利用化學實驗素材開發綜合實踐活動課程

摘要： 將微距攝影的技術引入僅用一兩滴試劑的微型化學實驗，并以此為素材設計開發實施了綜合實踐活動課程。課程設計按照教育部《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》的要求，遵循自主性、實踐性、開放性、整合性、連續性的原則。課程內容包括微距攝影技術的學習體驗、基于教材實驗的溫故知新、基于問題解決的專題探究、基于科學攝影的藝術創作等4項子活動，在指導學生靈活運用微距攝影技術的過程中培養學生綜合素質。實踐表明，課程受到學生歡迎，達到了預期效果，化學教師具有參與綜合實踐活動課程開發與實施的能力和條件。

關鍵詞： 綜合實踐活動課程； 微距攝影； 微型化學實驗； 綜合素質； 可視化

文章編號： 10056629（2018）8002905 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

2017年9月底，教育部印發《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》（以下簡稱《指導綱要》），

明確綜合實踐活動課程是必修課，與學科課程并列設置，面向各年級全體學生實施。《指導綱要》明確要求，綜合實踐活動課程的內容選擇與組織應遵循自主性、實踐性、開放性、整合性、連續性的原則。為此，筆者嘗試將微距攝影引入微型化學實驗（僅用一兩滴試劑），并以此為主要素材設計并實施高中綜合實踐活動課程。

1 活動設計

課程以《指導綱要》為指導，總體思路是指導學生掌握微距攝影的方法，將其靈活運用于多種探究活動，解決簡單的科學問題，進行簡單的藝術創作。課程分為4個子活動進行，其各自的主題和具體內容見表1。

2 活動準備

選擇合適的攝影設備是活動實施的基礎。國內外研究者主要用數碼顯微鏡或普通顯微鏡與照相機的組合完成顯微攝影[1～4]，但在中學實施時可能存在價格昂貴、無法任選觀察角度、實驗空間受到載物臺限制、無法觀察固體顏色等局限。因此，筆者選擇了微距鏡頭和智能手機的組合[5]。

除了完成微型化學實驗所需的基礎試劑、儀器外，本活動還需要以下材料： 微距鏡頭、手機、數碼存儲設備、載玻片（或透明亞克力板）、手電筒等。

3 活動過程

3.1 微距攝影技術的學習體驗

首先，筆者結合自己和他人的實驗成果[6]介紹了微距攝影的方法、用途和效果（30min）。接著以高錳酸鉀溶液與過氧化氫溶液反應的實驗為例，現場演示了其中一種操作方法（10min）。

將手機平放在鐵架臺底部，在前置攝像頭上安裝微距鏡頭。用木夾夾持載玻片并移動至合適高度，使載玻片上表面能被攝像頭清晰對焦。在載玻片上滴一滴高錳酸鉀溶液和一滴過氧化氫溶液（間隔約2mm），用牙簽撥動其中一滴液滴，使其與另一滴融合并反應，用手機視頻拍攝功能記錄這一過程。原本密密麻麻、迅速移動的小氣泡在手機屏幕上清晰地呈現，原本轉瞬即逝的顏色變化也能通過手機視頻回放輕松地觀察。

然后，筆者讓學生自己完成剛剛的實驗，體驗該過程（20min）。在此期間，一些學生遇到了問題，例如： 攝像頭無法清晰對焦（木夾高度不合適），拍攝畫面曝光過度（白熾燈直射攝像頭），滴加的液滴不圓潤不飽滿（沒有掌握技巧）等。這些問題或通過互相交流解決，或由筆者現場指導解決。值得一提的是，不少學生還做出了創新的嘗試。

案例一 有學生認為，微距鏡頭的工作原理相當于一個凸透鏡。于是，他在手機前置攝像頭上滴一滴水，自制“水滴透鏡”代替微距鏡頭，竟然也實現了微距攝影的功能。課后，他與物理教師合作，進一步探究了水滴透鏡的外形（直徑、凸起程度、體積）對拍攝效果（焦距、放大倍率、清晰度、畸變程度）的影響。這樣，課程內容就從化學延伸到了物理等其他學科。

