利用化學(xué)實(shí)驗(yàn)素材開發(fā)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程

摘要： 將微距攝影的技術(shù)引入僅用一兩滴試劑的微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)，并以此為素材設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)施了綜合實(shí)踐活動(dòng)課程。課程設(shè)計(jì)按照教育部《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程指導(dǎo)綱要》的要求，遵循自主性、實(shí)踐性、開放性、整合性、連續(xù)性的原則。課程內(nèi)容包括微距攝影技術(shù)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)、基于教材實(shí)驗(yàn)的溫故知新、基于問(wèn)題解決的專題探究、基于科學(xué)攝影的藝術(shù)創(chuàng)作等4項(xiàng)子活動(dòng)，在指導(dǎo)學(xué)生靈活運(yùn)用微距攝影技術(shù)的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)。實(shí)踐表明，課程受到學(xué)生歡迎，達(dá)到了預(yù)期效果，化學(xué)教師具有參與綜合實(shí)踐活動(dòng)課程開發(fā)與實(shí)施的能力和條件。

關(guān)鍵詞： 綜合實(shí)踐活動(dòng)課程； 微距攝影； 微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)； 綜合素質(zhì)； 可視化

文章編號(hào)： 10056629（2018）8002905 中圖分類號(hào)： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

2017年9月底，教育部印發(fā)《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程指導(dǎo)綱要》（以下簡(jiǎn)稱《指導(dǎo)綱要》），

明確綜合實(shí)踐活動(dòng)課程是必修課，與學(xué)科課程并列設(shè)置，面向各年級(jí)全體學(xué)生實(shí)施?！吨笇?dǎo)綱要》明確要求，綜合實(shí)踐活動(dòng)課程的內(nèi)容選擇與組織應(yīng)遵循自主性、實(shí)踐性、開放性、整合性、連續(xù)性的原則。為此，筆者嘗試將微距攝影引入微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)（僅用一兩滴試劑），并以此為主要素材設(shè)計(jì)并實(shí)施高中綜合實(shí)踐活動(dòng)課程。

1 活動(dòng)設(shè)計(jì)

課程以《指導(dǎo)綱要》為指導(dǎo)，總體思路是指導(dǎo)學(xué)生掌握微距攝影的方法，將其靈活運(yùn)用于多種探究活動(dòng)，解決簡(jiǎn)單的科學(xué)問(wèn)題，進(jìn)行簡(jiǎn)單的藝術(shù)創(chuàng)作。課程分為4個(gè)子活動(dòng)進(jìn)行，其各自的主題和具體內(nèi)容見(jiàn)表1。

2 活動(dòng)準(zhǔn)備

選擇合適的攝影設(shè)備是活動(dòng)實(shí)施的基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外研究者主要用數(shù)碼顯微鏡或普通顯微鏡與照相機(jī)的組合完成顯微攝影[1～4]，但在中學(xué)實(shí)施時(shí)可能存在價(jià)格昂貴、無(wú)法任選觀察角度、實(shí)驗(yàn)空間受到載物臺(tái)限制、無(wú)法觀察固體顏色等局限。因此，筆者選擇了微距鏡頭和智能手機(jī)的組合[5]。

除了完成微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)所需的基礎(chǔ)試劑、儀器外，本活動(dòng)還需要以下材料： 微距鏡頭、手機(jī)、數(shù)碼存儲(chǔ)設(shè)備、載玻片（或透明亞克力板）、手電筒等。

3 活動(dòng)過(guò)程

3.1 微距攝影技術(shù)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)

首先，筆者結(jié)合自己和他人的實(shí)驗(yàn)成果[6]介紹了微距攝影的方法、用途和效果（30min）。接著以高錳酸鉀溶液與過(guò)氧化氫溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)為例，現(xiàn)場(chǎng)演示了其中一種操作方法（10min）。

將手機(jī)平放在鐵架臺(tái)底部，在前置攝像頭上安裝微距鏡頭。用木夾夾持載玻片并移動(dòng)至合適高度，使載玻片上表面能被攝像頭清晰對(duì)焦。在載玻片上滴一滴高錳酸鉀溶液和一滴過(guò)氧化氫溶液（間隔約2mm），用牙簽撥動(dòng)其中一滴液滴，使其與另一滴融合并反應(yīng)，用手機(jī)視頻拍攝功能記錄這一過(guò)程。原本密密麻麻、迅速移動(dòng)的小氣泡在手機(jī)屏幕上清晰地呈現(xiàn)，原本轉(zhuǎn)瞬即逝的顏色變化也能通過(guò)手機(jī)視頻回放輕松地觀察。

