趣 味 性 在 化 學(xué) 實(shí) 驗(yàn) 教 學(xué) 中 的 應(yīng) 用

劉 楠， 李澤全， 曹 淵， 徐彥芹

(重慶大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，重慶 401331)

0 引 言

化學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，興趣則是推動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的動(dòng)力之一。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中穿插趣味性元素，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，提升主動(dòng)獲取知識(shí)的能力?，F(xiàn)以“五水硫酸銅晶體的制備及表征”實(shí)驗(yàn)為例，概述如何通過(guò)增加趣味性實(shí)驗(yàn)教學(xué)調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。

五水硫酸銅晶體的制備及表征實(shí)驗(yàn)是較為典型的綜合實(shí)驗(yàn)，涉及到五水硫酸銅的制備、重結(jié)晶、組分分析3個(gè)板塊的內(nèi)容[1]，其中重結(jié)晶部分要求學(xué)生采用顯微鏡觀測(cè)晶體的形貌及顏色，在此環(huán)節(jié)學(xué)生僅需學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的顯微鏡操作，便可觀測(cè)到所制備的五水硫酸銅晶體的形貌及顏色。究其深度還未達(dá)到教學(xué)計(jì)劃中對(duì)晶體學(xué)方面的認(rèn)識(shí)和了解，為擴(kuò)展學(xué)生對(duì)晶體方面的了解，更加全面的認(rèn)識(shí)五水硫酸銅晶體的結(jié)構(gòu)及成因，本文著重對(duì)以下方面進(jìn)行探索。

1 注重結(jié)晶過(guò)程

1.1 觀測(cè)結(jié)晶過(guò)程

取少量的蒸餾水至于燒杯中(10 mL左右)，加入五水硫酸銅晶體，一邊加熱一邊攪拌，配置成飽和溶液。用滴管取少量的飽和溶液，滴加到載玻片上制備樣品，將制備好的樣品放置在顯微鏡載物臺(tái)上，選擇合適的物鏡進(jìn)行觀測(cè)。隨著水分的揮發(fā)，五水硫酸銅晶體逐漸形成晶核并不斷地長(zhǎng)大，通過(guò)顯微鏡可以明顯地觀察到晶體從無(wú)到有的生長(zhǎng)過(guò)程。圖1所示為每隔1 min記錄五水硫酸銅的結(jié)晶圖片。由該圖可見(jiàn)，隨著時(shí)間的增加，水分不斷揮發(fā)，晶體在液態(tài)中自發(fā)形成晶核，并不斷地長(zhǎng)大，形成具有整齊規(guī)則的幾何外形。學(xué)生通過(guò)理論課了解到五水硫酸銅晶體是一種藍(lán)色半透明的三斜晶系的晶體結(jié)構(gòu)，外形似玻璃狀。通過(guò)顯微鏡呈像，可以直觀地看到晶體的外形、顏色、以及生長(zhǎng)過(guò)程，較為生動(dòng)地將刻板的書(shū)本知識(shí)轉(zhuǎn)化為有趣的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)。動(dòng)態(tài)相比于靜態(tài)更容易引起人們的好奇心，激發(fā)興趣，記憶留存時(shí)間更久，因此將只觀察結(jié)晶結(jié)果的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容轉(zhuǎn)變?yōu)橛^察結(jié)晶的過(guò)程，以此調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，激發(fā)學(xué)生的好奇心[2]，使學(xué)生通過(guò)有趣的實(shí)驗(yàn)過(guò)程汲取較為晦澀難懂的知識(shí)，在潛移默化中吸納教學(xué)內(nèi)容，消除枯燥的課堂教學(xué)氛圍，讓學(xué)生在較為輕松愉悅的環(huán)境中學(xué)習(xí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程?？梢龑?dǎo)學(xué)生將五水硫酸銅的結(jié)晶過(guò)程寫(xiě)成觀察日志，記錄結(jié)晶過(guò)程中的現(xiàn)象，并分析其成因；與其他同學(xué)的實(shí)驗(yàn)作對(duì)比，分析導(dǎo)致差異性的原因，并提出改進(jìn)方案。

(a) 0 min

(b) 1 min

(c) 2 min

(d) 3 min

(e) 4 min

(f) 5 min

傳統(tǒng)的“過(guò)程+結(jié)果”式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中結(jié)果是重中之重，課堂教學(xué)往往把實(shí)驗(yàn)結(jié)果告知學(xué)生，通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證其結(jié)果，如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)不到預(yù)期值即為實(shí)驗(yàn)失敗。這種教學(xué)方法實(shí)為“填鴨式”教學(xué)方式[3]，學(xué)生機(jī)械性地模仿教材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，盲目追求實(shí)驗(yàn)結(jié)果而忽視過(guò)程，并未達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)定的教學(xué)目標(biāo)。通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)的側(cè)重點(diǎn)，提升實(shí)驗(yàn)的趣味性，不僅調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，還一定程度地避免了傳統(tǒng)教學(xué)的弊端[4-6]，使學(xué)生主動(dòng)參與到教學(xué)環(huán)節(jié)中，提高了教學(xué)質(zhì)量。

