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由学生对历史上的金属铸造的阐释说明发展高中研究项目的方法

罗克珊·斯宾塞 梁颖仪

普林斯顿国际数学科学学院（PRISMS）科学系，美国新泽西州普林斯顿08540

摘 要

将研究活动纳入中学教学是教授科学的有效方法；但是，学生和老师在尝试确定一个合适的研究主题时可能会感到害怕。老师可以从期刊或报纸上的短篇文章中获得想法，以使学生自己设计实验并解释试验数据。为了说明如何从此类资源中开发高中研究项目并通过简单的技术和工具完成这些研究，本文描述了受历史上的金属铸造方法启发的以学生为主导的项目。科学探究过程中关键步骤的参考是包括演示简单的想法如何产生值得研究的问题。

关键字 高中/普通化学，一年级本科生/普通科，跨学科/多学科，基于探究/发现的学习，充实/复习材料，以学生为中心的学习

介绍

普林斯顿国际数学科学学院（PRISMS）是一所以科学、技术、工程和数学为中心的高中，在这所学校中，所有学生都必须在初中和高中内完成为期两年的研究计划。这项要求是基于这样一种假设，即学习科学的最佳方法是做研究：“从根本上来说，所有科学知识都植根于学习者的经验，而参与科学调查和组织的过程是科学的组成部分...科学教育的基本特征是进入大学前学生参与了这些过程。”

每个学生的研究工作是独立的，在某种意义上说，每个学生都应负责搜索和阅读背景文献，提出建议和进行实验，解释数据并传达结果。学生在研究的最初阶段得到了更多的指导和监督，然后再逐渐转变为独立，积极参与实验和研究并从其中产生新的想法。研究经验不仅可以教授实验和分析技能，还可以发展生活技能，例如时间管理和毅力。

尽管许多人认为研究在高中阶段是可行的，但是在时间、资源、技术等方面都存在局限性，这会阻碍研究在更多学校的广泛实施。例如，许多学生努力寻找一个可以在中学水平上解决的研究问题，因为他们觉得进行研究是遥不可及的。为了说明如何使用简单的技术和工具完成高中研究项目，参照哈伍德提出的研究的文字模型，描述了最近的一个学生项目。哈伍德指定了科学家从事的一系列任务，尽管不一定按规定的顺序进行，但都以“问题”为中心（表格1).有10个离散活动如下：

表1.哈伍德模型

由哈伍德定义，活动之间经常存在重叠，例如在“定义问题”和“形成问题”之间就会存在重叠，并且问题和观察可能会在过程中的任何时候发生（此类观察和问题在以下内容中都会突出显示：接下来分点讨论）。

找到一个问题

对于高中学生来说，最困难的任务之一就是找到一个问题。期刊或报纸的科学版块可用于激发学生的好奇心并提出潜在问题。例如，PRISMS的学生对化学感兴趣但没有具体的想法，就可以从《化学与工程新闻》等出版物中获取简短的文章和其他来源的文章来阅读。正是这样一篇关于金属铸造和知识的文章激发了对金属铸造的研究。历史上的金属铸造方法吸引了学生的兴趣，并提供了一个机会来讨论化学在分析和保存文化艺术品中的应用。

调查已知

制作与了解项目是哥伦比亚大学科学与社会中心发起的一项研究工作，旨在研究艺术与科学之间的联系。研究人员最近集中研究了序列号为BnF Ms.Fr 640（这是它在法国国家图书馆Bibliotheque Nationale de France的编号）的法国现代手稿,其中包括了对文本的解释，识别所涉及的材料，以及重建所描述的过程等，这本16世纪的手稿属于“秘密之书”类型，本质上是操作手册，其中包括从植树到染整的许多不同主题的说明。之所以被认为是独特的，是因为它包含了许多匿名的法国作家和从业者的经验和注释，包括失败和成功的试验的笔记。这份序列号BnF Ms.Fr 640的手册类似于实验室笔记本，可用于向学生展示报告所有失败和成功的实验尝试的价值。

