吳青茂,　趙文超

摘要： 運(yùn)用信息化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)單元操作的智能控制，分別設(shè)計(jì)趣味性較強(qiáng)的氨氣噴泉和化學(xué)“燈塔”實(shí)驗(yàn)，既可作為演示實(shí)驗(yàn)用于化學(xué)教學(xué)，又可作為科普實(shí)驗(yàn)用于科普?qǐng)鲳^和大型晚會(huì)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)表演。整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)踐活動(dòng)，引領(lǐng)學(xué)生在跨學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)與運(yùn)用中提升科學(xué)技術(shù)素養(yǎng)和創(chuàng)新實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞： 氨氣噴泉; 化學(xué)“燈塔”; 表演實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì); 化學(xué)振蕩反應(yīng)

文章編號(hào)： 10056629（2020）08006703

中圖分類(lèi)號(hào)： G633 8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1? 課題提出

科普實(shí)驗(yàn)表演，是目前國(guó)際上流行的一種全新獨(dú)特的科普形式。它以各種現(xiàn)象明顯、原理簡(jiǎn)單的物理、化學(xué)、生物等科學(xué)實(shí)驗(yàn)為主體，結(jié)合前沿科學(xué)技術(shù)研究成果等科普知識(shí)以舞臺(tái)表演的形式表現(xiàn)出來(lái)，融合了小品、相聲、演唱、舞蹈等多種表演形式，在傳播科普知識(shí)和科學(xué)觀(guān)念的同時(shí)，倡導(dǎo)一種健康、科學(xué)的生活方式，達(dá)到寓教于樂(lè)的目的[1]。一臺(tái)優(yōu)秀的科學(xué)實(shí)驗(yàn)表演節(jié)目的核心就是科學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。據(jù)此，需要對(duì)演出的主體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)和巧妙編排。

2? 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

基于以上的真實(shí)情境問(wèn)題，我們與學(xué)生一起探索解決方法，設(shè)計(jì)主體實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)裝置、呈現(xiàn)方式，運(yùn)用先進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理念和技術(shù)手段等多方面知識(shí)，初步設(shè)計(jì)了一套基于Vernier數(shù)字傳感器和TI系統(tǒng)的氨氣噴泉和化學(xué)“燈塔”表演實(shí)驗(yàn)。充分發(fā)揮數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用技術(shù)來(lái)解決真實(shí)情境問(wèn)題，通過(guò)技術(shù)的功能與跨學(xué)科知識(shí)的融合，把技術(shù)作為獲取知識(shí)和加工信息、解決真實(shí)問(wèn)題的有效工具。

我們選擇“多米諾效應(yīng)”作為主體實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)元素。多米諾效應(yīng)，即“多米諾骨牌效應(yīng)”，指在一個(gè)相互聯(lián)系的系統(tǒng)中，一個(gè)很小的初始能量就可能產(chǎn)生一系列的連鎖反應(yīng)，通俗點(diǎn)講就是“牽一發(fā)而動(dòng)全身”。多米諾效應(yīng)有著豐富的文化內(nèi)涵： 一個(gè)最小的力量能夠引起的或許只是察覺(jué)不到的漸變，但是它所引發(fā)的卻可能是翻天覆地的變化。這有點(diǎn)類(lèi)似于蝴蝶效應(yīng)，但是比蝴蝶效應(yīng)更注重過(guò)程的發(fā)展與變化。

利用Vernier壓強(qiáng)傳感器、TI圖形計(jì)算器、TI創(chuàng)新者系統(tǒng)等數(shù)字化技術(shù)對(duì)主體實(shí)驗(yàn)中壓強(qiáng)的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。設(shè)置當(dāng)壓強(qiáng)為98千帕?xí)r，背景燈自動(dòng)打開(kāi);設(shè)置當(dāng)壓強(qiáng)為90千帕?xí)r，花朵自動(dòng)打開(kāi)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程： 觸發(fā)氨氣噴泉，使抽濾瓶中壓強(qiáng)迅速減小，引發(fā)多米諾效應(yīng)，化學(xué)燈塔（碘鐘）燈閃花開(kāi)。實(shí)驗(yàn)一氣呵成，色彩變化豐富，層次分明，效果驚艷，成功率高。

