基于 STEM素养的化学探究实验设计1

基于 STEM素养的化学探究实验设计1

周丽 仇国政

江苏无锡 江苏省天一中学 214101

摘要：作为当代教育改革运动的重点之一，STEM 教育已经受到越来越多的关注。本文希望能在STEM教育视野下进行学生研究项目开发，结合我国科学教育的现状，对传统的阿伏伽德罗常数的测定实验进行了改进，用宏观的技术手段测出微观的键长数据，为科学教育提供借鉴和启迪。

关键词：科学教育 科学素养 探究学习

从近年我国教育改革发展的方向来看，我国教育越来越重视技术人才的培养，不断完善职业教育，推进普通本科高校向应用型高校转变，加强产教融合、校企合作。²为避免高等教育与基础教育出现断层，十九大全面深化改革领导会议中指出，要将教育改革深化到基础教育阶段，两会强调发展“产学研”，要在基础教育中培养学生的技术意识、创新和实践能力。2016年我国发布的《中国学生发展核心素养》总体框架，提出了“科学精神”、“实践创新”、“责任担当”等六大素养，并且写入2017年版普通高中课程标准中。在《普通高中化学课程标准》(2017年版)中，化学学科核心素养“科学态度与社会责任”从实践层面激励学生勇于创新，“科学态度与社会责任”进一步揭示了化学学习更高层次的价值追求。在必修课程中设计了“化学科学与实验探究”和“化学与社会发展”主题，旨在发展全体学生的实践、创新能力，同时设置了选择性必修和选修课，其中选修课程中的三个系列“实验化学”、“化学与社会”和“发展中的化学科学”，提倡开展学科内综合和跨学科综合的实践活动，为不同层次的学生在创新、实践方面的发展提供可能。化学是一门以实验为基础的科学，无疑是培养学生大胆质疑、实验探究、动手实践、开拓创新能力的重要载体。

因此，如何在化学教学中将知识、技术、创新、实践等融入课堂，是新时代新一轮课程改革教师要解决的问题。

STEM 是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科的简称，强调多学科之间的交叉融合，目标是培养学生的 STEM 综合素养。STEM 素养是在综合把握科学、技术、工程和数学等理工科知识的基础上具有的独立提问、设计、分析、推断和运算的能力，是一种独立分析问题、解决问题的综合素养。目前的高中化学课程要求学生在掌握基本的化学知识、化学原理和实验操作的基础，要求学生在化学方面能够清晰地进行思考，具有逻辑性表达本课程的口头和书面能力，并特别强调化学计算、化学方程式和实验室动手能力。

而在很长的一段历史时期，我国的科学教育以传授科学知识为主要目标，加之激烈的升学竞争，教师自然比较注重如何更为有效地传授知识。而一些西方国家则比较早地注意到科学内涵的丰富性和科学教育的人文性，其中较具代表性的观点有“科学不仅是需要学习的一堆知识，同时也是一种学习的过程或方法”,“每一个人都应该有机会去领略一番因领悟和探明自然界的事理而可能产生的那种兴奋之情和自我满足感。”

通过解决实际化学问题，学生会感到所学的化学知识是有用处的，从而增加了他们学习化学的兴趣。这次实验探究主要从阿伏加德罗常数的测定实验出发，测定有机化合物键长的长短，缩短了普通化学知识的学习和其在解决重大复杂问题上的应用之间的距离。鉴于探究教学思想在高中化学中的渗透，本文从有机化合物的键长测定入手，让学生从中获得知识、能力、态度与方法。

1765年富兰克林观察到油滴铺展在水面上时，成为很薄的油层，其厚度约为2.5 nm, 其后，波克尔斯和瑞利又发现某些难溶物质铺展在液体表面上所形成的膜，确实是只有一个分子的厚度，所以这种膜就被称为单分子层表面膜。基于此实验事实，在全日制普通高级中学教科书上出现了一个验证性实验—阿佛加德罗常数的测定实验。在探索性实验逐步走向化学学习的今天，在验证性实验中融入探索和研究的成分，增强验证性实验的探索性和研究性已经变得尤为重要，为此一些实验采用了通过现象来讨论或者说明问题的呈现方式。微观层面上的化学实验，诸如测定化学键的键长、键角，大多都是运用一定的科学仪器和设备等物质手段，在人为的控制实验条件、变革实验对象的条件下，得到化学事实的。那么，可不可以设计一种简便易行的实验，通过宏观的方法得到一些微观的化学事实呢？下面这个化学实验，是用直尺间接测定萘分子中碳碳键长，实验简单，方便易行，不失为微观见之于宏观的化学实验之典范。

