“金屬樹(shù)”趣味實(shí)驗(yàn)及其教學(xué)應(yīng)用

王振 胡志剛

摘要： 以“金屬樹(shù)”趣味實(shí)驗(yàn)整合初中化學(xué)核心知識(shí)，讓學(xué)生在“玩”的過(guò)程中突破難點(diǎn)，為學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)尋找切入點(diǎn)。介紹“金屬樹(shù)”（“銅樹(shù)”、“錫樹(shù)”和“銀樹(shù)”）趣味實(shí)驗(yàn)的制作，并應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐。用“銅樹(shù)”的制作鞏固和加深學(xué)生對(duì)金屬活動(dòng)性順序表的理解和應(yīng)用，提升學(xué)生三重表征能力。探究鋅和氯化銅溶液制“銅樹(shù)”的最佳濃度，把單純的配制溶液內(nèi)容改為趣味探究性實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞： 趣味實(shí)驗(yàn)； 金屬樹(shù)； 銅樹(shù)； 三重表征； 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 1005-6629（2018）7-0086-04 中圖分類號(hào)： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

新一輪的課程標(biāo)準(zhǔn)明確提出要更新教學(xué)內(nèi)容： 進(jìn)一步精選學(xué)科內(nèi)容，重視以學(xué)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(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)[1]。趣味實(shí)驗(yàn)備受學(xué)生和教師的親睞，但對(duì)趣味實(shí)驗(yàn)教育價(jià)值的開(kāi)發(fā)略顯不足。如“銅樹(shù)”的制作，陳凱等[2]（2008）借鑒并改進(jìn)了早期日本《化學(xué)教育》雜志介紹的“金屬樹(shù)”的制作，作為金屬化學(xué)性質(zhì)的補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)；許燕紅等[3]（2015）從單因素角度探究了銅樹(shù)的最佳生長(zhǎng)條件；徐春蕓[4]（2017）提及簡(jiǎn)單易行且符合綠色化學(xué)理念的微型實(shí)驗(yàn)銅樹(shù)制作，卻都沒(méi)有深度挖掘其教育功能。筆者嘗試以“金屬樹(shù)”趣味實(shí)驗(yàn)的制作為主題，以置換反應(yīng)、金屬活動(dòng)性順序表等化學(xué)知識(shí)為核心，讓學(xué)生在“玩”的過(guò)程中突破難點(diǎn)，為學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)尋找落腳點(diǎn)。

1 “金屬樹(shù)”趣味實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)原理

在金屬活動(dòng)性順序表里，位于前面的金屬能把位于后面的金屬?gòu)乃鼈兊幕衔锶芤褐兄脫Q出來(lái)[5]。把相對(duì)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(lái)的金屬沿著紙張就像樹(shù)枝一樣逐漸生長(zhǎng)，即可觀察到多姿多彩的“金屬樹(shù)”。我們以鋅粒為例，來(lái)制作形態(tài)各異的“金屬樹(shù)”。

“銅樹(shù)”： 用鋅粒與硫酸銅溶液（Zn+CuSO4ZnSO4+Cu）或氯化銅溶液（Zn+CuCl2ZnCl2+Cu）反應(yīng)；

“錫樹(shù)”： 鋅粒與二氯化錫溶液（Zn+SnCl2ZnCl2+Sn）反應(yīng)；

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

1.3 制作步驟

（1） 把宣紙裁剪成形，放入培養(yǎng)皿內(nèi)（本實(shí)驗(yàn)均為常溫下進(jìn)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(kuò)散直至宣紙呈潤(rùn)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(shù)”制作圖片

在宣紙上完成“金屬樹(shù)”的生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，6h后就能在宣紙上完全長(zhǎng)成形態(tài)美觀、顏色靚麗的各種“金屬樹(shù)”?！敖饘贅?shù)”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(jiàn)圖1～4。

1.5 注意事項(xiàng)

宣紙和培養(yǎng)皿之間不要留有空隙，溶液以宣紙全部潤(rùn)濕為宜，不宜過(guò)多。Sn2+離子極易水解，把二氯化錫固體溶解在濃鹽酸中進(jìn)行配制，把鋅粒放到浸有二氯化錫溶液的宣紙上，會(huì)看到宣紙和培養(yǎng)皿之間有氣泡。銀白的“錫樹(shù)”在黑色背景下拍照更明顯。這個(gè)實(shí)驗(yàn)最好能在通風(fēng)櫥中進(jìn)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(yīng)，由于在白色宣紙的外圍會(huì)看到紙張發(fā)黃，不美觀，而且白色宣紙會(huì)對(duì)白色的銀造成視覺(jué)干擾，所以若把這個(gè)實(shí)驗(yàn)改在黑色宣紙上制“銀樹(shù)”效果比較好。

