“金屬樹”趣味實驗及其教學應用

王振 胡志剛

摘要： 以“金屬樹”趣味實驗整合初中化學核心知識，讓學生在“玩”的過程中突破難點，為學科核心素養(yǎng)的落實尋找切入點。介紹“金屬樹”（“銅樹”、“錫樹”和“銀樹”）趣味實驗的制作，并應用于教學實踐。用“銅樹”的制作鞏固和加深學生對金屬活動性順序表的理解和應用，提升學生三重表征能力。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驗。

關(guān)鍵詞： 趣味實驗； 金屬樹； 銅樹； 三重表征； 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2018）7-0086-04 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

新一輪的課程標準明確提出要更新教學內(nèi)容： 進一步精選學科內(nèi)容，重視以學科大概念為核心，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，促進學科核心素養(yǎng)的落實[1]。趣味實驗備受學生和教師的親睞，但對趣味實驗教育價值的開發(fā)略顯不足。如“銅樹”的制作，陳凱等[2]（2008）借鑒并改進了早期日本《化學教育》雜志介紹的“金屬樹”的制作，作為金屬化學性質(zhì)的補充實驗；許燕紅等[3]（2015）從單因素角度探究了銅樹的最佳生長條件；徐春蕓[4]（2017）提及簡單易行且符合綠色化學理念的微型實驗銅樹制作，卻都沒有深度挖掘其教育功能。筆者嘗試以“金屬樹”趣味實驗的制作為主題，以置換反應、金屬活動性順序表等化學知識為核心，讓學生在“玩”的過程中突破難點，為學科核心素養(yǎng)的落實尋找落腳點。

1 “金屬樹”趣味實驗

1.1 實驗用品

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 實驗原理

在金屬活動性順序表里，位于前面的金屬能把位于后面的金屬從它們的化合物溶液中置換出來[5]。把相對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，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；

“錫樹”： 鋅粒與二氯化錫溶液（Zn+SnCl2ZnCl2+Sn）反應；

“銀樹”： 鋅粒與硝酸銀溶液[Zn+2AgNO3Zn（NO3）2+2Ag]反應。

1.3 制作步驟

（1） 把宣紙裁剪成形，放入培養(yǎng)皿內(nèi)（本實驗均為常溫下進行）。

（2） 用膠頭滴管吸取溶液滴到宣紙的中央，讓溶液由中心擴散直至宣紙呈潤濕狀態(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”的生長實驗，6h后就能在宣紙上完全長成形態(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

宣紙和培養(yǎng)皿之間不要留有空隙，溶液以宣紙全部潤濕為宜，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行配制，把鋅粒放到浸有二氯化錫溶液的宣紙上，會看到宣紙和培養(yǎng)皿之間有氣泡。銀白的“錫樹”在黑色背景下拍照更明顯。這個實驗最好能在通風櫥中進行，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，由于在白色宣紙的外圍會看到紙張發(fā)黃，不美觀，而且白色宣紙會對白色的銀造成視覺干擾，所以若把這個實驗改在黑色宣紙上制“銀樹”效果比較好。

2 “金屬樹”在教學實踐中的應用

2.1 用“銅樹”制作提升學生三重表征能力

從宏觀、微觀和符號3種水平上認識和理解化學知識，并建立3者之間的內(nèi)在聯(lián)系，已成為國際上公認的化學科學不同于其他科學最具特征的思維方式，即化學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引起不同表征間轉(zhuǎn)換的困難，并會進一步影響學生進行三重表征的水平和能力。作為一名中學化學教師，在教學實踐中發(fā)現(xiàn)，學生三重表征發(fā)展不均衡或結(jié)合意識淡薄，宏觀化學反應與化學方程式結(jié)合困難，微觀表征更是薄弱，無法抓住物質(zhì)轉(zhuǎn)化的本質(zhì)，造成學習脫節(jié)。黃華玲認為[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期，“水的組成”是初中生形成三重表征思維的入門時期，“化學方程式”是初中生形成三重表征思維的突破時期，“復分解反應”是初中生形成三重表征思維的深化時期。而復分解反應是初中一線教師公認的教學難點和分水嶺[9]，涉及轉(zhuǎn)化規(guī)律以及化學反應的本質(zhì)理解。筆者認為在“化學方程式”到“復分解反應”的跨度太大，造成學生三重表征和認知上的困難，這兩者中間忽視了一個重要的臺階——置換反應。筆者嘗試借助“銅樹”的制作，鞏固和加深學生對金屬活動性順序表的理解和應用，提升學生三重表征能力，教學設(shè)計見表1。

【視頻】播放美麗的“銅樹”制作和生長過程。

學生觀察，思考。

展現(xiàn)化學的美，激發(fā)學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？

學生分組討論選擇的藥品，并派代表進行實驗方案匯報，其他組同學質(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。

