对化学实验教学的思考

裴坚

实验，在科学中是什么角色

实践，是科学的原动力之一

科学源自于人类对自然界功能性的实用研究，以及纯粹的哲学探究。科学方法（scientificmethod）是指人类为研究自然现象，获取与创造，以及修正与整合先前已有知识所使用的一整套方法和技术[1]。为了合乎科学精神，这方法和技术必须建立在收集可系统观察、可实验依据（empirical）、可具体量化的数据基础上，并且合乎明确的推理和验证原则[2]。在此基础上，Merriam-Webster 词典对科学方法的定义是“一种系统寻求知识的过程，主要包括3 个步骤：对问题的认识和表述，相关实验数据的收集，以及假说的提出与测试”。

这些对科学和科学方法的解释是人类对自身发展的很好的总结，因为人类最重要的天赋之一是对周边事物与现象的好奇心，并且可以依据好奇心不断观察和尝试，以求总结出事物的发展规律。在许多古文明国家历史中，都有前人通过简单的观察收集天文信息，以较为系统的方式记录并总结出相应规律的记载。尽管他们并不知晓这些天体的真实结构，但对许多关于行星和星系的自然现象都进行了理论上的阐释，这些研究是日心说的理论基础。在几个重要的古文明国家中，均有关于炼金术的记载，这些既是古代化学的核心，也未尝不是一些染料发展的实验基础——对自然规律的好奇、思考和实践，是我们认识自然的基础，更是科学存在和进步的原动力。

实验，是科学方法中不可或缺的一步

上文提到科学方法包含几个步骤，首先通过细致观察，对于自然现象提出有意义的相关问题，接着提出合理的假说解释这些现象，并设计实验验证自己提出的假说，从而核对这些假说所给出的预言或理论是否准确。公元10世纪，现代光学的开拓者、伊斯兰科学家伊本·海什木开创了实验物理学的研究，发明了针孔照相机，发现了折射定律，并在其著作《光学书》中倡议实验科学方法[3， 4]。另一位伊斯兰科学家比鲁尼是最早详细利用相关实验阐述相关天体现象，并从本质上将天文学与占星学加以了区分的学者[5]。此后，天文学家开始运用实验观察和实验技术观测天文[6]。就化学的发展而言，1657年，罗伯特·波义耳在罗伯特·胡克的辅助下对奥托·格里克发明的卷轴型气泵进行改进;利用改进的装置对气体性质进行了系统的实验研究，并于1660年发表相关研究成果。此研究结果遭到一些科学家的反对，为了反驳异议，波义耳进行了更为细致的研究，并阐明了在温度确定的条件下气体的压力与体积成反比的性质。1668年，波义耳离开了牛津，在其宅邸建立了自己的实验室，主要进行化学方面的实验研究，努力把严谨的实验方法引入化学研究中。1673年，波义耳和胡克对物质的燃烧进行了研究，发现在真空情况下，物质无法燃烧。波义耳根据燃烧实验的结果，写成了论文《关于火焰与空气关系的新实验》，最先揭示了空气是燃烧的必要条件。另外，波义耳还通过实验发现了某些植物的色素可以在酸性和碱性条件下出现不同的颜色，从而提出了指示剂的概念。另一位著名科学家也是通过相关实验验证了空气的组成。1782年，拉瓦锡对硫、锡和铅在空气中燃烧的现象进行研究。为了确定空气是否参加反应，他设计了著名的钟罩实验。通过钟罩实验，就可以测量反应前后气体体积的变化，确定参与反应的气体体积。这些实例无一不表明，当好奇心被有趣的现象唤起后，观察、思考、验证，实验贯穿了科学探索和发展的全过程，实验一直是人类获知自然规律、创造知识的不可或缺的一步。

