美國高中化學教科書中“硬幣實驗”的特點及功能

摘要：美國高中化學主流教科書《化學：概念與應用》中頻頻出現的“硬幣實驗”在實驗選材與設計上獨具匠心。硬幣在實驗中充當化學反應物、物理測量對象、實驗器皿、物理模型多個角色，“硬幣實驗”也在經濟簡約、類比思維、激發興趣、科學探究等方面發揮了多重教學功能，在實驗選材、實驗教學等方面對我國中學化學實驗教學改革提供了有益啟示。

關鍵詞：美國教材；化學實驗；教科書；硬幣實驗

文章編號：1005-6629(2012)8-0078-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

金屬硬幣是學生非常熟悉的物品，不僅被用于購買商品，也時常被作為一些活動和游戲的道具。然而，在化學教科書中，偶爾才能見到金屬硬幣的影子，但從未在實驗中出現。而在美國高中化學主流教科書《化學：概念與應用》川中，出現了較多的“硬幣實驗”，對于實現化學實驗的生活化具有重要啟示。

1 《化學：概念與應用》中“硬幣實驗”的特點

《化學：概念與應用》有6個實驗涉及“硬幣”素材。在這六個“硬幣實驗”中，硬幣所充當的角色不盡相同，既可作為實驗器皿、物理模型，也可以作為實驗試劑；不僅可以是化學反應的反應物，還可以是物理測量的對象。表1統計了“硬幣實驗”的主要內容及硬幣所發揮的作用。

透過“硬幣”實驗，管窺教科書編寫的價值取向，不難發現：6個實驗所在的章節標題學科線索鮮明，但主題的主角——硬幣，以及部分主題名稱，卻體現著“生活中的化學”的編寫理念。可見《化學：概念與應用》教科書實驗內容的選擇較好地體現了學科中心與社會中心相融合的價值取向。

2 《化學：概念與應用》中“硬幣實驗”的教學功能

由表1對《化學：概念與應用》教科書中“硬幣實驗”的統計，不難歸納出“硬幣實驗”獨特的教學功能：

2.1 經濟簡約功能

“硬幣實驗”利用生活中常見物品開展化學定性與定量實驗，創造性地實現化學實驗經濟、簡易、有趣的有機結合。如迷你實驗“原子的平均質量”，巧妙利用硬幣“代表同位素，來測一測兩種硬幣同位素的質量及平均質量”，在硬幣(代替原子)平均質量的稱量與計算的實驗操作基礎上，提出系列問題：所有硬幣的總質量代表什么?計算一枚硬幣的平均質量。這個質量與每組中硬幣的平均質量相比，有何關聯?為什么我們先要稱出10枚硬幣的質量，再除以10來獲得每枚硬幣的質量，而不是直接稱出1枚硬幣的質量?從而啟發學生思考，主動深入理解平均相對原子量的由來與內涵。又如，在學習化學反應的類型時，學生已經從Cl₂與NaBr、Fe與CuSO的置換反應演示實驗中，認識了置換反應的定義與特征，而學生親自體驗的化學實驗——探索化學變化，進行硬幣(要求含有金屬鋅)與鹽酸反應的實驗，經過現象觀察、數據整理、分析與討論，形成對置換反應的感性體驗與理性認識，構建對化學變化的深刻理解。

經濟簡約的“硬幣實驗”為檢驗化學理論提供實驗事實，通過形象思維與抽象思維的結合，能有效突破理論學習的難點。

案例1 迷你實驗：一枚硬幣上能放多少滴水?

由于表面張力的緣故，水在許多物體表面上都會形成水珠。在這個實驗里，我們要來比一比，看誰在一枚硬幣上滴的水滴或洗滌液最多。

實驗步驟：

(1)在實驗桌上平放一枚硬幣。

(2)用尖嘴滴管吸取自來水，往硬幣上滴水。注意不要溢出硬幣的邊緣，記錄水滴數。

(3)用另一支尖嘴吸管吸取老師提供的洗滌液，重復上述操作，記錄液滴數。

分析與討論：

(1)在這個實驗中，哪些體現了表面張力的作用效果?