本實(shí)驗(yàn)演示采用的是1000mL規(guī)格的大反應(yīng)容器，目的是凸顯實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，讓觀(guān)眾看得更清楚，方便普及科學(xué)知識(shí)。同時(shí)，科學(xué)與藝術(shù)相結(jié)合，融入舞臺(tái)表演藝術(shù)，關(guān)注實(shí)驗(yàn)本身，演示實(shí)驗(yàn)同時(shí)以精確的語(yǔ)言揭示實(shí)驗(yàn)原理，解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，取得了令人滿(mǎn)意的教學(xué)效果。

3? 實(shí)驗(yàn)原理

3.1? 氨氣噴泉實(shí)驗(yàn)

氨氣噴泉實(shí)驗(yàn)是中學(xué)化學(xué)的一個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，融化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)知識(shí)于一體，具有操作簡(jiǎn)單、趣味性強(qiáng)、現(xiàn)象明顯等優(yōu)點(diǎn)。原理是： 在實(shí)驗(yàn)時(shí)，燒瓶里面和外面的大氣形成壓強(qiáng)差，導(dǎo)致瓶中的液體被大氣壓壓進(jìn)燒瓶之中形成噴泉。氨氣溶于水時(shí)大部分形成NH3·H2O，在常溫下約有1%電離成NH+4和OH-，所以氨水顯弱堿性，能使含有酚酞的溶液變紅[2]。

用壓強(qiáng)傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)噴泉實(shí)驗(yàn)中壓強(qiáng)的變化，即可讓學(xué)生從數(shù)據(jù)的變化中感知壓強(qiáng)的變化[3，4]。

3.2? 化學(xué)“燈塔”實(shí)驗(yàn)

化學(xué)燈塔實(shí)驗(yàn)[5]： 夜晚在港口觀(guān)察燈塔時(shí)，可以看見(jiàn)燈塔的燈光呈現(xiàn)周期性的明滅現(xiàn)象。在化學(xué)的世界里我們也可找到一類(lèi)特殊的化學(xué)反應(yīng)——化學(xué)振蕩反應(yīng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)這一現(xiàn)象。本文的化學(xué)振蕩反應(yīng)，是將三種無(wú)色的液體混合在一起，在幾秒鐘后變成深藍(lán)色，然后變?yōu)殓晟?，再變?yōu)闊o(wú)色，8秒一周期的變化。真是太神奇啦！

通過(guò)將兩口燒瓶中的氨氣溶于水（在常溫下，1體積水大約可溶解700體積的氨氣），致使兩口燒瓶?jī)?nèi)的氣體壓強(qiáng)迅速減小，小于外界大氣壓，從而將抽濾瓶中的溶液泵入裝氨氣的兩口燒瓶中，導(dǎo)致抽濾瓶和左邊兩口燒瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)減小，三個(gè)燒杯中的溶液分別泵入左邊兩口燒瓶中，引發(fā)“燈塔”實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖2）。

將H2O2的A溶液及丙二酸、MnSO4和淀粉的B溶液與H2SO4酸化KIO3的C溶液混合。此時(shí)，溶液顏色在藍(lán)色→琥珀色→無(wú)色三者間反復(fù)變化，主要化學(xué)反應(yīng)如下[6]：

