趣 味 性 在 化 學(xué) 實 驗 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)是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，興趣則是推動學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的動力之一。在化學(xué)實驗中穿插趣味性元素，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，提升主動獲取知識的能力。現(xiàn)以“五水硫酸銅晶體的制備及表征”實驗為例，概述如何通過增加趣味性實驗教學(xué)調(diào)動學(xué)生的積極性。

五水硫酸銅晶體的制備及表征實驗是較為典型的綜合實驗，涉及到五水硫酸銅的制備、重結(jié)晶、組分分析3個板塊的內(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。究其深度還未達到教學(xué)計劃中對晶體學(xué)方面的認識和了解，為擴展學(xué)生對晶體方面的了解，更加全面的認識五水硫酸銅晶體的結(jié)構(gòu)及成因，本文著重對以下方面進行探索。

1 注重結(jié)晶過程

1.1 觀測結(jié)晶過程

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上，選擇合適的物鏡進行觀測。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大，通過顯微鏡可以明顯地觀察到晶體從無到有的生長過程。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，隨著時間的增加，水分不斷揮發(fā)，晶體在液態(tài)中自發(fā)形成晶核，并不斷地長大，形成具有整齊規(guī)則的幾何外形。學(xué)生通過理論課了解到五水硫酸銅晶體是一種藍色半透明的三斜晶系的晶體結(jié)構(gòu)，外形似玻璃狀。通過顯微鏡呈像，可以直觀地看到晶體的外形、顏色、以及生長過程，較為生動地將刻板的書本知識轉(zhuǎn)化為有趣的動態(tài)實驗。動態(tài)相比于靜態(tài)更容易引起人們的好奇心，激發(fā)興趣，記憶留存時間更久，因此將只觀察結(jié)晶結(jié)果的實驗內(nèi)容轉(zhuǎn)變?yōu)橛^察結(jié)晶的過程，以此調(diào)動學(xué)生的積極性，激發(fā)學(xué)生的好奇心[2]，使學(xué)生通過有趣的實驗過程汲取較為晦澀難懂的知識，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)實驗課程。可引導(dǎo)學(xué)生將五水硫酸銅的結(jié)晶過程寫成觀察日志，記錄結(jié)晶過程中的現(xiàn)象，并分析其成因；與其他同學(xué)的實驗作對比，分析導(dǎo)致差異性的原因，并提出改進方案。

(a) 0 min

(b) 1 min

(c) 2 min

(d) 3 min

(e) 4 min

(f) 5 min

傳統(tǒng)的“過程+結(jié)果”式的實驗教學(xué)中結(jié)果是重中之重，課堂教學(xué)往往把實驗結(jié)果告知學(xué)生，通過實驗加以驗證其結(jié)果，如果實驗結(jié)果達不到預(yù)期值即為實驗失敗。這種教學(xué)方法實為“填鴨式”教學(xué)方式[3]，學(xué)生機械性地模仿教材進行實驗，盲目追求實驗結(jié)果而忽視過程，并未達到實驗設(shè)定的教學(xué)目標(biāo)。通過改變實驗的側(cè)重點，提升實驗的趣味性，不僅調(diào)動學(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

顯微鏡觀察五水硫酸銅晶體時，采用載玻片與蓋玻片制備樣品，放置在載物臺上進行觀察。觀察結(jié)晶過程時，采用的是熱的飽和五水硫酸銅溶液，溶液中的水分會不斷地揮發(fā)出來，由于樣品距離物鏡距離較近，物鏡容易受到污染，長此以往也會對顯微鏡造成一定程度的破壞；由于待觀測的是液態(tài)樣品，若操作失誤會導(dǎo)致溶液灑落在載物臺上，對顯微鏡造成損壞。