2 “金屬樹(shù)”在教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用

2.1 用“銅樹(shù)”制作提升學(xué)生三重表征能力

從宏觀、微觀和符號(hào)3種水平上認(rèn)識(shí)和理解化學(xué)知識(shí)，并建立3者之間的內(nèi)在聯(lián)系，已成為國(guó)際上公認(rèn)的化學(xué)科學(xué)不同于其他科學(xué)最具特征的思維方式，即化學(xué)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(huì)引起不同表征間轉(zhuǎn)換的困難，并會(huì)進(jìn)一步影響學(xué)生進(jìn)行三重表征的水平和能力。作為一名中學(xué)化學(xué)教師，在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生三重表征發(fā)展不均衡或結(jié)合意識(shí)淡薄，宏觀化學(xué)反應(yīng)與化學(xué)方程式結(jié)合困難，微觀表征更是薄弱，無(wú)法抓住物質(zhì)轉(zhuǎn)化的本質(zhì)，造成學(xué)習(xí)脫節(jié)。黃華玲認(rèn)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(shí)期，“水的組成”是初中生形成三重表征思維的入門時(shí)期，“化學(xué)方程式”是初中生形成三重表征思維的突破時(shí)期，“復(fù)分解反應(yīng)”是初中生形成三重表征思維的深化時(shí)期。而復(fù)分解反應(yīng)是初中一線教師公認(rèn)的教學(xué)難點(diǎn)和分水嶺[9]，涉及轉(zhuǎn)化規(guī)律以及化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)理解。筆者認(rèn)為在“化學(xué)方程式”到“復(fù)分解反應(yīng)”的跨度太大，造成學(xué)生三重表征和認(rèn)知上的困難，這兩者中間忽視了一個(gè)重要的臺(tái)階——置換反應(yīng)。筆者嘗試借助“銅樹(shù)”的制作，鞏固和加深學(xué)生對(duì)金屬活動(dòng)性順序表的理解和應(yīng)用，提升學(xué)生三重表征能力，教學(xué)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

【視頻】播放美麗的“銅樹(shù)”制作和生長(zhǎng)過(guò)程。

學(xué)生觀察，思考。

展現(xiàn)化學(xué)的美，激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲。

【設(shè)問(wèn)】選擇什么樣的藥品，制作“銅樹(shù)”？（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(wèn)】為什么不選擇氯化鈉溶液或者硝酸銀溶液？

學(xué)生分組討論選擇的藥品，并派代表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案匯報(bào)，其他組同學(xué)質(zhì)疑討論。最終確定以下兩種方案來(lái)制“銅樹(shù)”： ①氯化銅溶液和鋅粒；②氯化銅溶液和鐵釘。

復(fù)習(xí)鞏固金屬活動(dòng)性順序表，加深對(duì)金屬活動(dòng)性順序表的理解，學(xué)會(huì)利用金屬活動(dòng)性順序表來(lái)解決問(wèn)題。學(xué)習(xí)合作交流，運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題。

續(xù) 表

教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)意圖

【總結(jié)】肯定學(xué)生的兩種方案。引導(dǎo)學(xué)生分組合作做實(shí)驗(yàn)，教師巡視并給予指導(dǎo)。

學(xué)生分組，按操作步驟完成實(shí)驗(yàn)，觀察記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

培養(yǎng)學(xué)生合作意識(shí)、溝通交流、邏輯思維和動(dòng)手操作能力。

【教師引導(dǎo)】播放“美麗化學(xué)”視頻中的置換反應(yīng)，記錄描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象： 以鋅?；蜩F釘為中心，慢慢生長(zhǎng)出紅色的物質(zhì)。

宏觀表征： 以能被學(xué)生感知的宏觀化學(xué)之美，吸引學(xué)生的注意，增進(jìn)對(duì)化學(xué)的感情和欣賞，加深對(duì)宏觀化學(xué)變化的印象。

【教師引導(dǎo)】鋅?；蜩F釘周圍生成的紅色物質(zhì)是什么物質(zhì)？播放反應(yīng)的Flash微觀動(dòng)畫(huà)視頻。

描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，結(jié)合Flash微觀動(dòng)畫(huà)和質(zhì)量守恒定律推導(dǎo)反應(yīng)產(chǎn)物。

