理化融合，创新实验

摘 要：物理、化学均是以实验为基础的自然科学课程。理化融合创新实验的教学，就是打破学科壁垒，基于物理、化学两门学科的实验融合，引导学生一步步开展创新实验，提升学生的科学探究和合作能力。“利用物理原理改进化学实验”跨学科实践，分别从电学等角度，将物理原理融于化学实验教学中，实现了“1＋1＞2”的教学效果。

关键词：初中化学；跨学科实践；融合实验；自主创新实验

“跨学科实践”案例系列之五。本文系江苏省中小学教学研究第十五期重点课题“初高中衔接视角下化学跨学科主题学习设计与实施研究”（编号：2023JY15-ZA88）的阶段性研究成果。

《义务教育课程方案（2022年版）》和2022年版义务教育各学科课程标准，从不同的视角表述了“跨学科”（如物理和化学学科的“跨学科实践”）的实施要求、教学建议以及评价建议等。物理、化学均是以实验为基础的自然科学课程。理化融合创新实验的教学，就是打破学科壁垒，基于物理、化学两门学科的实验融合，引导学生一步步开展创新实验，提升学生的科学探究和合作能力。经过两年的物理学习和一年的化学学习，初三学生已经掌握了基础的电学、力学、磁学、光学知识和化学实验知识。于是，我们带领学生展开了一场“利用物理原理改进化学实验”的跨学科实践之旅。

一、利用电学原理完成化学验证实验

【片段1】

师 （出示下页图1）通过这个实验，我们知道，氨分子在不断地运动着，有部分氨分子进入水中使得水中无色酚酞变红。那么，进入水中的分子为什么会使酚酞变红？是哪种微粒让酚酞变红的呢？

生 酚酞遇碱性溶液会变红，证明氨气溶于水后使水变成碱性；因为是碱性溶液，所以氨水中一定含有较多的OH^－。

师 （出示图2）通过学习溶液的导电性知识，我们知道了溶液导电的原理：存在自由移动的离子。氨水中含有大量OH^－，能否通过电学实验验证氨水中存在自由移动的离子呢？请尝试设计实验。

（学生思考。）

生 （展示示意图，如图3所示）可以将图1、图2两套装置组合在一起，用于检测右边小烧杯中水的导电性：若灯泡发亮，即可证明。

师 这位同学提出的方案理论上完全可行，那么实际操作呢？同学们还有更好的建议吗？

生 将整套电路装置放入大烧杯中，烧杯容积不够大，操作不便，应该将电路装置改成更小的装置。我建议用发光二极管和纽扣电池组装成微型电路装置。

（学生画出实验草图，如图4所示。）

生 微型电路装置不好固定，并且用大量水来吸收氨气，氨水浓度较低，导电性弱，不易观测到实验现象。应该将小烧杯中的纯水换成更易吸收氨气的吸水性材料，如脱脂棉等。

（学生画出实验草图，如下页图5所示。）

生 我赞成他的方案，但此方案浓氨水用量比较大，会造成药品浪费，并且氨气易泄露，不太环保。若能在小型密封装置中进行，会更好。

（学生画出实验草图，如下页图6所示。教师对上述学生一一给予肯定和赞扬。）

师 通过大家的讨论，我们得到了最佳方案。请大家先设计好实验步骤，然后分组完成这个实验。要规范操作，注意安全。

（学生分组实验。教师展示一个成功完成实验的学生小组的实验报告。）

师 爱迪生试了1600多种材料才成功发明了电灯泡。成功来之不易，该组同学没有轻言放弃，而是通过查阅资料和尝试多种材料，终于获得了成功。希望同学们都能学习这种坚持不懈的科学精神。通过这一实验，我们验证了氨气分子是不断运动着的，能溶于水且生成了可自由移动的离子。还有哪些气体分子也具有相似的现象和性质呢？

生 氯化氢、二氧化硫、三氧化硫、二氧化碳……

师 同学们回答得非常好！接下来由老师和大家共同演示，检验氯化氢气体溶于水的导电性。

（师生共同完成氯化氢气体溶于水能使溶液导电的实验。）

师 （出示图7）还记得老师曾用T形玻璃管与大家共同完成铵态氮肥的检验实验吗？若将上述微型电路组合用于检验氨气，该如何改进呢？

（学生思考。）

生 在另一支管中放入微型电路组合装置。

生 若氨气继续用水来吸收，氨气不能很好地进入吸水材料中，导电性会比较弱。我建议密封，所以下支管也可套上乳胶头或导管并密封。

生 实验结束后，需要处理T形管中的残留氨气，我建议下支管密封后打开通入水中，用水来吸收氨气，所以下支管的乳胶头下端要开口并用止水夹夹紧。

（经过讨论，师生总结出相对最优的方案，实验装置如下页图8所示。）

在常规的教学中，微粒运动主要通过微粒接触酸碱指示剂或者微粒与某种试剂反应产生特殊现象来验证。如氨气可用酚酞检验，二氧化碳可用石蕊或澄清石灰水检验。而改进后的实验可以借助电学，设计微型电路组合（类似数字传感器的雏形）来检验，且设计后的实验现象明显，操作简单可行。这样的实验，有利于引导学生进行学习迁移，依据用途建立模型，发展建构模型的意识与能力。具体的实验改进过程比较复杂，能够锻炼学生查阅资料和选取材料的能力。在选材和不断试错的过程中，能够发展学生的动手操作能力，培养学生锲而不舍的精神和团队合作能力。