除案例一外，其他新嘗試還包括： 用平板電腦代替手機拍攝；手持載玻片代替鐵架臺和木夾的夾持；用后置攝像頭俯拍的模式代替前置攝像頭仰拍；用筆芯或玻璃棒代替滴管滴加液滴；用手機燈光、激光筆等光源代替日光燈……一些做法確實取得了更好的效果。

3.2 基于教材實驗的溫故知新

在掌握微距攝影的技術后，筆者引導學生自選教材中曾經學過的實驗，并以小組合作的形式重做實驗。在此過程中，學生觀察到了更細膩的實驗細節，發現了更多的信息，體驗到了化學反應的神奇，甚至成功改進了一些曾經失敗的實驗。

案例二 一組同學曾經做過硫酸亞鐵和氫氧化鈉反應的實驗[7]，但只看到了灰綠色沉淀，因此決定用微距攝影技術重做實驗。第一次嘗試時，他們在載玻片上先后滴加氫氧化鈉和硫酸亞鐵（溶液，各一滴），用牙簽撥動硫酸亞鐵，使其與氫氧化鈉混合、反應，用微距攝影技術記錄全過程，但在2滴液滴交界處依然生成了灰綠色固體。第二次嘗試時，他們把載玻片換成打磨過的鐵片（試圖把溶液中的三價鐵離子還原），結果雖然有白色固體產生，但由于鐵片背景的干擾，生成物不清晰、不美觀。第三次嘗試時，他們用鑷子夾1～2粒硫酸亞鐵小晶體放在載玻片上，并在晶體上方滴一滴水，待其溶解。在水滴旁滴一滴氫氧化鈉溶液，2min后撥動液滴使其融合、反應。通過回看錄像，我們清晰地看見了白色固體的產生，維持了20s后固體邊緣才開始緩慢變綠。接著，我們還用手機延時攝影的功能拍攝了生成物由白變綠再變黃的全過程，發現固體各部位變色并不同步： 邊緣變色較快，而中央的白色能維持較長時間，這體現了由外至內氧化的過程。

案例二中的所有實驗操作均由學生自己完成，筆者只做了少許引導、啟發。雖然做的只是教材中很基礎的實驗，但學生在“溫故”的過程中嘗試了不同的實驗方法，積累了實驗操作經驗，加深了對反應機理的理解，達到了“知新”的目的。

3.3 基于問題解決的專題探究

表2是化學實驗甚至日常生活中的3種常見的現象，其初始狀態和結束狀態是眾所周知的，但其具體的變化過程鮮為人知。幾乎沒有學生能通過想象還原其過程，只能簡單粗糙地概括為： 液滴融合、蒸發結晶、置換反應。這是因為這些變化過程時間跨度太長或太短（變化過快或過慢）、空間尺度過小（變化過于細微），僅憑肉眼難以觀察，所以超出了“常識”的范圍。

案例三 在解決問題一時，一組同學用一滴硫酸銅溶液（以下簡稱A液滴）與一滴氫氧化鈉溶液（以下簡稱B液滴）融合。他們發現，A、 B液滴在融合時會產生一層由氫氧化銅等固體物質組成的膜，一下子阻止了反應的繼續進行，于是這張固體膜就成為了A、 B液滴的分界線，定格了A、 B液滴在融合過程中的某一時刻的圖像。在反復嘗試的過程中，該組同學發現，不同濃度的A、 B液滴反應產生固體膜的形狀也不同。在筆者的建議下，他們分別用1mol/L、 0.5mol/L、 0.25mol/L、 0.125mol/L的A、 B液滴做對照實驗。結果表明，反應物濃度越低，固體膜彎曲程度越大。1mol/L時，固體膜只是稍微彎曲，而0.125mol/L時，固體膜已經深入B液滴中心。分析可知，反應物濃度越低，固體膜形成的時間越短，留給A、 B液滴融合的時間越長。通過這4組對照實驗，該組同學發現了液滴融合的規律： 被牙簽撥動的A液滴在接觸B液滴表面后，迅速向B液滴中心延伸，B液滴從兩邊向A液滴外圍延伸，把A液滴包裹起來。接著，A、 B液滴相互交融滲透，逐漸融為一體。

