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基于STEAM教育的高中化学创新实验研究

作者:许亮亮,邹正,马嘉源转载自《化学教育(中英文)》2017年第38卷第21期

摘要:介绍了STEAM教育下让学生使用靛蓝胭脂红为指示剂,探究了化学红绿灯振荡反应实验的最优条件。整个实验绿色、安全、操作简单、现象明显,试剂用量极少。旨在通过设置科学问题让学生体验整个科研过程,使学生能运用并掌握控制变量法解决实验问题,从而培养学生的创造力。

关键词:STEAM教育 振荡反应 化学红绿灯 创新实验

Inquiry on Optimal Conditions of Chemical Traffic Light Oscillating Reaction Based on STEAM Education XU Liang-Liang ZOUZheng MA Jia-Yuan (Nanjing Foreign Language School, Nanjing 210008, China)

Abstract:This paper introduced students’ experiment inquiry on optimal conditions of chemical traffic light oscillating reaction using indigo carmine indicator based on STEAM educa­tion. This experiment was green, safe and simple to operate, with obvious phenomena and less reagents. This study aimed to make students master the control variable method to solve experi­mental problems and develop the creativity by setting scientific questions and making students ex­perience the whole process of scientific research.Keywords: STEAM education; oscillating reaction;chemical traffic light;innovative experiment

基于STEAM教育的高中化学创新实验研究

01问题的提出

化学反应中反应物和生成物的浓度往往单调地发生变化,最终达到不随时间变化的平衡状态。然而在某些反应体系中,有些组分的浓度会忽高忽低,呈现周期性变化,这种现象称为振荡反应。1977年诺贝尔化学奖获得者、非平衡态热力学的莫基人、比利时著名的统计物理学家普里高津(Prigogine)提出的“耗散结构”为振荡反应提供了理论基础,从此振荡反应的相关研究得到了飞速发展[1],同时该类反应也被广泛应用于化学、生物学、生命科学研究以及医学临床诊断等诸多方面[2]。

人教版选修6《实验化学》第一单元课题一“实验化学起步”中选用经典的“蓝瓶子实验”,不仅让学生亲身感受了振荡反应的奇妙之处,更期望学生学会“当反应受到多个因素影响时,通常采用只改变某个因素,而维持其他因素不变的对照实验法来进行探究”的方法[3]。苏教版选修6《实验化学》专题4“化学反应条件的控制”中也指出“探究影响‘蓝瓶子’颜色变化快慢的因素,可以使我们对影响反应速率的外界条件有更深刻的认识”[4]。国内许多文献对“蓝瓶子实验”的最佳反应条件[5-6]及其在中学实验教学中的具体应用[7-8]等内容分别进行了介绍,但在实际教学中却发现许多高中生在初中兴趣实验中就已接触过“蓝瓶子”实验,且学生常问“蓝瓶子”是否能有其他的颜色变化。为最大限度地调动高中生的探究积极性,查阅国外相关文献[9]并指导学生进行了课外拓展探究,通过对反应条件的反复实验摸索,成功将“蓝瓶子”升级为“红绿灯”,使学生充分感受到化学振荡反应五彩斑斓的魔幻魅力,大大激发了学生学习化学的兴趣,取得了良好的教育教学效果。现将有关该实验的设计思路,探究过程介绍如下,以期与同行们进行更深层次的讨论和交流。

02 设计思路

德国著名哲学家斯宾格勒曾说,他从精确优美的古希腊雕塑中似乎看到了毕达哥拉斯和欧几里德;从西方配位、重组群乐曲旋律中看到了笛卡儿、牛顿、莱布尼兹和高斯[10],而由美国著名的罗德岛设计学院发起并实施的STEAM教育(STEAM为Science,Technology,Engineering,Art,Mathematics首字母),其最大的亮点就是在理工科STEM理念的基础上增加了艺术学科知识[11]。艺术学科的有机融合将大大促进学生的参与度,提升学生跨学科整合学习的积极性和兴趣。本实验即基于STEAM理念,以高中化学学科知识为背景,以“化学红绿灯反应的条件探究”为主题,共分为5个探究环节(见图1),通过控制不同的反应条件,使瓶中溶液出现红色,绿色、黄色等不同颜色交替变换的艺术效果,从而激发了学生针对不同颜色变化背后的化学反应原理,展开迫切而深入的理性思考,培养了学生的创新精神和实践能力。