1.2 儀器改進(jìn)

顯微鏡觀察五水硫酸銅晶體時(shí)，采用載玻片與蓋玻片制備樣品，放置在載物臺(tái)上進(jìn)行觀察。觀察結(jié)晶過(guò)程時(shí)，采用的是熱的飽和五水硫酸銅溶液，溶液中的水分會(huì)不斷地?fù)]發(fā)出來(lái)，由于樣品距離物鏡距離較近，物鏡容易受到污染，長(zhǎng)此以往也會(huì)對(duì)顯微鏡造成一定程度的破壞；由于待觀測(cè)的是液態(tài)樣品，若操作失誤會(huì)導(dǎo)致溶液灑落在載物臺(tái)上，對(duì)顯微鏡造成損壞。

為保護(hù)儀器正常工作，延長(zhǎng)使用壽命，因此對(duì)樣品的載樣裝置進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)。如圖2所示，展示了新型放置樣品裝置的正視圖。載樣裝置實(shí)為長(zhǎng)方體盒,規(guī)格為6 cm×2 cm×0.4 cm(長(zhǎng)×寬×高)，保證有足夠的空間存放樣品，并與物鏡留有安全距離，避免對(duì)物鏡造成損壞，便于實(shí)際操作。載樣裝置采用玻璃、高聚物等透光性較好的材料，便于光進(jìn)行反射、折射、雙折射或散色產(chǎn)生偏振光，進(jìn)而對(duì)樣品進(jìn)行研究觀測(cè)。載樣裝置設(shè)有配套的蓋子，避免了溶液揮發(fā)對(duì)顯微鏡造成的損壞，溶液不易溢出，保證了載物臺(tái)的整潔和實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，提高了實(shí)驗(yàn)的成功率。此外，該裝置可重復(fù)使用，避免了一次性載玻片和蓋玻片所帶來(lái)的成本問(wèn)題；操作方便、簡(jiǎn)潔，易于掌握。

圖2 新型載樣裝置

2 提升試劑認(rèn)知度

在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中涉及到較為廣泛的試劑類(lèi)型，學(xué)生在使用試劑前應(yīng)熟知其物理和化學(xué)屬性，有助于在實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)中選取合適的試劑，安全地取用試劑等。為了幫助學(xué)生更加全面地了解試劑的屬性，可通過(guò)顯微鏡觀測(cè)部分試劑的結(jié)構(gòu)及顏色，加深學(xué)生的印象，提高認(rèn)知度。圖3所示為六水硫酸鎳的顯微鏡呈像，由該圖可見(jiàn)，六水硫酸鎳為綠色不規(guī)則形狀，在理論課上已知β-型六水硫酸鎳為綠色單斜晶系，引導(dǎo)學(xué)生思考物質(zhì)所屬的晶系與外觀結(jié)構(gòu)是否存在一定的聯(lián)系。該環(huán)節(jié)不局限于單一的試劑，學(xué)生根據(jù)自身的知識(shí)體系選取想要觀察且符合顯微鏡呈像原理的試劑，可選取一種或多種進(jìn)行觀察，并結(jié)合試劑的基本性質(zhì)分析其呈像特點(diǎn)，嘗試分析其中的原理。

圖3 六水硫酸鎳顯微鏡呈像

讓學(xué)生自主選擇試劑進(jìn)行觀察，充分發(fā)揮學(xué)生的能動(dòng)性，讓學(xué)生體驗(yàn)到化學(xué)實(shí)驗(yàn)的靈活性和趣味性，增強(qiáng)學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生好奇心，不僅提高了學(xué)習(xí)氛圍，也讓學(xué)生對(duì)化學(xué)試劑有了更全面、直觀的了解。

3 與生活相結(jié)合

3.1 常見(jiàn)晶體結(jié)構(gòu)

