有价值的异常现象“微科技”课题的教学实施

凌一洲 程鹏

摘要： 异常现象是指化学实验中实际发生的与预期正常结果不符的现象，它由实验者未知的规律造成。学生在排查实验、查阅文献并评估可行性后，可将价值较高的异常现象作为研究性课题的选题，通过假设—验证法等方法探究其产生的原因，最后对发现的规律加以转化应用。基于异常现象的研究性课题具有小切口、低成本、易开发、有价值等特征，属于“微科技”课题，其实施满足“微科技”课程设计中知识内容的丰富性、综合实践的趣味性、培养方式的独特性的要求。引导学生将实际中遇到的异常现象转化为个性化的研究性课题，并以实践研究的形式完成课题，是“微科技”渗透于化学学科的重要途径。

关键词： 异常现象;微科技;研究性课题;化学教学

文章编号： 10056629（2018）3003403 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 引言

縱观化学史，许多新元素、新物质的发现和新学说、新理论的创立都来源于实验的异常现象 [1]。可见，异常现象不一定是误差或失误造成的，其背后可能隐含着实验者不知道的客观规律。在实施化学实验教学时也经常能遇到各种异常现象，引导学生进一步探究其原因并将其发展成为研究性课题，符合“微科技”渗透于化学实验教学的要求。

2013年起，江苏省南菁高级中学开始了微科技课程的探索实践，2015年笔者出版了《微科技实践录》一书，2017年南菁高中被省教育厅确定为“江苏省微科技课程基地”，学校以微小切口的科技创新为切入点，将包括化学在内的各科课程与学校拓展课程和综合课程有机整合，形成具有南菁特色的微科技课程群。

2 概念界定

2.1 微科技

“微科技”概念的提出基于中学教育在创新人才培养中的基础性地位。微科技以微小切口的科技创新为切入点，从基础教育本身的特点出发，探索培养学生科学素养和创新能力的有效途径。“微”强调创新实践的部分基于学生兴趣、源于课堂学习，具有小切口、低成本、易开发、有价值等特征。

2.2 异常现象及其课题

在教师演示实验或学生实验的过程中，如果实验者观察到的实际现象与预期现象不符，就可认定该现象为异常现象。

基于异常现象的研究性课题是指，对于具有较高研究价值的异常现象，在评估可行性后可确定为研究性课题，学生需要通过提出假设、设计方案、验证假设等步骤进行各种探究活动，解释异常现象产生的原因并争取将发现的规律推广应用，最后完成总结报告。

3 实施方法

3.1 选题设计

选题设计的步骤见图1。

图1 选题设计的步骤

实验时，学生应仔细观察反应中颜色、状态、气味、温度等方面的变化（如果肉眼无法看清，可做可视化改进 [2]）。如果发现异常现象，则需仔细观察并及时记录，最好能拍照、录像记录。产生异常现象的原因主要有两点： 一是实验误差或失误（操作不当、试剂变质、仪器精度太低等），二是存在知识盲点。前者可以通过排查实验发现，进而改正错误、重做实验，而后者就值得实验者进一步研究。

由于许多异常现象的成因其实很简单，可以询问教师后直接得到答案;抑或是他人也曾经遇到过同类问题并已经作出解释，可以查阅文献后获得答案。如果自己遇到的异常现象无法在文献中找到解释，则可以说明该发现具有新颖性，有一定研究价值。接下来，学生需要对研究异常现象的可行性作出评估，预测成本是否低廉（是否需要大量的时间精力、能否就地取材完成研究）、开发是否容易（能否用高中所学知识加上简单的自学完成任务）。如果可行，就可以确定为研究性课题的选题。

值得一提的是，实验者在发现异常现象后往往会非常激动，迫不及待地直接开始研究（如案例1所示），这样很容易走弯路。

案例1 笔者在中学时代曾做过镁条与沸水反应的实验，遇到了至今仍然记忆犹新的异常现象： 把试管在酒精灯上加热一段时间后，突然有火焰从试管口喷出，火焰长度约5cm，持续时间约1s。笔者非常兴奋，立刻做出了“生成了纯净的氢气”等假设并开展实验，但屡次受挫。直到最后笔者才排查第一次的实验，找到了原因： 笔者为了让酚酞变红更明显，没有按照实验要求先加水再滴2滴酚酞溶液，而是直接用酚酞溶液代替了水。由于酚酞溶液中酒精含量很高，在加热时挥发出来，在试管口燃烧。

案例1表明，如果在开展研究前能保持冷静，事先排查错误，就能避免不少的无用功。

案例2 一次公开课上，笔者在氯化亚铁溶液中加入几滴高锰酸钾，再用硫氰化钾溶液检测铁离子，结果溶液没有变成血红色。笔者立刻排查实验，发现了问题所在： 由于装有氯化亚铁的细口瓶与苯酚溶液放置在了一起，苯酚可能已经挥发并溶解到了氯化亚铁中。而高锰酸钾溶液的浓度又很低（为防止其本身的紫红色掩盖铁离子检验时的血红色），所以高锰酸钾溶液在加入氯化亚铁溶液后马上被苯酚还原，失效了。笔者在没变红的溶液中继续加入几滴高锰酸钾溶液后，溶液立刻变红。