然后，筆者讓學(xué)生自己完成剛剛的實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)該過(guò)程（20min）。在此期間，一些學(xué)生遇到了問(wèn)題，例如： 攝像頭無(wú)法清晰對(duì)焦（木夾高度不合適），拍攝畫面曝光過(guò)度（白熾燈直射攝像頭），滴加的液滴不圓潤(rùn)不飽滿（沒(méi)有掌握技巧）等。這些問(wèn)題或通過(guò)互相交流解決，或由筆者現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)解決。值得一提的是，不少學(xué)生還做出了創(chuàng)新的嘗試。

案例一 有學(xué)生認(rèn)為，微距鏡頭的工作原理相當(dāng)于一個(gè)凸透鏡。于是，他在手機(jī)前置攝像頭上滴一滴水，自制“水滴透鏡”代替微距鏡頭，竟然也實(shí)現(xiàn)了微距攝影的功能。課后，他與物理教師合作，進(jìn)一步探究了水滴透鏡的外形（直徑、凸起程度、體積）對(duì)拍攝效果（焦距、放大倍率、清晰度、畸變程度）的影響。這樣，課程內(nèi)容就從化學(xué)延伸到了物理等其他學(xué)科。

除案例一外，其他新嘗試還包括： 用平板電腦代替手機(jī)拍攝；手持載玻片代替鐵架臺(tái)和木夾的夾持；用后置攝像頭俯拍的模式代替前置攝像頭仰拍；用筆芯或玻璃棒代替滴管滴加液滴；用手機(jī)燈光、激光筆等光源代替日光燈……一些做法確實(shí)取得了更好的效果。

3.2 基于教材實(shí)驗(yàn)的溫故知新

在掌握微距攝影的技術(shù)后，筆者引導(dǎo)學(xué)生自選教材中曾經(jīng)學(xué)過(guò)的實(shí)驗(yàn)，并以小組合作的形式重做實(shí)驗(yàn)。在此過(guò)程中，學(xué)生觀察到了更細(xì)膩的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，發(fā)現(xiàn)了更多的信息，體驗(yàn)到了化學(xué)反應(yīng)的神奇，甚至成功改進(jìn)了一些曾經(jīng)失敗的實(shí)驗(yàn)。

案例二 一組同學(xué)曾經(jīng)做過(guò)硫酸亞鐵和氫氧化鈉反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)[7]，但只看到了灰綠色沉淀，因此決定用微距攝影技術(shù)重做實(shí)驗(yàn)。第一次嘗試時(shí)，他們?cè)谳d玻片上先后滴加氫氧化鈉和硫酸亞鐵（溶液，各一滴），用牙簽撥動(dòng)硫酸亞鐵，使其與氫氧化鈉混合、反應(yīng)，用微距攝影技術(shù)記錄全過(guò)程，但在2滴液滴交界處依然生成了灰綠色固體。第二次嘗試時(shí)，他們把載玻片換成打磨過(guò)的鐵片（試圖把溶液中的三價(jià)鐵離子還原），結(jié)果雖然有白色固體產(chǎn)生，但由于鐵片背景的干擾，生成物不清晰、不美觀。第三次嘗試時(shí)，他們用鑷子夾1～2粒硫酸亞鐵小晶體放在載玻片上，并在晶體上方滴一滴水，待其溶解。在水滴旁滴一滴氫氧化鈉溶液，2min后撥動(dòng)液滴使其融合、反應(yīng)。通過(guò)回看錄像，我們清晰地看見(jiàn)了白色固體的產(chǎn)生，維持了20s后固體邊緣才開始緩慢變綠。接著，我們還用手機(jī)延時(shí)攝影的功能拍攝了生成物由白變綠再變黃的全過(guò)程，發(fā)現(xiàn)固體各部位變色并不同步： 邊緣變色較快，而中央的白色能維持較長(zhǎng)時(shí)間，這體現(xiàn)了由外至內(nèi)氧化的過(guò)程。

