STEAM理念高中化学创新实验研究

时间:2022-05-13 03:43:21

STEAM理念高中化学创新实验研究

摘要:介绍了基于STEAM理念下让学生制备和表征四氧化三铁磁流体的化学实验探究。采用化学共沉淀法制备了磁性Fe3O4纳米颗粒。在外加磁场下磁流体能出现明显凸起。本实验简单、安全、现象明显、试剂用量小、适宜于学生独立实验操作。本研究旨在通过设置科学问题,让学生体验整个科研过程,培养学生的创造力。

关键词:STEAM教育;磁流体;实验探究;创造力

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。

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