定义问题

这名学生没有强调现实的历史再创造，而是选择了受法国手稿启发的方法来研究不同粘合剂对锡和铅铸件的影响。手稿中描述了几种成型材料，包括有牛骨、牡蛎壳和煤以及用醋或酒煮沸的蛋清或榆木根等其他粘合剂。为方便起见，研究中使用石英砂作为成型材料，并用北美本土植物易得的光滑榆树皮粉代替榆树根。作为一项高中研究项目，葡萄酒不是合适的选择，因此决定用10％的乙醇水溶液代替；除此以外，他们还认为使用标准溶液对研究的再现性很重要。

形成问题并阐明预期

所要研究的问题很简单：是否可以通过检查铸造的金属来判断砂模中使用了哪种粘合剂？该学生假设粘合剂和成型材料会在金属铸件上留下可以通过微观分析技术观察到的痕迹，为了了解是否有可以用来识别或表征铸造方法的“化学指纹”残留下来，进行了简单的砂型铸造的尝试。随着项目的进行，他们试图对一些铅铸件进行人工时效处理，以便模拟对历史文物腐蚀和退化过程的调查。

开展研究

金属铸件

所有材料均按原样使用，无需进一步纯化。白色石英砂获自Acros（AC61235）；铅丸、锡粒、95％乙醇、30％过氧化氢和氯化钠购自Flinn Scientific；滑榆树皮粉末获自Starwest Botanicals。使用普通的家用白醋（酸度为5％，相当于5％的乙酸水溶液），并在需要时直接从新鲜鸡蛋中获得蛋清。由于进行的实验规模较小，因此一次只使用一个或两个鸡蛋的蛋白。

将白色石英砂与水或蛋清、用醋煮沸的滑榆树皮粉和用乙醇水溶液煮沸的滑榆树皮粉等粘合剂混合来制备砂模。将10 g滑榆树皮粉放入150 mL醋（相当于5%乙酸水溶液）或乙醇水溶液（10%体积浓度）中煮沸，制备滑榆树皮浆。

将粘合剂和沙子在大烧杯中以大约1：10的体积比用刮铲混合。如果粘合剂混合物可以在其表面保留压痕，则确定砂型已准备好可以铸造。通过手稿中所述的挤压试验对此进行了解释：“润湿砂子后，尽管它仍然很容易分离，但它能更好地定型”

将混合物倒入用作铸造的不锈钢锅上。一个方形瓶的底部（图1）作为模具。

图1.3x3厘米瓶子的底部，用作模具的图案。

将瓶子压入砂浆混合物中约0.5厘米，形成约3 x 3厘米的压痕。所选择的图案同时提供了粗略的大体（例如凸起的边缘）和精细的细节部分（例如重复的点），以供观察和比较。在丁烷燃烧器（Lenk 65型实验室燃烧器）上的坩埚中加热金属（25至30克锡或铅）。熔化后，将金属从坩埚倒入瓶子在沙子中留下的空腔（图2)中，铸件在空气中冷却。当金属冷却到可以触摸时（大约30分钟后），将铸件从沙子上移开，用水洗涤，然后用肉眼和显微镜观察。

图2.用砂模铸造金属。

铸造技术虽然理论上很简单，但需要实践才能获得精细的铸件。在将熔融的铅倒入砂型之前，可以注意到表面形成了膜，最可能是PbO。观察到有少量这种薄膜出现不会影响铸件的成形。在一些铸造尝试中，铸件表面上形成了相对较大的孔，这很可能是将熔融金属倒入模具中时砂中水沸腾的结果。学生们还注意到，使用蛋清作为粘合剂的砂型这一“观察”活动的例子中，砂型与熔融金属接触的区域变黑，但在模具中没有发现其他物理变化。

加速腐蚀和老化

选择两个细节良好的铅样品，并使其浸泡在氯化钠溶液（模拟海水浸泡）或过氧化氢溶液（诱导氧化）。将由在光滑的榆树皮和醋粘合剂砂模中铸造制成的铅样品在0.6 M NaCl水溶液中浸泡48小时；在“调查已知”活动之后确定该浓度，以模拟海水的典型盐度。将在光滑的榆树皮-酒精粘合剂砂模中制备的铅铸件在30％的H₂O₂水溶液中浸泡48小时。在进行表面分析之前，取出两个样品并在超声浴中用乙醇清洗。

