摘 要： 分析學生可能暴露的錯誤或不完整的認知結(jié)構(gòu)，在原有實驗基礎上，分別設計、改進氫氧燃料電池的制備、氯水成分的探究以及NOx的制備和性質(zhì)等實驗，較好地引導學生進行實驗探究。通過實驗操作、數(shù)據(jù)分析和反思討論，提高了學生的科學素養(yǎng)和實驗能力。

關(guān)鍵詞： 氫氧燃料電池； 氯水成分； 氮氧化物； 教學案例； 實驗改進

文章編號： 1005-6629（2024）11-0071-05

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

由感性認識得出的結(jié)論常常會偏離科學現(xiàn)象的本質(zhì)［1］。通過針對性地創(chuàng)新實驗，可以有效輔助學生暴露錯誤或者不完整的認知結(jié)構(gòu)，使學生感受到原有概念的局限［2］。本文以氫氧燃料電池的制備、氯水成分的探究、NOx制備和性質(zhì)的實驗教學為案例，設計符合學情的創(chuàng)新實驗，有效指導學生進行科學探究。通過實驗操作和數(shù)據(jù)分析引導學生逐步上升到理性認識，真正發(fā)揮實驗的育人價值。

1 氫氧燃料電池實驗改進

1.1 教材實驗

2020年版的蘇教版化學必修二中的實驗裝置如圖1所示。

（1） 按下開關(guān)S1，接通電源，電解溶液約半分鐘，碳棒上分別產(chǎn)生明顯的氣泡。

（2） 斷開開關(guān)S1，按下開關(guān)S2，可以觀察到二極管的發(fā)光現(xiàn)象。

1.2 實驗改進的動機

2017年版《普通高中化學課程標準》（以下簡稱“新課標”）將“制作簡易的燃料電池”列為學生必做實驗。

學生對鋅銅-稀硫酸原電池的認識是具體的：鋅失去電子，電子通過導線移動到銅極，所以銅極產(chǎn)生氫氣；學生對燃料電池的認識是抽象的：氣體不能做電極，外電路如何產(chǎn)生電子的定向移動形成電流，是學生對燃料電池的最大困頓。針對性地改進實驗，通過實驗對比使學生主動意識到外部電流的產(chǎn)生主要有兩種方式：一是電極本身可以失去電子；二是電極本身作為催化劑，使覆在活性位點上的氣體失去電子［3］。常見的燃料電池就是利用了第二種方式。

1.3 改進實驗

1.3.1 實驗用品

器材：9V方塊電池、3mm LED發(fā)光二極管、兩個碳棒、兩支8cm長的中華牌2B鉛筆芯、鎳泡電極、硬紙板

藥品：10%硫酸溶液和飽和Na2SO4的混合溶液

1.3.2 實驗裝置

改進后的實驗裝置如圖2所示。

1.3.3 實驗步驟和現(xiàn)象

（1） 選擇與9V方塊電池電極直徑相當?shù)奶及簟?/p>

（2） 以9V電池的正負極之間的寬度作為標準把兩支碳棒固定在硬紙板上。

（3） 在燒杯中注入10%的硫酸和飽和Na2SO4的混合溶液為電解質(zhì)溶液。

（4） 將9V的方塊電池的正負極充分接觸兩支碳棒。兩支碳棒都產(chǎn)生大量的氣泡，與電源負極相連的一端產(chǎn)生的氣體比另一端產(chǎn)生的氣體更多。

（5） 當氣體非常多的時候，取下方塊電池。

（6） 迅速將3mm LED發(fā)光二極管連接到電路中，3mm LED發(fā)光二極管亮了。

1.3.4 實驗注意事項

（1） 如果碳棒太粗，可以用小刀將碳棒的頭部削一下，確保碳棒與電池的正負極充分接觸。

（2） 可以彎曲3mm LED的電極，固定3mm LED和碳棒，保證碳棒與之充分接觸。

（3） 電解的時間以90秒為宜。

（4） 移走電池后，要迅速連接好3mm LED和碳棒。

1.3.5 對比實驗

（1） 更換電極，采用兩支8cm長的2B鉛筆芯為電極，如圖3所示。操作同上，小燈泡不亮。

（2） 更換電極，采用鎳泡電極與電池的負極相連，如圖4所示。操作同上，小燈泡亮的時間明顯比碳棒長。

1.4 實驗改進的意義

“講”燃料電池是中學最普遍的實驗教學現(xiàn)象?；瘜W家傅鷹說過：“提出一個機理來解釋一種現(xiàn)象并不困難，困難的是如何以實驗證明這是正確的，而且是唯一正確的機理。在未達到這個地步之時，我們對于任何理論都應該持保留態(tài)度。只有如此，才是實事求是的科學精神?！?/p>

