摘 要：物理、化學均是以實驗為基礎的自然科學課程。理化融合創(chuàng)新實驗的教學，就是打破學科壁壘，基于物理、化學兩門學科的實驗融合，引導學生一步步開展創(chuàng)新實驗，提升學生的科學探究和合作能力。“利用物理原理改進化學實驗”跨學科實踐，分別從電學等角度，將物理原理融于化學實驗教學中，實現(xiàn)了“1＋1＞2”的教學效果。

關鍵詞：初中化學；跨學科實踐；融合實驗；自主創(chuàng)新實驗

“跨學科實踐”案例系列之五。本文系江蘇省中小學教學研究第十五期重點課題“初高中銜接視角下化學跨學科主題學習設計與實施研究”（編號：2023JY15-ZA88）的階段性研究成果。

《義務教育課程方案（2022年版）》和2022年版義務教育各學科課程標準，從不同的視角表述了“跨學科”（如物理和化學學科的“跨學科實踐”）的實施要求、教學建議以及評價建議等。物理、化學均是以實驗為基礎的自然科學課程。理化融合創(chuàng)新實驗的教學，就是打破學科壁壘，基于物理、化學兩門學科的實驗融合，引導學生一步步開展創(chuàng)新實驗，提升學生的科學探究和合作能力。經(jīng)過兩年的物理學習和一年的化學學習，初三學生已經(jīng)掌握了基礎的電學、力學、磁學、光學知識和化學實驗知識。于是，我們帶領學生展開了一場“利用物理原理改進化學實驗”的跨學科實踐之旅。

一、利用電學原理完成化學驗證實驗

【片段1】

師 （出示下頁圖1）通過這個實驗，我們知道，氨分子在不斷地運動著，有部分氨分子進入水中使得水中無色酚酞變紅。那么，進入水中的分子為什么會使酚酞變紅？是哪種微粒讓酚酞變紅的呢？

生 酚酞遇堿性溶液會變紅，證明氨氣溶于水后使水變成堿性；因為是堿性溶液，所以氨水中一定含有較多的OH^－。

師 （出示圖2）通過學習溶液的導電性知識，我們知道了溶液導電的原理：存在自由移動的離子。氨水中含有大量OH^－，能否通過電學實驗驗證氨水中存在自由移動的離子呢？請嘗試設計實驗。

（學生思考。）

生 （展示示意圖，如圖3所示）可以將圖1、圖2兩套裝置組合在一起，用于檢測右邊小燒杯中水的導電性：若燈泡發(fā)亮，即可證明。

師 這位同學提出的方案理論上完全可行，那么實際操作呢？同學們還有更好的建議嗎？

生 將整套電路裝置放入大燒杯中，燒杯容積不夠大，操作不便，應該將電路裝置改成更小的裝置。我建議用發(fā)光二極管和紐扣電池組裝成微型電路裝置。

（學生畫出實驗草圖，如圖4所示。）

生 微型電路裝置不好固定，并且用大量水來吸收氨氣，氨水濃度較低，導電性弱，不易觀測到實驗現(xiàn)象。應該將小燒杯中的純水換成更易吸收氨氣的吸水性材料，如脫脂棉等。

（學生畫出實驗草圖，如下頁圖5所示。）

生 我贊成他的方案，但此方案濃氨水用量比較大，會造成藥品浪費，并且氨氣易泄露，不太環(huán)保。若能在小型密封裝置中進行，會更好。

（學生畫出實驗草圖，如下頁圖6所示。教師對上述學生一一給予肯定和贊揚。）

師 通過大家的討論，我們得到了最佳方案。請大家先設計好實驗步驟，然后分組完成這個實驗。要規(guī)范操作，注意安全。

（學生分組實驗。教師展示一個成功完成實驗的學生小組的實驗報告。）

師 愛迪生試了1600多種材料才成功發(fā)明了電燈泡。成功來之不易，該組同學沒有輕言放棄，而是通過查閱資料和嘗試多種材料，終于獲得了成功。希望同學們都能學習這種堅持不懈的科學精神。通過這一實驗，我們驗證了氨氣分子是不斷運動著的，能溶于水且生成了可自由移動的離子。還有哪些氣體分子也具有相似的現(xiàn)象和性質呢？

生 氯化氫、二氧化硫、三氧化硫、二氧化碳……

師 同學們回答得非常好！接下來由老師和大家共同演示，檢驗氯化氫氣體溶于水的導電性。

（師生共同完成氯化氫氣體溶于水能使溶液導電的實驗。）

師 （出示圖7）還記得老師曾用T形玻璃管與大家共同完成銨態(tài)氮肥的檢驗實驗嗎？若將上述微型電路組合用于檢驗氨氣，該如何改進呢？

（學生思考。）

生 在另一支管中放入微型電路組合裝置。

生 若氨氣繼續(xù)用水來吸收，氨氣不能很好地進入吸水材料中，導電性會比較弱。我建議密封，所以下支管也可套上乳膠頭或導管并密封。

生 實驗結束后，需要處理T形管中的殘留氨氣，我建議下支管密封后打開通入水中，用水來吸收氨氣，所以下支管的乳膠頭下端要開口并用止水夾夾緊。

（經(jīng)過討論，師生總結出相對最優(yōu)的方案，實驗裝置如下頁圖8所示。）

在常規(guī)的教學中，微粒運動主要通過微粒接觸酸堿指示劑或者微粒與某種試劑反應產(chǎn)生特殊現(xiàn)象來驗證。如氨氣可用酚酞檢驗，二氧化碳可用石蕊或澄清石灰水檢驗。而改進后的實驗可以借助電學，設計微型電路組合（類似數(shù)字傳感器的雛形）來檢驗，且設計后的實驗現(xiàn)象明顯，操作簡單可行。這樣的實驗，有利于引導學生進行學習遷移，依據(jù)用途建立模型，發(fā)展建構模型的意識與能力。具體的實驗改進過程比較復雜，能夠鍛煉學生查閱資料和選取材料的能力。在選材和不斷試錯的過程中，能夠發(fā)展學生的動手操作能力，培養(yǎng)學生鍥而不舍的精神和團隊合作能力。