實验，是科学进程中的终极裁判

科学在不断发展，也在不断被修正。在这个过程中，实验是终极裁判。16世纪著名的化学家、生理学家、医生及炼金术向近代化学转变的代表人物之一扬·巴普蒂斯塔·范·赫蒙特（JanBaptistavanHelmont）是气体化学研究的奠基人。他早期从事炼金术的研究，并一直深受威廉·哈维、伽利略·伽利莱和弗朗西斯·培根等人的影响——通过实验研究探索科学，因此他很少使用艰涩的哲学概念，而更倾向于直观描述实验和观察到的现象和结果。他是最早区分了不同的气体和空气的科学家，例如，他认为木头在密闭的房间中燃烧所产生的气体与平时所说的空气不同，而与植物发酵产生的、醋和贝壳反应产生的是同一种气体，但和加热有机物产生的可燃性气体（现在我们知道这是烷烃的混合物）是不同种气体[7]。范·赫蒙特对气体化学的研究影响了波义耳，波义耳在1661年出版的《怀疑派的化学家》中高度赞扬了范·赫蒙特的贡献[8]。但是，伟大的科学家在当时也存在许多认识上的误区。为了证明水是一种元素，并且植物的生长主要来源于水，范·赫蒙特设计了一个实验：在盆中装了200磅干燥过的土壤，种了1棵5磅重的柳树，同时每加入1次蒸馏水就必须称量其重量;5年后，他再次称量干燥后的土壤，发现其仍为200磅，而柳树的重量增加了大约164磅，从而他得出结论，认为柳树的质量增加完全来源于加入的蒸馏水。当然，我们现在知道，柳树的重量增加主要来自于光合作用产生的糖，其不仅源于水，还来源于空气中的二氧化碳，并且这还忽略了土壤中可能被柳树吸收的无机盐[9]。尽管这个实验在当时得出的结论被后人用科学方法验证为并不准确，但是这种通过具体的实验过程和结果证明、推断某些科学论断的方法，是科学得以进步的必经之路。

实验，对科学态度和科学精神有严格的要求

最为重要的科学态度是求真。科学家要求实验研究过程必须具有可重复性，这是为了防范实验中的错误或误解，并且能够和提出的理论自洽。一个假说在被学术界广泛接受之前，必须先通过科学方法的严格验证，以有条有理的方式将理论结果与实验数据互相比较。只有当理论结果和实验数据互相吻合时，这假说才能被学术界接受。如果需要验证的相关理论覆盖了比较广泛的学术领域，则可能需要把许多独立推出的假说结合在一起，加以更为细致复杂的验证。所有通过严格检验的理论，又可以与其他理论触类旁通，帮助形成新的假说或新的理论。为了减少导致错误或偏差结果的概率，就需要科学研究具有足够的客观性。所有测量数据与实验程序都必须详细记录，存档于安全的数据库，同一领域的学者可以共享这些数据。部分学者得出的结论或假说完全可以被其他学者仔细检查，通过实验重复并核对相关的结果，检验相应的假说。不同的实验参与者在前提一致、操作步骤一致的情况下，能够得到相同的实验结果。科学实验的结果最终以实验报告的形式发表。这种行为方式被称为科学的充分公开，它使科学具有了可信度。

最为可贵的科学精神是质疑。让我们回顾燃烧学说的发展过程。燃烧是最常见的化学现象。18世纪，德国医生贝歇尔提出了燃素说，认为物质在空气中燃烧主要是由于物质失去燃素，且空气得到燃素的过程。燃素说可以解释燃烧过程中的一些现象，因此很多化学家都支持这一说法。但是，燃素说始终难以解释金属燃烧之后变重的问题。当时，有些人认为这是因为测量的误差导致，而有些比较极端的燃素说维护者甚至认为在金属燃烧反应中燃素带有负质量。拉瓦锡将铅在真空密封容器中加热，发现质量不变;加热后打开容器，发现铅的质量迅速增加。尽管此实验现象与燃素说支持者相同，但是拉瓦锡根据实验结果提出了自己的解释，认为物质的燃烧是可燃物与空气中某种物质结合的结果。拉瓦锡的结论可以同时解答燃烧需要空气，以及金属燃烧后质量变重的问题。但是，此时他仍无法确定究竟是空气中的哪一种组分与可燃物结合，于是他继续进行系统的实验研究，并最终发现了氧气。这个实例说明科学的假说或结论需要科学家哪怕对自己得到的结论都要持有质疑的精神，科学的进步需要经历不断地被验证—推翻—再验证的过程，在此过程中剔除谬误，才能使科学理论得到发展，并更为准确合理地解释实验结果。

