热缩管用于中学化学实验改进的案例

2023-04-10赵雯

化学教学 2023年3期

摘要：从教育装备与教学融合的视角出发，首次利用热缩管对教材的若干实验进行了创新改进。改进后的实验体现了微型实验设计理念和创客教育理念，改进后的实验装置具有制作简单、试剂微量、有益环保、可塑性强等特点，能为物资缺乏地区学校实验教学的开展提供新选择，能为创客式实验教学的开展提供方向与路径指引参考，也能为核心素养理念在教学实践中落地提供新启示。

关键词：热缩管；实验改进；教育装备与教学融合；微型实验；创客式实验教学

文章编号： 1005-6629（2023）03-0069-04

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题的提出

新版义务教育和普通高中化学课程标准［1， 2］提出“化学教材应精心设计学生必做实验，适当增加微型实验……”“鼓励实验的绿色化，开展微型实验……”。对教材实验的微型化设计是当前中学化学实验创新与改进研究领域的热点之一，且已有不少一线教师、教育装备工作者、化学教育研究者巧用生活中一些常见、易获取的物品对中学化学实验进行了微型化改进［3～7］，这些实验装置改进都取得了一定的效果，较好地丰富了实验教学内容。但总体而言，由于受装置本身材料的影响，改进后的装置外形相对固定，所以往往只适用于某一单一实验或某一类具体实验。那么能否从装置材料的角度出发，选择一种可塑性、适用性均较强的材料呢？在生活中热缩管常被广泛用于电线连接、金属产品的防锈、防腐蚀处理等，具有优良的可塑性、阻燃性、环保性、耐腐蚀性，而且收缩快、规格尺寸多样，那是否能充分利用热缩管特有的性质来对教材实验进行微型化、创客式设计呢？鉴于此，笔者基于热缩管，对教材所涉及的若干实验进行了创新与改进，并将微型实验设计理念和创客教育理念融入研究中，探索创客式教与学在实验教学中的应用，探寻开展创客式实验教学具体可行的实践路径。在前期研究的基础上［8～14］继续对教育技术装备与实验教学的融合展开具体研究，以期能为实验教学方式的变革、创新和完善基础教育装备及实验教学管理与研究工作机制提供新借鉴。

2 实验设计和现象

本实验改进基于透明热缩管（收缩比例为2∶1，收缩温度范围为84～110℃），设计制作了若干微型化实验装置，来完成教材所涉及的一些电化学实验、一体化实验等。

2.1 基于熱缩管的电化学实验改进

电解饱和食盐水是学生学习电解原理的经典实验之一，它能促进学生对电极反应、电极材料等电化学体系基本要素的认识，帮助学生构建电化学问题的基本分析思路，提高学生对电化学本质的认识。当进行电解饱和食盐水实验时，可基于热缩管进行如下改进。如图1所示，将一支约22cm的热缩管（直径4mm）手动弯成U形后，使用小型热风枪（低温档）对U形底部Ⅰ处加热约1秒，使其略微收缩定型后，注入饱和食盐水。注意加入的饱和食盐水液面需距离U形热缩管Ⅱ和Ⅲ两端口各约4.5cm。接着在U形热缩管两边各滴入几滴酚酞，然后将两支2B铅笔芯（直径2mm、长度11cm）插入U形热缩管的两端，其中在阳极（与电源正极相连铅笔芯）中上部粘贴一小片湿润的淀粉碘化钾试纸。调节好铅笔芯伸入热缩管内的长度后，使用热风枪（低温档）依次对热缩管上Ⅱ和Ⅲ处稍许加热使其完全收缩，经热缩操作后可将2B铅笔芯密封固定于Ⅱ和Ⅲ端。以两支2B铅笔芯作为电极，通过带鳄鱼夹导线分别与27V电源（将3节9V电池串联）相连。接通电源后电解立即开始，两电极上均能明显观察到有气泡产生。电解饱和食盐水约25秒，可观察到U形热缩管的阴极（与电源负极相连铅笔芯）附近无色溶液逐渐变红，阳极上粘贴的湿润淀粉碘化钾试纸变蓝，此时断开与电源的连接，完成电解。学生利用此微型电解实验装置除了能进行饱和食盐水的电解实验，也能进行教材中其他电解实验，如电解水、电解氯化铜溶液等，还能将其应用于氢氧化铁胶体电泳实验、自制简单燃料电池实验等。而且由于装置制作及实验操作均较为简单，学生可以从创客的角度自己动手轻松完成本装置制作，并进行探究。

