利用化学实验素材开发综合实践活动课程

摘要： 将微距摄影的技术引入仅用一两滴试剂的微型化学实验，并以此为素材设计开发实施了综合实践活动课程。课程设计按照教育部《中小学综合实践活动课程指导纲要》的要求，遵循自主性、实践性、开放性、整合性、连续性的原则。课程内容包括微距摄影技术的学习体验、基于教材实验的温故知新、基于问题解决的专题探究、基于科学摄影的艺术创作等4项子活动，在指导学生灵活运用微距摄影技术的过程中培养学生综合素质。实践表明，课程受到学生欢迎，达到了预期效果，化学教师具有参与综合实践活动课程开发与实施的能力和条件。

关键词： 综合实践活动课程； 微距摄影； 微型化学实验； 综合素质； 可视化

文章编号： 10056629（2018）8002905 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

2017年9月底，教育部印发《中小学综合实践活动课程指导纲要》（以下简称《指导纲要》），

明确综合实践活动课程是必修课，与学科课程并列设置，面向各年级全体学生实施。《指导纲要》明确要求，综合实践活动课程的内容选择与组织应遵循自主性、实践性、开放性、整合性、连续性的原则。为此，笔者尝试将微距摄影引入微型化学实验（仅用一两滴试剂），并以此为主要素材设计并实施高中综合实践活动课程。

1 活动设计

课程以《指导纲要》为指导，总体思路是指导学生掌握微距摄影的方法，将其灵活运用于多种探究活动，解决简单的科学问题，进行简单的艺术创作。课程分为4个子活动进行，其各自的主题和具体内容见表1。

2 活动准备

选择合适的摄影设备是活动实施的基础。国内外研究者主要用数码显微镜或普通显微镜与照相机的组合完成显微摄影[1～4]，但在中学实施时可能存在价格昂贵、无法任选观察角度、实验空间受到载物台限制、无法观察固体颜色等局限。因此，笔者选择了微距镜头和智能手机的组合[5]。

除了完成微型化学实验所需的基础试剂、仪器外，本活动还需要以下材料： 微距镜头、手机、数码存储设备、载玻片（或透明亚克力板）、手电筒等。

3 活动过程

3.1 微距摄影技术的学习体验

首先，笔者结合自己和他人的实验成果[6]介绍了微距摄影的方法、用途和效果（30min）。接着以高锰酸钾溶液与过氧化氢溶液反应的实验为例，现场演示了其中一种操作方法（10min）。

将手机平放在铁架台底部，在前置摄像头上安装微距镜头。用木夹夹持载玻片并移动至合适高度，使载玻片上表面能被摄像头清晰对焦。在载玻片上滴一滴高锰酸钾溶液和一滴过氧化氢溶液（间隔约2mm），用牙签拨动其中一滴液滴，使其与另一滴融合并反应，用手机视频拍摄功能记录这一过程。原本密密麻麻、迅速移动的小气泡在手机屏幕上清晰地呈现，原本转瞬即逝的颜色变化也能通过手机视频回放轻松地观察。

然后，笔者让学生自己完成刚刚的实验，体验该过程（20min）。在此期间，一些学生遇到了问题，例如： 摄像头无法清晰对焦（木夹高度不合适），拍摄画面曝光过度（白炽灯直射摄像头），滴加的液滴不圆润不饱满（没有掌握技巧）等。这些问题或通过互相交流解决，或由笔者现场指导解决。值得一提的是，不少学生还做出了创新的尝试。

案例一 有学生认为，微距镜头的工作原理相当于一个凸透镜。于是，他在手机前置摄像头上滴一滴水，自制“水滴透镜”代替微距镜头，竟然也实现了微距摄影的功能。课后，他与物理教师合作，进一步探究了水滴透镜的外形（直径、凸起程度、体积）对拍摄效果（焦距、放大倍率、清晰度、畸变程度）的影响。这样，课程内容就从化学延伸到了物理等其他学科。

除案例一外，其他新尝试还包括： 用平板电脑代替手机拍摄；手持载玻片代替铁架台和木夹的夹持；用后置摄像头俯拍的模式代替前置摄像头仰拍；用笔芯或玻璃棒代替滴管滴加液滴；用手机灯光、激光笔等光源代替日光灯……一些做法确实取得了更好的效果。

3.2 基于教材实验的温故知新

在掌握微距摄影的技术后，笔者引导学生自选教材中曾经学过的实验，并以小组合作的形式重做实验。在此过程中，学生观察到了更细腻的实验细节，发现了更多的信息，体验到了化学反应的神奇，甚至成功改进了一些曾经失败的实验。

