基于绿色发展观的实验设计——以“常见的化学反应——燃烧”为例

孔雪霞 杨宝权

（邗江中学北区校维扬中学 江苏 扬州 225012）

新课程标准提出，要“树立人与自然和谐共生的科学自然观和绿色发展观”，教学中要树立环保意识，进行绿色化教学活动。化学实验是化学学习的重要方式，在实际实验中，有很多化学实验生成刺激性气味的气体，有的还会生成一些有毒烟雾。很多学生胆怯害怕，不敢进行实验操作。因此老师要因地制宜地选择一些友好温和的药品；改成微型实验装置，减少试剂用量，节约药品，从而达到节能减排，减少实验废弃物的目的；将多个实验进行串联，能减少实验流程的重复，形成知识间的联系，建构知识网络，加深学科知识理解，强化学生能力。

一、燃烧实验设计的现状

1.教材中的设计方法及存在的问题

沪教版九年级《化学》教材中燃烧的三个条件，通过“交流与讨论”栏目引出。现在孩子缺乏基本的生活经验，有些孩子甚至没使用过火。沪教版中没有具体的演示实验，孩子缺少直观印象，课堂上启而不发。“观察与思考”栏目中教师演示“烧不坏的手帕”实验，视觉效果炫酷，但通过该实验只比较了酒精和棉布的着火点，只能得出燃烧的条件之一，温度要达到可燃物的着火点，实验结论单一。

人教版九年级《化学》教材中探究燃烧条件的演示实验，是在开放的装置中做白磷和红磷的燃烧实验。该实验操作简单、现象明显，体现了控制变量和对比的思想，有利于学生认识燃烧的条件及本质。但该实验中燃烧产生有毒的五氧化二磷，污染很大。因此，教材中特别注明该实验需要在通风橱中进行，有些学校实验条件简陋，很多教师经常在普通教室里演示该实验，或者某些教师干脆就在黑板上讲实验和放视频。弱化实验功能，很难给学生留下直观深刻的印象。

图1 人教版教材中的实验装置

燃烧和灭火是相互关联的知识点，沪教版中对灭火的方法也只介绍了原理，没有安排具体的实验，人教版中没有将两实验串联，显得零散，没能让学生建立思维联系。

2.现有研究中的设计方法及存在的问题

针对以上问题，很多老师对该实验进行了创新改进，在实验绿色化方面做出了努力，取得了较好的效果。主要概括起来有以下两种类型改进。

（1）对实验装置的改进。

陆春华［1］设计了第一种方案，将白磷、红磷放在相对密闭的多功能瓶（图2）里反应，注入水处理白烟。第二种是在密闭的试管中引燃白磷以及氢氧化钠处理白烟的一体装置（图3）。

图2 相对密闭的多功能瓶

图3 密闭的试管

张仪轩［2］将白磷放置在密闭的球形干燥管（图4）中，用注射器鼓入空气进行实验。

图4 密闭的球形干燥管

谢小琴［3］将红磷、白磷放在倒置的Y形管（图5）中进行实验，并通过口部套上气球进行封闭和压强调节。

图5 密闭的Y形管

薛锦媛［4］设计了多套简约封闭装置（图6），烧杯套盖，倒置试管，塞子加气球等方式封闭。

图6 简约封闭装置

上述改进将装置设计成密闭装置，减少或杜绝五氧化二磷逸散到空气中，再利用水或氢氧化钠溶液吸收五氧化二磷，减少了对环境的污染，但是没有从源头上减少污染，没有充分体现绿色化的设计要求。

（2）对实验药品的改进。

李平［5］将红磷、白磷改成木炭（图7）进行实验，利用石灰水吸收验证产物，从源头上减少了污染，木炭着火点较高，在空气中只能保持红热，现象不明显，实验过程中需鼓入空气、氧气，操作要求高。

图7 鼓入气体木炭燃烧装置

侯丽梅［6］利用实验室制氧气装置提供氧气，并将白磷、红磷换成了木炭（图8）进行实验，装置相对复杂，药品用量大。

上述实验中所用白磷属于剧毒管制药品，一般实验室难以获取，且白磷、红磷燃烧时都会产生污染环境的五氧化二磷，产物有毒采取先污染再治理的措施，没有从源头上解决污染。而木炭着火点高，现象不够明显，实验易失败。有些实验用常规装置，药品用量多，实验成本高，不利于节约化原则［7］。