基于STEAM教育的高中化学创新实验研究

03 实验原理和用品

与“蓝瓶子”实验中的亚甲基蓝类似,“红绿灯”实验中的生物染色剂靛蓝胭脂红(indigo carmine)也是一种氧化还原指示剂,同时又有酸碱指示剂的作用,可溶于水。靛蓝胭脂红由于氧化还原反应可以变幻出多种颜色。在0.5moL/LNaOH溶液和1moL/L葡萄糖溶液共同作用下,靛蓝胭脂红有绿色、红色、黄色3种不同颜色的氧化还原状态,显绿色的靛蓝胭脂红很容易被葡萄糖依次还原为红色、黄色,见表1。充分振荡此黄色溶液时,溶液与空气接触面积增大,溶液中氧气的溶解量增多,氧气把靛蓝胭脂红迅速氧化为绿色。静置此溶液,有一部分溶解的氧气再次逸出,靛蓝胭脂红被葡萄糖还原,溶液依次变为红色、黄色。若重复振荡和静置溶液,颜色将交替出现绿色一红色一黄色一绿色一红色一黄色……的现象,这被称为“红绿灯”实验。

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04 实验探究

4.1实验用品

靛蓝胭脂红(生物染色剂)、氢氧化钠、去离子水、烧杯(500mL)、玻璃棒、容量瓶(250mL)、锥形瓶(250mL)、托盘天平、计时器、橡皮塞、酒精灯、石棉网、三脚架、温度计。

4.2实验过程

4.2.1探究温度变化对“红绿灯”实验的影响

在8个250mL锥形瓶中依次加入预先加热到指定温度的20mL0.050%靛蓝胭脂红溶液,70mL0.5moL/L NaOH溶液,10mL1moL/L葡萄糖溶液,振荡锥形瓶使其充分混合,待溶液变为黄色,水浴加热,温度分别控制在20,30,40,50,60,70,80,90℃。30s后用温度计测量混合溶液温度,达到指定温度,取出锥形瓶并振荡(尽量控制相同的振荡力度和次数),静置观察现象(此还原过程忽略空气的影响),记录颜色变化的时间。

实验现象及分析:不同温度下的溶液经剧烈振荡、静置后,溶液颜色都出现绿色一红色一黄色变化,但变色的时间各不相同。由表2数据可以看出,在其他反应条件相同的情况下,随着反应温度的升高,“红绿灯”实验的反应速率不断加快,颜色变化的时间也相应缩短。同时可以看出温度过低,反应速率过慢,变色时间太长;温度过高,反应速率过快,变色时间太短,都不利于现象的观察。因此温度控制在40℃时,2次颜色变化的时间较为合适,可作为教师或学生演示实验。

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4.2.2探究靛蓝胭脂红溶液浓度变化对“红绿灯”实验的影响

在4个250mL锥形瓶中依次加入预先加热到40℃的20mL不同浓度(0.10%,0.075%,0.050%,0.025%)的靛蓝胭脂红溶液,70mL0.5moL/L NaOH溶液、10mL1moL/L葡萄糖溶液,振荡锥形瓶使其充分混合,待溶液变为黄色,40℃水浴加热。30s后用温度计测量混合溶液温度,达到40℃,取出锥形瓶并振荡(尽量控制相同的振荡力度和次数),静置观察现象(此还原过程忽略空气的影响),记录颜色变化的时间。

实验现象及分析:不同浓度的靛蓝胭脂红混合溶液经剧烈振荡、静置后,溶液颜色都出现绿色一红色一黄色变化,变色的时间略有不同。由表3数据可以看出,在其他反应条件相同的情况下,随着靛蓝胭脂红溶液浓度的减小,“红绿灯”实验颜色变化的时间逐渐缩短。为能较好地观测颜色变化,并节约试剂,降低实验成本,实验中使用0.050%靛蓝胭脂红溶液较为合适。

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4.2.3探究NaOH溶液浓度变化对“红绿灯”实验的影响

在4个250mL锥形瓶中依次加入预先加热到40℃的20mL0.050%靛蓝胭脂红溶液,70mL不同浓度(0.1,0.5,1,2moL/L)的NaOH溶液、10mL1moL/L葡萄糖溶液,振荡锥形瓶使其充分混合,待溶液变为黄色,40℃水浴加热。30s后用温度计测量混合溶液温度,达到40℃,取出锥形瓶并振荡(尽量控制相同的振荡力度和次数),静置观察现象(此还原过程忽略空气的影响),记录颜色变化和时间。

实验现象及分析:当使用0.5moL/L和1moL/L NaOH溶液时,振荡后溶液颜色出现绿色一红色一黄色的变化(见表1)。当使用0.1moL/LNaOH溶液时,学生惊奇地发现,振荡后溶液颜色,出现绿色一紫色一红色一橙色一黄色5种色彩的变化;使用2moL/LNaOH溶液时,振荡后溶液颜色又出现黄色一红色一黄色的变化(见表4);使用3moL/L以上浓度的NaOH溶液时,溶液颜色始终为黄色。当在中性和酸性条件下时,溶液颜色始终保持蓝色,未出现其他颜色变化。