表面检查

使用北方变焦立体显微镜（10-30倍放大率）在光学显微镜下检查表面。显微镜下的照片是使用Carson HookUpz 2.0通用智能手机光学数码适配器和智能手机拍摄的。尽管我们发现光学显微镜足够进行表面分析，但这名学生仍然通过沟通获得了邻近大学的扫描电子显微镜（SEM）。（尽管许多学生通常无法接触到先进的设备，但他们可能会找到从专业研究人员那里获得接触先进设备的机会，或者通过创造性地使用智能手机、Arduinos、和3D打印机来代替分析仪器。利用FEI-Quanta 200FEG环境扫描电镜（SEM）、Oxford-INCA Synergy 450 EDS系统和Oxford X-Max 80平方毫米硅漂移探测器对表面进行了扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）表征。它们在高真空（2.57times;10Torr）和10.00或15.00kev电子加速电压下工作。用于SEM分析的样品在超声浴中用乙醇清洗并风干，然后再用导电碳带固定在短管上。

危害

在实验室中严格遵守实验室操作规则，并始终佩戴防护手套和护目镜。所述金属的熔点相对较低，在实验室中很容易达到（锡在232℃熔化，铅在327℃熔化).尽管金属锡被认为是无害的，但铅元素是一种可能的致癌物，吞咽或吸入有害。铅不应加热到400℃以上。为了避免吸入粉尘和烟雾，金属在加热时应放在通风橱内以最大程度地减少暴露。用于熔化金属的坩埚和钳子每次加热尽可能少的金属。处理完材料后，要彻底洗手。

调查结果与反思发现

金属铸造观察

反复试验表明，沙子的稠度是控制成型的重要因素。如果太湿，沙子会粘在用来制造模具的瓶子底部；如果太干，沙子就不会保持压痕的形状。当使用不添加粘合剂的水时，很难在沙子上获得精细的印痕。这突出了需要使用粘合剂以使沙子保持其形状。使用了蛋清还是榆树皮打滑的浆料，尽管在沙子中观察到一些裂纹，但沙子感觉更粘并且保持压痕的形状更好。

锡和铅金属生产的铸件具有不同的特性，锡样品通常比铅样品具有更大的光泽，并且铅的变色趋势在一些外观较暗的铅样品上很明显。用蛋清或滑榆树皮粉作粘结剂制作的锡或铅铸件在砂模中的视觉效果没有明显差异。通过目测和光学显微镜检查，在使用粘合剂的模具制备的锡和铅铸件中，瓶子边缘周围的两条圆点都很明显（图3a).相反，在纯水砂型制成的铸件中没有观察到明显的细节（图3b).

金属铸件中出现了几种常见的缺陷，肉眼和光学显微镜都能看到这些缺陷（图4）。这些观察结果引起了新的问题（即学生在她的实验笔记中记录了“铸模为什么起泡”的原因），这就需要背景阅读来理解。

图3.使用（a）蛋白-乙醇粘合剂和（b）无粘合剂砂模制作的锡铸件边缘的光学显微镜（15倍）。在使用带有蛋清乙醇粘合剂的砂模制成的锡铸件中瓶子的细节很明显，但在不含粘合剂的砂型制作的铸件中则不明显。

这是其中一种可能发生的机制。这说明了哈伍德模型从“观察”到“问题”再到“调查已知”的迭代过程。可以发现当留在铸砂中的液体沸腾后，熔融金属捕获蒸气，形成气孔和气孔（图4a），40当金属冷却至室温时，就会出现裂纹，金属体积减小（图4b）。虽然标准的光学显微镜足以观察铸件上的细节，但是利用扫描电子显微镜（SEM）的机会揭示了在蛋清砂模中制备的锡铸件上的表面特征（图5);通过EDS分析观察到大量的碳、氧、氯和钠。因此，“观察”导致“问题”，需要进一步的“调查已知”和哈伍德方法的另一个迭代。

图4.光学显微镜（30times;）图像显示：（a）用蛋清作为粘合剂的砂型制备的铅铸件中的气孔，（b）用不使用粘合剂的砂型制备的铅铸件中的裂纹，以及（c）用乙醇煮沸的滑榆树

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