王振 胡志刚

摘要： 以“金属树”趣味实验整合初中化学核心知识，让学生在“玩”的过程中突破难点，为学科核心素养的落实寻找切入点。介绍“金属树”（“铜树”、“锡树”和“银树”）趣味实验的制作，并应用于教学实践。用“铜树”的制作巩固和加深学生对金属活动性顺序表的理解和应用，提升学生三重表征能力。探究锌和氯化铜溶液制“铜树”的最佳浓度，把单纯的配制溶液内容改为趣味探究性实验。

关键词： 趣味实验； 金属树； 铜树； 三重表征； 实验探究

文章编号： 1005-6629（2018）7-0086-04 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

新一轮的课程标准明确提出要更新教学内容： 进一步精选学科内容，重视以学科大概念为核心，使课程内容结构化，以主题为引领，使课程内容情景化，促进学科核心素养的落实[1]。趣味实验备受学生和教师的亲睐，但对趣味实验教育价值的开发略显不足。如“铜树”的制作，陈凯等[2]（2008）借鉴并改进了早期日本《化学教育》杂志介绍的“金属树”的制作，作为金属化学性质的补充实验；许燕红等[3]（2015）从单因素角度探究了铜树的最佳生长条件；徐春芸[4]（2017）提及简单易行且符合绿色化学理念的微型实验铜树制作，却都没有深度挖掘其教育功能。笔者尝试以“金属树”趣味实验的制作为主题，以置换反应、金属活动性顺序表等化学知识为核心，让学生在“玩”的过程中突破难点，为学科核心素养的落实寻找落脚点。

1 “金属树”趣味实验

1.1 实验用品

培养皿、胶头滴管、宣纸（白色生宣或黑宣）、锌粒、金属化合物溶液（1mol/L硫酸铜溶液，1mol/L二氯化锡溶液，1mol/L硝酸银溶液，1mol/L氯化铜溶液）等

1.2 实验原理

在金属活动性顺序表里，位于前面的金属能把位于后面的金属从它们的化合物溶液中置换出来[5]。把相对活泼金属放到浸有不活泼金属化合物溶液的纸上，置换出来的金属沿着纸张就像树枝一样逐渐生长，即可观察到多姿多彩的“金属树”。我们以锌粒为例，来制作形态各异的“金属树”。

“铜树”： 用锌粒与硫酸铜溶液（Zn+CuSO4ZnSO4+Cu）或氯化铜溶液（Zn+CuCl2ZnCl2+Cu）反应；

“锡树”： 锌粒与二氯化锡溶液（Zn+SnCl2ZnCl2+Sn）反应；

“银树”： 锌粒与硝酸银溶液[Zn+2AgNO3Zn（NO3）2+2Ag]反应。

1.3 制作步骤

（1） 把宣纸裁剪成形，放入培养皿内（本实验均为常温下进行）。

（2） 用胶头滴管吸取溶液滴到宣纸的中央，让溶液由中心扩散直至宣纸呈润湿状态。

（3） 把锌粒放到培养皿中的浸有金属化合物溶液的宣纸上，盖好培养皿盖，观察现象。

1.4 “金属树”制作图片

在宣纸上完成“金属树”的生长实验，6h后就能在宣纸上完全长成形态美观、颜色靓丽的各种“金属树”。“金属树”有的似苍松，虬枝伸展，苍劲有力；有的似雪花，玉琢银装，白雪皑皑；有的似海草，随波逐流，翩翩起舞，见图1～4。

1.5 注意事项

宣纸和培养皿之间不要留有空隙，溶液以宣纸全部润湿为宜，不宜过多。Sn2+离子极易水解，把二氯化锡固体溶解在浓盐酸中进行配制，把锌粒放到浸有二氯化锡溶液的宣纸上，会看到宣纸和培养皿之间有气泡。银白的“锡树”在黑色背景下拍照更明显。这个实验最好能在通风橱中进行，以避免浓盐酸的挥发造成的安全隐患。锌粒和硝酸银溶液反应，由于在白色宣纸的外围会看到纸张发黄，不美观，而且白色宣纸会对白色的银造成视觉干扰，所以若把这个实验改在黑色宣纸上制“银树”效果比较好。