案例二 一组同学曾经做过硫酸亚铁和氢氧化钠反应的实验[7]，但只看到了灰绿色沉淀，因此决定用微距摄影技术重做实验。第一次尝试时，他们在载玻片上先后滴加氢氧化钠和硫酸亚铁（溶液，各一滴），用牙签拨动硫酸亚铁，使其與氢氧化钠混合、反应，用微距摄影技术记录全过程，但在2滴液滴交界处依然生成了灰绿色固体。第二次尝试时，他们把载玻片换成打磨过的铁片（试图把溶液中的三价铁离子还原），结果虽然有白色固体产生，但由于铁片背景的干扰，生成物不清晰、不美观。第三次尝试时，他们用镊子夹1～2粒硫酸亚铁小晶体放在载玻片上，并在晶体上方滴一滴水，待其溶解。在水滴旁滴一滴氢氧化钠溶液，2min后拨动液滴使其融合、反应。通过回看录像，我们清晰地看见了白色固体的产生，维持了20s后固体边缘才开始缓慢变绿。接着，我们还用手机延时摄影的功能拍摄了生成物由白变绿再变黄的全过程，发现固体各部位变色并不同步： 边缘变色较快，而中央的白色能维持较长时间，这体现了由外至内氧化的过程。

案例二中的所有实验操作均由学生自己完成，笔者只做了少许引导、启发。虽然做的只是教材中很基础的实验，但学生在“温故”的过程中尝试了不同的实验方法，积累了实验操作经验，加深了对反应机理的理解，达到了“知新”的目的。

3.3 基于问题解决的专题探究

表2是化学实验甚至日常生活中的3种常见的现象，其初始状态和结束状态是众所周知的，但其具体的变化过程鲜为人知。几乎没有学生能通过想象还原其过程，只能简单粗糙地概括为： 液滴融合、蒸发结晶、置换反应。这是因为这些变化过程时间跨度太长或太短（变化过快或过慢）、空间尺度过小（变化过于细微），仅凭肉眼难以观察，所以超出了“常识”的范围。

案例三 在解决问题一时，一组同学用一滴硫酸铜溶液（以下简称A液滴）与一滴氢氧化钠溶液（以下简称B液滴）融合。他们发现，A、 B液滴在融合时会产生一层由氢氧化铜等固体物质组成的膜，一下子阻止了反应的继续进行，于是这张固体膜就成为了A、 B液滴的分界线，定格了A、 B液滴在融合过程中的某一时刻的图像。在反复尝试的过程中，该组同学发现，不同浓度的A、 B液滴反应产生固体膜的形状也不同。在笔者的建议下，他们分别用1mol/L、 0.5mol/L、 0.25mol/L、 0.125mol/L的A、 B液滴做对照实验。结果表明，反应物浓度越低，固体膜弯曲程度越大。1mol/L时，固体膜只是稍微弯曲，而0.125mol/L时，固体膜已经深入B液滴中心。分析可知，反应物浓度越低，固体膜形成的时间越短，留给A、 B液滴融合的时间越长。通过这4组对照实验，该组同学发现了液滴融合的规律： 被牙签拨动的A液滴在接触B液滴表面后，迅速向B液滴中心延伸，B液滴从两边向A液滴外围延伸，把A液滴包裹起来。接着，A、 B液滴相互交融渗透，逐渐融为一体。

由于问题的开放程度很高，各个小组解决问题的思路和方法可能完全不一样，出现了许多超出笔者预期的解决方法。如案例三所示，两滴会发生反应并生成固体的液滴在每次实验时虽然都没有完全地融合，但竟然也能用来解决问题一，这是一个充满创意的做法。

3.4 基于科学摄影的艺术创作

科学摄影是用摄影技术来记录科学现象的一种手段，微距摄影是科学摄影的一种，其作品兼具艺术价值和科学传播意义[9]。在前三次活动中，许多学生在熟练掌握微距摄影方法的基础上，已经不经意地拍出了艺术化的照片。最后一次活动，笔者专门安排了一场基于科学摄影的艺术创作活动，学生可以自带补光灯、背景布、反光板、装饰品、特制反应容器等材料，自己设计化学实验，创造尽可能清晰美观的摄影作品[10]。