由于問題的開放程度很高，各個小組解決問題的思路和方法可能完全不一樣，出現了許多超出筆者預期的解決方法。如案例三所示，兩滴會發生反應并生成固體的液滴在每次實驗時雖然都沒有完全地融合，但竟然也能用來解決問題一，這是一個充滿創意的做法。

3.4 基于科學攝影的藝術創作

科學攝影是用攝影技術來記錄科學現象的一種手段，微距攝影是科學攝影的一種，其作品兼具藝術價值和科學傳播意義[9]。在前三次活動中，許多學生在熟練掌握微距攝影方法的基礎上，已經不經意地拍出了藝術化的照片。最后一次活動，筆者專門安排了一場基于科學攝影的藝術創作活動，學生可以自帶補光燈、背景布、反光板、裝飾品、特制反應容器等材料，自己設計化學實驗，創造盡可能清晰美觀的攝影作品[10]。

案例四 一組同學希望拍攝鐵屑與酸反應的實驗照片。他們把表面皿放置在鐵架臺的鐵環上，在表面皿內放入1顆鐵屑，并在鐵屑表面滴幾滴鹽酸，用手機前置攝像頭配合微距鏡頭仰拍現象。這樣拍攝的氣泡雖然已經清晰可見，但由于光線較暗，視覺對比效果不強（圖1a），如果增強對比度并降低亮度，氣泡就變得黯淡無光（圖1b）。在筆者的建議下，他們用手電筒從側面照射補光后重新拍攝，此時氣泡就更加清晰（圖1c），如果調整亮度和對比度，一個個氣泡就更加清晰明亮（圖1d）。接著他們又重新構圖，拍攝了2顆鐵屑與稀硫酸的反應（補光前為圖1e，補光后為圖1f）。這是他們第一次如此清晰地觀察到生動、美麗、細膩的氣泡，而且還有個意外發現： 與鐵屑反應時，即使稀硫酸濃度是稀鹽酸的2倍以上，但反應速率仍然比稀鹽酸慢，這是因為氯離子加快了反應速率[11～13]。課后，該小組又對此異常現象做了進一步探究。

與案例四類似，學生在反復嘗試中拍攝美麗的化學反應。課程結束后，學生將實驗報告（實驗設計、照片視頻等）提交至筆者郵箱，圖2是其中4幅攝影作品。圖2a是“綠藻”，是在一大滴硫酸銅溶液中滴入氫氧化鈉后產生的。圖2b是“綠玫瑰”，在一滴硫酸亞鐵溶液中連續滴2～3滴氫氧化鈉，先生成一層薄薄的帶有皺紋的氫氧化亞鐵固體，過幾秒后皺紋處先被氧化，其形狀與玫瑰的俯視圖非常類似。圖2c是“滴個鹽酸都是愛你的形狀”，是在酚酞與氫氧化鈉的混合液中滴加鹽酸形成的。圖2d是“藍色瑪瑙”，是在25%硅酸鈉溶液中放入硫酸銅晶體后產生的，形狀和紋路像瑪瑙或盛開的花朵。

4 總結

本課程的設計和實施嚴格按照《指導綱要》的要求，遵循《指導綱要》中自主性、實踐性、開放性、整合性、連續性的原則，其實現方式見表4。課程在實際實施時，學生積極性很高，直到下課還遲遲不愿離開，甚至另外預約時間單獨實驗。絕大多數學生都認為有所收獲，并希望未來繼續參與此類課程。

隨著綜合實踐活動課程重要性的逐漸凸顯和地位的逐漸提升，包括化學教師在內的廣大學科教師也應該積極參與課程的開發實施。一方面，將本學科的校本實踐環節開發、拓展、升級為綜合實踐活動；另一方面，讓本學科的知識在綜合實踐活動中得到延伸、重組和提升。只有各學科教師相互合作，形成合力，才能推動綜合實踐活動課程真正落地。

參考文獻：

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