基础化学实验过程可视化教学探索

罗树常，王双凤

（贵州工程应用技术学院化学工程学院，贵州毕节551700）

基础化学实验是化学类、近化学类专业必修的实践类课程，在实验操作技能训练中有承前启后的重要作用，其操作也是培养学生浓厚化学兴趣的重要环节。在基础化学实验课程的学习过程中，以学生动手录制实验过程相关微视频的形式，提高学生的参与度和成就感。让学生通过实验感受化学的美，体会实验渐变过程的乐趣，激发学生学习的兴趣，增强学生的积极性和主观能动性。国内对可视化实验过程进行视频开发或微视频开发的主要有：（1）中国科学技术大学先进技术研究院和清华大学出版社联合制作的《美丽化学》，其主旨是将化学的美丽和神奇传递给大众[1]；（2）美丽科学与中国化学会合作，使用显微、微距、热成像、高速、延时等摄影技术，通过“重现化学”来向人们展示化学的美丽[2]；（3）江苏大学凌一洲以生成气泡、生成固体、颜色变化等化学反应中典型的三个反应为基础，利用现象和可视化技术设计微型实验，在课程教学中渗透化学美感的教育[3-4]；（4）汪英运用“Camtasia Studio”软件自制微视频作为“盐溶液酸碱性”教学课的导入[5]，通过课堂讨论和学生仿照推测两种溶液酸碱性和实验验证，教师用ipad抓拍实验现象，取得了较好的教学效果[5]。

随着生活水平的提高，智能手机已成为人们生活中不可或缺的一部分，智能手机丰富了人们的生活。为改善教学状况，利用每位学生都有的智能手机，把现代便捷的摄影技术引入实验课堂，利用手机拍摄功能把实验过程中有趣的现象或过程记录下来，并对拍摄的视频进行剪切等后期处理，在实验结束后在全班进行分享，制作较好的实验视频还可作为无机化学理论课教学或中学化学教学素材保存。让学生在玩的同时体验化学实验的美和乐趣，通过这种方式，把智能手机由低头的工具变为抬头的利器，充分调动学生学习的积极性，提高实验课程的教学质量。鉴于此，在基础化学实验教学中，选择现象明显、易于拍摄实验过程的实验项目为研究对象，通过学生参与实验过程视频的拍摄、视频后期编辑、归纳、经验总结与分享，让学生切实参与到实验课堂教学中来。使得实验课程的学习不仅仅是简单的照单抓药式，而是一种可获得新奇、有趣体验的过程，同时也激发学生的学习兴趣，活跃课堂气氛。下面以五水硫酸铜的制备实验为例，详细阐述基础化学可视化教学设计过程。

1 设计思路

硫酸铜是一种重要的化工原料，常用作印染工业的媒染剂、农业的杀虫剂（波尔多液）、水的杀菌剂、木材的防腐剂[6]。以五水硫酸铜的制备及结晶过程为例，从硝酸浓度、硫酸浓度、反应温度等3个方面对硫酸铜制备条件进行探索，并要求学生用智能手机拍下五水硫酸铜结晶过程。实施对象为贵州工程应用技术学院化学工程学院2017级应用化学本科班、2018级化学本科班、2018级化工类本科1、2班学生。本实验项目结束后，要求学生将拍摄最好的视频进行编辑，对五水硫酸铜结晶过程的视频、晶体生长的特征等进行交流。视频拍摄结束后，将抽干的蓝色晶体CuSO4·5H2O放到体视显微镜下观察其晶体形貌。拍摄较好的视频将作为资料进行保存。

2 实验原理与实验试剂、仪器

以浓HNO3作氧化剂，与铜粉和H2SO4反应来制取CuSO4[6]，反应方程式如下：

由于CuSO4溶解度随温度的变化较大，采用蒸发、浓缩、冷却、结晶、过滤、重结晶的方法得到蓝色晶体CuSO4·5H2O[6]。

实验药品：浓H2SO4、浓HNO3、铜粉。

实验仪器：恒温水浴锅、100 mL烧杯、10 mL量筒、25 mL量筒、电子天平、循环水真空泵、蒸发皿、酒精灯、1 000万像素以上的智能手机、PXS-100体视显微镜。

3 教学过程

3.1 CuSO4·5H2O制备

为探究CuSO4·5H2O制备的最佳实验条件，称取约1.50 g铜粉（精确到0.000 1 g），加入8 mL H2SO4溶液，再缓慢加入4 mL HNO3溶液，盖上表面皿，待烧杯内气体由棕色变为无色后，将盖上表面皿的烧杯转移至恒温水浴锅内继续反应[6]。在反应过程中，需要视情况补充（1～2）mL HNO3溶液，待烧杯中铜粉完全溶解，即反应完全[6]。然后进行结晶和重结晶、抽滤、称重、计算产率。把学生分为16组，以硝酸浓度、硫酸浓度、反应温度为变量，1～4组学生固定反应温度为60°C，改变硫酸浓度（3、4、5、6 mol/L）和硝酸浓度（6、9、12 mol/L），得到12组数据。5～8组学生固定反应温度为70°C，改变硫酸浓度（3、4、5、6 mol/L）和硝酸浓度（6、9、12 mol/L），得到12组数据。9～12组学生固定反应温度为80°C，改变硫酸浓度（3、4、5、6 mol/L）和硝酸浓度（6、9、12 mol/L），得到12组数据。13～16组学生固定反应温度为90℃，改变硫酸浓度（3、4、5、6 mol/L)和硝酸浓度（6、9、12 mol/L），得到12组数据，共计48组数据。