2KIO3+5H2O2+H2SO4Mn2+I2+K2SO4+6H2O+5O2↑

I2+5H2O22H2IO3+4H2O

I2+CH2（COOH）2CHI（COOH）2+I-+H+

I2+CHI（COOH）2CI2（COOH）2+I-+H+

I-+I2I-3

反應(yīng)過(guò)程中呈現(xiàn)的顏色：

（1） 藍(lán)色為游離碘I2和碘離子I-結(jié)合生成I-3，遇淀粉變藍(lán)。

（2） 無(wú)色為I2與CH2（COOH）2作用生成CHI（COOH）2。

（3） 琥珀色為Mn3+與Mn2+濃度比顏色。

3.3? TI圖形計(jì)算器工作原理

利用Vernier壓強(qiáng)傳感器、TI圖形計(jì)算器、TI創(chuàng)新者系統(tǒng)等數(shù)字化技術(shù)對(duì)主體實(shí)驗(yàn)中壓強(qiáng)的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置當(dāng)壓強(qiáng)為98千帕?xí)r，背景燈自動(dòng)打開(kāi)，設(shè)置當(dāng)壓強(qiáng)為90千帕?xí)r，花朵自動(dòng)打開(kāi)。這是運(yùn)用TI對(duì)裝置的控制。本實(shí)驗(yàn)的裝置工作流程如圖1所示。

4? 實(shí)驗(yàn)

4.1? 試劑與儀器

試劑： 氨水（25%～28%）、堿石灰、酚酞試液、雙氧

水（30%）、KIO3（s）、硫酸溶液（2mol/L）、MnSO4·H2O（s）、丙二酸、淀粉、蒸餾水

儀器： Vernier氣體壓力傳感器、計(jì)算機(jī)及Logger Pro 3.8.6軟件、Vernier數(shù)據(jù)采集器、TI圖形計(jì)算機(jī)、TI

創(chuàng)新者系統(tǒng)、TI數(shù)據(jù)采集器、透明軟導(dǎo)管、電路連接線(xiàn)、干電池、電池盒、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、燈帶、盆花、玻璃管、直形活塞、止水夾、火柴、鐵架臺(tái)、萬(wàn)用夾、燒杯（500mL）、抽濾瓶（1000mL）、定制兩口燒瓶（文中稱(chēng)兩口燒瓶，1000mL）、注射器、導(dǎo)氣管若干、橡膠塞若干

4.2? 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與現(xiàn)象

（1） 配制下列三種溶液[7]。

A液： 205mL 30% H2O2用水稀釋至500mL;

B液： 7.8g丙二酸、1.52g硫酸錳（MnSO4）、0.15g淀粉，用水稀釋至500mL（淀粉用少量水先溶解，再加熱至沸）;

C液： 將21.5g碘酸鉀（KIO3），溶于60℃的熱水里，加入40mL 2mol/L稀H2SO4，再用水稀釋至500mL。

（2） 如圖2所示，組裝好實(shí)驗(yàn)裝置，并檢查裝置氣密性。在TI圖形計(jì)算器中設(shè)置： 當(dāng)壓強(qiáng)為98千帕?xí)r，背景燈自動(dòng)打開(kāi);當(dāng)壓強(qiáng)為90千帕?xí)r，花朵自動(dòng)打開(kāi)。

（3） 向抽濾瓶中加入約1000mL的蒸餾水并滴加5～6滴酚酞試液，關(guān)閉止水夾;將A、 B、 C三種溶液各

400mL分別加入三個(gè)燒杯中。

（4） 點(diǎn)燃酒精燈，加熱裝有氨水與堿石灰的錐形瓶，約30秒后，將導(dǎo)氣管由兩口燒瓶的下口伸入燒瓶底部并用棉花團(tuán)封口，將氨氣經(jīng)U型干燥管中的堿石灰干燥后通入兩口燒瓶，在兩口燒瓶的下口處用濕潤(rùn)的

圖2? 化學(xué)燈塔實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)示圖

紅色石蕊試紙檢驗(yàn)氨氣是否充滿(mǎn)燒瓶。待紅色石蕊試紙變藍(lán)后，移出導(dǎo)氣管，將兩口燒瓶下口用帶導(dǎo)管橡膠塞塞緊。

（5） 向兩口燒瓶上口注入少量水，由于氨氣迅速溶于水，導(dǎo)致右邊兩口燒瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)快速下降，形成紅色噴泉。從而，又導(dǎo)致下方抽濾瓶及左邊兩口燒瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)快速下降，三個(gè)燒杯中的A、 B、 C液同時(shí)被吸入左邊兩口燒瓶中，此時(shí)燈亮了，繼而花兒也開(kāi)啦。同時(shí)，兩個(gè)氣體壓強(qiáng)傳感器壓強(qiáng)同時(shí)快速下降（見(jiàn)圖3）。