实验材料： 约2g炭粉； 水槽；胶头滴管（滴出的液体每滴在0.015～0.025 mL）；20mL乙醇；10mL量筒；萘球；40cm的直尺。

实验过程： 在水槽中注入1-2cm 深的水，将一药匙约2g 的炭粉小心堆放在水槽中心的水面上，如图1所示；然后用胶头滴管（胶头滴管可以用一根长约7 cm 的玻璃管，一端套上胶头，另一端连接一段橡皮管，橡皮管上接一只医用7 号注射针头来代替。这时1 mL溶液估计约有70滴。）吸取少量乙醇，竖直停放于炭粉正上方约20cm处，轻轻挤压胶头滴管，使胶头滴管中的乙醇滴出一滴，乙醇在水面上迅速扩散，形成如图2所示的圆形。用直尺量出圆形的直径，如果得到的圆形不规则，可以量取多个方向的长度以求得直径的平均值，从而计算出这个圆形的面积，记作A

_乙醇。为避免产生较大的误差，要多次测量求平均值，每次滴加乙醇时应保持相同的高度。

图1 图2

将0.0120～0.0150g的萘溶解在10mL乙醇中配制成萘的乙醇溶液，用此溶液代替乙醇重复上述实验，测得溶液铺展形成的圆形的面积为A_萘溶液。那么，萘所形成的圆形的面积S可以视为A_萘溶液-A_乙醇, 假定萘分子在水面上形成的是单分子膜，那么根据萘所覆盖的水的表面积和萘的分子个数就可以得到每一个萘分子的面积S_单分子。

数据记录与处理：

萘 分子的总个数n可以由萘的物质的量浓度C求得， n=N_AVC , 其中N_A为阿伏加德罗常数，V为每一滴溶液的体积，C为萘溶液的物质的量浓度。根据萘所覆盖的水的表面积S，以及萘分子的个数n可以求得每一个萘分子的面积S_单分子。

考虑到萘分子是由两个六边形连接在一起形成的平面结构，如下右图所示，可以近似认为所有的碳碳键都是等长的，近似的可以把它分割成为一个矩形。其单分子的面积S_单分子可以作如下计算：

a = d*sin30 = 0.5d； b = d*sin60 = 0.866d,

S_单分子= (4×0.866d)(2×0.5d + d) = 6.92d²

实验结果：

经过6次平行实验的结果，测得实验的数据如下：

通过上表中的实验数据，可以求得碳碳键的键长为1.67埃（167pm）。考虑到这个实验所用器材的局限性以及在实验过程中采取了一些近似处理，取得这样的结果算是比较理想的。

实验结果分析：

由于有氢键之间的作用，使得乙醇极容易与水混合，在恒温恒压下铺展一单位面积时，体系的吉布斯自由能的变化值为ΔG=γ_l-s +γ_g-l-γ_g-s ,S= -ΔG=γ_g-s-γ_g-l-γ_l-s，上式中S即为铺展系数，乙醇具有较大的铺展系数，这使铺展过程本身伴随着吉布斯自由能的减小，铺展从而能够自发而迅速地进行。对于所有溶质而言，铺展系数大都有利于铺展的顺利进行。因而当有一滴这样的物质接触到水面时，其分子迅速与水分子作用，在水面上铺展开来。这个铺展过程可以很容易地进行监测，我们使用碳粉作为标记物质，铺展中乙醇将碳粉也推到圆形的边缘，现象明显，容易观察。这种方法具有良好的可重复性。

当有少量的其他物质溶解在乙醇中，比如少量萘溶解在乙醇中，可以忽略在一滴萘溶液中所带来的乙醇分子数目的变化，那么溶液中乙醇在水面上铺展的面积大小与前面实验做得的纯溶剂乙醇形成的大小可以近似地视为相等。溶质萘不溶于水，这样萘会在水面上形成一个单分子膜，其面积可以用溶液铺展形成的面积减去纯乙醇铺展所形成的面积。需要注意的是乙醇容易挥发，试剂瓶内配制好的萘的乙醇溶液应该新鲜配制，取后要塞紧瓶塞，否则浓度改变，会造成实验误差。

萘分子中每个碳原子除以sp²杂化轨道形成碳碳σ键外，各碳原子的p轨道侧面互相重叠形成一个共轭体系。但萘与苯不同，在苯分子各碳原子的p轨道彼此重叠都是均等的，而萘分子中有两个碳原子除了彼此重叠外，并分别与相邻的碳原子p轨道重叠，这样，萘分子中的л电子云不是均匀分布在十个碳原子上的，各碳原子之间的键长也不完全相同，分别为0.142nm和0.136nm，可以近似认为相等。这种实验方法还有两个问题，其一是萘分子的形状限制了其紧密排列，这使计算出来的总的萘分子面积偏大；其二是没有考虑萘分子上的氢原子占据的面积。按此推理，所计算出来的碳碳键长应该比理论值偏大，这与最终的实验结果是吻合的。

参考文献：

1. Joses, A.S. ;Matthieu, T.; Reinaldo, A.R. J.Chem.Educ. 2004, 81, P847-849.

2. 傅献彩等，物理化学，第四版，高等教育出版社，1997，北京，P176

3. Adamson, A.W.; Gast, A.P.; Physical Chemistry of Surfaces, 6th ed.;John Wiley and Sons,Ins. :New York,1997;P103-107.

1本文系无锡市教育科学十三五课题《基于STEM素养的高中化学项目学习研究》研究成果，课题编号C/E/2018/004。

2