為保護儀器正常工作，延長使用壽命，因此對樣品的載樣裝置進行了相應(yīng)的改進。如圖2所示，展示了新型放置樣品裝置的正視圖。載樣裝置實為長方體盒,規(guī)格為6 cm×2 cm×0.4 cm(長×寬×高)，保證有足夠的空間存放樣品，并與物鏡留有安全距離，避免對物鏡造成損壞，便于實際操作。載樣裝置采用玻璃、高聚物等透光性較好的材料，便于光進行反射、折射、雙折射或散色產(chǎn)生偏振光，進而對樣品進行研究觀測。載樣裝置設(shè)有配套的蓋子，避免了溶液揮發(fā)對顯微鏡造成的損壞，溶液不易溢出，保證了載物臺的整潔和實驗的順利進行，提高了實驗的成功率。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的成本問題；操作方便、簡潔，易于掌握。

圖2 新型載樣裝置

2 提升試劑認知度

在化學(xué)實驗中涉及到較為廣泛的試劑類型，學(xué)生在使用試劑前應(yīng)熟知其物理和化學(xué)屬性，有助于在實驗方案設(shè)計中選取合適的試劑，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，可通過顯微鏡觀測部分試劑的結(jié)構(gòu)及顏色，加深學(xué)生的印象，提高認知度。圖3所示為六水硫酸鎳的顯微鏡呈像，由該圖可見，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行觀察，并結(jié)合試劑的基本性質(zhì)分析其呈像特點，嘗試分析其中的原理。

圖3 六水硫酸鎳顯微鏡呈像

讓學(xué)生自主選擇試劑進行觀察，充分發(fā)揮學(xué)生的能動性，讓學(xué)生體驗到化學(xué)實驗的靈活性和趣味性，增強學(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 常見晶體結(jié)構(gòu)

課堂上所接觸到的試劑等與實際生活聯(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，可擴展晶體觀測范圍。在日常生活中，有很多晶體物質(zhì)的存在，最常見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)生通過理論課中學(xué)習(xí)的晶系及晶體類型知識，結(jié)合外觀形貌來判斷物質(zhì)所屬的晶系及類型，有助于加深理論知識的理解，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)生自帶晶體樣品進行觀察，根據(jù)顯微鏡呈像自行判斷晶體類型。也可以拓展為趣味化學(xué)實驗內(nèi)容，幫助學(xué)生了解化學(xué)世界的奇妙之處，調(diào)動學(xué)生對化學(xué)實驗的積極性。

晶體離我們并不遙遠，就在我們的日常生活之中，只要善于觀察，結(jié)合理論知識，便能分辨出晶體與非晶體物質(zhì)之間的區(qū)別。通過該種途徑，不僅增添了化學(xué)實驗的趣味性，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)生主動地參與到實驗過程中，培養(yǎng)其發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力[7-9]，提高學(xué)生的成就感，使實驗課堂不再枯燥無味。

(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，對具有透光性物質(zhì)均可用顯微鏡進行觀測。在日常生活中有很多常見的透光性物質(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行顯微鏡觀察。植物類的葉子、花瓣等，因含有的色素會影響透光性，導(dǎo)致無法觀察到其結(jié)構(gòu)，因此需要做成切片后進行觀察。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胞結(jié)構(gòu)，花瓣的顏色也完美地呈現(xiàn)出來。

在此實驗環(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行前處理制備樣品，并可以思考前處理方式的不同是否會對觀測結(jié)果帶來影響。學(xué)生可以根據(jù)自己的喜好選取實驗樣品，通過這種方式也可以考察學(xué)生對顯微鏡呈像原理的掌握程度。實驗趣味性的提升不僅使學(xué)生成為了實驗設(shè)計者，更成為了課堂的主體[10]，使學(xué)生有意識的活動貫穿整個課堂，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

化學(xué)實驗中增加趣味性元素可以直接影響教學(xué)的有效性，進一步鞏固、擴大和加深學(xué)生對化學(xué)基本理論和知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生綜合實踐能力、理論聯(lián)系實際的能力。趣味性實驗不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，也提升了學(xué)生主動獲取知識的能力。提高學(xué)生的參與度，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、獨立完成科學(xué)實驗的能力。全面提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，調(diào)動學(xué)生的科研探索熱情，開拓創(chuàng)新能力[15-16]。