（6） 右瓶的噴泉大約能充滿(mǎn)圓底蒸餾燒瓶體積的四分之三，左邊兩口燒瓶中的溶液開(kāi)始時(shí)完全無(wú)色，約2～3秒后顏色改變?yōu)殓晟盅杆僮優(yōu)樗{(lán)色。溶液的顏色就在無(wú)色→琥珀色→藍(lán)色之間振蕩，約8秒一周期變化，該化學(xué)振蕩大約能持續(xù)2分鐘左右。實(shí)驗(yàn)畫(huà)面感強(qiáng)，顏色豐富多彩，十分美麗。

5? 教學(xué)效果

運(yùn)用信息技術(shù)對(duì)反應(yīng)體系中壓強(qiáng)的變化進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè)，初步實(shí)現(xiàn)了控制化學(xué)實(shí)驗(yàn)單元操作的目的。學(xué)生通過(guò)對(duì)程序指令、數(shù)據(jù)、圖形等的處理和分析，增進(jìn)了對(duì)化學(xué)現(xiàn)象和原理本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，提高了分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的方法和能力。當(dāng)然，本實(shí)驗(yàn)還能拓展延伸對(duì)其他影響因素進(jìn)行探究，極大地豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，也對(duì)學(xué)生的工程思維提出了較高的要求。

在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生對(duì)噴泉實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生原理（燒瓶?jī)?nèi)外壓強(qiáng)差）的認(rèn)知僅僅局限于表面現(xiàn)象（如橡膠管變扁、礦泉水瓶變癟），而且傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器不能定量測(cè)出體系的壓強(qiáng)，必然弱化了學(xué)生對(duì)噴泉實(shí)驗(yàn)原理的認(rèn)知。利用數(shù)字化信息技術(shù)，不僅能實(shí)時(shí)檢測(cè)燒瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)的變化，還可以壓強(qiáng)為觸發(fā)器，開(kāi)啟一系列“多米諾效應(yīng)”，體現(xiàn)了現(xiàn)代化學(xué)從粗放型實(shí)驗(yàn)向精細(xì)化、可控化、自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)發(fā)展的趨勢(shì)。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程將氨氣的水溶性、氨水呈堿性、化學(xué)振蕩反應(yīng)集于一體，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，趣味性濃，互動(dòng)性強(qiáng)，不僅激發(fā)學(xué)生的興趣，活躍學(xué)生的思維，寓教于樂(lè)，而且編排成化學(xué)實(shí)驗(yàn)情景劇進(jìn)行舞臺(tái)表演，社會(huì)反響良好。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程以整合的方式解決真實(shí)的問(wèn)題，為學(xué)生提供真實(shí)而富有現(xiàn)實(shí)意義的學(xué)習(xí)情景，培養(yǎng)學(xué)生的高階思維，從而全面提升學(xué)生知識(shí)、能力與創(chuàng)新方面的核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]安豐艷. 發(fā)揮科技館科普劇功能——在快樂(lè)中學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)[J]. 科技風(fēng)， 2011， （11）： 46.

[2]鐘志健. “噴泉實(shí)驗(yàn)”教學(xué)的三維設(shè)計(jì)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2011， （2）： 26～28.

[3]王杰. 手持技術(shù)在噴泉實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用[J]. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與技術(shù)， 2012， （10）： 39～41.

[4]王欣磊， 沈甸. 氣體壓強(qiáng)傳感技術(shù)在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2015， （9）： 58～61.

[5]中國(guó)化學(xué)會(huì). 2011世界化學(xué)年趣味實(shí)驗(yàn)全國(guó)大獎(jiǎng)作品匯集[C]. 2011： 7～8， 47～51.

[6][7]王程杰主編. 中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究[M]. 上海： 華東師范大學(xué)出版社， 2005： 162～164.