(2)水和洗滌液哪種液體的表面張力較小?為什么?

如案例1所示，在學習水的分子間作用力時，讓學生進行一枚硬幣上能放多少滴水的迷你實驗，不僅能檢驗水滴的表面張力，進一步證明水分子間作用力的存在，還能通過組間比賽形成競爭機制，增加實驗的趣味性。

2.2 類比思維功能

“硬幣實驗”是一種實踐活動，是重要感性認識方法，《化學：概念與應用》教科書中部分“硬幣實驗”以硬幣為類比“原型”，引導學生進行科學思維，化難為易，促進學生對抽象知識的理解。

案例2化學實驗：放射性衰變的硬幣模型

不穩定原子的原子核會自發地發生分解或衰變，放射出射線。能發生這種變化的原子即為放射性同位素。發生衰變的原子叫做母原子，由衰變產生的原子叫做子原子。在本化學實驗中，頭像朝上的硬幣被假想為母原子，背面朝上的硬幣被看做衰變后產生的子原子，你將研究放射性同位素的衰變特點，并判斷它的半衰期(原子總量的一半發生衰變所需要的時間)。

問題：這種假想的放射性同位素，它的半衰期是多少?

目標：推斷假想原子的衰變特點；分析數據，計算假想原子的半衰期；繪制圖表，解釋實驗數據。

實驗器材：一只鞋盒、120枚硬幣(可用1角或1元的硬幣)、秒表。

實驗步驟：

(1)數出120枚硬幣，將它們的頭像全部朝上地放在鞋盒里。在類似“實驗數據與現象觀察”的表格中，對應于時間為“0”的位置上記120個母原子，0個子原子。

(2)將鞋盒用蓋子蓋好，然后用適當的力上下搖晃盒子20次，期間你的搭檔將記下衰變的時間。假設之后實驗的衰變時間都保持一致。

(3)打開盒子，將背面朝上的硬幣從盒中取出，并數出它們的數量，記為子原子數。原來的硬幣總數減去取出的硬幣個數就是剩余的母原子數。將搖晃硬幣花去的時間、取出的硬幣個數及剩余的硬幣個數全部記錄在表格當中。

(4)重復4次實驗步驟2和3，每次結束后都記下實驗數據。每輪搖晃結束后，將時間與所有之前花去的時間相加，即可得到已經花去的總時間。

分析與討論：

(1)繪制圖表：將剩余的母原子數作為y軸，時間作為x軸，繪制曲線圖。

(2)解釋數據：在你操作的實驗中，假想原子的半衰期是多少?請予以說明。

應用與評估：

(1)在每個半衰期中，發生衰變的假想原子所占的比例都是一樣的嗎?這表明半衰期的什么特點?為什么說真實原子中這種變化不會很明顯?

(2)如果你有1 mol硬幣(假設你有足夠的時間數清楚)，經過10個半衰期后，還剩下多少個母原子?剩下的數目多嗎?

(3)如果你花更長的時間來搖晃盒子，這對半衰期會產生怎樣的影響?這是否表明原子的半衰期可通過改變條件進行控制?

如案例2 所示，放射性衰變的硬幣模型實驗以形象化的硬幣模擬實驗，幫助學生理解難以肉眼觀察的放射性元素半衰期，體驗數據測量、記錄、整理、繪圖、推理等過程。通過半衰期建模，學生收獲的不僅是動態的半衰期知識，還從操作層面上獲得了實驗、觀察、數據記錄、繪制圖表、邏輯推理等系列方法，更獲得了建模思想，能有效落實“科學方法、科學思想”等目標。