通過對比實驗，觀察到采用鉛筆芯電極有氣泡產(chǎn)生，氣泡少，小燈泡不亮；采用石墨電極，有大量的氣泡產(chǎn)生，小燈泡可以亮2～4秒；采用鎳泡電極［4］，同樣有大量的氣泡產(chǎn)生，小燈泡可以亮5～6秒。通過此實驗現(xiàn)象，學生不但可以得出燃料電池的電極材料扮演兩個角色，一是催化劑，氫氣覆蓋在電極材料的活性位點上，就可以失去電子；二是充當導線，傳輸電子，還可以得出不同的電極催化效果是不同的，氫氧燃料電池中鎳泡電極優(yōu)于石墨電極［5，6］。

2 氯水成分探究實驗改進

2.1 教材實驗

2020年版的蘇教版化學必修一中，沒有實驗裝置圖，通過三個小實驗探究氯水的成分［7］。

（1） 實驗1：將干燥的有色布條和濕潤的有色布條分別放入兩瓶干燥的氯氣中，觀察并比較實驗現(xiàn)象。

（2） 實驗2：分別用玻璃棒蘸取新制氯水和稀鹽酸，滴在pH試紙上，觀察并比較實驗現(xiàn)象。

（3） 實驗3：在潔凈的試管中加入1mL新制氯氣，再向試管中加入幾滴硝酸銀溶液和稀硝酸，觀察實驗現(xiàn)象。

2.2 實驗改進的動機

氯氣有毒，課堂演示該實驗的教師少之又少。教材的實驗設計想達成三個教學目標：一是通過對比實驗讓學生意識到氯水中真正具有漂白作用的是次氯酸，氯氣不具有漂白性；二是氯水呈酸性，可以用pH計測定，但不宜用pH試紙測量；三是氯氣與水會發(fā)生反應，且反應是可逆的。氯水的漂白性、氯水的酸性測量是近幾年高考考查的熱點，也是學生最普遍的失分項。轉(zhuǎn)變思維，氯氣雖然有毒卻是增強學生“綠色化學”觀念的契機。作為一名化學教師有責任教會學生正確處理有毒氣體，降低有毒氣體的危害且利用它的性質(zhì)造福人類社會。

2.3 改進實驗

2.3.1 實驗用品

器材：2個50mL的注射器、10個紅色的采血管、干燥的有色布條、濕潤的有色布條

藥品：濃鹽酸、高錳酸鉀、飽和食鹽水、濃硫酸、稀硝酸、稀硝酸銀溶液、紫色石蕊溶液

2.3.2 實驗裝置

改進的實驗裝置如圖5所示。

2.3.3 實驗步驟及現(xiàn)象

（1） 推動注射器活塞，少量多次地推入濃鹽酸。

（2） 可以觀察到有黃綠色氣體產(chǎn)生、干燥的有色布條不變色、濕潤的有色布條退色，紫色石蕊先變紅、然后退色，硝酸銀溶液中出現(xiàn)白色沉淀。

（3） 更換注射器，將飽和Na2CO3溶液推入濃鹽酸與高錳酸鉀反應后的體系中，利用HCl與Na2CO3反應產(chǎn)生CO2氣體，從而將裝置中的氯氣趕入氫氧化鈉溶液中，增強學生的環(huán)保意識。

（4） 由現(xiàn)象得出實驗結(jié)論。

① Cl2+H2OHCl+HClO

② Cl-+Ag+AgCl↓

③ 干燥的氯氣沒有漂白性，濕潤的氯氣具有漂白性

尾氣處理：Cl2+2NaOHNaCl+NaClO+H2O

2.3.4 實驗注意事項

（1） 高錳酸鉀需少量，確保全部反應掉。

（2） 濃鹽酸要少量多次地加入，防止反應太劇烈。

（3） 反應后的裝置中有氯氣，反應最后要將飽和Na2CO3溶液推入發(fā)生裝置中，排出裝置中的氣體，對尾氣進行處理。

2.4 實驗改進的意義

掌握概念須理解其內(nèi)涵，明其外延。紫色石蕊變紅，氯水中有H+，符合學生的常規(guī)認知。后來退色，這一反常現(xiàn)象與學生的認知是相悖的。這種碰撞可以讓學生認識到任何一個概念都是內(nèi)涵與外延的統(tǒng)一。通過對比實驗，自然得出氯氣不具有漂白性的結(jié)論。教師要有意識地培養(yǎng)學生敢于質(zhì)疑、去偽存真的科學態(tài)度，這與“新課標”提出化學學科核心素養(yǎng)也是一致的。封閉式實驗設計探究氯水成分可以提高實驗的安全性和教學效果。