二、利用杠桿原理完成化學對比實驗

【片段2】

師 （出示圖9）T形玻璃管還可以用于蘇打與小蘇打熱穩(wěn)定性的對此實驗。加熱小蘇打有氣體溢出，依據(jù)質量守恒定律，右端支管中固體質量減少。大家小時候都玩過蹺蹺板吧，如果把T形管當成蹺蹺板，能否依據(jù)杠桿原理設計實驗證明小蘇打在加熱時質量減少呢？

（學生思考。）

生 用繩子從T形管中間系上拉起來就行了。系繩子的位置就是支點，兩水平支管就是力臂。

（學生畫出實驗草圖，如圖10所示。）

（教師帶領學生嘗試完成實驗，發(fā)現(xiàn)：因為是玻璃儀器，繩子不好系，容易打滑。）

生 老師，我想到一個好主意，可以用磁鐵固定。T形管里用磁珠，外面用帶環(huán)的磁鐵，再用繩子系著。

（教師找來小磁珠和帶環(huán)磁鐵后再次嘗試，成功組裝出了實驗裝置。但是，對藥品加熱后，發(fā)現(xiàn)：雖然T形管發(fā)生了偏移，但不易觀察。）

生 老師，我看托盤天平上有小指針，我們何不在T形管的下支管上也畫上“小指針”呢？

生 這個建議好！老師，我還建議將T形管下端伸入試管中，試管內裝有澄清石灰水，這樣不僅能觀察到化學實驗現(xiàn)象，而且即使發(fā)生輕微偏移，下支管也會與試管內壁相碰，這樣就能及時確認不平衡狀態(tài)了。

（在大家集思廣益之下，師生邊思考邊做邊改進，很快設計并完成了較優(yōu)的實驗方案，實驗裝置如下頁圖11所示。）

原有的實驗僅能通過澄清石灰水是否變渾濁這一現(xiàn)象來區(qū)分小蘇打和蘇打，而改進后的實驗除了仍具有原有的化學實驗現(xiàn)象，還融入了杠桿原理。磁珠和磁環(huán)共同構成了磁鐵組合，牽引著T形管；磁珠作為杠桿的支點，兩水平支管作為力臂，形成簡易天平，巧妙地將杠桿原理和磁現(xiàn)象運用于化學實驗中。在該實驗探究過程中，采用邊思考邊實驗邊改進的方法，學生的思維不斷升級，靈活選擇恰當?shù)膬x器，跳出常規(guī)思維，化身設計師來主動探索。這種思路還可以用于多個化學對比實驗，如：在兩個支管上分別吊等質量的鐵塊和銅塊，然后分別伸入稀鹽酸中，比較質量的改變。

三、利用光學原理完成化學性質實驗

【片段3】

師 同學們，我們初中化學中用到很多實驗儀器都是圓柱形或者球形的，例如上述實驗中用到的燒杯、試管、T形管等。有同學說，這樣的儀器可以放大物體，讓現(xiàn)象更明顯，這涉及什么原理？

生 圓柱形或者球形玻璃容器中裝入液體，就相當于凸透鏡，利用光的折射原理，可以將物體放大。

師 回答得很好！利用光學儀器測出裝有溶液的容器的焦距實驗，很多學生都做過。若溶液的密度、濃度、溫度、顏色、溶質等因素改變，會不會影響容器的焦距呢？

生 可能會影響，需要做實驗驗證。

師 那利用酸堿中和反應來檢測結果如何？接下來我們設計分組實驗來驗證。

（學生完成實驗方案設計。實驗儀器：如圖12所示的光學實驗儀器組合，10%左右的氫氧化鈉溶液、10%左右的稀鹽酸、膠頭滴管等。實驗步驟：① 在半月形容器中加入適量的10%左右的氫氧化鈉溶液，打開平行光，測出焦距并記錄；向上述氫氧化鈉溶液中逐滴加入相同量的10%左右的稀鹽酸，觀察并記錄焦距。實驗現(xiàn)象：實驗前焦距為7.3 cm，實驗結束后焦距為8 cm。實驗結論：化學變化引起溶液性質的改變，進而引起容器焦距的改變。）

總之，此跨學科實踐案例，分別從電、力和磁、光三個角度，將物理原理融于化學實驗教學中，實現(xiàn)了“1＋1＞2”的教學效果。實驗創(chuàng)新的融合要為教學服務，要體現(xiàn)創(chuàng)新的價值。學生自主創(chuàng)新實驗的過程就是學生核心素養(yǎng)生成的過程。學生在教師指導下開展科學探究，先要有基本學科知識作為鋪墊（學科觀念），在學科融合的科學思維引導下形成方法，即以認知猜模型（方案雛形），體現(xiàn)了模型認知思想，借助查閱資料、選取合適材料不斷進行實驗（驗證模型）、改進實驗（優(yōu)化模型），并在科學態(tài)度與社會責任意識指導下進行，最后通過實驗現(xiàn)象來進行證據(jù)推理，用不同學科觀念對結論進行解釋，得出結論，拓展應用。整個實驗改進創(chuàng)新過程就是創(chuàng)新思維不斷綻放的過程。