2.3 激發興趣功能

“硬幣實驗”能夠激發學生的化學學習興趣。在高中化學學習起始階段的《第一章化學：關于物質的一門學科》設置的迷你實驗——煉金家的夢想：把銅變成金，讓學生有機會“重復煉金家所做的實驗，在一定的條件下，讓硬幣中的銅、鋅單質發生化學反應，制造出非常有趣的銅鋅合金”。這個實驗讓學生使用熟悉的金屬硬幣，體驗煉金家的工作，掀開煉金術的神秘面紗，無論是實驗試劑的熟悉度，還是實驗情境的神秘性，抑或是實驗過程的身臨其境，都具有明顯的激發興趣功能。

化學學習興趣從低水平的直接興趣到高水平的間接興趣，依次劃分為感知興趣、操作興趣、探究興趣和創造興趣。如果“硬幣實驗”僅僅是讓學生進行實驗操作，此時的興趣水平只會停留在操作興趣，屬于低水平的直接興趣，既不持久也不穩定，無法讓學生真正領會化學學科的思想魅力。因而教科書在該實驗操作后設置了“分析與討論”：(1)實驗過程中，你認為有哪些證據表明你已制得了銅和鋅的合金?請給出解釋。(2)你認為這種合金可能具有什么特性?(3)假如將硬幣切割成兩半，并用最先進的顯微鏡觀察切面，你認為能夠觀察到什么?在學生正沉浸在濃厚的操作興趣時，三個問題的設置能及時有效地營造思考氛圍，啟發思維，激發探究興趣，形成更為持久、穩定的間接興趣，提升學習動機水平。事實上，《化學：概念與應用》中的每一個化學實驗、迷你實驗均設置了“分析與討論”環節(參見案例1、2)，而化學實驗還設置有“應用與評估”(參見案例2)，創設了遷移與創造的學習環境，為創造興趣的形成提供外部支持。

2.4 科學探究功能

科學從本質而言是探究的過程，因而親歷探究的過程既是學習化學的重要方式，也是化學學習的重要內容，既能形成對探究方法的認識，也能形成對科學本質的理解。“硬幣實驗”的探究設計，體現了引導探究學習、發展探究能力的教學功能。以“探究硬幣的成分”為例，該實驗設置探究問題：美國的硬幣自1959年起即由銅和鋅組成，但這些年來由于銅的價格提高，銅鋅的比例發生了一定的變化。不同年代所鑄造的硬幣成分大約是多少?在此問題的驅動下開展實驗操作、觀察、數據測量與記錄、分析與推論，在應用與評估環節還設置了系列問題，能激發學生進一步探究的欲望。

此外，“硬幣實驗”還滲透人文教育。如“探究硬幣的成分”應用與評估環節設置的問題：做一個研究并查明為什么1943年鋼幣受到沖擊?鍍鋅的目的是什么?銅的價格的提升為什么引起鑄幣廠改變硬幣成分?能讓學生從社會發展的現實中思考化學問題，領會科學與技術、社會的互動關系。

3 對我國中學化學實驗教學的啟示

“硬幣實驗”不僅讓硬幣展現了貨幣職能之外的多種價值，更實現了自身的多重教學功能。經濟簡約的“硬幣實驗”能引發化學教學認識問題，為學生認識化學科學知識、檢驗化學理論提供化學實驗事實；還能讓“科學方法、科學思想”等目標在生活物品的便利實驗中落到實處；更能激發學生的化學學習興趣，創設生動活潑的化學教學情景，引導探究學習，發展探究能力。

可見，只要化學教師具備“似生活走進化學實驗、用化學實驗解決社會問題”的理念，只要有善于發現的精神與創造的意識，眼藥水瓶可以成為膠頭滴管的乳膠頭，膠囊外包裝可以成為點滴板，牛皮信封可以成為半透膜，雞蛋殼可以成為CaCO₃的原料。而這些熟悉而又陌生的儀器與試劑會成為化學學習興趣的源泉。

參考文獻：

【1】【美】菲利普等著，王祖浩等譯.科學發現者化學：概念與應用【M】.杭州：浙江教育出版社，2008

【2】梁慧妹，鄭長龍.化學實驗論【M】.南寧：廣西教育出版社，1996:196