自制简单燃料电池是现行四版新教材［15～18］选择性必修课程学生必做实验之一，而基于热缩管的燃料电池微型实验装置能为学生实验的开展提供一种新选择。以氢氧燃料电池为例，当进行自制简单氢氧燃料电池实验时，U形热缩管直径及电极材料的选择、Ⅰ～Ⅲ处热缩、管口密封操作等都和上述电解实验相同，而热缩管中选择注入的则是0.5mol/L的硫酸钠溶液。选择硫酸钠溶液，主要是考虑到电解时，阴极的氢气处于碱性环境，阳极的氧气处于酸性环境，故能使电池负极的电位更负、正极的电位更正，进而增大电池电动势［19］。而选择0.5mol/L这一相对较低的浓度，是考虑到电压为24V、硫酸钠溶液的浓度为2mol/L或饱和溶液时，在电解过程中会发生短路现象［20］。实验开始时，先接通电源（27V）电解硫酸钠溶液约50秒，然后断开电源，与Vernier无线电压传感器相连接，测得最大电压可达2.03V；与电子蜂鸣器相连接，能使其连续发声并持续约90秒。而当燃料电池的电量（气体）耗尽时，可继续接通电源进行电解，实现电解池和燃料电池之间的有效切换。每次电解产生的氢气和氧气都能被储存在密封的热缩管内，后续可以在进行其他探究时随时使用。借助热缩管制备的简单氢氧燃料电池，具有制作简单、试剂用量少、装置轻巧、现象清晰、操作方便、廉价易得、能反复使用等优点，非常适合学生实验使用。

此外，热缩管还能被拓展应用在模拟自然固氮反应的实验中。此处可选用耐高温铁氟龙热缩管作为微型反应装置，并在热缩管内壁上粘贴一张湿润的蓝色石蕊试纸。然后将热缩管置于电子感应圈（脉冲高压发生装置）的两个放电杆尖端之间，调整好位置后在热缩管两端口处进行热缩操作并密封。实验时接通电源，热缩管内空气中的氮气和氧气在放电条件下反应，片刻后可观察到湿润的蓝色石蕊试纸变红。

2.2 基于热缩管的制取与性质一体化实验改进

利用热缩管可塑性强、收缩快和耐腐蚀的特性，可设计制作藕节形实验装置来进行硫化氢和二氧化硫气体的制取及反应一体化实验。如图2所示，第一步，取一支约17cm的透明热缩管（直径6mm），使用小型热风枪（低温档）对热缩管Ⅰ和Ⅱ处各均匀加热2～3秒，使管收缩形成A处藕节；第二步，在热缩管的B和C处分别加入少量亚硫酸钠和硫化亚铁后，并在Ⅲ和Ⅳ处进行热缩操作，使B、 C处形成藕节；第三步，在Ⅴ和Ⅵ处进行热缩操作，使D、 E处形成藕节，并分别在D和E处用注射器注入适量浓硫酸和稀盐酸。然后将热风枪调至高温档使Ⅴ和Ⅵ管口端软化，并搭配小型热塑封器将Ⅴ和Ⅵ这两处完全密封；第四步，将热缩管两端微微弯曲斜抬，使原本D、 E藕节中的液体分别流动到B、 C两处。B中的亚硫酸钠与浓硫酸接触后反应生成二氧化硫气体，同时C中硫化亚铁与稀盐酸反应生成硫化氢气体。由于热缩管上Ⅴ和Ⅵ端已密封，生成的二氧化硫和硫化氢气体能在热缩管的藕节A处附近接触并发生反应。实验时可在热缩管藕节A处附近明显观察到逐渐有黄色的硫生成。利用热缩管设计制作的藕节形一体化实验装置，能很好地将这三个独立的化学反应［Na2SO3+H2SO4（浓）Na2SO4+H2O+SO2↑； FeS+2HClFeCl2+H2S↑； 2H2S+SO23S↓+2H2O］串在一个微型装置内进行，且现象清晰，试剂用量少，操作简便。

图2的实验装置也能应用于二氧化硫气体制备和性质一体化实验。第一步，先使用小型热风枪（低温档）将热缩管（直径6mm）Ⅰ处加热2～3秒，使其均匀收缩。接着将蘸有品红溶液的棉花团放入A处，并继续在Ⅱ处进行热缩操作，形成A处藕节；第二步，依次在B处加入少量亚硫酸钠、C处放入蘸有酸性高锰酸钾溶液的棉花团，然后在Ⅲ和Ⅳ处进行热缩操作，使B、 C处形成藕节；第三步，在Ⅴ处进行热缩操作，使D处形成藕节，并在D处注入适量浓硫酸。在E处放入蘸有氢氧化钠溶液的棉花团后，在Ⅵ处进行热缩操作，使E处形成藕节。然后将Ⅴ和Ⅵ端密封；第四步，将热缩管D处一端微微弯曲斜抬，使D处的浓硫酸流动至B处，与亚硫酸钠发生反应生成二氧化硫。实验中可依次观察到热缩管A处棉花团上的品红溶液、C处棉花团上的酸性高锰酸钾溶液逐渐褪至无色，而E处蘸有氢氧化钠溶液的棉花团则可吸收反应后剩余的二氧化硫气体。