復習鞏固金屬活動性順序表，加深對金屬活動性順序表的理解，學會利用金屬活動性順序表來解決問題。學習合作交流，運用知識解決問題。

續(xù) 表

教師活動學生活動設(shè)計意圖

【總結(jié)】肯定學生的兩種方案。引導學生分組合作做實驗，教師巡視并給予指導。

學生分組，按操作步驟完成實驗，觀察記錄實驗現(xiàn)象。

培養(yǎng)學生合作意識、溝通交流、邏輯思維和動手操作能力。

【教師引導】播放“美麗化學”視頻中的置換反應，記錄描述實驗現(xiàn)象。

描述實驗現(xiàn)象： 以鋅粒或鐵釘為中心，慢慢生長出紅色的物質(zhì)。

宏觀表征： 以能被學生感知的宏觀化學之美，吸引學生的注意，增進對化學的感情和欣賞，加深對宏觀化學變化的印象。

【教師引導】鋅粒或鐵釘周圍生成的紅色物質(zhì)是什么物質(zhì)？播放反應的Flash微觀動畫視頻。

描述實驗現(xiàn)象，結(jié)合Flash微觀動畫和質(zhì)量守恒定律推導反應產(chǎn)物。

微觀探析： 結(jié)合Flash微觀動畫和質(zhì)量守恒定律探析化學轉(zhuǎn)化的微觀本質(zhì)。加深對質(zhì)量守恒定律及物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的理解。

【教師引導】嘗試用化學的語言，即化學方程式來表示“銅樹”的形成。

學生合作嘗試寫出化學方程式。Zn+CuCl2ZnCl2+Cu；Fe+CuCl2FeCl2+Cu。

符號表征： 化學符號是宏觀和微觀的紐帶，集宏觀、微觀和化學計算于一身，是用精煉的化學方程式或圖形符號表達物質(zhì)轉(zhuǎn)化，是化學入門的標志。

【總結(jié)】三重表征是化學學科的一種重要方式。三重表征間切換越順暢，對化學的理解越深刻，學習效果越好。

識記“微觀—宏觀—符號”三重表征是化學獨特的表示物質(zhì)及其變化的方法。有意識地對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生自己形成，需要教師的引導和培養(yǎng)。提高學生三重表征的意識。

【遷移】如果我們把“銅樹”實驗放到試管中去做，能描述一下實驗現(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）

學生討論交流。鋅（或鋁）和氯化銅（或硫酸銅）溶液的反應現(xiàn)象： 金屬的表面會有紅色的物質(zhì)生成，溶液的顏色由綠色變淺，乃至無色。鐵與硫酸銅溶液反應現(xiàn)象： 鐵的表面有紅色的物質(zhì)生成，溶液的顏色由藍色變成淺綠色。

培養(yǎng)學生的語言表達能力、邏輯分析能力。并學會歸納總結(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（置換反應也可能產(chǎn)生氣體）。

【類比】如果我們在試管中放入無色的硝酸銀溶液，把銅、鐵、鋅、鋁、鎂中的一種放入溶液中，能描述一下實驗現(xiàn)象嗎？

學生嘗試預測描述實驗現(xiàn)象。都會有銀白色的銀生成，溶液顏色部分會有變化。

總結(jié)強化規(guī)律，學習利用規(guī)律快速獲取大量的信息，用金屬活動性順序表的規(guī)律預測推斷的思維能力，增強語言表達能力、邏輯分析能力。

【認知沖突】如果我們把金屬鈉放入氯化銅溶液中，能描述一下實驗現(xiàn)象嗎？

【教師驗證】把鈉放入盛有氯化銅溶液的燒杯中。

【總結(jié)】鉀、鈣、鈉因為特別活潑，當把它們放到溶液中，它們會先和水發(fā)生化學反應。

學生推斷： 金屬鈉的表面生成紅色物質(zhì)，溶液顏色變淺（生活常識氯化鈉溶液呈無色）。

學生觀察實驗，思考、分析。

用實驗引發(fā)學生的認知沖突，突出強調(diào)化學要遵循客觀事實，引導學生從宏觀現(xiàn)象分析，得出一般規(guī)律中的特例。完善對金屬活動性順序表的理解。

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》（九年級下冊）第九單元實驗活動5“一定溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的氯化鈉溶液的配制”。實驗目的： （1）練習配制一定溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的溶液；（2）加深對溶質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)概念的理解。本節(jié)課的不足之處是： （1）學生配制的溶液沒有用到；（2）配制的氯化鈉溶液是無色透明的，無法從顏色進行比較分析誤差；（3）單純地練習操作能力，趣味性不夠，學生興趣不大。因而，筆者嘗試把本節(jié)課“一定溶質(zhì)質(zhì)量分數(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目標，筆者采用分組合作探究教學模式[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。在進行探究實驗時，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條件（30℃時，用1.0mol/L的CuCl2溶液與鋅片反應）的結(jié)論相同。

