水下燃烧，可知：只要满足燃烧的条件，即使在水下，燃烧也可以发生。

二、分析经典

作为一个经典的实验设计，其功能性不言而喻，但从探究的完整性、实验的可控性等方面来看，其可改进的空间也很大。如：

（1）铜片上的白磷在开放环境中燃烧，产生的P2O5不可避免地会对环境产生一定的污染。

（2）铜片上的白磷在开放环境中燃烧时，存在着发生着火、烫伤、烧损衣物等事故的可能性。

（3）若铜片上的白磷与红磷摆放距离太近，则白磷燃烧时极有可能会引燃旁边的红磷，使实验存在一定的不确定因素。

（4）图1实验Ⅱ向热水中的白磷通入氧气后，白磷在水下燃烧不明显，且白磷易被吹散，甚至漂浮至水面。

（5）如何随意控制燃烧的发生与停止，以及对影响燃烧现象因素的探究也是本设计的一个软肋所在。

三、传承创新

为了发扬传统实验的优点、传承传统实验的设计理念，同时解决传统实验难以解决、没有解决的问题，并提高实验的震撼效果，以及降低实验对设备与技术的要求，使学生对燃烧和灭火的认识从懵懂提升到初等化学学科的水平。现结合笔者参加2018年江苏省初中化学实验技能大赛时的实验装置，对该实验的创新设计剖析如下。

（一）仪器药品

实验器材：具支试管、单孔橡皮塞、带托的玻璃管、储气袋（3只）、洗气瓶、石棉绒、洗耳球。

实验药品：红磷、白磷。

（二）实验装置（如图2Ⅰ）

（三）装置介绍

（1）3只储气袋（如图2Ⅱ）。第一只预先充有适量的O2;第二只充有适量的CO2;第三只作为尾气收集袋，用于收集洗气瓶仍处理不了的尾气。

（2）洗气瓶内预先盛有适量的水（也可用NaOH溶液代替），用于吸收磷燃烧产生的白烟（P2O5）。

（3）带托的玻璃管（图2Ⅲ）：用耐高温（约1000℃）的石英玻璃烧制，并在其中下端烧制一个玻璃托（托的口径比具支试管的口径略小即可），在托的底部、玻璃管两边各开一个小孔（孔径约为2mm，不可太大，否则白磷在熔融状态下会从小孔流出），用于排水。

（4）为了稳定白磷与红磷，选用石棉绒（或脱脂棉）填充在玻璃托内，填充时在玻璃管的两侧各捣制一个小凹槽，分别用于盛放白磷与红磷。

（四）实验步骤

（1）按图2Ⅰ所示连接装置，并检查装置的气密性。

（2）①向具支试管中加入约占试管容积[13]的热水（约80℃，以淹没玻璃托为标准）;②向玻璃托内玻璃管两侧石棉绒小凹槽内分别放入少量白磷与红磷;③将玻璃托插入热水中，塞紧橡皮塞。

现象：水面下的白磷与红磷均不燃烧。

（3）轻捏洗耳球，使空气进入具支试管，看到具支试管内水面下降，部分热水沿导管进入洗气瓶，白磷、红磷分别露出水面。

现象：红磷不燃烧;白磷燃烧，产生白烟，随着鼓气速率加快，带来大量空气，同时带走大量白烟，试管内视野愈加清晰，可看到白磷燃烧，伴有微弱的黄白色火焰。

（4）将洗耳球换成装有O2的储气袋，轻压储气袋。

现象：红磷仍不燃烧，白磷剧烈燃烧，产生大量白烟，随着氧气流的进入，带走大量白烟，看到明显的黄白色火焰。

（5）将O2储气袋换成盛有CO2的储气袋，轻压储气袋。

现象：白磷燃烧停止。

（6）将CO2储气袋再换成盛有O2的储气袋，轻压储气袋。

现象：红磷不燃烧，白磷再次剧烈燃烧。

（重复最后两个步骤）

（五）价值提炼

笔者在2018年江苏省初中化学实验技能大赛实验中，选用的是大规格的演示装置进行实验。其具支试管规格为外径[?]45mm，内径[?]40mm，高305mm;玻璃导管外径[?]13mm、内径[?]10mm;玻璃托口径[?]35mm，O2、CO2气体储气袋均选用250mL的规格，尾气收集袋选用1000mL规格。其优点可归结为以下几个方面。