案例二中的所有實(shí)驗(yàn)操作均由學(xué)生自己完成，筆者只做了少許引導(dǎo)、啟發(fā)。雖然做的只是教材中很基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)，但學(xué)生在“溫故”的過(guò)程中嘗試了不同的實(shí)驗(yàn)方法，積累了實(shí)驗(yàn)操作經(jīng)驗(yàn)，加深了對(duì)反應(yīng)機(jī)理的理解，達(dá)到了“知新”的目的。

3.3 基于問(wèn)題解決的專題探究

表2是化學(xué)實(shí)驗(yàn)甚至日常生活中的3種常見(jiàn)的現(xiàn)象，其初始狀態(tài)和結(jié)束狀態(tài)是眾所周知的，但其具體的變化過(guò)程鮮為人知。幾乎沒(méi)有學(xué)生能通過(guò)想象還原其過(guò)程，只能簡(jiǎn)單粗糙地概括為： 液滴融合、蒸發(fā)結(jié)晶、置換反應(yīng)。這是因?yàn)檫@些變化過(guò)程時(shí)間跨度太長(zhǎng)或太短（變化過(guò)快或過(guò)慢）、空間尺度過(guò)?。ㄗ兓^(guò)于細(xì)微），僅憑肉眼難以觀察，所以超出了“常識(shí)”的范圍。

案例三 在解決問(wèn)題一時(shí)，一組同學(xué)用一滴硫酸銅溶液（以下簡(jiǎn)稱A液滴）與一滴氫氧化鈉溶液（以下簡(jiǎn)稱B液滴）融合。他們發(fā)現(xiàn)，A、 B液滴在融合時(shí)會(huì)產(chǎn)生一層由氫氧化銅等固體物質(zhì)組成的膜，一下子阻止了反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，于是這張固體膜就成為了A、 B液滴的分界線，定格了A、 B液滴在融合過(guò)程中的某一時(shí)刻的圖像。在反復(fù)嘗試的過(guò)程中，該組同學(xué)發(fā)現(xiàn)，不同濃度的A、 B液滴反應(yīng)產(chǎn)生固體膜的形狀也不同。在筆者的建議下，他們分別用1mol/L、 0.5mol/L、 0.25mol/L、 0.125mol/L的A、 B液滴做對(duì)照實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，反應(yīng)物濃度越低，固體膜彎曲程度越大。1mol/L時(shí)，固體膜只是稍微彎曲，而0.125mol/L時(shí)，固體膜已經(jīng)深入B液滴中心。分析可知，反應(yīng)物濃度越低，固體膜形成的時(shí)間越短，留給A、 B液滴融合的時(shí)間越長(zhǎng)。通過(guò)這4組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，該組同學(xué)發(fā)現(xiàn)了液滴融合的規(guī)律： 被牙簽撥動(dòng)的A液滴在接觸B液滴表面后，迅速向B液滴中心延伸，B液滴從兩邊向A液滴外圍延伸，把A液滴包裹起來(lái)。接著，A、 B液滴相互交融滲透，逐漸融為一體。

由于問(wèn)題的開放程度很高，各個(gè)小組解決問(wèn)題的思路和方法可能完全不一樣，出現(xiàn)了許多超出筆者預(yù)期的解決方法。如案例三所示，兩滴會(huì)發(fā)生反應(yīng)并生成固體的液滴在每次實(shí)驗(yàn)時(shí)雖然都沒(méi)有完全地融合，但竟然也能用來(lái)解決問(wèn)題一，這是一個(gè)充滿創(chuàng)意的做法。

3.4 基于科學(xué)攝影的藝術(shù)創(chuàng)作

科學(xué)攝影是用攝影技術(shù)來(lái)記錄科學(xué)現(xiàn)象的一種手段，微距攝影是科學(xué)攝影的一種，其作品兼具藝術(shù)價(jià)值和科學(xué)傳播意義[9]。在前三次活動(dòng)中，許多學(xué)生在熟練掌握微距攝影方法的基礎(chǔ)上，已經(jīng)不經(jīng)意地拍出了藝術(shù)化的照片。最后一次活動(dòng)，筆者專門安排了一場(chǎng)基于科學(xué)攝影的藝術(shù)創(chuàng)作活動(dòng)，學(xué)生可以自帶補(bǔ)光燈、背景布、反光板、裝飾品、特制反應(yīng)容器等材料，自己設(shè)計(jì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)造盡可能清晰美觀的攝影作品[10]。