实验得到的结果为：当反应温度低于80℃时，改变硫酸和硝酸浓度，CuSO4·5H2O的产率在58%~84%之间，只有一组产率较高；当反应温度T≥80℃时，CuSO4·5H2O的产率都较高，均大于70%，且硫酸和硝酸浓度对实验结果的影响较小；当硫酸浓度和反应温度确定，随着硝酸浓度的增大，CuSO4·5H2O的产率随之增大；当硫酸浓度为4.0 mol/L，硝酸浓度为12 mol/L，反应温度在90℃下，以铜粉为原料制备CuSO4·5H2O最适宜。

3.2 CuSO4·5H2O提纯与结晶过程拍摄

将粗产品以每克1.2 mL蒸馏水的比例溶解于水中，水浴加热至CuSO4·5H2O完全溶解，趁热抽滤，滤液收集到100 mL烧杯中，让其自然冷却[6]。提醒学生注意观察实验现象，同时用1 000万像素以上的手机拍摄CuSO4溶液冷却到结晶的过程（如图1所示），当晶体没有继续长大时，说明CuSO4·5H2O结晶过程结束。请同学们将拍摄的视频保存好备用。

图1 CuSO4·5H2O结晶过程。（a）结晶3分钟；（b）结晶3.5分钟；（c）结晶4分钟；（d）结晶5分钟

结晶过程结束后进行抽滤，同时对抽干的晶体外观拍照，比较在溶液中的晶体外观和抽干后的异同，然后进行称重，计算产率。实验结束后，将抽干的CuSO4·5H2O蓝色晶体取下1~2颗，放于载玻片上，在体视显微镜下观看CuSO4·5H2O蓝色晶体的外观，并与肉眼观察的外观进行比较，用手机通过目镜将晶体结构拍照，与理论课教材中学习到的晶体外形进行对比，理解晶体的几何外形是晶体内部质点在三维空间有序排列、向特定方向无限生长的外在表现，感受晶体世界的美。通过观察晶体的结构，学生对晶体规则几何外形与晶体的本质有一定认识，与理论知识相互印证，加深了对晶体结构的印象，为后续结构化学的学习打下坚实基础。

3.3 学生交流、讨论

实验完成后，让同学们采用视频编辑软件对视频进行后期处理，把没有晶体析出的空白部分删除，将结晶过程从无到有、从少到多的整个过程保存下来，其目的是使拍摄的视频只包括从刚开始出现小晶粒至晶体长完全的过程，使视频更紧凑，减少无晶体析出的空白时间段。然后，在多媒体教室组织全班学生分享各自拍摄的结晶过程视频，并对实验过程中存在的问题进行总结。通过投票，选出实验效果好、晶体外形漂亮、拍摄较好的视频。由其拍摄者分享确保实验成功的关键因素及拍摄视频的注意事项。学生通过讨论，得到CuSO4·5H2O晶体制备及结晶条件。将拍摄较好的视频作为资料保存，此视频可作为无机化学理论课程教学或中学化学教学素材。把学生表现、实验情况和视频质量等作为平时成绩考核的依据。

4 教学效果与反思

利用智能手机，将现代便捷的摄影技术引入到基础化学实验过程中，使得化学实验课程可视化，调动了学生学习的积极性和主动性，把基础化学实验课程内容由传统的照单抓药式教学向利用现代化手段促进教学转变，使得学生更加有效地参与到课程教学中来，同时也让学生从一个全新的视角来认识化学反应或化学过程，感受化学实验的绚丽多姿、丰富多彩。通过此类教学设计，可以将实验过程以影像资料的形式保存下来，学生课后再对拍摄视频进行剪辑，缩略了不必要的过程，最终得到有价值、针对性强、清晰的实验结果。制作好的视频可以作为学生的复习资料和以后中学化学课程教学的素材，可以多次反复学习。通过实验、拍摄、剪辑、归纳、总结、分享的形式，为程式化的实验课程教学增添了活力，学生可以有效利用手机，积极、主动地参与到整个实验过程中，对实验现象的观察更加仔细。制作好的视频也可用于对实验过程的回放细究，找出实验成功的关键因素，利于学生创新能力的培养，可为后续课程教学和开展大学生创新创业训练提供一定的参考。