培养科学精神的深度实验教学探索

【摘 要】化学是一门以实验为基础的科学，教师可以通过化学实验培养学生的科学精神。教师基于对实验价值的理解，引导学生深度理解实验、深度体验实验，通过有价值的问题让学生在实验中质疑、实践，从而实现思维能力的提升、科学学习方法的渗透以及科学精神的熏陶。

【关键词】深度实验；科学精神；课堂教学

【中图分类号】G633.8  【文献标志码】A  【文章编号】1005-6009（2024）03-0019-05

【作者简介】耿雁冰，江苏省无锡市南长实验中学（江苏无锡，214031）副校长，高级教师，无锡市化学学科带头人。

《中国学生发展核心素养》将科学精神作为学生发展核心素养的六大维度之一。科学精神在《义务教育化学课程标准（2022版）》中也有诸多体现与要求。化学是一门以实验为基础的科学，如何通过化学实验来培育科学精神？科学精神对初中生的价值何在？下文，笔者以“质量守恒定律”一课为例，谈一谈自己的思考和实践。

一、提出问题

“质量守恒定律”教学中，执教者常有这样的困惑：教材中有四个实验，它们究竟属于探究性实验还是属于验证性实验？学生预习后已经知道学习内容是“质量守恒定律”，还有必要去猜想化学反应前后的质量关系吗？还有必要演示实验吗？

在这种“已有定论”的实验教学中，类似问题常会困扰执教者和学习者。因此，如何看待实验的功能，如何在深刻理解化学史和教材的基础上，开发利用好每一个实验，让学生通过实验学习化学，获得科学精神的滋养，值得每一位化学教师深思和追问。深度实验的意义在于让学生像科学家一样去思考、去探究、去经历、去感悟。在深度实验的过程中，教师应不断激发学生的好奇心，让学生专注于实验的所有细节，在穿越时空的对话中感悟科学精神。

二、基于深度实验的科学精神涵育实践

从关注物质反应前后的质量关系这一“质量守恒定律”的萌芽开始，许多科学家坚持了数十年的探索，其中有一些实验成了这一定律被发现并确认的关键事件。教师分板块设计相关实验，以学生演示、教师演示、学生分组实验等多重穿插的方式，让学生在丰富的体验中，全面感悟科学精神，发展学科核心素养。

1.在熟知实验的情境中激发好奇心与惊诧感

师：我们在第一单元学习什么是化学变化时做过两个实验：石灰石与稀盐酸、氢氧化钠与硫酸铜溶液的反应。现在我们再看一下这两个实验，研究一下化学反应前后的质量會不会发生变化呢？你们觉得会不会发生变化？

生：不会，因为今天学习质量守恒定律呀。

学生演示实验1：将装有稀盐酸的小烧杯置于电子天平上，与碳酸钙一起称量之后，将碳酸钙投入小烧杯，观察现象，关注天平示数。

学生演示实验2：将装有氢氧化钠与硫酸铜溶液的小烧杯置于电子天平上，一起称量之后，将氢氧化钠溶液倒入硫酸铜溶液之中，观察现象，关注天平示数。

（观察实验结果，学生表示十分惊讶）

师：化学学习的特点就是关注物质的性质、物质的变化、物质变化过程以及对结果的解释和讨论。前面几个单元重在关注物质的性质和变化，本节课重点关注物质变化过程以及对结果的解释和讨论。质量守恒定律看似简单，但是要真正理解它，还需要我们深入研究学习。

【设计意图】科学精神的培养首先需要激发并长久地保持学生的好奇心，这样学生才可能在平时的学习生活中质疑和创新。学生经过预习，已经知道今天所学内容是质量守恒定律，这会成为其并未完全理解的前置经验。教师要打破学生的固有认知，以演示实验制造冲突，使其产生好奇。学生的好奇心就是他们探索世界的动力。教师以熟悉的实验为学生带来的陌生感，激发学生的好奇心和惊诧感，这是科学精神培养的第一步。