微觀探析： 結(jié)合Flash微觀動(dòng)畫(huà)和質(zhì)量守恒定律探析化學(xué)轉(zhuǎn)化的微觀本質(zhì)。加深對(duì)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(dǎo)】嘗試用化學(xué)的語(yǔ)言，即化學(xué)方程式來(lái)表示“銅樹(shù)”的形成。

學(xué)生合作嘗試寫(xiě)出化學(xué)方程式。Zn+CuCl2ZnCl2+Cu；Fe+CuCl2FeCl2+Cu。

符號(hào)表征： 化學(xué)符號(hào)是宏觀和微觀的紐帶，集宏觀、微觀和化學(xué)計(jì)算于一身，是用精煉的化學(xué)方程式或圖形符號(hào)表達(dá)物質(zhì)轉(zhuǎn)化，是化學(xué)入門的標(biāo)志。

【總結(jié)】三重表征是化學(xué)學(xué)科的一種重要方式。三重表征間切換越順暢，對(duì)化學(xué)的理解越深刻，學(xué)習(xí)效果越好。

識(shí)記“微觀—宏觀—符號(hào)”三重表征是化學(xué)獨(dú)特的表示物質(zhì)及其變化的方法。有意識(shí)地對(duì)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(xué)生自己形成，需要教師的引導(dǎo)和培養(yǎng)。提高學(xué)生三重表征的意識(shí)。

【遷移】如果我們把“銅樹(shù)”實(shí)驗(yàn)放到試管中去做，能描述一下實(shí)驗(yàn)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(xué)生討論交流。鋅（或鋁）和氯化銅（或硫酸銅）溶液的反應(yīng)現(xiàn)象： 金屬的表面會(huì)有紅色的物質(zhì)生成，溶液的顏色由綠色變淺，乃至無(wú)色。鐵與硫酸銅溶液反應(yīng)現(xiàn)象： 鐵的表面有紅色的物質(zhì)生成，溶液的顏色由藍(lán)色變成淺綠色。

培養(yǎng)學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)能力、邏輯分析能力。并學(xué)會(huì)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(yīng)也可能產(chǎn)生氣體）。

【類比】如果我們?cè)谠嚬苤蟹湃霟o(wú)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象嗎？

學(xué)生嘗試預(yù)測(cè)描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。都會(huì)有銀白色的銀生成，溶液顏色部分會(huì)有變化。

總結(jié)強(qiáng)化規(guī)律，學(xué)習(xí)利用規(guī)律快速獲取大量的信息，用金屬活動(dòng)性順序表的規(guī)律預(yù)測(cè)推斷的思維能力，增強(qiáng)語(yǔ)言表達(dá)能力、邏輯分析能力。

【認(rèn)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象嗎？

【教師驗(yàn)證】把鈉放入盛有氯化銅溶液的燒杯中。

【總結(jié)】鉀、鈣、鈉因?yàn)樘貏e活潑，當(dāng)把它們放到溶液中，它們會(huì)先和水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

學(xué)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(shí)氯化鈉溶液呈無(wú)色）。

學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)，思考、分析。

用實(shí)驗(yàn)引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，突出強(qiáng)調(diào)化學(xué)要遵循客觀事實(shí)，引導(dǎo)學(xué)生從宏觀現(xiàn)象分析，得出一般規(guī)律中的特例。完善對(duì)金屬活動(dòng)性順序表的理解。

2.2 探究鋅和氯化銅溶液制“銅樹(shù)”的最佳濃度

人教版教材《化學(xué)》（九年級(jí)下冊(cè)）第九單元實(shí)驗(yàn)活動(dòng)5“一定溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氯化鈉溶液的配制”。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?（1）練習(xí)配制一定溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶液；（2）加深對(duì)溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)概念的理解。本節(jié)課的不足之處是： （1）學(xué)生配制的溶液沒(méi)有用到；（2）配制的氯化鈉溶液是無(wú)色透明的，無(wú)法從顏色進(jìn)行比較分析誤差；（3）單純地練習(xí)操作能力，趣味性不夠，學(xué)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?jǐn)?shù)的氯化鈉溶液的配制”改成“探究鋅和氯化銅溶液制‘銅樹(shù)的最佳濃度”。為了順利高效地完成課堂教學(xué)目標(biāo)，筆者采用分組合作探究教學(xué)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(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)時(shí)，制作不同濃度溶液的“銅樹(shù)”，見(jiàn)圖5。12%的CuCl2溶液（即1.0mol/L的CuCl2溶液）所形成的“銅樹(shù)”最快，枝條清晰、顏色亮麗。這和許燕紅等[11]所得的銅樹(shù)的最佳生長(zhǎng)條件（30℃時(shí)，用1.0mol/L的CuCl2溶液與鋅片反應(yīng)）的結(jié)論相同。

