基于STEAM理念的焰色反应实验改进

林建芬+陈秋伶+刁卓+钱扬义

摘要：高中化学必修模块中的焰色反应实验存在现象不明显、操作繁琐等缺憾，在课堂教学中不便于学生进行观察。经查阅文献、分析借鉴已有的改进方法，基于STEAM理念，自主设计了喷雾瓶装置、彩色火焰打火机装置和焰色反应图谱装置，分别进行了焰色反应实验。改进后的实验现象清晰，操作方便，实验效果好。同时对实验改进与教学实施提出了一些想法和建议。

关键词：焰色反应；喷雾法；彩色火焰打火机；STEAM理念；实验改进

文章编号：1005-6629（2017）8-0065-03

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

1问题的提出

焰色反应是高中必修模块化学1中的一个重要实验，对学生联系生活经验、培养化学艺术美感具有积极的促动作用。笔者在课堂上指导学生完成教材实验时，发现了3个问题：（1）由于酒精灯黄色火焰干扰，难以观察到KC1灼烧所产生的紫色火焰，而透过可滤去黄光的蓝色钴玻璃观察时，发现观察到的颜色失真，学生不能确定火焰就是紫色。（2）由于酒精灯黄色火焰干扰，学生甚至难以确定NaCl灼烧所产生的黄色火焰。（3）铂丝价格昂贵，实验后还需要洗涤，操作过程较复杂，可见实验存在改进的必要性。于是，笔者查阅文献资料，进行分析述评，归纳出粉笔法、试纸法、坩埚法、铝箔法、固体酒精法、喷雾瓶法等多种改进方法。我们对各个方法进行了尝试，总结其优缺点后，自主设计了喷雾瓶法进行焰色反应，并进一步研制设计了彩色火焰打火机、焰色反应图谱装置，在STEAM理念（Science-Technology-Engineering-Art-Math，科学一技术一工程一艺术一数学）的基础上进行跨学科融合学习。学生在体验焰色反应带来化学艺术之美的同时，也能通过制作实验装置活动感受到化学的设计美、技术美、创造美与工程美，见图1。

2实验设计

2.1实验原理

生活中烟花绽放、生日蜡烛上的彩色火焰，信号弹、炒菜时汤汁溅到火焰上等不同场景都存在着焰色反应的身影。焰色反应是指某些金属或它们的化合物在无色火焰中灼烧时使火焰呈现特殊颜色的反应。教材实验是使用一根清洁且较不活泼的金属丝（例如铂或镍铬合金）盛载块状或粉末状的金属或其化合物，再放到酒精灯火焰上会呈现出特征颜色。本实验自主设计研制的特定配比喷雾瓶、彩色火焰打火机、焰色反应图谱装置都是基于焰色反应原理和STEAM教育理念进行设计。

2.2实验用品

实验药品：①分析纯的固体药品：碳酸锂、氯化钠、氯化钾、氯化钙、硝酸锶、氯化钡、氯化铜；②分析纯的液体药品：盐酸、无水乙醇、蒸馏水

实验仪器：火柴（1盒）、酒精灯（1个）、升降台（1个）、燒杯（6个）、喷雾瓶（2个）、脱脂棉（1包）、坩埚钳（1把）、棉签盒（1组）、棉签（10支）、铂丝（1根）、钴玻璃（1块）、打火机（5个）、焰色反应图谱装置（1组）、湿抹布（1块）

2.3实验装置

自主研制的3个焰色反应改进装置，所选择的材料和使用方法如下：（1）喷雾瓶装置：需要喷雾瓶、乙醇、蒸馏水、金属盐等材料，使用方法是将金属盐溶液与乙醇混合，装入喷雾瓶中，向燃着的酒精脱脂棉火焰上方喷射混合液。（2）彩色火焰打火机装置：以市面上常见的防风打火机为火源，在喷火口周围涂抹金属盐即成。（3）焰色反应图谱装置：内部结构主要由丁烷便携气瓶、卡式阀门、橡胶软管、四嘴喷火枪主管、固定台组成，外部结构由四嘴喷火枪喷嘴、定制盒、背景板组成，见图2。使用方法：打开丁烷气瓶阀门，用打火枪点燃喷嘴口的丁烷气体后，用棉签、铁丝、铂丝等载体蘸取待测样品在火焰上灼烧，产生焰色效果十分明显，实验结束后关闭丁烷气瓶阀门即可。