由此可见，许多异常现象其实是操作不规范、试剂变质等各种失误造成的，在研究异常现象前先排查错误非常有必要。

3.2 实验探究

为研究异常现象产生的原因，可以按照图2的步骤实施研究。为避免实验的偶然性，课题实施者应该在原来的条件下重做实验（尽量在原来的环境中使用原来的试剂、仪器），尝试复原异常现象。如果未能复原，则需比较两次实验条件的细微差异，重新排查实验。如果可以复原，则代表异常现象具有一定范围的普遍性，代表了未知的客观规律。

探究这些规律的最常用的方法是假设—验证法，学生可在参考资料的基础上用所学知识对异常现象的原因提出假设，并运用不同的实验方法，设计验证性实验验证假设。

图2 实施探究的步骤

案例3 在做锌片与1mol/L硫酸铜反应的实验时，由于硫酸铜刚好用完，笔者用等浓度的氯化铜溶液代替，却意外地发现反应速率加快了很多。笔者重新配制了等浓度的硫酸铜和氯化铜溶液，并做对比试验，依然存在这个异常现象。为探究原因，笔者作出假设： 是氯离子加快了反应速率。为验证假设，笔者在原硫酸铜溶液里加入氯化钠固体，使氯离子的浓度也达到1mol/L后再与锌片反应，发现速率与氯化铜基本相同，验证了假设 [3—5]。此外，还可以在锌片上同时滴加等pH的稀硫酸和稀盐酸，会发现稀盐酸与锌反应较快，也可以得到相同的结论 [6]。

实际上，案例3的异常现象是由于氯离子穿透金属晶体表层膜或裂缝的能力较强 [7]而造成的。这是中学生没有学过的规律，但可以在课题探究时发现。

案例4 在做钾的焰色反应时，笔者用铂丝蘸取硫酸钾（化学纯）溶液，在酒精灯上灼烧，但透过蓝色钴玻璃几乎看不到紫色火焰。事后，有学生作出假设，并完成了如下探究实验（见表1）。

如案例4所示，如果一次假设未能得到验证，则需继续提出假设并反复验证，直至得出结论、解释异常现象。

在现实中，虽然在实验开展前已经进行了筛选、评估、论证，但限于实验条件、师生精力等因素，有时作出多种假设并验证后依然得不到确切结论。即便如此，实验探究找出了异常现象的非影响因素，这个过程依然有意义，学生仍然应该将假设内容和验证实验如实记录。

3.3 总结应用

在异常现象得到解释后，学生已经发现了原本未知的规律（或已知规律的新的表现形式），这本身就是研究性课题的成果之一。为使成果得以运用，可从以下两个方面考虑（见图3）。一是将发现的规律运用于实验改进，包括实验方法的改进（改进原实验、设计新实验）和实验仪器的改进（自制教具）。例如张树荣在解决密信实验中出现打印纸变蓝、碘酒涂在打印纸上变黑等异常现象后，作出了喷雾法的改进，提高了成功率 [8];再例如笔者在做硫酸铜与氢氧化钠反应的实验时遇到产物不单一的异常现象，在探究其原因后根据其原理设计了趣味实验 [9]。二是将规律应用于实际，既可以设计应用于生产生活的新发明，又可以因此解决实验中的实际问题。

图3 成果推广应用的步骤

对成果推广应用的要求是能达到有益效果，例如改进后的实验应提高成功率、加强可视性和趣味性、绿色化、微型化等，应用于实际的成果应使用科学的方法，从新的角度或者以新的方式解决问题，并具有可预见的社会效益或经济效益。此类课题也特别适合与青少年科技创新大赛等活动对接。

4 微科技在课题中的体现

微科技课程以微科技项目为载体，让学生在做中学习、乐中探究、研中创造。微科技项目具有小切口、低成本、易开发、有价值的特征，尊重学生个体的差异性，体现个性化的创新实践;课程设计追求知识内容的丰富性、综合实践的趣味性、培养方式的独特性。以此提升学生在科学领域内的核心素养，为培养适应时代发展需要的创新型人才奠定基础。

基于异常现象的研究性课题的特征符合微科技项目4种特征（见表2），其产生的有利效果也满足微科技课程的整体设计要求（见表3）。因此，开展此类课题是微科技渗透于化学实验教学的重要途径，教师应积极引导，充分发挥异常现象的教育功能和教学价值，鼓励学生以开展课题的形式进行创新实践。

参考文献：

[1]王大全.试论对化学实验中异常现象的教学策略[J].化学教育，2004，25（6）： 48～49.

[2]凌一洲.从美的发生到美的体验、美的创造——利用可视化实验室实现美育渗透的探索[J].化学教学，2017，（12）： 10～13.

[3]李耀军，金东升，余新红.铝与硫酸铜溶液反应的适宜条件探究[J].化学教学，2015，（8）： 54～55.

[4]范艳花，赵俊伟，孙丹儿.铝与氯化铜溶液反应异常现象的探究[J].化学教学，2010，（2）： 9～11.

[5]吴朝辉.对铝和氯化铜反应的异常现象解释的补充与商榷[J].化学教学，2016，（12）： 90～92.

[6]陈恕华.不宜用热力学原理解释反应速率问题——兼谈锌与稀硫酸溶液的反应[J].化学教學，2001，（3）： 43～44.

[7]谈小强.关于钢铁腐蚀的理论探讨和实验分析[J].化学教学，2012，（5）： 47～48.

[8]张树荣，厉敏娜，魏鲁毓.化学密信实验“异常”现象探析及改进[J].化学教学，2014，（12）： 76～77.

[9]凌一洲.硫酸铜与氢氧化钠溶液反应的实验探究[J].化学教学，2015，（9）： 39～41.