基礎(chǔ)化學(xué)實驗過程可視化教學(xué)探索

羅樹常，王雙鳳

（貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，貴州畢節(jié)551700）

基礎(chǔ)化學(xué)實驗是化學(xué)類、近化學(xué)類專業(yè)必修的實踐類課程，在實驗操作技能訓(xùn)練中有承前啟后的重要作用，其操作也是培養(yǎng)學(xué)生濃厚化學(xué)興趣的重要環(huán)節(jié)。在基礎(chǔ)化學(xué)實驗課程的學(xué)習(xí)過程中，以學(xué)生動手錄制實驗過程相關(guān)微視頻的形式，提高學(xué)生的參與度和成就感。讓學(xué)生通過實驗感受化學(xué)的美，體會實驗漸變過程的樂趣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，增強學(xué)生的積極性和主觀能動性。國內(nèi)對可視化實驗過程進行視頻開發(fā)或微視頻開發(fā)的主要有：（1）中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進技術(shù)研究院和清華大學(xué)出版社聯(lián)合制作的《美麗化學(xué)》，其主旨是將化學(xué)的美麗和神奇?zhèn)鬟f給大眾[1]；（2）美麗科學(xué)與中國化學(xué)會合作，使用顯微、微距、熱成像、高速、延時等攝影技術(shù)，通過“重現(xiàn)化學(xué)”來向人們展示化學(xué)的美麗[2]；（3）江蘇大學(xué)凌一洲以生成氣泡、生成固體、顏色變化等化學(xué)反應(yīng)中典型的三個反應(yīng)為基礎(chǔ)，利用現(xiàn)象和可視化技術(shù)設(shè)計微型實驗，在課程教學(xué)中滲透化學(xué)美感的教育[3-4]；（4）汪英運用“Camtasia Studio”軟件自制微視頻作為“鹽溶液酸堿性”教學(xué)課的導(dǎo)入[5]，通過課堂討論和學(xué)生仿照推測兩種溶液酸堿性和實驗驗證，教師用ipad抓拍實驗現(xiàn)象，取得了較好的教學(xué)效果[5]。

隨著生活水平的提高，智能手機已成為人們生活中不可或缺的一部分，智能手機豐富了人們的生活。為改善教學(xué)狀況，利用每位學(xué)生都有的智能手機，把現(xiàn)代便捷的攝影技術(shù)引入實驗課堂，利用手機拍攝功能把實驗過程中有趣的現(xiàn)象或過程記錄下來，并對拍攝的視頻進行剪切等后期處理，在實驗結(jié)束后在全班進行分享，制作較好的實驗視頻還可作為無機化學(xué)理論課教學(xué)或中學(xué)化學(xué)教學(xué)素材保存。讓學(xué)生在玩的同時體驗化學(xué)實驗的美和樂趣，通過這種方式，把智能手機由低頭的工具變?yōu)樘ь^的利器，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高實驗課程的教學(xué)質(zhì)量。鑒于此，在基礎(chǔ)化學(xué)實驗教學(xué)中，選擇現(xiàn)象明顯、易于拍攝實驗過程的實驗項目為研究對象，通過學(xué)生參與實驗過程視頻的拍攝、視頻后期編輯、歸納、經(jīng)驗總結(jié)與分享，讓學(xué)生切實參與到實驗課堂教學(xué)中來。使得實驗課程的學(xué)習(xí)不僅僅是簡單的照單抓藥式，而是一種可獲得新奇、有趣體驗的過程，同時也激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，活躍課堂氣氛。下面以五水硫酸銅的制備實驗為例，詳細闡述基礎(chǔ)化學(xué)可視化教學(xué)設(shè)計過程。

1 設(shè)計思路

硫酸銅是一種重要的化工原料，常用作印染工業(yè)的媒染劑、農(nóng)業(yè)的殺蟲劑（波爾多液）、水的殺菌劑、木材的防腐劑[6]。以五水硫酸銅的制備及結(jié)晶過程為例，從硝酸濃度、硫酸濃度、反應(yīng)溫度等3個方面對硫酸銅制備條件進行探索，并要求學(xué)生用智能手機拍下五水硫酸銅結(jié)晶過程。實施對象為貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院2017級應(yīng)用化學(xué)本科班、2018級化學(xué)本科班、2018級化工類本科1、2班學(xué)生。本實驗項目結(jié)束后，要求學(xué)生將拍攝最好的視頻進行編輯，對五水硫酸銅結(jié)晶過程的視頻、晶體生長的特征等進行交流。視頻拍攝結(jié)束后，將抽干的藍色晶體CuSO4?5H2O放到體視顯微鏡下觀察其晶體形貌。拍攝較好的視頻將作為資料進行保存。

