王振 胡志剛
摘要: 以“金屬樹”趣味實(shí)驗(yàn)整合初中化學(xué)核心知識(shí),讓學(xué)生在“玩”的過程中突破難點(diǎn),為學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)尋找切入點(diǎn)。介紹“金屬樹”(“銅樹”、“錫樹”和“銀樹”)趣味實(shí)驗(yàn)的制作,并應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐。用“銅樹”的制作鞏固和加深學(xué)生對(duì)金屬活動(dòng)性順序表的理解和應(yīng)用,提升學(xué)生三重表征能力。探究鋅和氯化銅溶液制“銅樹”的最佳濃度,把單純的配制溶液內(nèi)容改為趣味探究性實(shí)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞: 趣味實(shí)驗(yàn); 金屬樹; 銅樹; 三重表征; 實(shí)驗(yàn)探究
文章編號(hào): 1005-6629(2018)7-0086-04 中圖分類號(hào): G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B
新一輪的課程標(biāo)準(zhǔn)明確提出要更新教學(xué)內(nèi)容: 進(jìn)一步精選學(xué)科內(nèi)容,重視以學(xué)科大概念為核心,使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化,以主題為引領(lǐng),使課程內(nèi)容情景化,促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)[1]。趣味實(shí)驗(yàn)備受學(xué)生和教師的親睞,但對(duì)趣味實(shí)驗(yàn)教育價(jià)值的開發(fā)略顯不足。如“銅樹”的制作,陳凱等[2](2008)借鑒并改進(jìn)了早期日本《化學(xué)教育》雜志介紹的“金屬樹”的制作,作為金屬化學(xué)性質(zhì)的補(bǔ)充實(shí)驗(yàn);許燕紅等[3](2015)從單因素角度探究了銅樹的最佳生長(zhǎng)條件;徐春蕓[4](2017)提及簡(jiǎn)單易行且符合綠色化學(xué)理念的微型實(shí)驗(yàn)銅樹制作,卻都沒有深度挖掘其教育功能。筆者嘗試以“金屬樹”趣味實(shí)驗(yàn)的制作為主題,以置換反應(yīng)、金屬活動(dòng)性順序表等化學(xué)知識(shí)為核心,讓學(xué)生在“玩”的過程中突破難點(diǎn),為學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)尋找落腳點(diǎn)。
1 “金屬樹”趣味實(shí)驗(yàn)
1.1 實(shí)驗(yàn)用品
培養(yǎng)皿、膠頭滴管、宣紙(白色生宣或黑宣)、鋅粒、金屬化合物溶液(1mol/L硫酸銅溶液,1mol/L二氯化錫溶液,1mol/L硝酸銀溶液,1mol/L氯化銅溶液)等
1.2 實(shí)驗(yàn)原理
在金屬活動(dòng)性順序表里,位于前面的金屬能把位于后面的金屬?gòu)乃鼈兊幕衔锶芤褐兄脫Q出來[5]。把相對(duì)活潑金屬放到浸有不活潑金屬化合物溶液的紙上,置換出來的金屬沿著紙張就像樹枝一樣逐漸生長(zhǎng),即可觀察到多姿多彩的“金屬樹”。我們以鋅粒為例,來制作形態(tài)各異的“金屬樹”。
“銅樹”: 用鋅粒與硫酸銅溶液(Zn+CuSO4ZnSO4+Cu)或氯化銅溶液(Zn+CuCl2ZnCl2+Cu)反應(yīng);
“錫樹”: 鋅粒與二氯化錫溶液(Zn+SnCl2ZnCl2+Sn)反應(yīng);
“銀樹”: 鋅粒與硝酸銀溶液[Zn+2AgNO3Zn(NO3)2+2Ag]反應(yīng)。
1.3 制作步驟
(1) 把宣紙裁剪成形,放入培養(yǎng)皿內(nèi)(本實(shí)驗(yàn)均為常溫下進(jìn)行)。
(2) 用膠頭滴管吸取溶液滴到宣紙的中央,讓溶液由中心擴(kuò)散直至宣紙呈潤(rùn)濕狀態(tài)。