1.对比性强，探究味更浓

（1）用白磷与红磷进行对比。作为可燃物燃烧条件的探究，笔者将白磷与红磷分别放在玻璃托中玻璃管的两边进行对比。当挤压洗耳球，具支试管内热水水面下降，白磷与红磷同时露出水面，通过白磷燃烧、红磷不燃烧的事实说明：燃烧需要可燃物的温度达到着火点。同时，在本对比实验中，由于玻璃管直径较大，完全将白磷与红磷隔离开来，白磷燃烧并不会引燃红磷，降低了教材实验中的不确定性因素。

（2）创造不同体系、不同条件下实验现象间的差别来进行探究活动。本实验创造了“①在热水中;②在空气中;③在纯氧中;④在二氧化碳中”四种体系进行探究，在避免因素过多可能造成困难的同时，使探究更全面、更有趣味性、更有思考性。其中①②对比说明可燃物燃烧需要与氧气接触。

2.实验可控，安全性更高

化学实验在设计及选取实验体系时，应当将安全放在首位[2]。磷作為一种可燃物，为减少其燃烧时发生着火、烫伤等事故的发生，在做该实验时应考虑燃烧可控。本实验设计在可控性方面具有以下三个方面的优点。

（1）安全性可控。本设计将燃烧完全控制在一个密闭环境中，安全性更高。

（2）燃烧的剧烈程度可控。通过白磷在空气中、纯氧中燃烧现象的对比说明：影响燃烧剧烈程度的因素是氧气的浓度等。由此探究可知：通过控制反应物的浓度，从而可控制反应的剧烈程度。

（3）燃烧的发生与停止可控。本实验中，当通入纯氧后，可见燃烧极为剧烈;此时，改为通入CO2气体，燃烧立即停止;当继续通入氧气，燃烧又继续进行。可说明：①隔绝氧气，燃烧会停止。借此探究可知：隔绝氧气（或空气）是常用的灭火原理之一;②CO2一般可用于灭火。

3.绿色环保，责任心更强

科学的价值最终都应聚焦于为人类的全面发展而服务。我们在追求化学科学技术应用价值的同时，还应考虑其对生态环境、人类健康的影响，从而承担起对促进人类社会发展的“社会责任”，坚持可持续发展的意识和绿色化学观理念。所以本实验设计尽可能地从以下两方面做到绿色环保。

（1）防止白烟逸散。磷燃烧产生的P2O5直接排放到空气中，肯定会对环境造成一定的污染，对学生的身心健康造成影响。所以在设计实验装置时，首先考虑的就是设计一个密闭体系进行实验。其次，由于P2O5能溶于水，所以设计一个洗气瓶，利用水吸收P2O5。为了加强吸收效果，还可以使用浓NaOH溶液吸收。第三，经多次实验发现，实际用洗气瓶吸收P2O5时，有80%左右的P2O5能被洗气瓶吸收，但仍有少量白烟随着气流冒出洗气瓶，所以在洗气瓶后面再接一个尾气吸收袋，从而使本实验对环境的影响降到最低。使实验不管是在实验室，还是在教室，都可放心、安全地进行。

（2）尾气吸收袋中的废弃物便于回收处理。吸收袋中收集到的绝大部分是P2O5，实验结束后，可直接用水或碱液处理。

4.易于推广，普适性更好

实验的创新不是为了标新立异，而应是在传承的基础上扬长避短，并能加以推广，使更多的教师能动手做得起来，让更多的学校用得起这样的设备，使更多的学生从创新实验中获得化学素养。具体体现在以下两个方面。

（1）可替代性强。演示实验为了使更多的学生看到更明显的现象，所以采用的是特制的实验装置，但在实际使用过程中，可使用演示装置的缩微版。即直接使用20×200mm规格的普通具支试管、普通玻璃导管代替。玻璃托可以将燃烧匙下面的小铜匙取下，在中间打一小孔，将玻璃管穿于其中，用酒精喷灯将另一根玻璃管拉成丝，在玻璃管上绕一圈以固定小匙。实验时，可直接在小匙内放入少量白磷进行实验，尾气收集袋可用气球或方便袋替代。

（2）成本可接受。本演示装置的核心主要在具支试管及带托的玻璃管部分。其成本可分成两部分：一是材料成本，二是人工成本。具体数据如表1所示。

由此可见，不管是采用大号的演示装置，还是学生实验装置，对于普通10轨学校而言，在保证实验正常开展的前提下，以采购大号演示装置10套，学生实验装置（演示缩微版）100套为基准，其成本合计：25.02元/套×10套 + 2.16元/套×100套 = 466.20元。

这是一个绝大多数学校都可承受的价格。

参考文献：

[1]人民教育出版社课程教材研究开发中心.化学九年级上册[M].北京：人民教育出版社，2012：128-129.

[2]宋心琦.化学实验教学改革建议之五——燃烧的条件[J].化学教学，2012（12）：3-4、11.