二、体现绿色发展观的实验设计

1.选择环境友好型药品

笔者选择了铁粉、铜粉、纸屑、木刨花、树叶、艾叶等原料进行对比，通过多次实验，最终选择了对人体无害，对环境友好的艾叶。艾叶在扬州地区来源广泛，路边经常有零星生长，易获取，且燃烧时产生的气味不仅对人体无害，且有益，气味芳香愉悦，振奋精神，杀菌消毒，颠覆了部分学生对化学实验室味道刺鼻，有毒危险等的错误认识。

2.巧妙设计微型装置

本实验器材中选择球形干燥管和注射器进行巧妙组装（图9），器材方便易得。在2 支球形干燥管的球形部分，只需分别放置极少量二氧化锰催化剂，大理石颗粒。注射器可精确控制需注入液体的体积，生成气体过多内部压强过大，浪费且有一定的危险，过少现象不明显。只要产生的气体能充满球形干燥管即可，每个球型干燥管容积约20 mL，注射器收集到40 mL 气体，则原装置内气体已排净。实验前可根据需要产生40 mL氧气和二氧化碳时，计算出所需双氧水和稀盐酸的体积，都只需要约1～2 mL，用量极少，节约了药品，同时减少了废弃物的产生，使整个过程更绿色化。注射器注入液体时滴速可控、反应速度可控，并能通过注射器的刻度，直观观测产生气体的体积，不需要进行验满，实验操作更简便。

图9 改进后绿色化装置

3.无害化处理实验废物

本实验的药品简单易得，实验结束后的二氧化锰、大理石都很容易回收再利用，实验后的废弃物艾叶灰烬，不需要无害化处理，可以直接充当小盆栽的肥料，能废物再利用，进一步体现了实验的绿色化［8］。

三、实验过程

在学情分析基础上，设计了如下的实验教学流程，如表1所示。

表1 绿色化的实验教学流程

四、改进后的反思

1.串联多个相关实验

该实验用到了控制变量法、对比法、观察法、归纳法、分组探究法等多种学习方法，不仅探究了燃烧的多个条件，同时可直观得出能助燃的气体就是空气中的氧气，燃烧的剧烈程度与氧气的浓度有关，二氧化碳不支持燃烧等衍生结论。还串联了氧气和二氧化碳的制取和性质，联系了前面所学知识，将燃烧的三个条件探究，串联到一个实验中，避免了重复实验，减少实验步骤，节约了药品。整个过程中观察到了不燃烧—燃烧—更旺—火星—复燃—熄灭现象，将燃烧与原有知识进行了联系，加深了学生对所学知识的理解和应用，构建完善了学生的新知识网络，更好地拓展了学生的思维方式，培养了学生的分析能力、探究能力、思维能力，提高了学生的化学学科素养。

2.可根据课堂情况灵活处理

课堂上，教师可以根据学生的能力水平，适当引导或调整实验内容和方式。如果时间充裕，可提前布置，通过查询资料、书籍、网络等方式，让学生先分组设计实验，再小组交流补充扩展，老师再适当补充完善。

化学实验必须绿色化，这是可持续发展的要求，是建立和谐社会的要求，化学教师必须树立绿色化学意识，将绿色化贯穿于整个实验的设计，实验的操作，实验后废弃物的处理过程中，通过绿色化实验，启迪学生的思维，培养学生的创新意识和环保意识，提高学生的科学素养，为建立和善友好型社会培养合格人才［9］。

3.实验细节的进一步优化

当然笔者对实验进行了多次改进，在失败中一次次完善。该实验步骤较多，实验细节要求高，液体注入时速度要快速一次推入，否则里面压强增大后很难再加入液体，燃烧前需取下末端的注射器，防止燃烧时放热，内部压强过大。需定量估算盐酸、大理石、双氧水的用量，不能超过量程，要多次使用酒精灯，注意实验操作安全。药品要预处理，先将新鲜的艾叶用烤箱仔细烘干，密封于广口瓶中，缩短实验时间，方便多次取用。