【摘 要】化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，教師可以通過化學(xué)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神。教師基于對實(shí)驗(yàn)價值的理解，引導(dǎo)學(xué)生深度理解實(shí)驗(yàn)、深度體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，通過有價值的問題讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中質(zhì)疑、實(shí)踐，從而實(shí)現(xiàn)思維能力的提升、科學(xué)學(xué)習(xí)方法的滲透以及科學(xué)精神的熏陶。

【關(guān)鍵詞】深度實(shí)驗(yàn)；科學(xué)精神；課堂教學(xué)

【中圖分類號】G633.8 ?【文獻(xiàn)標(biāo)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(shí)驗(yàn)中學(xué)（江蘇無錫，214031）副校長，高級教師，無錫市化學(xué)學(xué)科帶頭人。

《中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》將科學(xué)精神作為學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的六大維度之一?？茖W(xué)精神在《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022版）》中也有諸多體現(xiàn)與要求?；瘜W(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，如何通過化學(xué)實(shí)驗(yàn)來培育科學(xué)精神？科學(xué)精神對初中生的價值何在？下文，筆者以“質(zhì)量守恒定律”一課為例，談一談自己的思考和實(shí)踐。

一、提出問題

“質(zhì)量守恒定律”教學(xué)中，執(zhí)教者常有這樣的困惑：教材中有四個實(shí)驗(yàn)，它們究竟屬于探究性實(shí)驗(yàn)還是屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)？學(xué)生預(yù)習(xí)后已經(jīng)知道學(xué)習(xí)內(nèi)容是“質(zhì)量守恒定律”，還有必要去猜想化學(xué)反應(yīng)前后的質(zhì)量關(guān)系嗎？還有必要演示實(shí)驗(yàn)嗎？

在這種“已有定論”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，類似問題常會困擾執(zhí)教者和學(xué)習(xí)者。因此，如何看待實(shí)驗(yàn)的功能，如何在深刻理解化學(xué)史和教材的基礎(chǔ)上，開發(fā)利用好每一個實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)化學(xué)，獲得科學(xué)精神的滋養(yǎng)，值得每一位化學(xué)教師深思和追問。深度實(shí)驗(yàn)的意義在于讓學(xué)生像科學(xué)家一樣去思考、去探究、去經(jīng)歷、去感悟。在深度實(shí)驗(yàn)的過程中，教師應(yīng)不斷激發(fā)學(xué)生的好奇心，讓學(xué)生專注于實(shí)驗(yàn)的所有細(xì)節(jié)，在穿越時空的對話中感悟科學(xué)精神。

二、基于深度實(shí)驗(yàn)的科學(xué)精神涵育實(shí)踐

從關(guān)注物質(zhì)反應(yīng)前后的質(zhì)量關(guān)系這一“質(zhì)量守恒定律”的萌芽開始，許多科學(xué)家堅(jiān)持了數(shù)十年的探索，其中有一些實(shí)驗(yàn)成了這一定律被發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)的關(guān)鍵事件。教師分板塊設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，以學(xué)生演示、教師演示、學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)等多重穿插的方式，讓學(xué)生在豐富的體驗(yàn)中，全面感悟科學(xué)精神，發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)。

1.在熟知實(shí)驗(yàn)的情境中激發(fā)好奇心與驚詫感

師：我們在第一單元學(xué)習(xí)什么是化學(xué)變化時做過兩個實(shí)驗(yàn)：石灰石與稀鹽酸、氫氧化鈉與硫酸銅溶液的反應(yīng)?，F(xiàn)在我們再看一下這兩個實(shí)驗(yàn)，研究一下化學(xué)反應(yīng)前后的質(zhì)量會不會發(fā)生變化呢？你們覺得會不會發(fā)生變化？

生：不會，因?yàn)榻裉鞂W(xué)習(xí)質(zhì)量守恒定律呀。

學(xué)生演示實(shí)驗(yàn)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(xiàn)象，關(guān)注天平示數(shù)。

學(xué)生演示實(shí)驗(yàn)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(xiàn)象，關(guān)注天平示數(shù)。

（觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生表示十分驚訝）

師：化學(xué)學(xué)習(xí)的特點(diǎn)就是關(guān)注物質(zhì)的性質(zhì)、物質(zhì)的變化、物質(zhì)變化過程以及對結(jié)果的解釋和討論。前面幾個單元重在關(guān)注物質(zhì)的性質(zhì)和變化，本節(jié)課重點(diǎn)關(guān)注物質(zhì)變化過程以及對結(jié)果的解釋和討論。質(zhì)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(xué)習(xí)。

【設(shè)計(jì)意圖】科學(xué)精神的培養(yǎng)首先需要激發(fā)并長久地保持學(xué)生的好奇心，這樣學(xué)生才可能在平時的學(xué)習(xí)生活中質(zhì)疑和創(chuàng)新。學(xué)生經(jīng)過預(yù)習(xí)，已經(jīng)知道今天所學(xué)內(nèi)容是質(zhì)量守恒定律，這會成為其并未完全理解的前置經(jīng)驗(yàn)。教師要打破學(xué)生的固有認(rèn)知，以演示實(shí)驗(yàn)制造沖突，使其產(chǎn)生好奇。學(xué)生的好奇心就是他們探索世界的動力。教師以熟悉的實(shí)驗(yàn)為學(xué)生帶來的陌生感，激發(fā)學(xué)生的好奇心和驚詫感，這是科學(xué)精神培養(yǎng)的第一步。

2.在穿越時空的對話中感受探索與堅(jiān)持的精神

板塊一：重演波義耳實(shí)驗(yàn)，初現(xiàn)定律

投影：1673年，英國物理學(xué)家羅伯特·波義耳做了金屬加熱實(shí)驗(yàn)。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(jìn)行稱量，得出的結(jié)論是物質(zhì)的質(zhì)量比反應(yīng)前_____（增加、減少、不變）。

學(xué)生演示實(shí)驗(yàn)1：學(xué)生上臺，用電子點(diǎn)火槍點(diǎn)燃鐵絲絨。師生觀察現(xiàn)象，討論結(jié)果，如下圖所示。

【設(shè)計(jì)意圖】在波義耳之前，已經(jīng)有海爾蒙特的柳樹實(shí)驗(yàn)等對化學(xué)變化前后質(zhì)量關(guān)系進(jìn)行了探索。本節(jié)課設(shè)計(jì)從波義耳開始，主要是基于一條暗線，即對火和燃燒現(xiàn)象的研究，將波義耳、施塔爾、羅蒙諾索夫、拉瓦錫等人的相關(guān)研究串聯(lián)在一起，讓學(xué)生在時空交錯中有一種代入感。

板塊二：再現(xiàn)施塔爾實(shí)驗(yàn)，辨析質(zhì)量關(guān)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(fā)現(xiàn)某些可燃物質(zhì)燃燒之后，質(zhì)量都______（增加、減小、不變）。

學(xué)生演示實(shí)驗(yàn)2：學(xué)生上臺，用電子點(diǎn)火槍點(diǎn)燃餐巾紙。

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)1：教材實(shí)驗(yàn)5-1，觀察現(xiàn)象。師生觀察現(xiàn)象，討論結(jié)果，如下圖所示。

【設(shè)計(jì)意圖】學(xué)生經(jīng)過預(yù)習(xí)，很容易發(fā)現(xiàn)是因?yàn)樘妓徕c與鹽酸產(chǎn)生了氣體，導(dǎo)致天平右傾。但是當(dāng)我們透過史實(shí)去感悟，從波義耳到施塔爾，中間走過了30年，對化學(xué)變化前后物質(zhì)質(zhì)量關(guān)系的探索才邁出了一小步，可想而知，科學(xué)家的探索之路是多么艱難。

板塊三：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證羅蒙諾索夫猜想，走近質(zhì)量守恒定律

投影：1748年2月，羅蒙諾索夫說：“自然界所發(fā)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(zhì)，另一物體必然有若干物質(zhì)消失。”1756年，他通過測量加熱密閉容器中錫的質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)得到了一個結(jié)論：參加反應(yīng)的全部物質(zhì)的重量，等于全部反應(yīng)產(chǎn)物的重量。

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)2：教材探究活動方案二，硫酸銅與鐵釘?shù)姆磻?yīng)。