2 “金属树”在教学实践中的应用

2.1 用“铜树”制作提升学生三重表征能力

从宏观、微观和符号3种水平上认识和理解化学知识，并建立3者之间的内在联系，已成为国际上公认的化学科学不同于其他科学最具特征的思维方式，即化学的三重表征思维方式[6]。有研究发现[7]： 任何一种表征的薄弱都会引起不同表征间转换的困难，并会进一步影响学生进行三重表征的水平和能力。作为一名中学化学教师，在教学实践中发现，学生三重表征发展不均衡或結合意识淡薄，宏观化学反应与化学方程式结合困难，微观表征更是薄弱，无法抓住物质转化的本质，造成学习脱节。黄华玲认为[8]，“物质构成的奥秘”是初中生形成三重表征思维的铺垫时期，“水的组成”是初中生形成三重表征思维的入门时期，“化学方程式”是初中生形成三重表征思维的突破时期，“复分解反应”是初中生形成三重表征思维的深化时期。而复分解反应是初中一线教师公认的教学难点和分水岭[9]，涉及转化规律以及化学反应的本质理解。笔者认为在“化学方程式”到“复分解反应”的跨度太大，造成学生三重表征和认知上的困难，这两者中间忽视了一个重要的台阶——置换反应。笔者尝试借助“铜树”的制作，巩固和加深学生对金属活动性顺序表的理解和应用，提升学生三重表征能力，教学设计见表1。