3 NOx制備和性質(zhì)的實驗改進

3.1 教材實驗

2020年版的蘇教版化學必修二中的實驗裝置如圖6所示。

（1） 實驗1：將銅片置于具支試管的底部，通過分液漏斗加入2mL濃硝酸，將產(chǎn)生的氣體通入倒置于水槽充滿水的集氣瓶中，觀察實驗現(xiàn)象。

（2） 實驗2：向分液漏斗內(nèi)加入5mL水，稀釋硝酸，繼續(xù)收集產(chǎn)生的氣體，觀察實驗現(xiàn)象［8］。

3.2 實驗改進的動機

銅與硝酸的反應是高中化學教學中的一項重要內(nèi)容，教材的實驗設計是有優(yōu)勢的，體現(xiàn)硝酸濃度不同的反應產(chǎn)物也隨之不同。因為沒有排除空氣的干擾，銅與濃硝酸反應產(chǎn)生的是NO2還是NO具有爭議性；學生易混淆NO2和NO；銅與硝酸的反應產(chǎn)物取決于硝酸的濃度，這種由反應物濃度不同導致產(chǎn)物不同也增加了學生理解和記憶的難度。

3.3 改進實驗

3.3.1 實驗用品

儀器：10mL螺口注射器5個、50mL的螺口注射器1個、20mL注射器2個、6個三通閥、雙目魯爾管

藥品：銅片、濃硝酸、稀硝酸、蒸餾水、氫氧化鈉的酚酞溶液、氧氣

3.3.2 實驗裝置

改進的實驗裝置如圖7所示。

3.3.3 實驗步驟及現(xiàn)象

（1） 旋轉(zhuǎn)三通閥閥門，將8號注射器中稀硝酸推入7號注射器中，關(guān)閉7號注射器閥門。

（2） 旋轉(zhuǎn)三通閥閥門，將1號注射器中濃硝酸推入2號注射器中，關(guān)閉2號注射器閥門。

（3） 2號注射器里溶液變藍綠色，有紅棕色氣體產(chǎn)生，推動2號注射器的活塞緩緩向上移動，直至銅片消失，活塞停止上升。

（4） 反應停止后，旋轉(zhuǎn)活塞，將2號注射器中的溶液推入1號注射器，關(guān)閉1號的注射器閥門。

（5） 7號注射器中，產(chǎn)生氣泡，溶液變?yōu)闇\藍色。

（6） 旋轉(zhuǎn)閥門，將2號中紅棕色氣體緩慢推入3號注射器中，紅棕色氣體消失，產(chǎn)生無色氣體，體積大約為紅棕色氣體的13。

（7） 待3號注射器中反應完全，旋轉(zhuǎn)閥門，將4號注射器中O2通入3號注射器中，無色的氣體快速變?yōu)榧t棕色，時間久了紅棕色又變?yōu)闊o色氣體。

（8） 7號注射器中銅片消失，溶液變成藍綠色，產(chǎn)生無色的氣體，旋轉(zhuǎn)閥門，將7號注射器中溶液擠入8號注射器中，關(guān)閉8號注射器的閥門。

（9） 旋轉(zhuǎn)活塞，將6號中O2緩慢推入7號注射器中，7號注射器中無色氣體迅速變?yōu)榧t棕色。

（10） 調(diào)節(jié)閥門，將3號注射器中液體和氣體擠入5號注射器中，將7號注射器中的氣體擠入5號注射器，5號注射器中紅色消失。

（11） 由現(xiàn)象得出實驗結(jié)論（略）。

3.3.4 實驗注意事項

（1） 3號、7號采用20mL的注射器，5號采用50mL的注射器，其他為10mL的注射器。

（2） 因為化學反應速率較慢，旋轉(zhuǎn)閥門先將稀硝酸擠入銅片中。

（3） 銅片需少量，確保全部反應掉。

（4） 緩慢充入氣體，防止氣體的總體積超過注射器的總體積。

3.4 實驗改進的意義

第一個對比實驗，銅與濃硝酸反應產(chǎn)生紅棕色的氣體，銅與稀硝酸反應產(chǎn)生無色氣體，得出反應物濃度的不同，產(chǎn)物也不同的結(jié)論；第二個對比實驗，2號注射器中的紅棕色氣體遇到水會變成無色氣體，無色氣體遇到氧氣又變成紅棕色氣體。7號注射器中的無色氣體遇到氧氣變成紅棕色氣體。得出紅棕色氣體和無色氣體可以相互轉(zhuǎn)化的結(jié)論。最后把氣體都充入加有酚酞的氫氧化鈉溶液中，紅色溶液的顏色變淺直至消失，得出氫氧化鈉溶液可以對NOx進行尾氣處理的結(jié)論。針對性創(chuàng)新實驗的教學效果優(yōu)于“講”實驗，對促進學生正確認知的建立、提高教學質(zhì)量具有重要價值。

參考文獻：

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