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05 实验反思

5.1艺术融入一一点燃学生的科学探究激情

科学创新往往源于不同事物的大跨度联想,这是艺术家的形象思维。接下来的工作是进行严密的数学推导计算或严谨的科学实验验证,而这就是科学家的逻辑思维了。科学的创新即是源于形象思维、终于逻辑思维的,STEAM教育恰恰实现了这2种思维的整合对接。因此本实验以STEAM教育理念为设计旨归,以“蓝瓶子能否变出五颜六色”为思维引线,使学生思考能否通过改变反应条件使“蓝瓶子”产生不同的视觉效果。在长达2个多月的实验探究过程中,学生一直满怀着强烈的好奇心和探究热情,不厌其烦地查阅资料,调整方案,动手实验,反思总结。这与学生潜意识中追寻“蓝瓶子”不同的视觉效果的艺术情结是分不开的,正是这份情结促使学生在探究过程中针对细微、复杂的反应原理和反应条件展开耐心而深入的尝试和交流,促使学生在观点的阐述和表达上进行耐心地准备和推敲。

5.2变量控制一一培养学生科学探究方法

影响化学反应的因素在许多情况下并不是单一的,而是多种因素相互交错、共同作用的。要想精确把握化学反应的特性和原理,弄清化学变化的原因和规律,就需主动干预或控制过程中的某个变量,造成特定的便于观察的条件。本实验让学生综合利用化学知识原理、实验操作技术、数学计算比较等多学科知识,在一个真实的实验探究情境中认识到反应条件控制在化学研究中的意义和作用,初步掌握控制反应条件的一些方法[12]。本实验中学生通过控制温度、指示剂溶液浓度和碱液浓度等反应变量后,发现使用20mL0.050%靛蓝胭脂红溶液,70mL0.5moL/L NaOH溶液,10mL1moL/L葡萄糖溶液,在40℃时,“红绿灯”现象变化最为明显,变化时间最适宜课堂探究活动。同时还意外发现使用0.1moL/LNaOH溶液,溶液会出现绿色紫色红色橙色黄色5种颜色的振荡反应。整个过程学生学会了利用变量控制进行科学实证研究的方法,培养了严谨求实的科研作风,提升了学生综合利用多学科知识解决实际问题的能力。

5.3前沿引领一一开拓学生科学探究视野

化学振荡反应普遍存在于化学、物理、生物、医学、环境保护和食品检测等学科领域,是一个需要跨学科交叉研究的前沿课题,在生命科学、药物分析等方面有着广泛的研究和应用,并已取得重要进展[13]。期望“红绿灯”实验在中学实验教学中的具体应用,让学生对振荡反应有一个新的认识和理解,从而为学生开启一扇领略前沿科学美丽风景的窗户,真正培养学生对化学世界无穷无尽的好奇心[14]。正如爱因斯坦说的“好奇心是科学工作者产生无穷的毅力和耐心的源泉”。

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06 结论

STEAM教育这个舶来品,不能仅仅满足于纸上谈兵的概念炒作,也不能只做换汤不换药的形式套用,而应将STEAM理念和我国中学化学教学、学生的实际情况结合起来,开发出一些在内容和形式上紧扣教材、推陈出新,在思维和方法上体现前沿理念,又适于学生动手探究的实验课程。在实际教学活动中努力创造各种机会,使学生的知识世界和真实世界实现有机融合,扩展想象,启发灵感,渐悟变顿悟,为学生创新能力的培养打下坚实的基础[15]。这也许应是STEAM教育理念本土化过程中不断发展的一条可行之路。

参考文献

[1]熊言林.化学教育,2008,29(10):4446

[2]孙传庆,商韬,刘卫兵.陕西师范大学学报:自然科学版,2004,32(6):9598

[3]宋心琦.普通高中课程标准实验数科书:实验化学(选修6).2版.北京:人民教育出版社, 2007:64

[4]王祖洁.普通高中课程标准实验教科书:实验化学(选修).2版.南京:江苏教育出版社, 2009:47

[5]熊言林.化学教育,2001,22(2):3738

[6]熊言林,王闯.化学教学,2010(10):1618

[7]张守林,马宏佳.化学教学,2003(4):2425

[8]刘昌华,刘婷玉,姜弟合.中学化学教学参考, 2011(8):4345

[9]DeclanFleming.Beyond the 'bluebottle'[EB/OL].[2014-05-06]. http://www.rsc.org/eic/2014/05/indigo-carmine-traffic-light-demonstration

[10]叶松庆.安徽师范大学学报:人文社会科学版,1999,27(4):445450

[11]赵闪.科技视界,2016(7):156

[12]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准(实验).北京:人民教育出版社, 2003:2,33

[13]秦序.首都师范大学学报:自然科学版, 2014,35(6):4244

[14]许亮亮.化学教育,2013,34(4):8081

[15]邹正,李惠娟.化学教学,1999(8):1721

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