師生觀察現(xiàn)象，討論結(jié)果。

師：三位科學(xué)家，都基于實(shí)驗(yàn)得出了結(jié)果，你傾向于誰的觀點(diǎn)？為什么？

【設(shè)計(jì)意圖】一個沒有任何化學(xué)知識的學(xué)生，面對變化前后物質(zhì)質(zhì)量關(guān)系的猜想，應(yīng)該是三種情況都有，這是一種沒有基于證據(jù)的下意識的猜想?；氐饺俣嗄曛?，化學(xué)家對化學(xué)的認(rèn)識和理解還沒有發(fā)展到現(xiàn)在的水平，他們是如何認(rèn)為的呢？教師在呈現(xiàn)質(zhì)量守恒定律發(fā)現(xiàn)過程中的關(guān)鍵事件的同時，讓學(xué)生感悟科學(xué)是如何在一代又一代科學(xué)家的不斷質(zhì)疑中發(fā)展前進(jìn)的。

板塊四：仿做判決性實(shí)驗(yàn)，逼近質(zhì)量守恒定律

投影：1774年11月，拉瓦錫做了著名的20天實(shí)驗(yàn)，得到了45格令氧化汞，他將其單獨(dú)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?dú)饨M成的，推翻了幾千年來大家認(rèn)為空氣是一種元素的傳統(tǒng)概念認(rèn)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(rèn)為水是一種元素。拉瓦錫在《化學(xué)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(jié)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(nèi)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(shí)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(tǒng)中進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，該系統(tǒng)任何一部分增加的重量恰好補(bǔ)償其余部分損失的重量。這個規(guī)律可以陳述為：每一次，操作前后存在的物質(zhì)總量相等，且其要素的質(zhì)與量保持不變，只是發(fā)生更換和變形，這可以看成為公理?！?/p>

教師演示實(shí)驗(yàn)：教材探究實(shí)驗(yàn)方案一。

師生一起分析白磷燃燒質(zhì)量守恒的原因，得出結(jié)論：參加反應(yīng)的白磷與參加反應(yīng)的氧氣的質(zhì)量之和等于生成的五氧化二磷的質(zhì)量，進(jìn)而得出質(zhì)量守恒定律的概念。

【設(shè)計(jì)意圖】當(dāng)年的判決性實(shí)驗(yàn)主要是判決了“燃素說”，確定了“氧化說”，并沒有提出質(zhì)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(yīng)，是因?yàn)橐粋€判決性實(shí)驗(yàn)不一定能說明質(zhì)量守恒定律，只有在不同的實(shí)驗(yàn)中反復(fù)出現(xiàn)同樣的結(jié)果，才可能是某一個定律的雛形。拉瓦錫15年的研究呈現(xiàn)，讓學(xué)生再一次感受科學(xué)發(fā)展離不開長時間的質(zhì)疑、探索與堅(jiān)持。

板塊五：微觀分析回應(yīng)理論，理解質(zhì)量守恒定律

學(xué)生通過氫氣和氧氣反應(yīng)生成水這一過程，分析質(zhì)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(zhì)總量相等，且其要素的質(zhì)與量保持不變，只是發(fā)生更換和變形，這可以看成公理?！?/p>

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(nèi)容？

生：原子。

師：對，當(dāng)時還沒有原子這個概念，因此用了要素這個詞，但是已經(jīng)能基本表達(dá)出質(zhì)量守恒定律了。公理是指依據(jù)人類理性的不證自明的基本事實(shí)，經(jīng)過人類長期反復(fù)實(shí)踐的考驗(yàn)，不需要再加證明的基本命題。而定律是為實(shí)踐和事實(shí)所證明，反映事物在一定條件下發(fā)展變化的客觀規(guī)律的論斷。定律是可證的，而且已經(jīng)被不斷證明。因此，當(dāng)一個科學(xué)家提出一個觀點(diǎn)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(xué)家朗道耳特和英國化學(xué)家曼萊分別于1908年和1912年做了精確度極高的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量的變化小于一千萬分之一，這個差別在實(shí)驗(yàn)誤差范圍之內(nèi)，因此科學(xué)家們承認(rèn)了這一定律。

【設(shè)計(jì)意圖】教師的講解讓學(xué)生明白，一個定律的產(chǎn)生要經(jīng)過漫長的歲月積淀，這離不開眾多科學(xué)家的探索與堅(jiān)持。