【视频】播放美丽的“铜树”制作和生长过程。

学生观察，思考。

展现化学的美，激发学生的好奇心和求知欲。

【设问】选择什么样的药品，制作“铜树”？（提供可选择的药品： 硝酸银溶液，氯化铜溶液，氯化钠溶液；铁钉、铜片、锌粒、银片）

【提问】为什么不选择氯化钠溶液或者硝酸银溶液？

学生分组讨论选择的药品，并派代表进行实验方案汇报，其他组同学质疑讨论。最终确定以下两种方案来制“铜树”： ①氯化铜溶液和锌粒；②氯化铜溶液和铁钉。

复习巩固金属活动性顺序表，加深对金属活动性顺序表的理解，学会利用金属活动性顺序表来解决问题。学习合作交流，运用知识解决问题。

续 表

教师活动学生活动设计意图

【总结】肯定学生的两种方案。引导学生分组合作做实验，教师巡视并给予指导。

学生分组，按操作步骤完成实验，观察记录实验现象。

培养学生合作意识、沟通交流、逻辑思维和动手操作能力。

【教师引导】播放“美丽化学”视频中的置换反应，记录描述实验现象。

描述实验现象： 以锌粒或铁钉为中心，慢慢生长出红色的物质。

宏观表征： 以能被学生感知的宏观化学之美，吸引学生的注意，增进对化学的感情和欣赏，加深对宏观化学变化的印象。

【教师引导】锌粒或铁钉周围生成的红色物质是什么物质？播放反应的Flash微观动画视频。

描述实验现象，结合Flash微观动画和质量守恒定律推导反应产物。

微观探析： 结合Flash微观动画和质量守恒定律探析化学转化的微观本质。加深对质量守恒定律及物质组成和结构的理解。

【教师引导】尝试用化学的语言，即化学方程式来表示“铜树”的形成。

学生合作尝试写出化学方程式。Zn+CuCl2ZnCl2+Cu；Fe+CuCl2FeCl2+Cu。

符号表征： 化学符号是宏观和微观的纽带，集宏观、微观和化学计算于一身，是用精炼的化学方程式或图形符号表达物质转化，是化学入门的标志。

【总结】三重表征是化学学科的一种重要方式。三重表征间切换越顺畅，对化学的理解越深刻，学习效果越好。

识记“微观—宏观—符号”三重表征是化学独特的表示物质及其变化的方法。有意识地对三重表征之间的互相切换和理解。

三重表征不能完全依靠学生自己形成，需要教师的引导和培养。提高学生三重表征的意识。

【迁移】如果我们把“铜树”实验放到试管中去做，能描述一下实验现象吗？

（锌和氯化铜溶液；锌与硫酸铜溶液；铝与硫酸铜溶液；铁与硫酸铜溶液）

学生讨论交流。锌（或铝）和氯化铜（或硫酸铜）溶液的反应现象： 金属的表面会有红色的物质生成，溶液的颜色由绿色变浅，乃至无色。铁与硫酸铜溶液反应现象： 铁的表面有红色的物质生成，溶液的颜色由蓝色变成浅绿色。

培养学生的语言表达能力、逻辑分析能力。并学会归纳总结现象描述的一般规律： 固体角度（描述被置换出的金属的颜色），溶液角度（原溶液的颜色变成生成物溶液的颜色），气体角度（置换反应也可能产生气体）。

【类比】如果我们在试管中放入无色的硝酸银溶液，把铜、铁、锌、铝、镁中的一种放入溶液中，能描述一下实验现象吗？

学生尝试预测描述实验现象。都会有银白色的银生成，溶液颜色部分会有变化。

总结强化规律，学习利用规律快速获取大量的信息，用金属活动性顺序表的规律预测推断的思维能力，增强语言表达能力、逻辑分析能力。

【认知冲突】如果我们把金属钠放入氯化铜溶液中，能描述一下实验现象吗？

【教师验证】把钠放入盛有氯化铜溶液的烧杯中。

【总结】钾、钙、钠因为特别活泼，当把它们放到溶液中，它们会先和水发生化学反应。

学生推断： 金属钠的表面生成红色物质，溶液颜色变浅（生活常识氯化钠溶液呈无色）。

学生观察实验，思考、分析。

用实验引发学生的认知冲突，突出强调化学要遵循客观事实，引导学生从宏观现象分析，得出一般规律中的特例。完善对金属活动性顺序表的理解。

2.2 探究锌和氯化铜溶液制“铜树”的最佳浓度

人教版教材《化学》（九年级下册）第九单元实验活动5“一定溶质质量分数的氯化钠溶液的配制”。实验目的： （1）练习配制一定溶质质量分数的溶液；（2）加深对溶质的质量分数概念的理解。本节课的不足之处是： （1）学生配制的溶液没有用到；（2）配制的氯化钠溶液是无色透明的，无法从颜色进行比较分析误差；（3）单纯地练习操作能力，趣味性不够，学生兴趣不大。因而，笔者尝试把本节课“一定溶质质量分数的氯化钠溶液的配制”改成“探究锌和氯化铜溶液制‘铜树的最佳浓度”。为了顺利高效地完成课堂教学目标，笔者采用分组合作探究教学模式[10]，即把全班分成不同的组，各自配制不同浓度的氯化铜溶液（6%，12%， 42%），最后配制的溶液由不同组之间共享。在进行探究实验时，制作不同浓度溶液的“铜树”，见图5。12%的CuCl2溶液（即1.0mol/L的CuCl2溶液）所形成的“銅树”最快，枝条清晰、颜色亮丽。这和许燕红等[11]所得的铜树的最佳生长条件（30℃时，用1.0mol/L的CuCl2溶液与锌片反应）的结论相同。

通过对“铜树”最佳浓度的探究，不仅练习了配制一定溶质质量分数的溶液，加深了学生对溶质的质量分数概念的理解和应用，而且强化了班集体的团体观念，提高了课堂时间利用效率。通过对不同浓度制作的“铜树”的探究，让学生知道配制一定质量分数溶液的能力在社会生产和科学研究中有重要的作用，进一步理解科学研究的严谨性，端正学习化学的态度。