实验，在化学教育中是什么角色

在化学的发展过程中，实验科学已经被证明了其独特的重要作用——化学实验是化学发展的基石，更是化学理论的支柱。尽管目前理论化学在化学的发展过程中起到了越来越重要的作用，但从客观上说化学还是一门建立在实验基础上的自然科学。实验是化学的最大魅力，更易激发学生对学习化学的兴趣，是学生认识化学的重要途径。从感性认识（化学实验的结果与事实）与理性认识（化学概念和理论）的关系看，化学实验在化学教学过程中有着不可替代的作用，它是学生获取知识、进行知识创新的重要手段。

一个非常简单的实验

美国的《化学教育期刊》（J. Chem.Edu.）曾报道过美国加州西洛杉矶学院设计的一个非常简单的实验，希望学生通过观察和对事实的解释理解科学研究方法的基本原则，并领悟应该如何建立准确的科学研究方法[10]。他们设计了一个看上去非常简单，但实际上包含了很多化学和物理基本原理的实验：加热烧杯里的水，直到其剧烈沸腾。这是一个我们每位教师和学生都能天天见到或自己亲手做的实验。这个实验强调仔细观察的价值和重要性，并需要利用科学原理进行解释，还要引导学生进一步深入讨论问题。在实验过程中，由教师引导学生进行观察，要求学生观察实验的每一部分，并把自己观察到的事实认真记录（每一个学生观测到的实验现象可能不一样）。每个学生需要完成自己的实验报告，这个实验报告要求由2 部分组成：所观察到的事实和对这些事实的解释。

实验

在烧杯中装大半杯冷的自来水，用毛巾擦干烧杯外壁，把它放在平坦的有金属网的三脚架上，并在下面放一个煤气灯。点燃煤气灯，加热烧杯直到水沸腾。

学生要做的观察包括

● 在点燃煤气灯前，先观测自来水是否有浑浊状（这个现象不一定会出现，不同的水源可能会有不同的现象）。

● 如果有浑浊状，也会很快消失，烧杯的外壁是干燥的，里面的水很清澈。

● 点燃煤气灯前，烧杯及里面的水没有什么变化。点燃煤气灯后，烧杯的外壁很快就会被水汽笼罩，像一层霜冻一样。

● 继续加热，烧杯外壁的水汽开始消失，水中开始出现小气泡，其中有些气泡附在烧杯内壁上。

● 继续加热，烧杯外壁的水汽完全消失，水中的小气泡逸出速度减慢，最后看不到气泡。

● 繼续加热，在烧杯底或其附近有气泡产生，接着这些气泡脱离烧杯底部，上升到水的顶部。

● 再继续加热，在烧杯底形成气泡的速度加快，并且气泡变大，最后以更为强大的力量很快逸出水面。

● 再继续加热，烧杯中的水开始沸腾。实验结束后，教师可以要求学生对现象产生的原因提出自己的假设。

推理

学生对上述现象可以作出以下的解

● 自来水中的浑浊状可能由于水与水中的空气形成了多相混合物。

● 最终自来水变得澄清可能由于混合在水中的空气脱逸出来。

● 由于煤气灯燃烧产生的气体对烧杯的外壁不会产生什么影响，因此在刚开始加热时，烧杯外壁出现的水汽不可能来自燃烧的气体。

● 由于燃气（通常是甲烷）燃烧产生水和二氧化碳，所以在烧杯壁上冷凝的水分是由于在燃烧过程中产生的含有大量水汽的混合气体。此时，由于烧杯中水的温度低于由甲烷燃烧产生的含有大量水汽的混合气体露点，从而使水汽在烧杯外壁冷凝出来。

