逍遥学能 2017-11-25 11:15
一、由一个实验教学案例引发的思考
拉瓦锡测定空气组成的实验存在两种不同的教学处理所引发的思考。一种教学处理为按照教材文字和图片简单介绍科学史及相关知识点。比较好的处理为：拉瓦锡测定空气组成的实验，是一个完成于两个多世纪之前的经典实验，至今仍然入选于初中教材之中（为了避免汞对环境和人体带来的危害，现行教材中多改以磷、蜡烛[注1]等代替汞用于课堂或学生实验）。假如仅限于介绍人类对空气组成的认识来源于科学实验的史实，以及培养学生在模仿中提高所谓实验动手能力，显然不能充分发挥它所具有的科学教育作用。如果在实验的同时对科学实验的基本要素和如何评价和欣赏前人的科学活动进行介绍，更能体现以培养科学素质为目标的任务。譬如就技术条件而言，拉瓦锡所用仪器设备显然极其简陋（因而实验数据精度不够高），但是作为一个具有发现性质的实验来看，应当认为这个实验从化学反应体系的选择到实验方案的设计都做到了近乎完美的程度。不仅因为汞的沸点较低（356.58oC），汞蒸汽和曲颈甑内空气中的氧气之间可以气态进行反应，因而反应速度较快；而且持续蒸发的汞可以使容器中的氧气耗尽，即反应比较完全；产物氧化汞密度低于汞，且不溶于汞，因此易于分离；还有氧化汞分解温度不高（约为500oC），在同一装置中就能实现等优点。此外，在拉瓦锡的实验方案中还包括了证明了由氧化汞分解所得气体不但是氧气，而且就是使汞转化为氧化汞时从甑内空气中用去的那部分氧气。因为当它回到没有和汞发生反应的剩余气体（主要是氮气）中去时，得到的混合气体与原来取样时的空气完全一致。这样细致而严密的设计，堪称科学实验的典范！故而实验结论的可信度极高。
有关科学实验设计的优劣和运用基础知识与方法水平的分析与评价，对于初学者可以起到示范的作用。从而可以得出如下的认识：寻找影响因素最少的化学体系；选取适当的仪器设备；和确定与探究思路相关的实验步骤，是进行探究性学习，特别是探究性实验设计的重要组成部分。它的质量决定了探究活动是否安全有序，以及能否获得不确定性较少的结论。原子、分子从假说、学说到理论的发展过程，以及原子结构模型在科学实验事实的逼迫下，不断修正的历史，其中所包含的教育元素也都并非仅限于科学知识本身。所以充分发掘这类化学史料所包含的教育元素，对于提高学生的科学素质将能够起到潜移默化和循循然善诱人的作用。
就实验设计的严谨性而言，这些替代汞的方案都不如原来的汞方案。其中的蜡烛方案更是一个错误的方案，因为燃烧产物中有无法确定的微溶于水的CO2、难溶于水的CO、和石蜡裂解时产生的小分子烃等气态物质，容器中气体体积的变化不能完全归因于氧气的消耗。何况当氧气浓度很低时，蜡烛已不再燃烧，即氧气不能全部耗尽。
思考1：挖掘实验教学的功能和价值。
思考2：揭示实验学习中所蕴含的科学精神和科学方法。
化学的基本任务在于认识和识别物质，并在此基础上研究和发现物质间存在本征差异的外在和内涵因素，从而使之成为分离、鉴别、合成和设计新物质的基础。由学科的任务和特点可以看出，化学在研究物质世界时，更着重于物质的个性。在积累了大量有关个别物质的数据及经验之后，人们试图从中找出某些共性，并进一步构成学科理论，使得对物质世界的认识逐步由分立的经验数据进步为系统的、便于传承的科学知识。后者也就是已为人们熟知的所谓由感性到理性的认识过程的跨越。从神龙尝百草的传说到李时珍编撰《本草纲目》的历史记载中，都可以找到类似的认知轨迹，也就是说，这种以研究对象的个性为基础逐步形成对大量客观事物共性（包括对它们之间某些差异的变化规律性在内）的认识方法，是一种已为人们广泛应用于各个领域的方法。实践证明，这是一种行之有效的科学方法。