李娟　凌一洲　李德前

摘要： 以“銅鐵置換反應(yīng)實(shí)驗(yàn)”的可視化改進(jìn)為例，用智能手機(jī)的延時(shí)攝影功能錄制48小時(shí)的反應(yīng)過(guò)程，并壓縮成96秒的視頻，使化學(xué)反應(yīng)的完整過(guò)程清晰直觀地呈現(xiàn)。延時(shí)攝影技術(shù)為實(shí)驗(yàn)者提供了更感性的體驗(yàn)和更豐富的直觀材料，適合應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

關(guān)鍵詞： 延時(shí)攝影; 銅鐵置換反應(yīng); 可視化; 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)： 10056629（2019）10006703中圖分類號(hào)： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 過(guò)程可視化的概念與作用

“可視化”是指利用一系列方法，讓原本不可見的事物可以被看見?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)中的“過(guò)程可視化”是指通過(guò)某些技術(shù)方法的改進(jìn)，讓原本不便于觀察的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程易于觀察。

大部分化學(xué)反應(yīng)的速率都較快，其過(guò)程本身就易于觀察。但仍然有部分反應(yīng)速率非常緩慢，長(zhǎng)達(dá)幾十分鐘、幾小時(shí)甚至幾天，耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)不便于實(shí)驗(yàn)者直觀地感受反應(yīng)的全過(guò)程。一方面，受到現(xiàn)實(shí)條件的限制，實(shí)驗(yàn)者無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間地集中精力，連續(xù)地觀察現(xiàn)象;另一方面，由于化學(xué)反應(yīng)速率緩慢，許多變化都在不知不覺(jué)中發(fā)生，即使實(shí)驗(yàn)者連續(xù)地觀察也很難辨識(shí)。例如，溶液的蒸發(fā)結(jié)晶過(guò)程非常緩慢，實(shí)驗(yàn)者往往只能觀察到結(jié)晶的結(jié)果和幾個(gè)孤立的片段;又如，金屬與酸反應(yīng)的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，雖然生成氣體的過(guò)程迅速而明顯，但金屬體積減小的過(guò)程卻非常緩慢，難以察覺(jué)。

因此，化學(xué)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程可視化就是利用延時(shí)攝影（或高速攝影）等技術(shù)手段，把時(shí)間跨度太長(zhǎng)（或太短）的反應(yīng)過(guò)程壓縮（或延長(zhǎng)）成幾秒或幾十秒，把過(guò)于緩慢（或快速）的反應(yīng)進(jìn)程快進(jìn)（或慢放）成便于肉眼識(shí)別的速率。

2 延時(shí)攝影技術(shù)的研究概述

延時(shí)攝影（Timelapse photography）又稱縮時(shí)攝影，是以一種將時(shí)間壓縮的拍攝技術(shù)。延時(shí)攝影通常應(yīng)用于拍攝城市風(fēng)光、自然風(fēng)景、天文現(xiàn)象、城市生活、建筑制造、生物演變等題材上[1]。近年來(lái)也出現(xiàn)于物理、生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，例如李中原[2]等利用延時(shí)攝影技術(shù)拍攝緩慢的滲透作用實(shí)驗(yàn)，王蕾[3]用延時(shí)攝影技術(shù)觀察氣體（固體）的擴(kuò)散現(xiàn)象。在化學(xué)領(lǐng)域，“美麗科學(xué)”團(tuán)隊(duì)用高清攝像機(jī)創(chuàng)作的《美麗化學(xué)》《重現(xiàn)化學(xué)》系列影片都利用了延時(shí)攝影技術(shù)，通過(guò)影像的快速變化創(chuàng)造出強(qiáng)烈的視覺(jué)沖擊。但是，尚未有文獻(xiàn)介紹適合中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用的延時(shí)攝影的具體方法。

應(yīng)用在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中時(shí)，出于控制成本、降低難度的需要，延時(shí)攝影適合用師生自己的智能手機(jī)完成，既可以用手機(jī)自帶的攝影功能拍攝，也可以用“Lapse It”等免費(fèi)軟件拍攝。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率和實(shí)驗(yàn)者觀察需求的不同，需要自行設(shè)置不同的參數(shù)，其計(jì)算式為：

式中： 視頻時(shí)長(zhǎng)（秒）為最終呈現(xiàn)視頻的時(shí)長(zhǎng);錄像時(shí)長(zhǎng)（秒）為錄制化學(xué)反應(yīng)全過(guò)程所需的時(shí)間，需要實(shí)驗(yàn)者預(yù)估;各幀間隔時(shí)間（秒/幀）為攝像機(jī)每拍1幀所間隔的時(shí)間，需要實(shí)驗(yàn)者事先設(shè)定;視頻幀速率（幀/秒）為最終視頻每秒播放的幀數(shù)，它決定了最終視頻的流暢度，通常為系統(tǒng)默認(rèn)的20、 24或30幀/秒。

例如，預(yù)計(jì)某化學(xué)反應(yīng)共需48小時(shí)（錄像時(shí)長(zhǎng)172800秒），實(shí)驗(yàn)者希望把該過(guò)程壓縮到1.6分鐘來(lái)觀看（視頻時(shí)長(zhǎng)96秒），采用系統(tǒng)默認(rèn)流暢度（視頻幀率30幀/秒），通過(guò)計(jì)算可知，應(yīng)該設(shè)置各幀間隔時(shí)間為60秒/幀。