2 實驗原理與實驗試劑、儀器

以濃HNO3作氧化劑，與銅粉和H2SO4反應(yīng)來制取CuSO4[6]，反應(yīng)方程式如下：

由于CuSO4溶解度隨溫度的變化較大，采用蒸發(fā)、濃縮、冷卻、結(jié)晶、過濾、重結(jié)晶的方法得到藍色晶體CuSO4?5H2O[6]。

實驗藥品：濃H2SO4、濃HNO3、銅粉。

實驗儀器：恒溫水浴鍋、100 mL燒杯、10 mL量筒、25 mL量筒、電子天平、循環(huán)水真空泵、蒸發(fā)皿、酒精燈、1 000萬像素以上的智能手機、PXS-100體視顯微鏡。

3 教學(xué)過程

3.1 CuSO4?5H2O制備

為探究CuSO4?5H2O制備的最佳實驗條件，稱取約1.50 g銅粉（精確到0.000 1 g），加入8 mL H2SO4溶液，再緩慢加入4 mL HNO3溶液，蓋上表面皿，待燒杯內(nèi)氣體由棕色變?yōu)闊o色后，將蓋上表面皿的燒杯轉(zhuǎn)移至恒溫水浴鍋內(nèi)繼續(xù)反應(yīng)[6]。在反應(yīng)過程中，需要視情況補充（1～2）mL HNO3溶液，待燒杯中銅粉完全溶解，即反應(yīng)完全[6]。然后進行結(jié)晶和重結(jié)晶、抽濾、稱重、計算產(chǎn)率。把學(xué)生分為16組，以硝酸濃度、硫酸濃度、反應(yīng)溫度為變量，1～4組學(xué)生固定反應(yīng)溫度為60°C，改變硫酸濃度（3、4、5、6 mol/L）和硝酸濃度（6、9、12 mol/L），得到12組數(shù)據(jù)。5～8組學(xué)生固定反應(yīng)溫度為70°C，改變硫酸濃度（3、4、5、6 mol/L）和硝酸濃度（6、9、12 mol/L），得到12組數(shù)據(jù)。9～12組學(xué)生固定反應(yīng)溫度為80°C，改變硫酸濃度（3、4、5、6 mol/L）和硝酸濃度（6、9、12 mol/L），得到12組數(shù)據(jù)。13～16組學(xué)生固定反應(yīng)溫度為90℃，改變硫酸濃度（3、4、5、6 mol/L)和硝酸濃度（6、9、12 mol/L），得到12組數(shù)據(jù)，共計48組數(shù)據(jù)。

實驗得到的結(jié)果為：當(dāng)反應(yīng)溫度低于80℃時，改變硫酸和硝酸濃度，CuSO4?5H2O的產(chǎn)率在58%~84%之間，只有一組產(chǎn)率較高；當(dāng)反應(yīng)溫度T≥80℃時，CuSO4?5H2O的產(chǎn)率都較高，均大于70%，且硫酸和硝酸濃度對實驗結(jié)果的影響較小；當(dāng)硫酸濃度和反應(yīng)溫度確定，隨著硝酸濃度的增大，CuSO4?5H2O的產(chǎn)率隨之增大；當(dāng)硫酸濃度為4.0 mol/L，硝酸濃度為12 mol/L，反應(yīng)溫度在90℃下，以銅粉為原料制備CuSO4?5H2O最適宜。

3.2 CuSO4?5H2O提純與結(jié)晶過程拍攝

將粗產(chǎn)品以每克1.2 mL蒸餾水的比例溶解于水中，水浴加熱至CuSO4?5H2O完全溶解，趁熱抽濾，濾液收集到100 mL燒杯中，讓其自然冷卻[6]。提醒學(xué)生注意觀察實驗現(xiàn)象，同時用1 000萬像素以上的手機拍攝CuSO4溶液冷卻到結(jié)晶的過程（如圖1所示），當(dāng)晶體沒有繼續(xù)長大時，說明CuSO4?5H2O結(jié)晶過程結(jié)束。請同學(xué)們將拍攝的視頻保存好備用。

