培養科學精神的深度實驗教學探索

【摘 要】化學是一門以實驗為基礎的科學，教師可以通過化學實驗培養學生的科學精神。教師基于對實驗價值的理解，引導學生深度理解實驗、深度體驗實驗，通過有價值的問題讓學生在實驗中質疑、實踐，從而實現思維能力的提升、科學學習方法的滲透以及科學精神的熏陶。

【關鍵詞】深度實驗；科學精神；課堂教學

【中圖分類號】G633.8 ?【文獻標志碼】A ?【文章編號】1005-6009（2024）03-0019-05

【作者簡介】耿雁冰，江蘇省無錫市南長實驗中學（江蘇無錫，214031）副校長，高級教師，無錫市化學學科帶頭人。

《中國學生發展核心素養》將科學精神作為學生發展核心素養的六大維度之一。科學精神在《義務教育化學課程標準（2022版）》中也有諸多體現與要求。化學是一門以實驗為基礎的科學，如何通過化學實驗來培育科學精神？科學精神對初中生的價值何在？下文，筆者以“質量守恒定律”一課為例，談一談自己的思考和實踐。

一、提出問題

“質量守恒定律”教學中，執教者常有這樣的困惑：教材中有四個實驗，它們究竟屬于探究性實驗還是屬于驗證性實驗？學生預習后已經知道學習內容是“質量守恒定律”，還有必要去猜想化學反應前后的質量關系嗎？還有必要演示實驗嗎？

在這種“已有定論”的實驗教學中，類似問題常會困擾執教者和學習者。因此，如何看待實驗的功能，如何在深刻理解化學史和教材的基礎上，開發利用好每一個實驗，讓學生通過實驗學習化學，獲得科學精神的滋養，值得每一位化學教師深思和追問。深度實驗的意義在于讓學生像科學家一樣去思考、去探究、去經歷、去感悟。在深度實驗的過程中，教師應不斷激發學生的好奇心，讓學生專注于實驗的所有細節，在穿越時空的對話中感悟科學精神。

二、基于深度實驗的科學精神涵育實踐

從關注物質反應前后的質量關系這一“質量守恒定律”的萌芽開始，許多科學家堅持了數十年的探索，其中有一些實驗成了這一定律被發現并確認的關鍵事件。教師分板塊設計相關實驗，以學生演示、教師演示、學生分組實驗等多重穿插的方式，讓學生在豐富的體驗中，全面感悟科學精神，發展學科核心素養。

1.在熟知實驗的情境中激發好奇心與驚詫感

師：我們在第一單元學習什么是化學變化時做過兩個實驗：石灰石與稀鹽酸、氫氧化鈉與硫酸銅溶液的反應。現在我們再看一下這兩個實驗，研究一下化學反應前后的質量會不會發生變化呢？你們覺得會不會發生變化？

生：不會，因為今天學習質量守恒定律呀。

學生演示實驗1：將裝有稀鹽酸的小燒杯置于電子天平上，與碳酸鈣一起稱量之后，將碳酸鈣投入小燒杯，觀察現象，關注天平示數。

學生演示實驗2：將裝有氫氧化鈉與硫酸銅溶液的小燒杯置于電子天平上，一起稱量之后，將氫氧化鈉溶液倒入硫酸銅溶液之中，觀察現象，關注天平示數。

（觀察實驗結果，學生表示十分驚訝）

師：化學學習的特點就是關注物質的性質、物質的變化、物質變化過程以及對結果的解釋和討論。前面幾個單元重在關注物質的性質和變化，本節課重點關注物質變化過程以及對結果的解釋和討論。質量守恒定律看似簡單，但是要真正理解它，還需要我們深入研究學習。

【設計意圖】科學精神的培養首先需要激發并長久地保持學生的好奇心，這樣學生才可能在平時的學習生活中質疑和創新。學生經過預習，已經知道今天所學內容是質量守恒定律，這會成為其并未完全理解的前置經驗。教師要打破學生的固有認知，以演示實驗制造沖突，使其產生好奇。學生的好奇心就是他們探索世界的動力。教師以熟悉的實驗為學生帶來的陌生感，激發學生的好奇心和驚詫感，這是科學精神培養的第一步。

2.在穿越時空的對話中感受探索與堅持的精神

板塊一：重演波義耳實驗，初現定律

投影：1673年，英國物理學家羅伯特·波義耳做了金屬加熱實驗。他將金屬放在密閉的容器里煅燒，煅燒后立刻打開容器蓋進行稱量，得出的結論是物質的質量比反應前_____（增加、減少、不變）。