(3) 把鋅粒放到培養(yǎng)皿中的浸有金屬化合物溶液的宣紙上,蓋好培養(yǎng)皿蓋,觀察現(xiàn)象。
1.4 “金屬樹”制作圖片
在宣紙上完成“金屬樹”的生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn),6h后就能在宣紙上完全長(zhǎng)成形態(tài)美觀、顏色靚麗的各種“金屬樹”。“金屬樹”有的似蒼松,虬枝伸展,蒼勁有力;有的似雪花,玉琢銀裝,白雪皚皚;有的似海草,隨波逐流,翩翩起舞,見圖1~4。
1.5 注意事項(xiàng)
宣紙和培養(yǎng)皿之間不要留有空隙,溶液以宣紙全部潤(rùn)濕為宜,不宜過多。Sn2+離子極易水解,把二氯化錫固體溶解在濃鹽酸中進(jìn)行配制,把鋅粒放到浸有二氯化錫溶液的宣紙上,會(huì)看到宣紙和培養(yǎng)皿之間有氣泡。銀白的“錫樹”在黑色背景下拍照更明顯。這個(gè)實(shí)驗(yàn)最好能在通風(fēng)櫥中進(jìn)行,以避免濃鹽酸的揮發(fā)造成的安全隱患。鋅粒和硝酸銀溶液反應(yīng),由于在白色宣紙的外圍會(huì)看到紙張發(fā)黃,不美觀,而且白色宣紙會(huì)對(duì)白色的銀造成視覺干擾,所以若把這個(gè)實(shí)驗(yàn)改在黑色宣紙上制“銀樹”效果比較好。
2 “金屬樹”在教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用
2.1 用“銅樹”制作提升學(xué)生三重表征能力
從宏觀、微觀和符號(hào)3種水平上認(rèn)識(shí)和理解化學(xué)知識(shí),并建立3者之間的內(nèi)在聯(lián)系,已成為國(guó)際上公認(rèn)的化學(xué)科學(xué)不同于其他科學(xué)最具特征的思維方式,即化學(xué)的三重表征思維方式[6]。有研究發(fā)現(xiàn)[7]: 任何一種表征的薄弱都會(huì)引起不同表征間轉(zhuǎn)換的困難,并會(huì)進(jìn)一步影響學(xué)生進(jìn)行三重表征的水平和能力。作為一名中學(xué)化學(xué)教師,在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),學(xué)生三重表征發(fā)展不均衡或結(jié)合意識(shí)淡薄,宏觀化學(xué)反應(yīng)與化學(xué)方程式結(jié)合困難,微觀表征更是薄弱,無(wú)法抓住物質(zhì)轉(zhuǎn)化的本質(zhì),造成學(xué)習(xí)脫節(jié)。黃華玲認(rèn)為[8],“物質(zhì)構(gòu)成的奧秘”是初中生形成三重表征思維的鋪墊時(shí)期,“水的組成”是初中生形成三重表征思維的入門時(shí)期,“化學(xué)方程式”是初中生形成三重表征思維的突破時(shí)期,“復(fù)分解反應(yīng)”是初中生形成三重表征思維的深化時(shí)期。而復(fù)分解反應(yīng)是初中一線教師公認(rèn)的教學(xué)難點(diǎn)和分水嶺[9],涉及轉(zhuǎn)化規(guī)律以及化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)理解。筆者認(rèn)為在“化學(xué)方程式”到“復(fù)分解反應(yīng)”的跨度太大,造成學(xué)生三重表征和認(rèn)知上的困難,這兩者中間忽視了一個(gè)重要的臺(tái)階——置換反應(yīng)。筆者嘗試借助“銅樹”的制作,鞏固和加深學(xué)生對(duì)金屬活動(dòng)性順序表的理解和應(yīng)用,提升學(xué)生三重表征能力,教學(xué)設(shè)計(jì)見表1。
【視頻】播放美麗的“銅樹”制作和生長(zhǎng)過程。
學(xué)生觀察,思考。
展現(xiàn)化學(xué)的美,激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲。
【設(shè)問】選擇什么樣的藥品,制作“銅樹”?(提供可選擇的藥品: 硝酸銀溶液,氯化銅溶液,氯化鈉溶液;鐵釘、銅片、鋅粒、銀片)
【提問】為什么不選擇氯化鈉溶液或者硝酸銀溶液?