2.在穿越时空的对话中感受探索与坚持的精神

板块一：重演波义耳实验，初现定律

投影：1673年，英国物理学家罗伯特·波义耳做了金属加热实验。他将金属放在密闭的容器里煅烧，煅烧后立刻打开容器盖进行称量，得出的结论是物质的质量比反应前_____（增加、减少、不变）。

学生演示实验1：学生上台，用电子点火枪点燃铁丝绒。师生观察现象，讨论结果，如下图所示。

【设计意图】在波义耳之前，已经有海尔蒙特的柳树实验等对化学变化前后质量关系进行了探索。本节课设计从波义耳开始，主要是基于一条暗线，即对火和燃烧现象的研究，将波义耳、施塔尔、罗蒙诺索夫、拉瓦锡等人的相关研究串联在一起，让学生在时空交错中有一种代入感。

板块二：再现施塔尔实验，辨析质量关系

投影：施塔尔在1703年提出了“燃素说”，他在研究燃烧问题的过程中，发现某些可燃物质燃烧之后，质量都______（增加、减小、不变）。

学生演示实验2：学生上台，用电子点火枪点燃餐巾纸。

学生分组实验1：教材实验5-1，观察现象。师生观察现象，讨论结果，如下图所示。

【设计意图】学生经过预习，很容易发现是因为碳酸钠与盐酸产生了气体，导致天平右倾。但是当我们透过史实去感悟，从波义耳到施塔尔，中间走过了30年，对化学变化前后物质质量关系的探索才迈出了一小步，可想而知，科学家的探索之路是多么艰难。

板块三：实验验证罗蒙诺索夫猜想，走近质量守恒定律

投影：1748年2月，罗蒙诺索夫说：“自然界所发生的一切变化都是这样的：一种东西失去多少，另一种东西就获得多少。因此，如果某个物体增加了若干物质，另一物体必然有若干物质消失。”1756年，他通过测量加热密闭容器中锡的质量的实验得到了一个结论：参加反应的全部物质的重量，等于全部反应产物的重量。

学生分组实验2：教材探究活动方案二，硫酸铜与铁钉的反应。

师生观察现象，讨论结果。

师：三位科学家，都基于实验得出了结果，你倾向于谁的观点？为什么？

【设计意图】一个没有任何化学知识的学生，面对变化前后物质质量关系的猜想，应该是三种情况都有，这是一种没有基于证据的下意识的猜想。回到三百多年之前，化学家对化学的认识和理解还没有发展到现在的水平，他们是如何认为的呢？教师在呈现质量守恒定律发现过程中的关键事件的同时，让学生感悟科学是如何在一代又一代科学家的不断质疑中发展前进的。

板块四：仿做判决性实验，逼近质量守恒定律

投影：1774年11月，拉瓦锡做了著名的20天实验，得到了45格令氧化汞，他将其单独分解后得到了41.5格令的汞和3.5格令的氧气，将得到的氧气与密闭容器中剩余气体混合，又得到了与普通空气完全一样的气体。这说明空气是由氧气和氮气组成的，推翻了几千年来大家认为空气是一种元素的传统概念认知，说明了氧气在金属煅烧过程中的作用。

投影：受“燃素说”影响，普利斯特利、卡文迪许仍旧认为水是一种元素。拉瓦锡在《化学纲要》中提到：在玻璃管中，将水蒸气通过274格令红热的软铁薄片，结果水减重100格令，铁增重85格令，变成黑色的氧化物，同时收到可燃空气15格令。因此水不是一种元素，而是由85%的氧和15%的氢组成的一种化合物。

投影：1789年，拉瓦锡指出：“铁在一个装有富氧空气的密封容器内燃烧，从重量为100格令的铁可得到135或136格令的铁的氧化物……空气减少的重量恰好等于铁增加的重量。那么实际上一方面增加的重量恰好符合另一方面损失的重量。在一个封闭系统中进行的化学反应，该系统任何一部分增加的重量恰好补偿其余部分损失的重量。这个规律可以陈述为：每一次，操作前后存在的物质总量相等，且其要素的质与量保持不变，只是发生更换和变形，这可以看成为公理。”