通過對“銅樹”最佳濃度的探究，不僅練習了配制一定溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的溶液，加深了學生對溶質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)概念的理解和應用，而且強化了班集體的團體觀念，提高了課堂時間利用效率。通過對不同濃度制作的“銅樹”的探究，讓學生知道配制一定質(zhì)量分數(shù)溶液的能力在社會生產(chǎn)和科學研究中有重要的作用，進一步理解科學研究的嚴謹性，端正學習化學的態(tài)度。

3 思考和啟示

3.1 “銅樹”實驗的意外收獲

教材在試管中鋁和硫酸銅溶液的置換反應，藥品用量多，產(chǎn)物回收價值小，造成資源浪費，溶液中生成的金屬樹附著在金屬絲上不牢固，稍微震動就會脫落，不利于多個班級的演示。試管中的實驗改成在宣紙上實驗，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”可以用標本膜塑封，保存紀念。在實驗中還產(chǎn)生了一個有趣的現(xiàn)象，在一個培養(yǎng)皿中放兩粒鋅，就會以鋅粒為中心生長成兩棵金屬樹，待金屬樹完全成型，“樹枝”彼此之間形成一個明顯的分界線。筆者認為，鋅粒和硫酸銅溶液反應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，樹枝長到的地方溶液由藍色變?yōu)闊o色。當兩個銅枝朝同一個地方相向生長，“銅枝”之間Cu2+消耗殆盡，“銅樹”無法繼續(xù)生長，即形成彼此相望，卻不交織在一起的有趣畫面。

3.2 改進實驗凸顯化學美

改進“銅樹”實驗，不僅提高了學生的參與度，而且凸顯了化學美。義務教育課程標準在“身邊的化學物質(zhì)”章節(jié)明確提出： 用五彩繽紛的化學物質(zhì)和豐富多彩的化學變化，讓學生體驗化學美[12]。化學實驗蘊含著豐富的美，但實驗美是含蓄的，需要不斷探索怎樣凸顯化學的美。國內(nèi)有很多教育工作者和科研人員也在積極探索結(jié)合科技背景下化學美育的新途徑，如凌一洲[13]利用可視化實驗室實現(xiàn)美育滲透，將原本實驗的現(xiàn)象、過程等進行藝術(shù)化的圖像呈現(xiàn)（即實驗可視化）或改進實驗，使美學特征更加突出和豐富，降低學生認知負擔，提升審美能力。再如梁琰等人組成的“美麗化學”團隊，采用顯微、微距、熱成像、高速、延遲等攝像技術(shù)，給化學美找到了一種新的打開方式。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 4.

[2]陳凱， 陳昌云， 張麗娜.制作“金屬樹”的微型趣味實驗[J]. 中學化學教學參考， 2008， （4）： 44.

[3][11]許燕紅， 楊吉祥， 姚茜蕓等. 影響銅樹生長因素的探究[J]. 化學教育， 2015， 36（23）： 64～67.

[4]徐春蕓. 2個趣味實驗在初中化學教學中的應用[J]. 化學教育， 2017， 38（23）： 47～49.

[5]王晶， 鄭長龍. 義務教育教科書·化學（九年級下冊）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2012： 9～13.

[6]陳益， 孫夕禮. 我國化學教育“多重表征”研究十余年回顧與展望[J]. 化學教育， 2016， 37（23）： 6～13.

[7]畢華林， 黃婕， 亓英麗. 化學學習中“宏觀—微觀—符號”三重表征的研究[J]. 化學教育， 2005， 26（5）： 51～54.

[8]黃華玲. 例談培養(yǎng)初中生化學“三重表征”思維的四個典型時期[J]. 廣東教育（綜合版）， 2015， （8）： 48～49.

[9]周來友. 初中化學三大難點的突破策略[J]. 中學化學教與學， 2017， （7）： 36～38.

[10]王振， 魏斌， 胡志剛. 基于合作探究的理論性知識的教學——以“質(zhì)量守恒定律”為例[J]. 化學教學， 2017， （4）： 52～54， 76.

[12]中華人民共和國教育部制定. 義務教育化學課程標準（2011版）[S]. 北京： 北京師范大學出版社， 2012： 18.

[13]凌一洲. 從美的發(fā)生到美的體驗、美的創(chuàng)造——利用可視化實驗室實現(xiàn)美育滲透的探索[J]. 化學教學， 2017， （12）： 10～13.