初中化学一体化实验的探索

冯珍

【摘  要】对“人体吸入空气和呼出气体的探究”这一实验进行了改进，整合后的实验装置，集气体收集、干扰排除、成分检验于一体。具有实验原理与后续知识高度统一，实验操作连续高效，实验现象明显且证据确凿等优点，可有效地引导学生在“做中学”“用中学”“创中学”，从而充分发挥实验的教学功能和育人价值。

【关键词】空气;呼出气体;实验改进;一体化

“对人体吸入的空气和呼出的气体的探究”是人教版初中化学教材九年级第一单元课题2《化学是一门以实验为基础的学科》中的内容，是学生对化学以实验为基础的研究性学习方法的初体验。旨在比较“吸入空气”和“呼出气体”成分异同的过程中，感受对比实验法通过认识不同对象之间相同性和相异性，探寻事物之间内在规律及必然联系的思维方式。而初步了解空气与呼出气体的成分差异，氧气、二氧化碳的部分化学性质，是后续系统学习空气组成，全面认识氧气、二氧化碳的性质的有效铺垫。并且，初步培养学生控制变量的实验认知思想及根据现象差异区分不同物质的证据推理意识。

一、问题的提出

教材上的实验方案简便易操作，但是实施过程中也反映出了一系列的认知冲突：1.通常情况下，二氧化碳能溶于水，这使得“用排水法收集的呼出气体”与“实际的呼出气体”在成分上存在差异，也与实验室采用“向上排空气法”收集二氧化碳氣体相违背;2.随着学生学习的深入，在认识到一般情况下二氧化碳既不助燃也不可燃的性质后，对于木条在呼出气体中熄灭，是氧气浓度低导致的，还是二氧化碳浓度高造成的，会心存疑虑;3.用木条作可燃物，其火焰的大小不易控制，大火焰在装有呼出气体的敞口集气瓶中往往不易熄灭。

而一线教师从教学实践出发，以解决上述问题为目标，从不同角度对该实验进行了改进：

（一）注重实验装置的改进

利用注射器、T型三通管、V型玻璃管等进行实验，注射器收集确保了气体成分的完整性，推拉活塞可轻松实现气体的吸入、排出，操作简便，微型仪器进行实验节约药品、现象明显。但是，要根据比较对象的不同，不断调整装置，在拆分或连接的过程中装置的气密性极易受到影响，从而干扰实验的流畅度。

（二）注重实验现象的呈现

利用对水分比较敏感的试剂无水氯化钴或无水硫酸铜制成试纸，比较水蒸气的含量在空气和呼出气体中的不同，现象较为明显。此方法有效地避免了温度对检验水蒸气含量造成的影响，但是需要提前自制试纸，且陌生物质无水氯化钴（或无水硫酸铜）的使用与化学初学者的学习经验相去甚远，远没有水蒸气遇冷凝结形成水雾的现象来得易于理解。笔者认为通过增加呼出气体的量，增大干冷玻璃仪器的表面积等简便的方式弱化温度对冷凝的影响也未尝不可。

（三）注重实验数据的分析

用数字化实验对空气、呼出气体中氧气、二氧化碳、水蒸气的含量进行了数据采集，精准体现两种被测气体的成分差异。但是，化学初学者的证据意识主要来源于目之所及的现象等感性认识，而对于数据、图像的分析能力尚且薄弱，且数字化实验并未在各校普及，导致其使用受到了条件的限制。

受到此类创新实验的启发，笔者基于解决问题的意识，对装置进行了整合，设计出了集气体收集、干扰排除、成分检验于一体的实验。其实验原理与后续知识高度统一，实验操作连续高效，实验现象明显且证据确凿，具有相应的科学性和可行性。

二、实验的改进

（一）实验用品

（1）实验仪器：250mL集气瓶2个（含配套的双孔橡皮塞1个、三孔橡皮塞1个）、橡皮管、玻璃导管、3个塑料单向阀、玻璃三通控制阀、烧杯、注射器、自制对比装置（用于固定蜡烛）。

（2）实验药品：新制澄清石灰水、蜡烛。

（二）实验装置

新设计的一体化装置见图1（夹持装置已略）。

（三）操作要点

（1）连接好装置，检查装置气密性。

（2）取下上方集气瓶，注满澄清石灰水，塞紧橡皮塞，关闭三通控制阀，将装置连接好并固定在展台上。

（3）打开并调节三通控制阀，使集气瓶之间的导管（a、c）相互连通，上方集气瓶中的澄清石灰水流入下方集气瓶的同时，空气被抽入上方集气瓶，并与澄清石灰水接触。当下方集气瓶中装满石灰水时，就关闭三路活塞，并将下方集气瓶口调节装置内外气压平衡的小孔堵住。

