探究實驗的科學(xué)性與嚴(yán)謹(jǐn)性

探究實驗的科學(xué)性與嚴(yán)謹(jǐn)性

化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)。通過以化學(xué)實驗為主的多種探究活動，能使學(xué)生體驗科學(xué)研究的過程，激發(fā)學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，強化科學(xué)探究的意識，促進(jìn)學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和素養(yǎng)，提高學(xué)生的科學(xué)思維品質(zhì)，加強學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力。在日常教學(xué)中，許多老師都很重視實驗探究，但由于各方面的原因，探究實驗不是很成功。筆者就平時碰到的一些情況作如下分析。一、原理矛盾型自相矛盾一詞出處《韓非子·難一》中的一則故事。在教學(xué)實踐中，我們的教師有時也在犯自相矛盾的低級錯誤?！景咐?】有位教師在實施人教版第六單元課題1《金剛石、石墨和》教學(xué)時，為了驗證石墨是否導(dǎo)電，進(jìn)行了以下實驗探究。探究實驗：把電源、小燈泡、開關(guān)、石墨、導(dǎo)線串聯(lián)成閉合回路，實驗裝置如圖1。圖1實驗現(xiàn)象：當(dāng)閉合開關(guān)時，小燈泡亮。這個探究實驗設(shè)計似乎沒有問題。但事實有問題，問題就在這位教師用了干電池作為電源。我們知道干電池的正極材料就是石墨，在默認(rèn)石墨導(dǎo)電的情況下驗證石墨是否導(dǎo)電，這不是自相矛盾嗎？用這套裝置不是不可以，關(guān)鍵是要選擇好電源，如果把干電池?fù)Q成蓄電池、學(xué)生電源都可以。二、推理武斷型推理，就是人們在已有知識所形成的判斷的基礎(chǔ)上，由一個或幾個已知判斷推出一個新的判斷的科學(xué)思維過程。盡管人們探求新的知識的方法和途徑十分復(fù)雜，但都離不開推理這種思維方法。而假設(shè)是根據(jù)已有的材料與經(jīng)驗，對事物產(chǎn)生的原因及其發(fā)展變化的規(guī)律所做的推測。我們在實驗探究過程中，對于實驗出現(xiàn)的現(xiàn)象應(yīng)該通過科學(xué)的推理，提出合理的假設(shè)?！景咐?】筆者有一次去聽一位新教師的課，課題是“石灰石的利用”。教學(xué)過程中，這位教師提出了這樣的問題：“如何判斷大理石中含有？”并自己動手做了下述探究實驗。探究實驗：在大理石中加入鹽酸，并將產(chǎn)生的氣體通入澄清石灰水。實驗現(xiàn)象：大試管中產(chǎn)生大量氣泡，但小試管中的澄清石灰水不變渾濁。此時這位新教師毫不思索地就對學(xué)生說“石灰水失效了”。事實果真如此嗎？課后筆者用她使用的藥品做了同樣的實驗，很明顯地觀察到澄清石灰水變渾濁。那么對于上述意外情況，我們有哪些假設(shè)呢？筆者認(rèn)為以下幾點都是合理的：①使用的鹽酸濃度過大。使用鹽酸的濃度大，產(chǎn)生的氣體中含有HCl氣體，HCl會和澄清石灰水發(fā)生中和反應(yīng)。②產(chǎn)生氣體的速度太快。如果產(chǎn)生的氣體速度太快，因為澄清石灰水中所含的少，大量的氣體和少量的氫氧化鈣迅速反應(yīng)生成。③石灰水在配制時存在問題。配制石灰水應(yīng)用生石灰，如果生石灰保存不當(dāng)，實效變質(zhì)，生成碳酸鈣。④石灰水長期放置失效。長期放置的石灰水會與空氣中的反應(yīng)而變質(zhì)，因此長期放置石灰水的試劑瓶的瓶壁上會附著白色固體物質(zhì)。在這里筆者強調(diào)的是課堂上碰到意外的情況，教師推理不能太武斷，應(yīng)該充分利用課堂上的生成情況，作為一種教學(xué)資源，引導(dǎo)學(xué)生分析和探究，這才是科學(xué)而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度。