通過(guò)對(duì)“銅樹(shù)”最佳濃度的探究，不僅練習(xí)了配制一定溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶液，加深了學(xué)生對(duì)溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)概念的理解和應(yīng)用，而且強(qiáng)化了班集體的團(tuán)體觀念，提高了課堂時(shí)間利用效率。通過(guò)對(duì)不同濃度制作的“銅樹(shù)”的探究，讓學(xué)生知道配制一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶液的能力在社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)研究中有重要的作用，進(jìn)一步理解科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)性，端正學(xué)習(xí)化學(xué)的態(tài)度。

3 思考和啟示

3.1 “銅樹(shù)”實(shí)驗(yàn)的意外收獲

教材在試管中鋁和硫酸銅溶液的置換反應(yīng)，藥品用量多，產(chǎn)物回收價(jià)值小，造成資源浪費(fèi)，溶液中生成的金屬樹(shù)附著在金屬絲上不牢固，稍微震動(dòng)就會(huì)脫落，不利于多個(gè)班級(jí)的演示。試管中的實(shí)驗(yàn)改成在宣紙上實(shí)驗(yàn)，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(shù)”可以用標(biāo)本膜塑封，保存紀(jì)念。在實(shí)驗(yàn)中還產(chǎn)生了一個(gè)有趣的現(xiàn)象，在一個(gè)培養(yǎng)皿中放兩粒鋅，就會(huì)以鋅粒為中心生長(zhǎng)成兩棵金屬樹(shù)，待金屬樹(shù)完全成型，“樹(shù)枝”彼此之間形成一個(gè)明顯的分界線。筆者認(rèn)為，鋅粒和硫酸銅溶液反應(yīng)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(shù)枝一樣生長(zhǎng)，樹(shù)枝長(zhǎng)到的地方溶液由藍(lán)色變?yōu)闊o(wú)色。當(dāng)兩個(gè)銅枝朝同一個(gè)地方相向生長(zhǎng)，“銅枝”之間Cu2+消耗殆盡，“銅樹(shù)”無(wú)法繼續(xù)生長(zhǎng)，即形成彼此相望，卻不交織在一起的有趣畫(huà)面。

3.2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)凸顯化學(xué)美

改進(jìn)“銅樹(shù)”實(shí)驗(yàn)，不僅提高了學(xué)生的參與度，而且凸顯了化學(xué)美。義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)在“身邊的化學(xué)物質(zhì)”章節(jié)明確提出： 用五彩繽紛的化學(xué)物質(zhì)和豐富多彩的化學(xué)變化，讓學(xué)生體驗(yàn)化學(xué)美[12]。化學(xué)實(shí)驗(yàn)蘊(yùn)含著豐富的美，但實(shí)驗(yàn)美是含蓄的，需要不斷探索怎樣凸顯化學(xué)的美。國(guó)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(xué)美育的新途徑，如凌一洲[13]利用可視化實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)美育滲透，將原本實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象、過(guò)程等進(jìn)行藝術(shù)化的圖像呈現(xiàn)（即實(shí)驗(yàn)可視化）或改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，使美學(xué)特征更加突出和豐富，降低學(xué)生認(rèn)知負(fù)擔(dān)，提升審美能力。再如梁琰等人組成的“美麗化學(xué)”團(tuán)隊(duì)，采用顯微、微距、熱成像、高速、延遲等攝像技術(shù)，給化學(xué)美找到了一種新的打開(kāi)方式。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部制定. 普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（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(shù)”的微型趣味實(shí)驗(yàn)[J]. 中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考， 2008， （4）： 44.

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

[4]徐春蕓. 2個(gè)趣味實(shí)驗(yàn)在初中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 化學(xué)教育， 2017， 38（23）： 47～49.

[5]王晶， 鄭長(zhǎng)龍. 義務(wù)教育教科書(shū)·化學(xué)（九年級(jí)下冊(cè)）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2012： 9～13.

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

[7]畢華林， 黃婕， 亓英麗. 化學(xué)學(xué)習(xí)中“宏觀—微觀—符號(hào)”三重表征的研究[J]. 化學(xué)教育， 2005， 26（5）： 51～54.

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

[9]周來(lái)友. 初中化學(xué)三大難點(diǎn)的突破策略[J]. 中學(xué)化學(xué)教與學(xué)， 2017， （7）： 36～38.

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

[12]中華人民共和國(guó)教育部制定. 義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）[S]. 北京： 北京師范大學(xué)出版社， 2012： 18.

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