3实验过程

3.1利用喷雾瓶法改进焰色反应实验

对喷雾溶液中各成分的比例逐一尝试，得到现象最明显、黄色尾焰影响最小的配比，即绿豆粒般大小的金属盐固体溶于lOOmL水中，再将水与酒精的体积比按1：1.5配制，用微微湿润的棉花蘸取足量酒精，分别点燃即可喷出焰色较纯（NaCl为黄色、KC1为紫色）且火焰团较大的火焰。优点在于学生观察到的现象非常明显，且实验操作简单。

3.2利用彩色火焰打火机改进焰色反应实验

用一个喷火口不涂金属盐的打火机做空白对照实验，在其他4个打火机喷火口周围分别涂抹不同金属盐，如NaCl、KC1、CuCl₂、CaCl₂，，按下打火机即可观察到有不同颜色的火焰。用彩色火焰打火机法改进焰色反应的优点有3个：（1）取材生活化，将应用与生活中常见的物品相联系，培养学生思维迁移的能力，体会“创造美”。（2）制作简单，学生可以自行制作。（3）利用焰色反应产生多彩的颜色，用“化学美”培养学生的化学兴趣。

3.3 利用焰色反应图谱装置改进焰色反应实验

以丁烷为燃料，接上一个拥有4个并排喷火嘴的燃气管，再对其进行包装，制成一个焰色反应图谱装置。利用自主研制的焰色反应图谱装置进行实验，装置火焰呈现淡蓝色，用价格低廉的棉签代替铂丝，先做空白实验证明棉签不影响焰色，然后蘸取药品灼烧，看到明显现象，证明药品状态不影响其焰色反应。再利用装置再现课本上给出的7种金属元素的焰色反应现象，拍照形成自制的焰色反应精彩化学图谱，见图3。优点有4个：（1）火焰温度高，显色迅速。（2）火焰呈现淡蓝色，消除黄色火焰干扰，使现象明显、准确。（3）打破液体的局限，以棉签为载体，可以蘸取固体或液体药品进行实验。（4）可同时进行四种金属元素的焰色反应，形成对比，便于教学，同时火焰的缤纷多彩体现“化学美”，而装置为实验的增光添彩也体现化学的“创造美”和“工程美”。

4结论与建议

4.1结论

教材中的焰色反应实验具有实验现象不明显，操作繁琐等缺点，在课堂教学中不便于学生观察。笔者在执教时，让学生先熟悉焰色反应原理并对原理进行深度分析后，基于STEAM理念驱动学生使用喷雾瓶装置、彩色火焰打火机装置、焰色反应图谱装置进行焰色反应改进实验活动。其中，喷雾瓶法是在大量实验探究活动后得以成功配制其溶液配比，在现象与稳定性方面使得教学效果更好；彩色火焰打火机法简单易操作、取材于生活；而焰色反应图谱装置是专为焰色反应设计的，能够完美再现课本实验。上述改进方案既提高了教师教学效果，义提升了学生学习兴趣，体现了化学美和创造美。

4.2建议

化学是一门以实验为基础的科学，随着课程改革的推进，化学实验的教学功能和价值不再局限于知识和技能的掌握，而正朝着促进学生全面发展、提升化学核心素养的方向改革。教材中的经典演示实验或探究活动，均建立在大量实证研究的基础上，有着意义深刻的教育教学功能和立德树人价值，促进学生对基本化学知识和实验基本技能的掌握。而实验改进作为一线教师在教学实践中深入研究和不断创新的成果，在对学生学习过程与方法、情感态度与价值观的培养和思维能力的训练等方面发挥着重要作用。基于核心素养发展的教学立足于让学生适应现代生活和未来发展的需要，教师应正确处理好传统实验和改进实验在教学中的价值和关系，将二者有机融合，让化学实验充分发挥培育学生核心素养的功能与价值，让学生体会化学的思维、实验、方法、技术之美。endprint