● 当烧杯中的水逐渐升温，烧杯的温度超过了混合气体的露点，外壁的水汽开始挥发，至最终消失。

● 烧杯中的水升温后开始蒸发，开始形成的气泡是由于水中溶解了空气的缘故。液体中气体的溶解度一般随温度的升高而降低，因此当超过了空气的溶解量，就被释放出来。

● 当溶解在水中的空气数量减少，其放出的速度就降低，直到没有空气放出。

● 当温度达到沸点时，水就开始沸腾。

结论

这个实验非常简单，但尝试让学生通过实验设计和现象观察，以及解释自己所观测到的现象，学会科学方法的基本步骤和原则。在这个过程中进行有效的引导，学生可以理解很多科学问题，如温度的概念（绝对和相对温度）和定义、液体中气体的溶解度与温度之间的关系、异相和均相混合物、化学反应的产物、相的概念、折射率的变化等。至关重要的一点，是让学生领会到，在无论看似多么简单的实验过程中，观测的距离和细致度的重要性。

实验教学的重点在哪里

我国著名化学家戴安邦曾经说过：“只传授化学知识和技术的化学教育是片面的，全面的化学教育要求既传授化学知识和技术，又训练科学方法与思维，还培养科学精神和品德。”从以上的教学实例中我们清楚地看到，实验科学的学习和实践是引导学生认识物质及其变化规律最为直观的途径，它具有目的性强、探索性强、现实感和易感性认识等特点。学生在化学实验课堂中是学习的主体，在教师指导下进行实验，被训练用实验解决化学问题，使各项智力因素得以发展。但需要我们每位教师时时警醒的是，在学生的学习过程中，与了解和记忆知识点相比，了解知识的来源和发展过程更为重要。化学实验既直观又多样化的特点，使其具备了强大的优势帮助学生清楚了解知识的来源，建立和巩固化学基本概念和基本理论，获取化学知识并建立知识间的链接，用知识解释问题并进行验证，培养科学素养等。对于化学的基础教育，实验的意义和重点远远不止于学会实验技术。

● 科学思维的建立：好奇和探求是人类的原始能力，而实验具备唤醒好奇心最有利的条件。通过学生天生的好奇心和不懈努力地感知探求周围世界的本能，把他们带到比其具有的经验和初始想法更深、更多、更复杂、更广泛的新领域，有助于他们突破自身理解的界限，建立科学创新思维。

● 重构知识的来源：在学习过程中，如果只是学习现成的结论，而忽视了对科学探究过程的理解与体验，就会造成学生不能很好地理解科学的本质。了解知识的来源和发展，要比了解和知道知识点重要得多。事实上，知识的增长是具有“批判性”的。对知识的由来进行溯源，会帮助学生认识到，任何知识都是在探究或质疑中获得发展的。而实验科学可以让学生在享受体验探究过程的喜悦与艰辛过程中，进一步激发求知欲，培养科学素养，使他们主动建构具有个人意义的科学知识与技能。

● 团队精神的建立：目前，科学研究分工更为细致，更多要求团队的合作，共同解决重要的科学问题。因此，在实验过程中，将会使学生学会互敬互重、彼此包容、和谐相处，体会到合作的快乐。这有利于培养学生豁达的胸襟，充分信任他人、认可他人的个人品质及专业素养。

我們的实验教学有哪些问题

目前，在我们的化学教育中，我们把知识记忆上升为教学活动的最高目标，列出了一些认为学生必须记住的知识点，而科学探究活动的方法、态度、精神等更为本质的内涵，在我们集中精力教授知识点的过程中，往往失去了作为教育目的和手段的合理性。很多学校仍然普遍存在教师教学观念非常局限、一切以教师为中心、以书本为中心、以记住知识为目的的现象。实验教学在很大程度上更是流于形式，缺乏足够的重视，在我国的基础实验教学中比较突出的几个问题如下。

● 一切以考试为目的。考试需要有标准答案，这使得亲手做实验，以及如何从实验中观测并得出不同的解释变得完全没有必要了。有了标准答案的实验就只是考题，对学生的思维、想象力和分析问题的能力没有任何裨益。

● 在课堂上以演示实验为主，学生缺少参与感。有些教师很有想象力，为了让学生参与，故意犯错，逼着学生质疑。但实际上，这些实验已经成为了教材中的“经典”，每一本参考书中都会出现，教师在哪些地方会故意犯错在学生的学习过程中成为了模式，学生已经麻木了。