圖1 CuSO4?5H2O結(jié)晶過程。（a）結(jié)晶3分鐘；（b）結(jié)晶3.5分鐘；（c）結(jié)晶4分鐘；（d）結(jié)晶5分鐘

結(jié)晶過程結(jié)束后進行抽濾，同時對抽干的晶體外觀拍照，比較在溶液中的晶體外觀和抽干后的異同，然后進行稱重，計算產(chǎn)率。實驗結(jié)束后，將抽干的CuSO4?5H2O藍色晶體取下1~2顆，放于載玻片上，在體視顯微鏡下觀看CuSO4?5H2O藍色晶體的外觀，并與肉眼觀察的外觀進行比較，用手機通過目鏡將晶體結(jié)構(gòu)拍照，與理論課教材中學(xué)習(xí)到的晶體外形進行對比，理解晶體的幾何外形是晶體內(nèi)部質(zhì)點在三維空間有序排列、向特定方向無限生長的外在表現(xiàn)，感受晶體世界的美。通過觀察晶體的結(jié)構(gòu)，學(xué)生對晶體規(guī)則幾何外形與晶體的本質(zhì)有一定認識，與理論知識相互印證，加深了對晶體結(jié)構(gòu)的印象，為后續(xù)結(jié)構(gòu)化學(xué)的學(xué)習(xí)打下堅實基礎(chǔ)。

3.3 學(xué)生交流、討論

實驗完成后，讓同學(xué)們采用視頻編輯軟件對視頻進行后期處理，把沒有晶體析出的空白部分刪除，將結(jié)晶過程從無到有、從少到多的整個過程保存下來，其目的是使拍攝的視頻只包括從剛開始出現(xiàn)小晶粒至晶體長完全的過程，使視頻更緊湊，減少無晶體析出的空白時間段。然后，在多媒體教室組織全班學(xué)生分享各自拍攝的結(jié)晶過程視頻，并對實驗過程中存在的問題進行總結(jié)。通過投票，選出實驗效果好、晶體外形漂亮、拍攝較好的視頻。由其拍攝者分享確保實驗成功的關(guān)鍵因素及拍攝視頻的注意事項。學(xué)生通過討論，得到CuSO4?5H2O晶體制備及結(jié)晶條件。將拍攝較好的視頻作為資料保存，此視頻可作為無機化學(xué)理論課程教學(xué)或中學(xué)化學(xué)教學(xué)素材。把學(xué)生表現(xiàn)、實驗情況和視頻質(zhì)量等作為平時成績考核的依據(jù)。

4 教學(xué)效果與反思

利用智能手機，將現(xiàn)代便捷的攝影技術(shù)引入到基礎(chǔ)化學(xué)實驗過程中，使得化學(xué)實驗課程可視化，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，把基礎(chǔ)化學(xué)實驗課程內(nèi)容由傳統(tǒng)的照單抓藥式教學(xué)向利用現(xiàn)代化手段促進教學(xué)轉(zhuǎn)變，使得學(xué)生更加有效地參與到課程教學(xué)中來，同時也讓學(xué)生從一個全新的視角來認識化學(xué)反應(yīng)或化學(xué)過程，感受化學(xué)實驗的絢麗多姿、豐富多彩。通過此類教學(xué)設(shè)計，可以將實驗過程以影像資料的形式保存下來，學(xué)生課后再對拍攝視頻進行剪輯，縮略了不必要的過程，最終得到有價值、針對性強、清晰的實驗結(jié)果。制作好的視頻可以作為學(xué)生的復(fù)習(xí)資料和以后中學(xué)化學(xué)課程教學(xué)的素材，可以多次反復(fù)學(xué)習(xí)。通過實驗、拍攝、剪輯、歸納、總結(jié)、分享的形式，為程式化的實驗課程教學(xué)增添了活力，學(xué)生可以有效利用手機，積極、主動地參與到整個實驗過程中，對實驗現(xiàn)象的觀察更加仔細。制作好的視頻也可用于對實驗過程的回放細究，找出實驗成功的關(guān)鍵因素，利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，可為后續(xù)課程教學(xué)和開展大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練提供一定的參考。