基于实验原理与生活情景开展化学实验教学

张清 张贤金 徐萍萍

摘要： 介绍并阐释基于实验原理与生活情景开展化学实验教学的方法和路径，以“混合物的基本分离与提纯方法”为例开展实验教学与探究。实践表明该做法能够有效激发学生的学习积极性和主观创造性，进而促成科学探究与创新意识核心素养的落实。

关键词： 实验原理； 生活情景； 教学探究； 过滤； 蒸馏； 萃取

文章編号： 1005-6629（2023）09-0068-03   中图分类号： G633.8   文献标识码： B

1  问题的提出

化学是一门以实验为基础的科学，主要体现在两个方面：一是化学在实验摸索中创造新物质并建立认知模型；二是根据已有模型预测化学反应，然后通过实验探究验证可行性。实验教学是化学教学的重要组成部分，它蕴含着化学学科的育人目标和育人价值。在完成《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》所要求的学生必做实验教学和演示实验教学的基础上，不少教研员及中学化学教师致力于实验创新研究［1～3］，主要涉及化学实验的绿色化、数字化、微型化以及生活化等。新的设计深刻影响并改变着化学实验教学，如手持技术帮助学生从定量的角度认识物质和能量的变化［4］等。然而，作为学习主体的学生如何根据实验的基本原理去选用、组合，甚至设计实验仪器的教学却鲜见报道。实验仪器在实验方案中具有重要地位，当现有实验仪器不能满足实验需求时，达成实验目标的方法是根据实验原理拼装现有实验仪器或设计新的实验仪器。

“科学探究与创新意识”核心素养要求：能从问题和假设出发，依据探究目的，设计探究方案，运用化学实验、调查等方法进行实验探究。实验探究内容包括实验药品、实验器材、实验步骤和数据处理等。实验器材大致包含反应发生装置、除杂装置、收集装置以及废弃物处理装置等。在以往的化学实验教学过程中，教师通常要求学生记住实验操作以及与其对应的实验装置，如在教授分液实验时，要求学生识记分液的装置是分液漏斗，忽视引导学生对该仪器作深层次逻辑思考。在教学中，若能深入探究实验仪器的设计和使用原理，引导学生知其所以然，将能更好地调动学生的学习积极性，进而实现培养学生创新能力的目的。近年来，对实验装置的考查也越来越重视实验原理，如防倒吸装置可使用具有大空间的球形干燥管、倒扣的长颈漏斗等［5］。

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》强调教学过程中要引入真实的情景。生活情景素材在中学化学教学中具有天然优势：形象、具体、为学生所熟悉，能够较大程度地减弱抽象思维所带来的困惑［6］。笔者认为，基于实验原理与生活情景，甚至外延至科研和工业生产情景，开展化学实验教学改革创新实践，有助于明晰实验仪器的设计以及使用原理，培养学生科学探究与创新意识核心素养。

2  基于实验原理与生活情景开展化学实验教学实践的路径

基于实验原理与生活情景的实验教学改革创新实践的路径如下：一是明晰实验的基本原理，二是基于原理选取生活情景素材，三是基于实验原理选择或创新实验仪器，四是基于实验原理与生活情景开展教学实践。

2.1  明晰实验的基本原理

化学反应必然存在旧键的断裂和新键的形成，物质和能量均发生变化。因此，反应物和产物的状态（气、液、固）、能量释放或吸收的快慢等是选择实验仪器的重要依据。从物质状态考虑，固体与固体反应可选用试管［如NH4Cl与Ca（OH）2反应制备NH3］，当反应中有水生成时，试管需开口向下；产物（氨气）密度比空气小时，收集气体的试管开口向下（向下排空气法）。从能量角度考虑，如实验室用电石和水反应制乙炔，应使用饱和食盐水或降低反应体系温度来控制反应速率，否则反应过于剧烈，有炸管的危险。因此，在设计实验时有必要了解各反应物、生成物的状态，梳理它们的物理性质和化学性质，预测能量的转化情况，然后以此为依据选择实验仪器，进而确保实验安全和提高实验成功率。

2.2  基于原理选取生活情景素材

在中学化学课程中，情景素材主要选取科学家探究精神、化学发展史、重大科学发现以及日常生活等，广泛用于思政素养的塑造和科学素养的培养。对于大多数中学生而言，认知还处于前期发展阶段，生活情景最接地气，最易被学生所接纳。此外，化学作为一门基础的自然科学，于国家和社会的可持续发展战略都具有重要的地位，它肩负着对新生代的科技创新精神、科学态度和社会责任感的培养任务。脱离生活的教学会让学生丧失学习兴趣，甚至厌学，产生学无所用的想法。将生活小事件转化为具有重要价值的科学发现或工业化产品能有效激发学生的学习兴趣。因此，在教学中要探究教学内容与生活情景的基本原理的共通之处，将教学内容生活化，使其更符合学生的认知规律。

2.3  基于实验原理选择或创新实验仪器

基于实验原理，深度挖掘和融入生活情景素材，有助于实验装置的多元化使用以及新实验仪器的开发。如U型管可用于电泳实验、制作盐桥以及干燥管等。学生能从中感受到实验器材创新使用（包括拼装和设计）的价值，进而积极思考、探索更为有效的实验装置，以解决实验室乃至工业生产中的疑难问题。