學(xué)生分組討論選擇的藥品,并派代表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案匯報(bào),其他組同學(xué)質(zhì)疑討論。最終確定以下兩種方案來制“銅樹”: ①氯化銅溶液和鋅粒;②氯化銅溶液和鐵釘。
復(fù)習(xí)鞏固金屬活動(dòng)性順序表,加深對(duì)金屬活動(dòng)性順序表的理解,學(xué)會(huì)利用金屬活動(dòng)性順序表來解決問題。學(xué)習(xí)合作交流,運(yùn)用知識(shí)解決問題。
續(xù) 表
教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)意圖
【總結(jié)】肯定學(xué)生的兩種方案。引導(dǎo)學(xué)生分組合作做實(shí)驗(yàn),教師巡視并給予指導(dǎo)。
學(xué)生分組,按操作步驟完成實(shí)驗(yàn),觀察記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
培養(yǎng)學(xué)生合作意識(shí)、溝通交流、邏輯思維和動(dòng)手操作能力。
【教師引導(dǎo)】播放“美麗化學(xué)”視頻中的置換反應(yīng),記錄描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象: 以鋅粒或鐵釘為中心,慢慢生長(zhǎng)出紅色的物質(zhì)。
宏觀表征: 以能被學(xué)生感知的宏觀化學(xué)之美,吸引學(xué)生的注意,增進(jìn)對(duì)化學(xué)的感情和欣賞,加深對(duì)宏觀化學(xué)變化的印象。
【教師引導(dǎo)】鋅?;蜩F釘周圍生成的紅色物質(zhì)是什么物質(zhì)?播放反應(yīng)的Flash微觀動(dòng)畫視頻。
描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,結(jié)合Flash微觀動(dòng)畫和質(zhì)量守恒定律推導(dǎo)反應(yīng)產(chǎn)物。
微觀探析: 結(jié)合Flash微觀動(dòng)畫和質(zhì)量守恒定律探析化學(xué)轉(zhuǎn)化的微觀本質(zhì)。加深對(duì)質(zhì)量守恒定律及物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的理解。
【教師引導(dǎo)】嘗試用化學(xué)的語(yǔ)言,即化學(xué)方程式來表示“銅樹”的形成。
學(xué)生合作嘗試寫出化學(xué)方程式。Zn+CuCl2ZnCl2+Cu;Fe+CuCl2FeCl2+Cu。
符號(hào)表征: 化學(xué)符號(hào)是宏觀和微觀的紐帶,集宏觀、微觀和化學(xué)計(jì)算于一身,是用精煉的化學(xué)方程式或圖形符號(hào)表達(dá)物質(zhì)轉(zhuǎn)化,是化學(xué)入門的標(biāo)志。
【總結(jié)】三重表征是化學(xué)學(xué)科的一種重要方式。三重表征間切換越順暢,對(duì)化學(xué)的理解越深刻,學(xué)習(xí)效果越好。
識(shí)記“微觀—宏觀—符號(hào)”三重表征是化學(xué)獨(dú)特的表示物質(zhì)及其變化的方法。有意識(shí)地對(duì)三重表征之間的互相切換和理解。
三重表征不能完全依靠學(xué)生自己形成,需要教師的引導(dǎo)和培養(yǎng)。提高學(xué)生三重表征的意識(shí)。
【遷移】如果我們把“銅樹”實(shí)驗(yàn)放到試管中去做,能描述一下實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象嗎?