3 延時(shí)攝影技術(shù)的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

本文以“銅鐵置換反應(yīng)實(shí)驗(yàn)”為例，介紹延時(shí)攝影技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

3.1 實(shí)驗(yàn)背景

傳統(tǒng)的銅鐵置換反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的操作是： 把鐵釘放入盛有硫酸銅溶液的試管中，由實(shí)驗(yàn)者手持試管，用肉眼直接觀察。該方法通常能觀察到鐵釘表面淡淡地附著了一層紅色固體，但仍然存在以下不足： ①銅鐵置換反應(yīng)是一個(gè)緩慢的過(guò)程，幾分鐘的實(shí)驗(yàn)僅僅能呈現(xiàn)反應(yīng)初期的現(xiàn)象，而非完整過(guò)程;②生成金屬銅的量很少，其細(xì)節(jié)形態(tài)無(wú)法觀察;③生成的硫酸亞鐵溶液顏色非常淺，且容易被氧化，很難觀察到淺綠色[4];④無(wú)法證明反應(yīng)構(gòu)成了銅鐵原電池。為解決上述問(wèn)題，本文用延時(shí)攝影的技術(shù)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的可視化。

3.2 實(shí)驗(yàn)用品

試劑和儀器： 硫酸銅、鐵塊、透明塑料瓶或玻璃瓶（20～30mL）、滴管（注： 鐵塊呈階梯軸形，細(xì)端能夠伸入瓶口而粗端不能，如圖1所示。如果沒(méi)有形狀合適的鐵塊，可以在柱狀鐵塊一端纏繞膠帶自制，亦可用合適大小的鐵質(zhì)粗螺栓代替。）

3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 在塑料瓶底部鋪一層硫酸銅粉末，并加入飽和硫酸銅溶液至接近瓶口。把塑料瓶放在遠(yuǎn)離擾動(dòng)的桌面上，調(diào)整光線背景。

（2） 把智能手機(jī)安裝在三腳架上，攝像頭對(duì)焦塑料瓶（見圖2）。預(yù)測(cè)錄像時(shí)間為48小時(shí)，為防止錄像中斷，把手機(jī)設(shè)置為飛行模式，關(guān)閉鬧鐘，連接充電器。

（3） 打開延時(shí)攝影軟件，通過(guò)計(jì)算，設(shè)置各幀間隔時(shí)間為60秒/幀（視頻幀速率為默認(rèn)的30幀/秒）。把鐵塊倒扣于塑料瓶口（開始反應(yīng)），同時(shí)開始錄像。

（4） 48小時(shí)后結(jié)束錄像（亦可根據(jù)反應(yīng)實(shí)際進(jìn)程提前或延期結(jié)束）。延時(shí)攝影技術(shù)自動(dòng)把48小時(shí)的過(guò)程壓縮成1.6分鐘。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

延時(shí)攝影技術(shù)在視覺(jué)上相當(dāng)于把化學(xué)反應(yīng)速率“加快”了1800倍，使動(dòng)態(tài)變化過(guò)程清晰可見。觀看視頻可知，本次銅鐵置換反應(yīng)大致經(jīng)歷了表1的幾個(gè)過(guò)程。

3.5 實(shí)驗(yàn)拓展

上述的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)以水作為反應(yīng)介質(zhì)，生成的金屬銅容易受到氣泡的擾動(dòng)而脫落。如果用瓊脂凝膠代替水作為介質(zhì)，就能使金屬銅的生長(zhǎng)環(huán)境更加堅(jiān)韌，有時(shí)可以持續(xù)穩(wěn)定地向下延伸（見圖3），直至把底部的硫酸銅固體全部消耗，與鐘乳石的生長(zhǎng)過(guò)程類似。在凝膠中的置換反應(yīng)更加緩慢，需要3～4天的時(shí)間。

4 延時(shí)攝影技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

4.1 更感性的體驗(yàn)

傳統(tǒng)的教師演示只允許學(xué)生粗略地瀏覽現(xiàn)象，學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)缺少感性認(rèn)識(shí)。延時(shí)攝影技術(shù)的改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的可視化，通過(guò)時(shí)間的變幻創(chuàng)造強(qiáng)烈的視覺(jué)沖擊，給予學(xué)生嶄新的視覺(jué)體驗(yàn)，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和探究熱情。

4.2 更豐富的直觀材料

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生憑借肉眼觀察，獲得的信息非常有限。經(jīng)過(guò)延時(shí)攝影技術(shù)的改進(jìn)，學(xué)生可以獲得更豐富的直觀材料，為分析、解釋實(shí)驗(yàn)提供支持;同時(shí)，延時(shí)攝影技術(shù)也為學(xué)生的探究活動(dòng)提供了獲得證據(jù)的方法[5]。例如，經(jīng)過(guò)改進(jìn)的銅鐵置換實(shí)驗(yàn)可以直接證明原電池的存在： 銅鐵置換反應(yīng)的本質(zhì)是銅離子與鐵原子的氧化還原反應(yīng)，而銅離子（分界面下方）與鐵塊（分界面上方）不直接接觸，如果不存在原電池，電子的轉(zhuǎn)移就無(wú)法發(fā)生，反應(yīng)就不可能進(jìn)行。因此，延時(shí)攝影技術(shù)拍攝的實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接證明了反應(yīng)體系必須構(gòu)成原電池，以金屬銅作為導(dǎo)線傳遞電子。

參考文獻(xiàn)：

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