高中化学创新实验探究

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1问题的提出

STEAM教育（STEAM为Science，Technol－ogy，Engineering，Art，Mathematics首字母），其最大亮点就是在理工科STEM理念的基础上有机融入了艺术学科，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［1］。如何基于高中生已有的化学知识结构，借助STEAM的设计理念，开发出跨学科的化学创新实验案例，是一线教师思考的着力点。从初三开始学生就对有2种价态的Fe3O4充满了好奇。人教版《化学1（必修）》第三章第二节“铁的重要化合物”中再次提到“Fe3O4是一种复杂的化合物，它是具有磁性的黑色晶体，俗称磁性氧化铁”。课后有学生拿着一个在网上买的“神奇的磁流体”小玩具（见图1），演示了磁流体在溶液中的各种有趣现象，说瓶子里黑色物质的成分就是Fe3O4，网上相关资料显示可以通过化学方法制备。如何利用已学的化学、物理等多学科知识制备出具有特殊艺术效果的新型材料，引起了学生的极大兴趣。教学实践中学生的一些奇思妙想往往会成为创新实验开发的灵感。为最大限度调动探究积极性，让学生组成课外探究小组，通过一年半时间对实验条件的反复摸索，成功制备了“神奇的磁流体”，大大激发学生学习化学的兴趣，取得了良好的教育教学效果。现将有关该实验的实验原理和条件介绍如下，以期与同行们进行更深层次的讨论和交流。

2实验原理

磁流体（又称磁性液体、铁磁流体）是磁性纳米粒子用表面活性剂处理后，均匀分散在溶液中形成的稳定胶体悬浮液。它既具有液体的流动性，又Fig．1Magneticfluidstoy图1磁流体玩具具有固体磁性材料的磁性，是一种新型的功能材料，是材料化学与现代磁学技术的有机结合。其中水基Fe3O4磁流体由于良好的生物相容性和磁响应性，在药物靶向释放、磁性生物分离和免疫传感器等方面显示出良好的应用前景［2］。常见制备磁流体的方法有机械研磨法、微乳液法、水热法、水解法、化学共沉淀法等［3］。在中学常规实验条件下采用化学共沉淀法可完成Fe3O4磁流体的制备［4］，首先向FeCl3和FeCl2混合液中滴加氨水，得到Fe3O4磁性颗粒。颗粒洗净后加入四甲基氢氧化铵溶液在其表面形成包覆层，从而制备了稳定的Fe3O4磁流体。

3实验探究

3．1实验用品。FeCl3•6H2O、FeCl2•4H2O、氨水、盐酸、25％四甲基氢氧化铵、去离子水、托盘天平、烧杯、玻璃棒、容量瓶、圆底烧瓶、恒压滴液漏斗、磁力搅拌器、强磁铁。3．2实验过程。（1）配制300mL0．1，0．5，1，2，3mol／L氨水；（2）用2mol／L稀盐酸作溶剂，分别配制50mL1mol／LFeCl3溶液和20mL2mol／LFeCl2溶液，备用；（3）取20mLFeCl3溶液和5mLFeCl2溶液于烧瓶中，开启磁力搅拌器，用恒压滴液漏斗向烧瓶内加入250mL不同浓度氨水，控制每秒3滴，见图2；（4）滴完后反应10min倒入烧杯，用强磁铁置于烧杯底部使Fe3O4全部沉降，将上层清液倒出，再加入蒸馏水，重复洗涤Fe3O42～3次；（5）洗涤后的Fe3O4呈黏稠胶状，向其中加入1mL25％四甲基氢氧化铵溶液，用强磁铁在烧杯底部来回运动2min使2者充分混合，即制得Fe3O4磁流体。