(鋅和氯化銅溶液;鋅與硫酸銅溶液;鋁與硫酸銅溶液;鐵與硫酸銅溶液)
學(xué)生討論交流。鋅(或鋁)和氯化銅(或硫酸銅)溶液的反應(yīng)現(xiàn)象: 金屬的表面會(huì)有紅色的物質(zhì)生成,溶液的顏色由綠色變淺,乃至無(wú)色。鐵與硫酸銅溶液反應(yīng)現(xiàn)象: 鐵的表面有紅色的物質(zhì)生成,溶液的顏色由藍(lán)色變成淺綠色。
培養(yǎng)學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)能力、邏輯分析能力。并學(xué)會(huì)歸納總結(jié)現(xiàn)象描述的一般規(guī)律: 固體角度(描述被置換出的金屬的顏色),溶液角度(原溶液的顏色變成生成物溶液的顏色),氣體角度(置換反應(yīng)也可能產(chǎn)生氣體)。
【類比】如果我們?cè)谠嚬苤蟹湃霟o(wú)色的硝酸銀溶液,把銅、鐵、鋅、鋁、鎂中的一種放入溶液中,能描述一下實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象嗎?
學(xué)生嘗試預(yù)測(cè)描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。都會(huì)有銀白色的銀生成,溶液顏色部分會(huì)有變化。
總結(jié)強(qiáng)化規(guī)律,學(xué)習(xí)利用規(guī)律快速獲取大量的信息,用金屬活動(dòng)性順序表的規(guī)律預(yù)測(cè)推斷的思維能力,增強(qiáng)語(yǔ)言表達(dá)能力、邏輯分析能力。
【認(rèn)知沖突】如果我們把金屬鈉放入氯化銅溶液中,能描述一下實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象嗎?
【教師驗(yàn)證】把鈉放入盛有氯化銅溶液的燒杯中。
【總結(jié)】鉀、鈣、鈉因?yàn)樘貏e活潑,當(dāng)把它們放到溶液中,它們會(huì)先和水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
學(xué)生推斷: 金屬鈉的表面生成紅色物質(zhì),溶液顏色變淺(生活常識(shí)氯化鈉溶液呈無(wú)色)。
學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn),思考、分析。
用實(shí)驗(yàn)引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突,突出強(qiáng)調(diào)化學(xué)要遵循客觀事實(shí),引導(dǎo)學(xué)生從宏觀現(xiàn)象分析,得出一般規(guī)律中的特例。完善對(duì)金屬活動(dòng)性順序表的理解。
2.2 探究鋅和氯化銅溶液制“銅樹”的最佳濃度
人教版教材《化學(xué)》(九年級(jí)下冊(cè))第九單元實(shí)驗(yàn)活動(dòng)5“一定溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氯化鈉溶液的配制”。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?(1)練習(xí)配制一定溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶液;(2)加深對(duì)溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)概念的理解。本節(jié)課的不足之處是: (1)學(xué)生配制的溶液沒有用到;(2)配制的氯化鈉溶液是無(wú)色透明的,無(wú)法從顏色進(jìn)行比較分析誤差;(3)單純地練習(xí)操作能力,趣味性不夠,學(xué)生興趣不大。因而,筆者嘗試把本節(jié)課“一定溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氯化鈉溶液的配制”改成“探究鋅和氯化銅溶液制‘銅樹的最佳濃度”。為了順利高效地完成課堂教學(xué)目標(biāo),筆者采用分組合作探究教學(xué)模式[10],即把全班分成不同的組,各自配制不同濃度的氯化銅溶液(6%,12%, 42%),最后配制的溶液由不同組之間共享。在進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)時(shí),制作不同濃度溶液的“銅樹”,見圖5。12%的CuCl2溶液(即1.0mol/L的CuCl2溶液)所形成的“銅樹”最快,枝條清晰、顏色亮麗。這和許燕紅等[11]所得的銅樹的最佳生長(zhǎng)條件(30℃時(shí),用1.0mol/L的CuCl2溶液與鋅片反應(yīng))的結(jié)論相同。