學生演示實驗1：學生上臺，用電子點火槍點燃鐵絲絨。師生觀察現象，討論結果，如下圖所示。

【設計意圖】在波義耳之前，已經有海爾蒙特的柳樹實驗等對化學變化前后質量關系進行了探索。本節課設計從波義耳開始，主要是基于一條暗線，即對火和燃燒現象的研究，將波義耳、施塔爾、羅蒙諾索夫、拉瓦錫等人的相關研究串聯在一起，讓學生在時空交錯中有一種代入感。

板塊二：再現施塔爾實驗，辨析質量關系

投影：施塔爾在1703年提出了“燃素說”，他在研究燃燒問題的過程中，發現某些可燃物質燃燒之后，質量都______（增加、減小、不變）。

學生演示實驗2：學生上臺，用電子點火槍點燃餐巾紙。

學生分組實驗1：教材實驗5-1，觀察現象。師生觀察現象，討論結果，如下圖所示。

【設計意圖】學生經過預習，很容易發現是因為碳酸鈉與鹽酸產生了氣體，導致天平右傾。但是當我們透過史實去感悟，從波義耳到施塔爾，中間走過了30年，對化學變化前后物質質量關系的探索才邁出了一小步，可想而知，科學家的探索之路是多么艱難。

板塊三：實驗驗證羅蒙諾索夫猜想，走近質量守恒定律

投影：1748年2月，羅蒙諾索夫說：“自然界所發生的一切變化都是這樣的：一種東西失去多少，另一種東西就獲得多少。因此，如果某個物體增加了若干物質，另一物體必然有若干物質消失。”1756年，他通過測量加熱密閉容器中錫的質量的實驗得到了一個結論：參加反應的全部物質的重量，等于全部反應產物的重量。

學生分組實驗2：教材探究活動方案二，硫酸銅與鐵釘的反應。

師生觀察現象，討論結果。

師：三位科學家，都基于實驗得出了結果，你傾向于誰的觀點？為什么？

【設計意圖】一個沒有任何化學知識的學生，面對變化前后物質質量關系的猜想，應該是三種情況都有，這是一種沒有基于證據的下意識的猜想。回到三百多年之前，化學家對化學的認識和理解還沒有發展到現在的水平，他們是如何認為的呢？教師在呈現質量守恒定律發現過程中的關鍵事件的同時，讓學生感悟科學是如何在一代又一代科學家的不斷質疑中發展前進的。

板塊四：仿做判決性實驗，逼近質量守恒定律

投影：1774年11月，拉瓦錫做了著名的20天實驗，得到了45格令氧化汞，他將其單獨分解后得到了41.5格令的汞和3.5格令的氧氣，將得到的氧氣與密閉容器中剩余氣體混合，又得到了與普通空氣完全一樣的氣體。這說明空氣是由氧氣和氮氣組成的，推翻了幾千年來大家認為空氣是一種元素的傳統概念認知，說明了氧氣在金屬煅燒過程中的作用。

投影：受“燃素說”影響，普利斯特利、卡文迪許仍舊認為水是一種元素。拉瓦錫在《化學綱要》中提到：在玻璃管中，將水蒸氣通過274格令紅熱的軟鐵薄片，結果水減重100格令，鐵增重85格令，變成黑色的氧化物，同時收到可燃空氣15格令。因此水不是一種元素，而是由85%的氧和15%的氫組成的一種化合物。

投影：1789年，拉瓦錫指出：“鐵在一個裝有富氧空氣的密封容器內燃燒，從重量為100格令的鐵可得到135或136格令的鐵的氧化物……空氣減少的重量恰好等于鐵增加的重量。那么實際上一方面增加的重量恰好符合另一方面損失的重量。在一個封閉系統中進行的化學反應，該系統任何一部分增加的重量恰好補償其余部分損失的重量。這個規律可以陳述為：每一次，操作前后存在的物質總量相等，且其要素的質與量保持不變，只是發生更換和變形，這可以看成為公理。”

教師演示實驗：教材探究實驗方案一。

師生一起分析白磷燃燒質量守恒的原因，得出結論：參加反應的白磷與參加反應的氧氣的質量之和等于生成的五氧化二磷的質量，進而得出質量守恒定律的概念。

【設計意圖】當年的判決性實驗主要是判決了“燃素說”，確定了“氧化說”，并沒有提出質量守恒定律。引入拉瓦錫對水的組成的研究以及鐵和氧氣的反應，是因為一個判決性實驗不一定能說明質量守恒定律，只有在不同的實驗中反復出現同樣的結果，才可能是某一個定律的雛形。拉瓦錫15年的研究呈現，讓學生再一次感受科學發展離不開長時間的質疑、探索與堅持。

板塊五：微觀分析回應理論，理解質量守恒定律

學生通過氫氣和氧氣反應生成水這一過程，分析質量守恒的微觀原因。

投影：拉瓦錫說：“每一次操作中，操作前后存在的物質總量相等，且其要素的質與量保持不變，只是發生更換和變形，這可以看成公理。”