2.4  基于实验原理与生活情景开展教学实践

在上述三个环节（实践路径）的基础上，下面以“混合物分离提纯的基本方法：过滤、蒸馏、分液以及相应的仪器选择和设计”为例进行实验教学实践过程的探讨。

2.4.1  过滤

过滤的基本原理是利用液体和固体的粒径大小差异，仅使液体通过多孔介质的孔道，从而实现固、液分离。高中学段，学生对过滤实验已有一定认知，教学中可以对实验仪器进行拓展。在教学设计环节，根据实验原理选取相匹配的生活情景素材。日常生活中常用纱布或纱网过滤果汁，但过滤时常存在以下情况：（1）果汁中还存有一定量的果渣；（2）果渣中也还有大量果汁；（3）过滤速率不够快。这三个问题指明了实验仪器改进的方向：（1）改变多孔介质孔道大小，使过滤效果更好。中学实验常用的滤纸就有快速、慢速之分，其本质就是孔径大小不同；（2）提供外力挤压果渣，实验中同样可以挤压滤渣；（3）使用外力如刮刀从上方按压固体或从下方进行减压抽滤，但引入外力容易导致滤纸破裂，改进方向是使用孔径大小与其相似的砂芯。于是便引出砂芯漏斗及抽滤瓶（见图1），并简要介绍其工作原理。

小结：学生通过果汁制备的过程已然认识到实验仪器的重要性。教师在教授时通过问题引导，使实验仪器的改进方向逐渐清晰，助力学生根据实验原理构建实验装置的改进思路。同时，在引入中学实验室里不常用的砂芯漏斗時学生的知识面也得到了拓展。

2.4.2  蒸馏

蒸馏是利用液体混合物中各组分沸点的差别，沸点低的物质优先气化蒸出并随之冷凝，从而实现各组分的分离。生活中，做饭时可以观察到锅盖上有水珠，这就是水的蒸发和冷凝过程，其原理与蒸馏相同。学生在初中时已初识蒸馏实验，基本操作在此不必赘述。高中化学实验教学是对蒸馏实验的巩固和延伸，应该重视从实验原理出发去构建实验装置。

对于两组沸点较为接近的液体引导学生认识到可通过多次蒸馏实现有效分离。之后，强调多次蒸馏会导致成本较高，且会造成产品浪费，最有效的办法是优化实验仪器。向学生介绍简化的多次蒸馏装置——分馏柱（见图2）及其工作原理。

小结：首先，帮助学生更深层地理解蒸馏的原理。其次，引入分馏柱让学生认识到创新实验仪器对于解决实验问题的价值和意义，同时也为石油的分馏教学打下基础。

2.4.3  萃取和分液

萃取是利用溶质在两种互不相溶的介质中的溶解性差异，在萃取剂中的溶解度远大于原溶剂进而实现物质的分离。当萃取剂和原溶剂均为液体时，通常需要搅拌、振荡等操作增大接触面积、提高萃取效率。分液就是利用两种互不相溶的介质会分层的原理将其分离开来。生活中煲汤时为避免油腻，通常需要将油脂除去，其原理等同于分液实验。在教学中，可设置前置实验让学生回家帮助家长除去汤汁里的油脂，尽量不损耗汤汁；

学生通过讨论认识到实现高效分离的路径是减小两相接触面积进而设计出犁形或球形的分液漏斗；肯定学生的设计并展示分液漏斗，并演示用四氯化碳萃取碘水中的碘的实验；根据实验操作，引导学生提出该实验的注意事项等；最后提出疑问：工业上如何实现分液？从而向学生展示实验室中缩小的生产用的球形分液器（见图3），并简单介绍其使用原理。

小结：从汤汁去油这一生活情景入手，引导学生思考本课时的教学重点：分液操作及相应的玻璃仪器——分液漏斗的设计原理，再简要介绍放大的工业生产的装置改进路径。

3  结语

实践表明，基于实验原理与生活情景开展化学实验教学，有助于提升学生的课堂参与度和教学内容的理解深度，有效避免或减少在复杂内容下产生迷思。课堂教学中适当引入相应的科学或工业情景，一定程度上能拓展学生的知识面并激发他们的学习热情，孕育或培养学生的科学态度与社会责任感。

参考文献：

［1］周存军. 谈探究碳酸钠性质实验的创新［J］. 化学教学， 2014， （5）： 50～52.

［2］万香琴， 杨宇， 高和军等. “自动化烟花”科普实验装置的制作［J］. 化学教与学， 2022， （4）： 92～93.

［3］隋颖. 氯气制备及性质探究实验装置的改进［J］. 化学教与学， 2023， （1）： 91～93.

［4］范玉英. 二氧化碳的性质探究实验新设计［J］. 化学教学， 2023， （3）： 80～84.

［5］邹标， 黄丹青， 王锋. 巧借“多材一用”培养化学核心素养［J］. 实验教学与仪器， 2019， （3）： 15～16.

［6］刘燕， 汪凤梅， 马本良等. 教学生活化的化学课堂实施策略——以“溶液的形成”为例［J］. 中学化学教学参考， 2020， （17）： 16～20.