“穿墻而過的分子”：技術(shù)支持下的實驗迭代改進(jìn)*

戴 樂 王禮風(fēng)

（1.江蘇省清河中學(xué) 江蘇 淮安 223001；2.江蘇省淮陰中學(xué) 江蘇 淮安 223300）

化學(xué)學(xué)科的發(fā)展歷史告訴我們，無論在基本學(xué)科觀念的建構(gòu)中還是在科學(xué)思維的形成中，化學(xué)實驗都扮演著重要的角色，雖然理論化學(xué)方法得到了長足的進(jìn)步，但是所得結(jié)論仍然需要通過實驗來驗證，化學(xué)仍然是一門實驗性科學(xué)。無論是《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中的核心素養(yǎng)中的“實驗探究與創(chuàng)新意識”，還是《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 版）》中的核心素養(yǎng)中的“探究實踐”，實驗探究實踐都是基礎(chǔ)教育化學(xué)教學(xué)的主旋律。［1，2］

“教師不可能教授他們不理解的內(nèi)容”，教師作為教學(xué)中的“組織者”“引導(dǎo)者”，其對科學(xué)探究的認(rèn)識不僅影響著自身的教育教學(xué)工作，同時也在影響學(xué)生科學(xué)本質(zhì)觀形成。現(xiàn)有研究和教師培訓(xùn)主要集中于為教師提供探究教學(xué)策略或技能方面的支持。教師要想有效地開展探究教學(xué)，開發(fā)和引導(dǎo)教師本人主動針對教學(xué)過程中遇到的實驗探究相關(guān)問題進(jìn)行反思，有意識地提高自己的科學(xué)探究觀，可能效果會更加凸顯。

一、一次實驗展示開啟的科學(xué)探究之旅

在一次市級創(chuàng)新實驗展示比賽的準(zhǔn)備過程中，化學(xué)噴泉實驗以其明顯的現(xiàn)象受到筆者的關(guān)注。化學(xué)噴泉實驗都是利用負(fù)壓產(chǎn)生噴泉，能否找到一個正壓產(chǎn)生噴泉的化學(xué)實驗?zāi)兀吭凇稛o機(jī)化學(xué)》中發(fā)現(xiàn)一則趣味實驗——氫氣噴泉實驗。該實驗利用陶素筒壁有透氣性，氫氣分子小和擴(kuò)散速率較快的特點（同溫同壓下，氫氣分子的擴(kuò)散速率是空氣的3.8 倍），氫氣較容易透過素筒壁，而素筒內(nèi)空氣不易穿出，從而使得筒內(nèi)壓強(qiáng)增大而形成噴泉（見圖1）。［3］

圖1 氫氣噴泉的示意圖與實物圖

1.第一次改進(jìn)：利用傳統(tǒng)技術(shù)手段進(jìn)行了增強(qiáng)實驗現(xiàn)象

在重復(fù)了《無機(jī)化學(xué)》書中的實驗后，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象非常不明顯，無法出現(xiàn)水流的噴射現(xiàn)象。于是在塑料瓶的開口處加了一張濾紙以減緩氫氣的擴(kuò)散，增加素瓷筒周圍的氫氣濃度和延長氫氣與素瓷筒的接觸時間，同時將錐形瓶中液體加滿，把噴射口拉成尖嘴并用乳膠管與止水夾增加初始噴射時的壓強(qiáng)。實驗結(jié)果證明，液體可以產(chǎn)生噴射，但是只是在止水夾和乳膠管剝離的一瞬間。經(jīng)過分析，可能是因為進(jìn)入素瓷筒的氫氣量太少，無法產(chǎn)生液體噴泉。因此，最終把改進(jìn)鎖定在用豎直的毛細(xì)管來呈現(xiàn)素瓷筒中氣體壓強(qiáng)的增大。在《化學(xué)探究性小實驗》書中，作者沒有用素瓷筒，而是改在塑料瓶上開了孔后蒙上薄紙板，由于孔徑變大，進(jìn)入塑料瓶內(nèi)的氫氣量增大，的確產(chǎn)生了噴泉。［4］

圖2 氫氣噴泉的第一次改進(jìn)圖

2.第二次改進(jìn)：數(shù)字化壓強(qiáng)傳感器和電火花發(fā)生器證明進(jìn)入素瓷瓶的是氫氣

毛細(xì)管中的液柱上升，只能說明素瓷筒中壓強(qiáng)增大，如何證明進(jìn)去的氣體是氫氣呢？先在素瓷筒中安裝了壓強(qiáng)傳感器（見圖3），通入氫氣壓強(qiáng)增大，改換二氧化碳和氧氣壓強(qiáng)不發(fā)生變化，初步能證明進(jìn)入素瓷筒的氣體是氫氣（見圖4）。