通過對(duì)“銅樹”最佳濃度的探究,不僅練習(xí)了配制一定溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶液,加深了學(xué)生對(duì)溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)概念的理解和應(yīng)用,而且強(qiáng)化了班集體的團(tuán)體觀念,提高了課堂時(shí)間利用效率。通過對(duì)不同濃度制作的“銅樹”的探究,讓學(xué)生知道配制一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶液的能力在社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)研究中有重要的作用,進(jìn)一步理解科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)性,端正學(xué)習(xí)化學(xué)的態(tài)度。
3 思考和啟示
3.1 “銅樹”實(shí)驗(yàn)的意外收獲
教材在試管中鋁和硫酸銅溶液的置換反應(yīng),藥品用量多,產(chǎn)物回收價(jià)值小,造成資源浪費(fèi),溶液中生成的金屬樹附著在金屬絲上不牢固,稍微震動(dòng)就會(huì)脫落,不利于多個(gè)班級(jí)的演示。試管中的實(shí)驗(yàn)改成在宣紙上實(shí)驗(yàn),不僅藥品用量少(直徑5.0cm的培養(yǎng)皿中,金屬化合物溶液10滴即可),而且制作的“金屬樹”可以用標(biāo)本膜塑封,保存紀(jì)念。在實(shí)驗(yàn)中還產(chǎn)生了一個(gè)有趣的現(xiàn)象,在一個(gè)培養(yǎng)皿中放兩粒鋅,就會(huì)以鋅粒為中心生長(zhǎng)成兩棵金屬樹,待金屬樹完全成型,“樹枝”彼此之間形成一個(gè)明顯的分界線。筆者認(rèn)為,鋅粒和硫酸銅溶液反應(yīng)生成的銅形成原電池,Cu2++2e-Cu,產(chǎn)生的銅不斷在“銅枝”上沉積,就像樹枝一樣生長(zhǎng),樹枝長(zhǎng)到的地方溶液由藍(lán)色變?yōu)闊o(wú)色。當(dāng)兩個(gè)銅枝朝同一個(gè)地方相向生長(zhǎng),“銅枝”之間Cu2+消耗殆盡,“銅樹”無(wú)法繼續(xù)生長(zhǎng),即形成彼此相望,卻不交織在一起的有趣畫面。
3.2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)凸顯化學(xué)美
改進(jìn)“銅樹”實(shí)驗(yàn),不僅提高了學(xué)生的參與度,而且凸顯了化學(xué)美。義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)在“身邊的化學(xué)物質(zhì)”章節(jié)明確提出: 用五彩繽紛的化學(xué)物質(zhì)和豐富多彩的化學(xué)變化,讓學(xué)生體驗(yàn)化學(xué)美[12]?;瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)蘊(yùn)含著豐富的美,但實(shí)驗(yàn)美是含蓄的,需要不斷探索怎樣凸顯化學(xué)的美。國(guó)內(nèi)有很多教育工作者和科研人員也在積極探索結(jié)合科技背景下化學(xué)美育的新途徑,如凌一洲[13]利用可視化實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)美育滲透,將原本實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象、過程等進(jìn)行藝術(shù)化的圖像呈現(xiàn)(即實(shí)驗(yàn)可視化)或改進(jìn)實(shí)驗(yàn),使美學(xué)特征更加突出和豐富,降低學(xué)生認(rèn)知負(fù)擔(dān),提升審美能力。再如梁琰等人組成的“美麗化學(xué)”團(tuán)隊(duì),采用顯微、微距、熱成像、高速、延遲等攝像技術(shù),給化學(xué)美找到了一種新的打開方式。
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