師：請問，“要素”兩個字可以等同于我們前面分析中所提到的什么內容？

生：原子。

師：對，當時還沒有原子這個概念，因此用了要素這個詞，但是已經能基本表達出質量守恒定律了。公理是指依據人類理性的不證自明的基本事實，經過人類長期反復實踐的考驗，不需要再加證明的基本命題。而定律是為實踐和事實所證明，反映事物在一定條件下發展變化的客觀規律的論斷。定律是可證的，而且已經被不斷證明。因此，當一個科學家提出一個觀點之后，要被后來者不斷地去證明沒有問題，才能說是一個定律。

投影：德國化學家朗道耳特和英國化學家曼萊分別于1908年和1912年做了精確度極高的實驗，發現質量的變化小于一千萬分之一，這個差別在實驗誤差范圍之內，因此科學家們承認了這一定律。

【設計意圖】教師的講解讓學生明白，一個定律的產生要經過漫長的歲月積淀，這離不開眾多科學家的探索與堅持。

3.在改進教材實驗的過程中感受質疑與求實的意義

科學的質疑精神始于古希臘，當時的懷疑論者被稱為“探究者”。他們反對教條主義，對于各種說教、理論首先持懷疑態度，然后去分析、判斷、推理，最后確定其真偽。著名的科學方法論學者波普爾說：“正是質疑、問題激發我們去學習，去發展知識，去觀察。”求實，就是在科學探究過程中的解釋、結論都以事實為依據，不作偽并經得起事實反復論證。

師：如何對碳酸鈉與稀鹽酸反應這個實驗進行改進，以證明反應前后質量守恒？

生1：剛才老師做白磷實驗時，天平沒有變化，因此我們參考那個實驗，在錐形瓶中進行，瓶口套一個氣球，確保反應在一個密閉的體系中。

生2：不對，用氣球會產生浮力，影響結果。

生3：如果考慮浮力的話，那我們應該用一個足夠精確的天平來做實驗，看看到底會不會受到影響。

師：老師上課用的是精度為0.1g的電子天平，沒有看出什么變化，現在我給你們展示用精度為0.01g的電子天平做白磷燃燒實驗的結果。你們發現了什么？

投影：實驗結果圖片，如下圖所示。

生4：當氣球最大的時候，也是受到浮力最大的時候，這時候天平示數是最小的，說明浮力確實會影響我們的結果。

師：那我們是否可以用這個方法來改進碳酸鈉與稀鹽酸的反應實驗？

生5：不行，白磷燃燒后產生的五氧化二磷是固體，因此最后氣球基本上還是會回到起始狀態的。但是碳酸鈉與稀鹽酸反應產生的二氧化碳是不會變少的，氣球會一直保持膨脹狀態。

師：那我們該怎么辦？

生6：在密封的容器內，但是體積不能有明顯變化，我們可以在密閉性很好的水杯里進行。

學生演示：在水壺里進行實驗，天平果然平衡。

【設計意圖】簡單地在錐形瓶上套一個氣球，這是很不科學的，經不起推敲。教師特地設置這一環節，用精度較高的天平做實驗，做到求真、求實的同時，引導學生利用跨學科知識分析原因。現場演示用密閉性好的水杯進行實驗，整體實現從質疑、追問、分析、實驗到理解與釋疑。

三、結語

以深度實驗培養科學精神，教師要把握三個原則。

1.以深度實驗培養科學精神首先在于深度理解實驗

深度理解是基于對實驗價值的認識。化學實驗是化學概念、規律教學中必不可少的基礎部分。化學實驗還是實現化學教學課程目標的基本方法，學生通過實驗進行體驗，從而掌握化學知識，獲得科學研究的方法，感悟其背后蘊藏的科學思想和精神。

2.以深度實驗培養科學精神不是無限挖掘實驗深度

為了讓學生重蹈關鍵性步子，像科學家一樣思考，作為一名化學教師，我們首先要弄明白每一個實驗的關鍵性步子在哪里，深度理解實驗所蘊含的價值，其次才是思考如何讓學生重新走好這些關鍵的步子，最后讓學生深度體驗這一實驗。深度實驗教學不是無限挖掘實驗深度、難度，而是重在思維能力的提升、方法的滲透和精神的熏陶。

3.以深度實驗培養科學精神要從體驗著手

學習建立在體驗之上，只有進行了深度體驗，學習才會真正發生。在以深度實驗培養科學精神的教學中，教師要提出或者設置有價值的問題，讓學生有思考、體驗的過程，因為學生只有通過質疑、實踐才能真正成為學習的主人。

【參考文獻】

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［4］耿雁冰.化學深度實驗的教學探索［J］.教學月刊·中學版（教學參考），2016（Z2）：40-44.