（4）打开并调节三路活塞，使下方集气瓶与排液导管（c、b）相互连通，向下方集气瓶中吹入呼出气体，观察石灰水的变化，比较空气和呼出气体中二氧化碳的含量。

（5）观察上、下两根进气管的内壁是否有水雾，比较空气和呼出气体中水蒸气的含量。

（6）取下两个集气瓶，同时将燃烧的蜡烛伸入瓶中，观察现象，比较空气和呼出气体中氧气的含量。

（四）实验现象与结论

（1）空气未能使澄清石灰水发生明显变化，而呼出气体使澄清石灰水明显变浑浊。说明空气中二氧化碳的含量比呼出气体中的少。

（2）通空气的玻璃管内壁较为清洁，而通呼出气体的玻璃管内壁有明显的水雾。说明空气中水蒸气的含量比呼出气体中的少。

（3）蜡烛在除去二氧化碳的空气中持续燃烧一段时间，而在除去二氧化碳的呼出气体中立即熄灭。说明空气中氧气含量比呼出气体中的多。

（五）注意事项

（1）双孔橡皮塞应与位于装置上方集气瓶配套，导管需与双孔塞内侧齐平，否则，露出的导管会导致澄清石灰水无法排尽。三孔橡皮塞应与位于装置下方的集气瓶配套，导管需伸至瓶底，尽可能将石灰水排出，确保除去二氧化碳的空气和呼出气体体积相等，减少因被测气体体积不等造成的误差。

（2）玻璃三通阀不仅可以控制流向，还能控制流速。在阀门完全打开的情况下，受重力作用的影响，澄清石灰水快速地向下流，则空气也快速进入上方集气瓶，导致空气与澄清石灰水的接触不充分。而受到下方集气瓶中液体压强的影响，呼出气体进入瓶中的速度则较慢。因此，为了让空气和呼出气体都能与澄清石灰水充分反应，可在通入空气时，适当调节阀门，使空气流速与呼出气体相当，确保现象差异的可信度和说服力。

（3）装置下方的三孔橡皮塞，除两个小孔连接玻璃管以外，还有一个小孔是开放的，用以调节装置内外的气压平衡，以便上方集气瓶中的石灰水顺利地流到下方瓶中。但是，当开始收集呼出气体并检验其中二氧化碳的含量时，必须将小孔堵住，否则，石灰水和呼出气体都会从小孔溢出，无法达成阶段性实验目的。

三、实验的特色

（一）装置功能一体化

（1）多功能瓶在实验中发挥了强大的功能性，既能洗气，又能集气，大大提高了实验效率。而导管口冒出的气泡，实现了无色气体的可视化，丰富了学生的感性认识。

（2）三通控制阀是整套装置的“枢纽”，它的使用免去了因比较对象的变化而在实验中途对装置进行调整的繁琐，只需旋转活塞，就可以满足流体不同的路径需求（三通、两通皆可），操作比较方便，且避免装置漏气。通过调节活塞，还能使空气、呼出气体进入装置的气流速率均一，减小误差。

（3）利用具有特殊构造的单向阀，克服了气体逸散和液体流动的无规律性，让气体、液体定向流动，从而避免了装置内气体的泄漏和外界空气、液体的回流，增强了实验的可控性。

（4）增加进气端玻璃管的长度，确保约250mL的呼出气体通过时，水蒸气的冷凝更加充分，且凝结的水蒸气更多，从而弱化了气温等外界因素的影响，让实验现象更加明显。

而实验装置将上述仪器有序整合，实现了仪器间的功能互助和效果互补，而装置的一体化促进了实验流程的一体化，提高了实验效率。

（二）药品作用多元化

在教材的实验方案和其他相关实验改进中，澄清石灰水仅用于比较空气和呼出气体中二氧化碳含量，而在此一体化实验中，该药品被更为充分地加以利用：（1）在收集呼出气体前，排尽集气瓶内的空气;（2）检验二氧化碳含量的同时，除去二氧化碳，为比较空气和呼出气体中氧气的含量排除干扰。

另外，蜡烛取代了木条，用作可燃物。因为烛芯处的棉线长度可控，所以两支蜡烛的火焰大小可以保持一致。这样，有效地降低了因火焰大小不同而导致实验发生意外的概率。

（三）實验操作集成化

在相对封闭的实验体系内，同时完成一种气体（空气或呼出气体）的收集、所含二氧化碳浓度的检验、二氧化碳的吸收、所含水蒸气浓度的检验四个实验步骤。并且，通过石灰水的转移在装置内外形成气压差，轻松实现了气体的收集。比较两种被测对象中氧气含量的差异时，用自制对比装置将两支蜡烛同时放入集气瓶中，避免了分先后操作带来的观察上的不便，确保了对比实验的严谨性。

四、结束语

化学是以实验为基础的学科，实验探究是收集证据和作出解释，进行发现、创造与应用的科学实践活动，也是获取科学知识、理解科学本质、认识客观世界的重要途径。化学教师作为化学教学的主导，应充分挖掘实验在教学中的功能性，只有在“教中做”“教中用”“教中创”，才能引导学生在“做中学”“用中学”“创中学”，从而充分发挥实验的教学功能和育人价值。

【参考文献】

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