3.在改進(jìn)教材實(shí)驗(yàn)的過程中感受質(zhì)疑與求實(shí)的意義

科學(xué)的質(zhì)疑精神始于古希臘，當(dāng)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(tài)度，然后去分析、判斷、推理，最后確定其真?zhèn)巍Ｖ目茖W(xué)方法論學(xué)者波普爾說：“正是質(zhì)疑、問題激發(fā)我們?nèi)W(xué)習(xí)，去發(fā)展知識，去觀察。”求實(shí)，就是在科學(xué)探究過程中的解釋、結(jié)論都以事實(shí)為依據(jù)，不作偽并經(jīng)得起事實(shí)反復(fù)論證。

師：如何對碳酸鈉與稀鹽酸反應(yīng)這個實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，以證明反應(yīng)前后質(zhì)量守恒？

生1：剛才老師做白磷實(shí)驗(yàn)時，天平?jīng)]有變化，因此我們參考那個實(shí)驗(yàn)，在錐形瓶中進(jìn)行，瓶口套一個氣球，確保反應(yīng)在一個密閉的體系中。

生2：不對，用氣球會產(chǎn)生浮力，影響結(jié)果。

生3：如果考慮浮力的話，那我們應(yīng)該用一個足夠精確的天平來做實(shí)驗(yàn)，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(xiàn)在我給你們展示用精度為0.01g的電子天平做白磷燃燒實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。你們發(fā)現(xiàn)了什么？

投影：實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖片，如下圖所示。

生4：當(dāng)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(shù)是最小的，說明浮力確實(shí)會影響我們的結(jié)果。

師：那我們是否可以用這個方法來改進(jìn)碳酸鈉與稀鹽酸的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)？

生5：不行，白磷燃燒后產(chǎn)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(tài)的。但是碳酸鈉與稀鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳是不會變少的，氣球會一直保持膨脹狀態(tài)。

師：那我們該怎么辦？

生6：在密封的容器內(nèi)，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(jìn)行。

學(xué)生演示：在水壺里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，天平果然平衡。

【設(shè)計(jì)意圖】簡單地在錐形瓶上套一個氣球，這是很不科學(xué)的，經(jīng)不起推敲。教師特地設(shè)置這一環(huán)節(jié)，用精度較高的天平做實(shí)驗(yàn)，做到求真、求實(shí)的同時，引導(dǎo)學(xué)生利用跨學(xué)科知識分析原因?，F(xiàn)場演示用密閉性好的水杯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，整體實(shí)現(xiàn)從質(zhì)疑、追問、分析、實(shí)驗(yàn)到理解與釋疑。

三、結(jié)語

以深度實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)科學(xué)精神，教師要把握三個原則。

1.以深度實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)科學(xué)精神首先在于深度理解實(shí)驗(yàn)

深度理解是基于對實(shí)驗(yàn)價值的認(rèn)識?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)概念、規(guī)律教學(xué)中必不可少的基礎(chǔ)部分。化學(xué)實(shí)驗(yàn)還是實(shí)現(xiàn)化學(xué)教學(xué)課程目標(biāo)的基本方法，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行體驗(yàn)，從而掌握化學(xué)知識，獲得科學(xué)研究的方法，感悟其背后蘊(yùn)藏的科學(xué)思想和精神。

2.以深度實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)科學(xué)精神不是無限挖掘?qū)嶒?yàn)深度

為了讓學(xué)生重蹈關(guān)鍵性步子，像科學(xué)家一樣思考，作為一名化學(xué)教師，我們首先要弄明白每一個實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵性步子在哪里，深度理解實(shí)驗(yàn)所蘊(yùn)含的價值，其次才是思考如何讓學(xué)生重新走好這些關(guān)鍵的步子，最后讓學(xué)生深度體驗(yàn)這一實(shí)驗(yàn)。深度實(shí)驗(yàn)教學(xué)不是無限挖掘?qū)嶒?yàn)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(shí)驗(yàn)培養(yǎng)科學(xué)精神要從體驗(yàn)著手

學(xué)習(xí)建立在體驗(yàn)之上，只有進(jìn)行了深度體驗(yàn)，學(xué)習(xí)才會真正發(fā)生。在以深度實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)科學(xué)精神的教學(xué)中，教師要提出或者設(shè)置有價值的問題，讓學(xué)生有思考、體驗(yàn)的過程，因?yàn)閷W(xué)生只有通過質(zhì)疑、實(shí)踐才能真正成為學(xué)習(xí)的主人。

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