4实验现象与结论

4．1溶液配制讨论。（1）溶液的精确配制是进行化学实验的先决条件，本实验中所需一定浓度的氨水和稀盐酸均由学生自己配制。实验中要求学生必须穿实验服，戴好护目镜、手套，在通风橱中进行，强化实验安全教育。（2）用稀盐酸作溶剂配制FeCl3溶液和FeCl2溶液，可以抑制2种铁盐的水解。4．2磁流体制备讨论。（1）本实验采用不同浓度氨水进行对比实验，以探究最优实验条件。随着不同浓度氨水的加入，溶液中产生沉淀的颜色和磁响应性也各有不同，见表1。其中2mol／L氨水实验效果最好也最经济，沉淀颜色经过黄色、棕黄色、红褐色、黑色的变化后，具备了良好的磁响应性。（2）为制备稳定性好的磁流体，采用价格便宜的四甲基氢氧化铵作表面活性剂，将其加入可在Fe3O4粒子表面形成包覆层，削弱团聚现象［5］。充分混合后，用强磁铁在培养皿底部来回移动，可看到Fe3O4磁流体形成了明显的凸起，与网上售卖的磁流体玩具产生的现象完全相同（见图3）。这种尖刺状凸起立体地反映出了磁感应线的分布，其形成与重力、表面张力、磁场等因素均有关［6］。

5实验反思

STEAM教育是在STEM基础上延伸的一种新的教育模式，它以项目学习、问题学习为主要学习方式，融合技术、工程教育和艺术人文教育，注重的元素更加多元化，要求的学科能力更丰富多样，旨在让学生以学科整合的方式认识世界，以综合创新的形式改造世界［7］。本实验是在STEAM理念指导下让高一学生利用课余时间，通过查阅资料、小组讨论、实验探究、反思总结进行的化学综合实践探究活动。现结合本实验，对STEAM教育设计的反思总结如下：（1）STEAM教育设计要联系中学生实际，创设真实探究情境。STEAM理念的活动设计要结合学生已有知识经验及身心发展水平，要创设真实的科学探究情境，学生的学习过程就是解决实际问题和完成实际项目的过程。本实验以学生问题为设计灵感，紧扣教材铁化合物内容，对接前沿科学磁流体知识，在教师指导下学生自主设计方案，利用中学常规实验条件自主探究Fe3O4磁流体的制备。整个过程教师将学习任务在特定情境中具体化，并与中学学习情境相融合，使整个探究活动充满生机和活力，培养了学生向真实生活迁移的科学精神。（2）STEAM教育的设计要融合多学科知识，增强解决问题能力。STEAM课程最重要的核心特征是跨学科的整合，旨在以整合的教学方式培养学生掌握知识和技能，并能灵活迁移应用，解决真实世界的问题［8］。本实验学生综合利用化学、物理、纳米技术等多学科知识，对现象表征、性质验证展开深入讨论。有趣的是，在实验报告中不同学生把最终形成的凸起，进行了不同的比喻：有的比作“牛角”；有的比作“尖刺”；有的比作“枣核”；有的比作“哥特式建筑”。学生通力合作顺利完成了磁流体制备任务，增强运用多学科知识解决实际问题的能力。（3）STEAM教育的设计要关注创造力激发，培养物化表达素养。STEAM课程取得成功的关键因素是产品的创造设计和物化。通过物化产品使学生习得的知识和能力得到外显，使最终学习的结果得到外化。整个实验中学生对所需试剂的性质、类别和潜在的危险都进行了深入的认识和了解，并在制备中对试剂配比、加料方式等诸多因素进行了对比分析和反复实验，最终制备出Fe3O4磁流体，其磁性与网上售卖的磁流体产品相似。成功的创意作品是激发和维持学习动机、保持学习好奇心的重要途径，促进了学生知识的融合与迁移运用，学生因此获得了满满的成就感。

参考文献

［1］许亮亮，邹正，马嘉源．化学教育（中英文），2017，38（21）：55－59

［2］王煦漫，张彩宁，古宏晨．化学工程师，2007（9）：4－7

［3］王娟，沈玉华．纳米材料的制备、改性及应用．合肥：安徽大学硕士学位论文，2010

［4］NicholasBA，KatieJB，DeanJC，etal．JournalofChemi－calEducation，1999，76（7）：943－948

［5］Anne－LaureD，GeraldineL，FlorenceR，etal．JournalofChemicalEducation，2018，95（1）：121－125

［6］刘晓龙，韦宗慧，冯超，等．物理实验，2012，32（8）：6－10

［7］范文翔，张一春．现代教育技术，2018，28（3）：99－105

［8］余胜泉，胡翔．开发教育研究，2015，21（4）：13－22

作者:许亮亮 张知为 王简文 范清源 单位:南京外国语学校