案例四 一組同學(xué)希望拍攝鐵屑與酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)照片。他們把表面皿放置在鐵架臺(tái)的鐵環(huán)上，在表面皿內(nèi)放入1顆鐵屑，并在鐵屑表面滴幾滴鹽酸，用手機(jī)前置攝像頭配合微距鏡頭仰拍現(xiàn)象。這樣拍攝的氣泡雖然已經(jīng)清晰可見(jiàn)，但由于光線較暗，視覺(jué)對(duì)比效果不強(qiáng)（圖1a），如果增強(qiáng)對(duì)比度并降低亮度，氣泡就變得黯淡無(wú)光（圖1b）。在筆者的建議下，他們用手電筒從側(cè)面照射補(bǔ)光后重新拍攝，此時(shí)氣泡就更加清晰（圖1c），如果調(diào)整亮度和對(duì)比度，一個(gè)個(gè)氣泡就更加清晰明亮（圖1d）。接著他們又重新構(gòu)圖，拍攝了2顆鐵屑與稀硫酸的反應(yīng)（補(bǔ)光前為圖1e，補(bǔ)光后為圖1f）。這是他們第一次如此清晰地觀察到生動(dòng)、美麗、細(xì)膩的氣泡，而且還有個(gè)意外發(fā)現(xiàn)： 與鐵屑反應(yīng)時(shí)，即使稀硫酸濃度是稀鹽酸的2倍以上，但反應(yīng)速率仍然比稀鹽酸慢，這是因?yàn)槁入x子加快了反應(yīng)速率[11～13]。課后，該小組又對(duì)此異?，F(xiàn)象做了進(jìn)一步探究。

與案例四類似，學(xué)生在反復(fù)嘗試中拍攝美麗的化學(xué)反應(yīng)。課程結(jié)束后，學(xué)生將實(shí)驗(yàn)報(bào)告（實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、照片視頻等）提交至筆者郵箱，圖2是其中4幅攝影作品。圖2a是“綠藻”，是在一大滴硫酸銅溶液中滴入氫氧化鈉后產(chǎn)生的。圖2b是“綠玫瑰”，在一滴硫酸亞鐵溶液中連續(xù)滴2～3滴氫氧化鈉，先生成一層薄薄的帶有皺紋的氫氧化亞鐵固體，過(guò)幾秒后皺紋處先被氧化，其形狀與玫瑰的俯視圖非常類似。圖2c是“滴個(gè)鹽酸都是愛(ài)你的形狀”，是在酚酞與氫氧化鈉的混合液中滴加鹽酸形成的。圖2d是“藍(lán)色瑪瑙”，是在25%硅酸鈉溶液中放入硫酸銅晶體后產(chǎn)生的，形狀和紋路像瑪瑙或盛開的花朵。

4 總結(jié)

本課程的設(shè)計(jì)和實(shí)施嚴(yán)格按照《指導(dǎo)綱要》的要求，遵循《指導(dǎo)綱要》中自主性、實(shí)踐性、開放性、整合性、連續(xù)性的原則，其實(shí)現(xiàn)方式見(jiàn)表4。課程在實(shí)際實(shí)施時(shí)，學(xué)生積極性很高，直到下課還遲遲不愿離開，甚至另外預(yù)約時(shí)間單獨(dú)實(shí)驗(yàn)。絕大多數(shù)學(xué)生都認(rèn)為有所收獲，并希望未來(lái)繼續(xù)參與此類課程。

隨著綜合實(shí)踐活動(dòng)課程重要性的逐漸凸顯和地位的逐漸提升，包括化學(xué)教師在內(nèi)的廣大學(xué)科教師也應(yīng)該積極參與課程的開發(fā)實(shí)施。一方面，將本學(xué)科的校本實(shí)踐環(huán)節(jié)開發(fā)、拓展、升級(jí)為綜合實(shí)踐活動(dòng)；另一方面，讓本學(xué)科的知識(shí)在綜合實(shí)踐活動(dòng)中得到延伸、重組和提升。只有各學(xué)科教師相互合作，形成合力，才能推動(dòng)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程真正落地。

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