圖3 氫氣噴泉的第二次改進(jìn)：安裝了壓強(qiáng)傳感器的實驗裝置

圖4 比較實驗壓強(qiáng)傳感顯示的結(jié)果

通過實驗事實進(jìn)行證據(jù)推理是促進(jìn)科學(xué)思維建構(gòu)的重要內(nèi)容。我們在實驗裝置中增加了一組電極，可以產(chǎn)生電弧。如果進(jìn)入素瓷瓶的是氫氣，在激發(fā)電弧后，氫氣與氧氣可以反應(yīng)，恢復(fù)至室溫，素瓷瓶內(nèi)的壓強(qiáng)會下降（如圖5所示）。由于此時的素瓷筒是一個密閉體系，因此利用實測壓強(qiáng)進(jìn)行爆炸極限的估算。注意安全，氫氣爆炸極限是4.0%～75.6%（體積濃度）。

圖5 增加了氫氣噴泉的第二次改進(jìn)：電火花發(fā)生器的實驗裝置和實驗現(xiàn)象

3.第三次改進(jìn)：為什么氫氣可以進(jìn)入素瓷筒，而其他氣體進(jìn)不去，也出不來？

為進(jìn)一步探究原因，借用掃描電子顯微鏡（SEM）對素瓷筒外表面、橫截面和內(nèi)表面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，結(jié)果如圖6所示。由圖可知，橫截面和內(nèi)表面密布小孔，且孔徑約在1～2 μm，外表面在500 nm標(biāo)尺下仍看不見小孔，證明素瓷瓶外表面孔徑要比內(nèi)表面和截面小得多，起到篩選與阻攔的作用（氧分子、二氧化碳分子、瓶內(nèi)原有空氣微粒無法進(jìn)出，氫氣分子可以進(jìn)入）。

圖6 SEM掃描圖

4.第四次改進(jìn)：引入空白實驗，排除系統(tǒng)誤差

由于電弧放電過程中，素瓷瓶內(nèi)的空氣中的氮氣與氧氣也可能會發(fā)生反應(yīng)，也可能導(dǎo)致氣體分子數(shù)減小，從而可能會產(chǎn)生瓶內(nèi)壓強(qiáng)下降的現(xiàn)象。為了驗證這一猜想，避免系統(tǒng)誤差，進(jìn)行了空白對照實驗。在只有空氣的素瓷瓶中進(jìn)行了同樣次數(shù)放電實驗，采集了放電前后的壓強(qiáng)數(shù)據(jù)（見圖7），未出現(xiàn)瓶內(nèi)壓強(qiáng)下降現(xiàn)象。

圖7 空白實驗

二、實驗系列改進(jìn)的反思與體會

實驗是科學(xué)研究的一種基本方法，能夠高度濃縮展示人們認(rèn)識和發(fā)現(xiàn)某一知識、原理的過程；它還是一種重要的科學(xué)認(rèn)識方法，有利于形成創(chuàng)造性思考、明智決策和有效解決各種問題的能力。教學(xué)過程本質(zhì)上是認(rèn)識過程，學(xué)生的認(rèn)識過程是將人類認(rèn)識過程“倒過來”的過程；學(xué)生認(rèn)識的起點是人類認(rèn)識的終點；過程上，則是把“倒過來”的過程再“轉(zhuǎn)回去”，即通過學(xué)生典型地、簡約地經(jīng)歷人類認(rèn)識過程的方式，使學(xué)生能夠主動地全面占有人類認(rèn)識成果，能夠深刻理解人類認(rèn)識過程的意義、過程與方法，從而使學(xué)生能夠走入歷史并具有創(chuàng)造未來歷史的能力、品格與情懷。［5］

而教師則是實現(xiàn)兩次倒轉(zhuǎn)中的關(guān)鍵要素，教師決定著“第一次倒轉(zhuǎn)”的實質(zhì)內(nèi)容并決定著“第二次倒轉(zhuǎn)”的起點與過程。部分教師在受教育過程中沒有接受過專門的科學(xué)探究等相關(guān)課程的學(xué)習(xí)，教師對科學(xué)探究的認(rèn)識是在科學(xué)學(xué)習(xí)與教學(xué)過程中自發(fā)形成的。這樣也就可能在教師身上出現(xiàn)科學(xué)探究的知與行“兩張皮”的現(xiàn)象。

如何有效地開展實驗教學(xué)，提升實驗教學(xué)的實際效果，關(guān)鍵在于教師首先要做好實驗，然后以簡約、典型的方式實現(xiàn)對知識發(fā)現(xiàn)過程的“打開”與“重演”，但這種典型“重演”也不是從零開始，而是從學(xué)生經(jīng)驗?zāi)抢镎业礁呒墐?nèi)容的原型，通過改造、擴(kuò)展、提升、深化而成為科學(xué)內(nèi)容。消除教師的知與行之間存在著壁壘，而追求宣稱理論與行動理論的統(tǒng)一，實際上就是追求教師將內(nèi)化的科學(xué)本質(zhì)外顯。除了開設(shè)相應(yīng)的培訓(xùn)課程外，鼓勵、開發(fā)和引導(dǎo)教師本人主動針對教學(xué)過程中遇到的科學(xué)探究相關(guān)問題進(jìn)行反思的案例，有意識地提高自己的科學(xué)探究觀，可能效果會更加凸顯。