案例四 一组同学希望拍摄铁屑与酸反应的实验照片。他们把表面皿放置在铁架台的铁环上，在表面皿内放入1颗铁屑，并在铁屑表面滴几滴盐酸，用手机前置摄像头配合微距镜头仰拍现象。这样拍摄的气泡虽然已经清晰可见，但由于光线较暗，视觉对比效果不强（图1a），如果增强对比度并降低亮度，气泡就变得黯淡无光（图1b）。在笔者的建议下，他们用手电筒从侧面照射补光后重新拍摄，此时气泡就更加清晰（图1c），如果调整亮度和对比度，一个个气泡就更加清晰明亮（图1d）。接着他们又重新构图，拍摄了2颗铁屑与稀硫酸的反应（补光前为图1e，补光后为图1f）。这是他们第一次如此清晰地观察到生动、美丽、细腻的气泡，而且还有个意外发现： 与铁屑反应时，即使稀硫酸浓度是稀盐酸的2倍以上，但反应速率仍然比稀盐酸慢，这是因为氯离子加快了反应速率[11～13]。课后，该小组又对此异常现象做了进一步探究。

与案例四类似，学生在反复尝试中拍摄美丽的化学反应。课程结束后，学生将实验报告（实验设计、照片视频等）提交至笔者邮箱，图2是其中4幅摄影作品。图2a是“绿藻”，是在一大滴硫酸铜溶液中滴入氢氧化钠后产生的。图2b是“绿玫瑰”，在一滴硫酸亚铁溶液中连续滴2～3滴氢氧化钠，先生成一层薄薄的带有皱纹的氢氧化亚铁固体，过几秒后皱纹处先被氧化，其形状与玫瑰的俯视图非常类似。图2c是“滴个盐酸都是爱你的形状”，是在酚酞与氢氧化钠的混合液中滴加盐酸形成的。图2d是“蓝色玛瑙”，是在25%硅酸钠溶液中放入硫酸铜晶体后产生的，形状和纹路像玛瑙或盛开的花朵。

4 总结

本课程的设计和实施严格按照《指导纲要》的要求，遵循《指导纲要》中自主性、实践性、开放性、整合性、连续性的原则，其实现方式见表4。课程在实际实施时，学生积极性很高，直到下课还迟迟不愿离开，甚至另外预约时间单独实验。絕大多数学生都认为有所收获，并希望未来继续参与此类课程。

随着综合实践活动课程重要性的逐渐凸显和地位的逐渐提升，包括化学教师在内的广大学科教师也应该积极参与课程的开发实施。一方面，将本学科的校本实践环节开发、拓展、升级为综合实践活动；另一方面，让本学科的知识在综合实践活动中得到延伸、重组和提升。只有各学科教师相互合作，形成合力，才能推动综合实践活动课程真正落地。

参考文献：

[1]陈凯.基于显微技术的微型化学实验——介绍一种新兴化学实验方法[J].化学教学，2008，（5）： 16～18.

[2]祁大林.运用手机的拍摄功能玩转显微摄影[J].中学生物教学，2016，（11）： 47～48.

[3]Ninomiya Akio. A Chemical Experiment through the Microscope： Sprout of Phosphate and Observation on the Continuous Change of Sprout [J]. The Chemical Society of Japan， 1999，47（3）： 192～195.

[4]Chuk Yin， Lam Erwin， Sprague， Joseph. Replacement reactions using a dissecting microscope [J]. Journal of Chemical Education， 1992，69（10）： 855.

[5]凌一洲.例谈可视化技术在基础实验中的应用[J].化学教学，2018，（5）： 51～56.

[6]梁琰.美丽的化学反应[M].北京： 清华大学出版社，2016.

[7]陈杨展，吴双，蔡双莲.氢氧化亚铁制备实验中减缓氧化的一种简便方法[J].化学教育，2017，38（11）： 61～63.

[8]严柏秋，王彦华，杭伟华.铝与硫酸铜反应实验的再探究——用易拉罐的铝合金置换铜[J].化学教学，2010，（5）： 13.

[9]陈悦，陈凯，邵阳.国外科学主题摄影比赛作品评析与启示[J].化学教育，2017，38（11）： 72～77.

[10]凌一洲.从美的发生到美的体验、美的创造——利用可视化实验室实现美育渗透的探索[J].化学教学，2017，（12）： 10～13.

[11]周学工，吴文中.氯离子对金属及其化合物与酸溶液反应的影响[J].中学化学教学参考，2016，（17）： 51～53.

[12]王程杰.关注氯离子效应在中学化学实验中的应用[J].化学教学，2015，（11）： 53～58.

[13]张勇，邓伟，王文玉.利用数字化实验探究氯离子对金属腐蚀速率的影响[J].化学教学，2017，（12）： 65～67.