二、利用杠杆原理完成化学对比实验

【片段2】

师 （出示图9）T形玻璃管还可以用于苏打与小苏打热稳定性的对此实验。加热小苏打有气体溢出，依据质量守恒定律，右端支管中固体质量减少。大家小时候都玩过跷跷板吧，如果把T形管当成跷跷板，能否依据杠杆原理设计实验证明小苏打在加热时质量减少呢？

（学生思考。）

生 用绳子从T形管中间系上拉起来就行了。系绳子的位置就是支点，两水平支管就是力臂。

（学生画出实验草图，如图10所示。）

（教师带领学生尝试完成实验，发现：因为是玻璃仪器，绳子不好系，容易打滑。）

生 老师，我想到一个好主意，可以用磁铁固定。T形管里用磁珠，外面用带环的磁铁，再用绳子系着。

（教师找来小磁珠和带环磁铁后再次尝试，成功组装出了实验装置。但是，对药品加热后，发现：虽然T形管发生了偏移，但不易观察。）

生 老师，我看托盘天平上有小指针，我们何不在T形管的下支管上也画上“小指针”呢？

生 这个建议好！老师，我还建议将T形管下端伸入试管中，试管内装有澄清石灰水，这样不仅能观察到化学实验现象，而且即使发生轻微偏移，下支管也会与试管内壁相碰，这样就能及时确认不平衡状态了。

（在大家集思广益之下，师生边思考边做边改进，很快设计并完成了较优的实验方案，实验装置如下页图11所示。）

原有的实验仅能通过澄清石灰水是否变浑浊这一现象来区分小苏打和苏打，而改进后的实验除了仍具有原有的化学实验现象，还融入了杠杆原理。磁珠和磁环共同构成了磁铁组合，牵引着T形管；磁珠作为杠杆的支点，两水平支管作为力臂，形成简易天平，巧妙地将杠杆原理和磁现象运用于化学实验中。在该实验探究过程中，采用边思考边实验边改进的方法，学生的思维不断升级，灵活选择恰当的仪器，跳出常规思维，化身设计师来主动探索。这种思路还可以用于多个化学对比实验，如：在两个支管上分别吊等质量的铁块和铜块，然后分别伸入稀盐酸中，比较质量的改变。

三、利用光学原理完成化学性质实验

【片段3】

师 同学们，我们初中化学中用到很多实验仪器都是圆柱形或者球形的，例如上述实验中用到的烧杯、试管、T形管等。有同学说，这样的仪器可以放大物体，让现象更明显，这涉及什么原理？

生 圆柱形或者球形玻璃容器中装入液体，就相当于凸透镜，利用光的折射原理，可以将物体放大。

师 回答得很好！利用光学仪器测出装有溶液的容器的焦距实验，很多学生都做过。若溶液的密度、浓度、温度、颜色、溶质等因素改变，会不会影响容器的焦距呢？

生 可能会影响，需要做实验验证。

师 那利用酸碱中和反应来检测结果如何？接下来我们设计分组实验来验证。

（学生完成实验方案设计。实验仪器：如图12所示的光学实验仪器组合，10%左右的氢氧化钠溶液、10%左右的稀盐酸、胶头滴管等。实验步骤：① 在半月形容器中加入适量的10%左右的氢氧化钠溶液，打开平行光，测出焦距并记录；向上述氢氧化钠溶液中逐滴加入相同量的10%左右的稀盐酸，观察并记录焦距。实验现象：实验前焦距为7.3 cm，实验结束后焦距为8 cm。实验结论：化学变化引起溶液性质的改变，进而引起容器焦距的改变。）

总之，此跨学科实践案例，分别从电、力和磁、光三个角度，将物理原理融于化学实验教学中，实现了“1＋1＞2”的教学效果。实验创新的融合要为教学服务，要体现创新的价值。学生自主创新实验的过程就是学生核心素养生成的过程。学生在教师指导下开展科学探究，先要有基本学科知识作为铺垫（学科观念），在学科融合的科学思维引导下形成方法，即以认知猜模型（方案雏形），体现了模型认知思想，借助查阅资料、选取合适材料不断进行实验（验证模型）、改进实验（优化模型），并在科学态度与社会责任意识指导下进行，最后通过实验现象来进行证据推理，用不同学科观念对结论进行解释，得出结论，拓展应用。整个实验改进创新过程就是创新思维不断绽放的过程。