3 思考和启示

3.1 “铜树”实验的意外收获

教材在试管中铝和硫酸铜溶液的置换反应，药品用量多，产物回收价值小，造成资源浪费，溶液中生成的金属树附着在金属丝上不牢固，稍微震动就会脱落，不利于多个班级的演示。试管中的实验改成在宣纸上实验，不仅药品用量少（直径5.0cm的培养皿中，金属化合物溶液10滴即可），而且制作的“金属树”可以用标本膜塑封，保存纪念。在实验中还产生了一个有趣的现象，在一个培养皿中放两粒锌，就会以锌粒为中心生长成两棵金属树，待金属树完全成型，“树枝”彼此之间形成一个明显的分界线。笔者认为，锌粒和硫酸铜溶液反应生成的铜形成原电池，Cu2++2e-Cu，产生的铜不断在“铜枝”上沉积，就像树枝一样生长，树枝长到的地方溶液由蓝色变为无色。当两个铜枝朝同一个地方相向生长，“铜枝”之间Cu2+消耗殆尽，“铜树”无法继续生长，即形成彼此相望，却不交织在一起的有趣画面。

3.2 改进实验凸显化学美

改进“铜树”实验，不仅提高了学生的参与度，而且凸显了化学美。义务教育课程标准在“身边的化学物质”章节明确提出： 用五彩缤纷的化学物质和丰富多彩的化学变化，让学生体验化学美[12]。化学实验蕴含着丰富的美，但实验美是含蓄的，需要不断探索怎样凸显化学的美。国内有很多教育工作者和科研人员也在积极探索结合科技背景下化学美育的新途径，如凌一洲[13]利用可视化实验室实现美育渗透，将原本实验的现象、过程等进行艺术化的图像呈现（即实验可视化）或改进实验，使美学特征更加突出和丰富，降低学生认知负担，提升审美能力。再如梁琰等人组成的“美丽化学”团队，采用显微、微距、热成像、高速、延迟等摄像技术，给化学美找到了一种新的打开方式。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 4.

[2]陈凯， 陈昌云， 张丽娜.制作“金属树”的微型趣味实验[J]. 中学化学教学参考， 2008， （4）： 44.

[3][11]许燕红， 杨吉祥， 姚茜芸等. 影响铜树生长因素的探究[J]. 化学教育， 2015， 36（23）： 64～67.

[4]徐春芸. 2个趣味实验在初中化学教学中的应用[J]. 化学教育， 2017， 38（23）： 47～49.

[5]王晶， 郑长龙. 义务教育教科书·化学（九年级下册）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2012： 9～13.

[6]陈益， 孙夕礼. 我国化学教育“多重表征”研究十余年回顾与展望[J]. 化学教育， 2016， 37（23）： 6～13.

[7]毕华林， 黄婕， 亓英丽. 化学学习中“宏观—微观—符号”三重表征的研究[J]. 化学教育， 2005， 26（5）： 51～54.

[8]黄华玲. 例谈培养初中生化学“三重表征”思维的四个典型时期[J]. 广东教育（综合版）， 2015， （8）： 48～49.

[9]周來友. 初中化学三大难点的突破策略[J]. 中学化学教与学， 2017， （7）： 36～38.

[10]王振， 魏斌， 胡志刚. 基于合作探究的理论性知识的教学——以“质量守恒定律”为例[J]. 化学教学， 2017， （4）： 52～54， 76.

[12]中华人民共和国教育部制定. 义务教育化学课程标准（2011版）[S]. 北京： 北京师范大学出版社， 2012： 18.

[13]凌一洲. 从美的发生到美的体验、美的创造——利用可视化实验室实现美育渗透的探索[J]. 化学教学， 2017， （12）： 10～13.