此外，藕节形实验装置还可连接注射器针头使用。以乙烯的制备和性质一体化实验为例，如图3所示，Ⅰ～Ⅳ处热缩、Ⅲ处管口密封的实验操作和前述实验相同。实验中在热缩管A和B处分别加入的是少量氢氧化钠固体和乙烯利溶液，C处放入的是蘸有溴水的棉花团，注射器针头则是通过热风枪将其密封固定于D处。实验时，将热缩管B处一端微微弯曲斜抬，B中的乙烯利液体会流动到A处，与氢氧化钠固体发生反应生成乙烯。实验中可观察到热缩管C处的棉花团上的溴水逐渐褪至无色。另外，在注射器针头处可以进行乙烯气体点燃实验。

2.3 基于热缩管的其他实验改进

学生借助热缩管还可以进行水的净化实验。例如在热缩管中依次放入棉花团、活性炭、小碎石、细沙等材料，通过热缩操作依次将上述材料固定并形成藕节，完成自制简易净水装置。较传统水的净化装置而言，学生不仅可以选择不同尺寸、不同收缩比的热缩管来制作各种规格的净水装置，而且通过热缩管上连续间隔的收缩部分还能更清晰地观察到每一种材料的净水效果，也能带给学生更好的实践体验。

除了U形和藕节形，学生还可将热缩管加工成W形、V形、直角形等其他形状，进行各类探究活动。对于热缩管的形状加工，以W形为例，制作时先将一根细铜丝插入热缩管中，然后手工弯折出W形后，使用小型热风枪（低温档）对热缩管上Ⅰ～Ⅲ处稍许加热约1秒（如图4所示），使其略微收缩定型。然后抽出细铜丝，W形热缩管即制作完成。和传统W形玻璃管相比较，热缩管柔软、收缩快，规格尺寸多样，形状可塑性较强，操作难度又较低，且经济实惠，更易于学生自己制作与使用。此外，热缩管还能被应用于搭建各种实验装置时仪器接口的连接，利用其收缩特性来提高各仪器连接处的密封性。

3 改进和创新之处

（1）本研究首次应用热缩管对教材的若干典型实验进行了微型化、创客式创新与改进，改进后的实验装置制作简单、可塑性强、现象明显、安全环保、试剂微量化，适合学生分组实验及探究。实验时还可以根据实际需要将装置直接密封，可操作性、拓展性和应用性都较强，且经济实惠、简便易得，在教学中有较好的推广和应用价值，也能为物资缺乏地区学校实验教学的开展提供一种新选择。

（2）本研究为化学教学中创客式实验教学的开展提供了方向與路径指引，并将创客式实验教学的实践路径具体化，利用热缩管可塑、耐腐蚀、收缩快、规格尺寸多样等特性，可设计制作U形、藕节形、W形、V形、直角形等多种形状的实验装置，能够指导教师从创客的角度对实验教学进行创新与改进，培养教师的创新实验素养，引发教学方式的变革；能够引导学生从创客的角度在实验一开始就自主去构思、创新和制作相关装置，能够让学生亲身经历科学探究与工程实践活动的一般过程，培养创新意识与实践能力，引发学习方式的变革，将核心素养培育理念在课堂教学实践中落地，并促进化学教学中工程技术教育、跨学科教育的实践。

4 结语

热缩管在中学化学实验教学中的应用绝不仅限于本文的研究，还有待更多研究者的进一步挖掘和探索。在“双新”对实验教学提出了更新、更高要求的背景下，上述研究能为教师开展核心素养导向的教学实践提供新参考，能为创客式实验教学的开展及创新人才培养的实践提供方向与路径指引，也能为基础教育装备及实验教学工作的思路创新、机制完善提供新启示，还能有效促进教育技术装备与实验教学的有机融合。此外，笔者也希望无论是师范生、一线教师、实验员还是教育装备工作者，都能积极探索和研究一些紧密结合化学学科特点的微型化实验，积极探寻和研究创客式实验教学的实施途径及实践应用，为学生实验的开展创造更多有利条件，以满足学生核心素养发展的需要。

参考文献：

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