三、操作失誤型化學(xué)實驗操作技能是指在一定的化學(xué)知識和經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，通過實驗操作中練習(xí)鞏固下來的、自動化的、完善的動作活動方式?；瘜W(xué)實驗操作技能是中學(xué)化學(xué)教學(xué)中要求學(xué)生掌握的一項基本技能，一般可分為使用儀器、使用藥品、基本操作和繪圖技能。目前中學(xué)生的實驗操作技能存在不少問題，基本操作技能不高，綜合操作技能更差。在進(jìn)行探究實驗時，學(xué)生往往因為操作技能的不嫻熟和經(jīng)驗的缺失，造成實驗的失敗。【案例3】為了探究鋁和銅離子是否能發(fā)生置換反應(yīng)，教師讓學(xué)生做了3個探究實驗。探究實驗1：未打磨的鋁片浸入氯化銅溶液中。實驗現(xiàn)象：迅速產(chǎn)生大量氣泡和疏松的紫紅色固體，并放熱，片刻后溶液由藍(lán)綠色變成無色。探究實驗2：未打磨的鋁片浸入硫酸銅溶液中。實驗現(xiàn)象：一段時間內(nèi)沒有明顯現(xiàn)象。教師組織學(xué)生討論，得到如下結(jié)果：氯離子對金屬及其氧化物的結(jié)構(gòu)具有較強的破壞作用（或氯離子促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，或銅鹽溶液中酸根離子種類不同）。探究實驗3：用砂紙打磨鋁片，再將打磨過的鋁片浸入硫酸銅溶液中。學(xué)生動手實驗，發(fā)現(xiàn)實驗的現(xiàn)象卻有不同，主要有以下三種情況：實驗現(xiàn)象1：打磨的表面在劃痕處有少量氣泡，附著少量疏松的紫紅色固體。實驗現(xiàn)象2：打磨的表面產(chǎn)生較多細(xì)小氣泡，表面均勻附著紫紅色固體。實驗現(xiàn)象3：打磨的表面一段時間內(nèi)沒有明顯現(xiàn)象。教師對實驗現(xiàn)象1和2很快作出了解釋（實驗現(xiàn)象1是由于用粗砂紙打磨鋁條造成的，而出現(xiàn)實驗現(xiàn)象2的情況則是由于用細(xì)砂紙打磨鋁條的結(jié)果），對實驗現(xiàn)象3則無法說出原因。其實出現(xiàn)實驗現(xiàn)象3的原因是學(xué)生操作不當(dāng)造成的。有些女學(xué)生力氣小，打磨時用力太小，表面的氧化膜沒有被打磨掉；而有些男學(xué)生來回用力快速打磨鋁條，由于摩擦生熱又形成了新的氧化膜。四、設(shè)計理論型陸游在《冬夜讀書示子聿》中說：“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。”意思就是說從書本上得到的知識終歸是淺薄的，未能理解知識的真諦，要真正理解書中的深刻道理，必須親身去躬行實踐。因此實驗設(shè)計是否成功，必須經(jīng)過實際操作的驗證?！景咐?】測定某純堿樣品中碳酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。探究實驗：設(shè)計如圖2實驗裝置，打開分液漏斗的旋塞，讓稀硫酸和樣品反應(yīng)，再用鼓氣球趕出裝置中的氣體，讓產(chǎn)生的氣體被B中堿石灰充分吸收。圖2這個裝置的設(shè)計不可謂不完美。為了減少實驗誤差，用A、C中的堿石灰吸收空氣中的氣體，用E中的濃硫酸吸收氣體中的水分。這樣保證了B中的堿石灰吸收的就是硫酸與樣品中碳酸鈉反應(yīng)產(chǎn)生的氣體。通過測量B中的堿石灰的質(zhì)量增加量，從而求出碳酸鈉的質(zhì)量，最終求出樣品中碳酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。事實能否與設(shè)想的完全一致呢？當(dāng)教師旋轉(zhuǎn)分液漏斗的旋塞，滴加稀硫酸時，意外情況出現(xiàn)了，稀硫酸不能順利滴下，而且不斷有氣泡從稀硫酸中冒出，實驗失敗。原因何在？教師在設(shè)計裝置時，只是從理論的角度出發(fā)考慮如何減少實驗誤差，沒有考慮實際操作過程中會出現(xiàn)的情況。當(dāng)打開分液漏斗的旋塞，滴加稀硫酸時，D中立即產(chǎn)生大量的氣體，因為A中是固態(tài)物質(zhì)，E中用濃硫酸液封，產(chǎn)生的氣體不能迅速散逸，導(dǎo)致D中的壓強增大，從而產(chǎn)生上述意外情況。探究性學(xué)習(xí)以“問題”為載體，以探究問題為