課堂上所接觸到的試劑等與實(shí)際生活聯(lián)系較少，例如五水硫酸銅晶體，此前學(xué)生并未接觸到過(guò)該種物質(zhì)，很難理解其形貌、顏色等與性質(zhì)之間的聯(lián)系。為了幫助學(xué)生更好地理解晶體學(xué)方面的知識(shí)，可擴(kuò)展晶體觀測(cè)范圍。在日常生活中，有很多晶體物質(zhì)的存在，最常見(jiàn)卻又容易被忽視的有：白砂糖、冰糖、食用鹽、味精等。圖4所示為白砂糖和食用鹽在顯微鏡下的呈像，二者的分子式分別為C12H22O11、NaCl。白砂糖又名蔗糖，屬于分子晶體；食用鹽屬于離子晶體，但兩者同屬于立方晶系結(jié)構(gòu)。從圖中可以明顯地看到兩種物質(zhì)的形貌，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)理論課中學(xué)習(xí)的晶系及晶體類(lèi)型知識(shí)，結(jié)合外觀形貌來(lái)判斷物質(zhì)所屬的晶系及類(lèi)型，有助于加深理論知識(shí)的理解，幫助學(xué)生學(xué)以致用。

除此之外，生活中接觸到的水晶裝飾品、雪花、小蘇打等也是晶體物質(zhì)，可以讓學(xué)生自帶晶體樣品進(jìn)行觀察，根據(jù)顯微鏡呈像自行判斷晶體類(lèi)型。也可以拓展為趣味化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，幫助學(xué)生了解化學(xué)世界的奇妙之處，調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的積極性。

晶體離我們并不遙遠(yuǎn)，就在我們的日常生活之中，只要善于觀察，結(jié)合理論知識(shí)，便能分辨出晶體與非晶體物質(zhì)之間的區(qū)別。通過(guò)該種途徑，不僅增添了化學(xué)實(shí)驗(yàn)的趣味性，還能提升學(xué)生的參與度，讓學(xué)生了解到化學(xué)和生活息息相關(guān)，使學(xué)生主動(dòng)地參與到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，培養(yǎng)其發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力[7-9]，提高學(xué)生的成就感，使實(shí)驗(yàn)課堂不再枯燥無(wú)味。

(a) 白砂糖

(b) 食用鹽

3.2 透光物質(zhì)

顯微鏡是用于研究透明與不透明各向異性材料的儀器，凡是具有雙折射的物質(zhì)都可在顯微鏡下分辨清楚。根據(jù)顯微鏡呈像原理可知，顯微鏡不僅可觀察晶體，對(duì)具有透光性物質(zhì)均可用顯微鏡進(jìn)行觀測(cè)。在日常生活中有很多常見(jiàn)的透光性物質(zhì)，如玻璃、保鮮膜、塑料等;部分食物，如黃瓜、洋蔥等切成薄片后也可進(jìn)行顯微鏡觀察。植物類(lèi)的葉子、花瓣等，因含有的色素會(huì)影響透光性，導(dǎo)致無(wú)法觀察到其結(jié)構(gòu)，因此需要做成切片后進(jìn)行觀察。此外，植物的葉子做成葉脈后也可在顯微鏡下觀察到清晰的脈絡(luò)，一些較為纖薄的花瓣在顯微鏡下也可以呈現(xiàn)出較為美妙的結(jié)構(gòu)。圖5所示為某種花瓣的顯微鏡呈像，從圖中可以清晰地看出花瓣的表層細(xì)胞結(jié)構(gòu)，花瓣的顏色也完美地呈現(xiàn)出來(lái)。

在此實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生可自行選擇需要觀察的樣品，根據(jù)樣品的屬性決定如何進(jìn)行前處理制備樣品，并可以思考前處理方式的不同是否會(huì)對(duì)觀測(cè)結(jié)果帶來(lái)影響。學(xué)生可以根據(jù)自己的喜好選取實(shí)驗(yàn)樣品，通過(guò)這種方式也可以考察學(xué)生對(duì)顯微鏡呈像原理的掌握程度。實(shí)驗(yàn)趣味性的提升不僅使學(xué)生成為了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者，更成為了課堂的主體[10]，使學(xué)生有意識(shí)的活動(dòng)貫穿整個(gè)課堂，活躍了課堂氣氛，更為培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科的興趣打下了基石[11-14]。

圖5 花瓣顯微鏡呈像

4 結(jié) 語(yǔ)

化學(xué)實(shí)驗(yàn)中增加趣味性元素可以直接影響教學(xué)的有效性，進(jìn)一步鞏固、擴(kuò)大和加深學(xué)生對(duì)化學(xué)基本理論和知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)踐能力、理論聯(lián)系實(shí)際的能力。趣味性實(shí)驗(yàn)不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，也提升了學(xué)生主動(dòng)獲取知識(shí)的能力。提高學(xué)生的參與度，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、獨(dú)立完成科學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力。全面提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的科研探索熱情，開(kāi)拓創(chuàng)新能力[15-16]。