● 验证性实验过多。学生已经知道了验证性实验的结果和结论。此时，教师只能要求学生的实验操作技能和细节，导致培训操作技能成为了实验课堂的主要内容。教师将注意力集中在手把手地校正学生的不良操作，养成规范的操作习惯，例如试剂的用量、振荡的要领、胶头滴管滴液的姿势、液体的转移、沉淀的洗涤、蒸发程度的把握等，以为这样能使学生养成严谨的科学态度和良好的操作行为习惯，但是很少会让学生将注意力集中在对实验现象的观察和对这些实验现象的分析和解释上。笔者还记得某一年某市的中考化学试题中出现了要求学生弄清楚试剂瓶上的标签纸的两行哪一行写试剂名称、哪一行写浓度，这与培养我们学生的实验能力和素养没有任何关系。还有在笔者读高中的20 世纪80 年代，最常见的实验考题就是在实验装置图中找错误，笔者从来没有在实验室见过那样的装置图，但能清楚地背出每一个常见错误以应付考试，这些对学生的思维能力和分析能力更谈不上具有积极的作用。

● 建设豪华实验室和购置贵重仪器显示实验的重要性。现在，有些城市的中学为了显示自己学校的高水平，购置了很多大学研究才需要的实验仪器，装修了豪华的实验室，但在实验的内容上却不作任何改进和提升，将科学实验在教育中的主次关系完全颠倒。

我们可以做出哪些改变

前人通过感知物质及其变化的实验现象，获得化学实验事实，从而在此基础上形成化学概念和理论。那么，实验科学完全可以成为学生满足自己的求知欲、发挥自己的想象力、检验自己所学到的化学理论、验证化学假说的必要途径。

为了改变目前化学实验教学中前述那些本末倒置的现象，我们的中学教师理应从再读化学发展史开始，重新思考并认真认识实验教学的作用，从改变自身的教学理念开始，在实验教学上作出改变。

● 学习不是为了考试，实验教学更不是为了培养学生的考试能力。所有学习的目的、包括化学实验教学的目的，都是为了调动和保护学生探究物质性质及其变化规律的内在动力——好奇心和求知欲。因此，需要改变现行实验教学的学习和考试方式，以综合的过程性评价替代机械单一的考试。

● 实验是学生对自己所学习的知识的一个重新认识和总结的过程。我们无须过分在意实验结果的成功与失败，而应将注意力集中在学生如何观测实验过程中所发生的现象，以及结束后学生如何对这些进行解释。过多追求实验的成功会导致学生在实验过程中养成功利心，并丧失质疑的勇气。

● 要引导和培养学生多维的实验能力，而非单一的实验操作技能。实验需要细致的观察，学生在实验过程中需要将所观察的如实做好记录，并对此作出自己的判断和讨论。因此，通过化学实验，应该注重使学生受到观察、测定、条件控制、实验记录、数据处理和解释等科学方法和科学态度方面的训练，在学生提出问题和讨论环节注重对其科学精神的引导和培养。

● 团队精神的培养。在目前我国多数中学的条件下，实验教学更多采用分组进行，多个学生一起完成一个实验，学生的分工协作是十分必要的。有些条件比较好的中学可以开设探究性科学实验。但是，探究性科学实验很难由中学生单独一个人完成，它需要多个学生共同努力，这就可以培养学生的团队精神，也能使学生体会到合作的力量和乐趣。

● 改编目前的实验教材。目前教材中经典验证实验为主的编排，这些已知答案的实验不利于发挥学生的主观能动性、想象力和创造力。我们不要认为能发挥学生想象力和创造力的实验只能在大学里进行。就像前面提到的那个非常简单的实验，学生便可以充分调动自己已有的知识和经验，并对自己所观察到的现象作出自己的解释。本质上，实验的设计和安排应该将注意力集中在如何激发学生主动探索的兴趣和欲望上，增强学生的自信，保护学生的质疑精神，而不是追求标准答案。

总之，我们需要改变目前基础教育中的实验教学理念，重新建构实验教学内容和方式，在无法改变当前考试方式的前提下，实现将实验教学与理论教学相结合，让学生通过化学实验理解化学基本概念和基础理论的发展过程，注重学生的观察能力和思维能力的培养，将问题的解释权交还给学生，从而激发学生的认知兴趣，调动学生的学习积极性。