教师演示实验：教材探究实验方案一。

师生一起分析白磷燃烧质量守恒的原因，得出结论：参加反应的白磷与参加反应的氧气的质量之和等于生成的五氧化二磷的质量，进而得出质量守恒定律的概念。

【设计意图】当年的判决性实验主要是判决了“燃素说”，确定了“氧化说”，并没有提出质量守恒定律。引入拉瓦锡对水的组成的研究以及铁和氧气的反应，是因为一个判决性实验不一定能说明质量守恒定律，只有在不同的实验中反复出现同样的结果，才可能是某一个定律的雏形。拉瓦锡15年的研究呈现，让学生再一次感受科学发展离不开长时间的质疑、探索与坚持。

板块五：微观分析回应理论，理解质量守恒定律

学生通过氢气和氧气反应生成水这一过程，分析质量守恒的微观原因。

投影：拉瓦锡说：“每一次操作中，操作前后存在的物质总量相等，且其要素的质与量保持不变，只是发生更换和变形，这可以看成公理。”

师：请问，“要素”两个字可以等同于我们前面分析中所提到的什么内容？

生：原子。

师：对，当时还没有原子这个概念，因此用了要素这个词，但是已经能基本表达出质量守恒定律了。公理是指依据人类理性的不证自明的基本事实，经过人类长期反复实践的考验，不需要再加证明的基本命题。而定律是为实践和事实所证明，反映事物在一定条件下发展变化的客观规律的论断。定律是可证的，而且已经被不断证明。因此，当一个科学家提出一个观点之后，要被后来者不断地去证明没有问题，才能说是一个定律。

投影：德国化学家朗道耳特和英国化学家曼莱分别于1908年和1912年做了精确度极高的实验，发现质量的变化小于一千万分之一，这个差别在实验误差范围之内，因此科学家们承认了这一定律。

【设计意图】教师的讲解让学生明白，一个定律的产生要经过漫长的岁月积淀，这离不开众多科学家的探索与坚持。

3.在改进教材实验的过程中感受质疑与求实的意义

科学的质疑精神始于古希腊，当时的怀疑论者被称为“探究者”。他们反对教条主义，对于各种说教、理论首先持怀疑态度，然后去分析、判断、推理，最后确定其真伪。著名的科学方法论学者波普尔说：“正是质疑、问题激发我们去学习，去发展知识，去观察。”求实，就是在科学探究过程中的解释、结论都以事实为依据，不作伪并经得起事实反复论证。

师：如何对碳酸钠与稀盐酸反应这个实验进行改进，以证明反应前后质量守恒？

生1：刚才老师做白磷实验时，天平没有变化，因此我们参考那个实验，在锥形瓶中进行，瓶口套一个气球，确保反应在一个密闭的体系中。

生2：不对，用气球会产生浮力，影响结果。

生3：如果考虑浮力的话，那我们应该用一个足够精确的天平来做实验，看看到底会不会受到影响。

师：老师上课用的是精度为0.1g的电子天平，没有看出什么变化，现在我给你们展示用精度为0.01g的电子天平做白磷燃烧实验的结果。你们发现了什么？

投影：实验结果图片，如下图所示。

生4：当气球最大的时候，也是受到浮力最大的时候，这时候天平示数是最小的，说明浮力确实会影响我们的结果。

师：那我们是否可以用这个方法来改进碳酸钠与稀盐酸的反应实验？

生5：不行，白磷燃烧后产生的五氧化二磷是固体，因此最后气球基本上还是会回到起始状态的。但是碳酸钠与稀盐酸反应产生的二氧化碳是不会变少的，气球会一直保持膨胀状态。

师：那我们该怎么办？

生6：在密封的容器内，但是体积不能有明显变化，我们可以在密闭性很好的水杯里进行。

学生演示：在水壶里进行实验，天平果然平衡。

【设计意图】简单地在锥形瓶上套一个气球，这是很不科学的，经不起推敲。教师特地设置这一环节，用精度较高的天平做实验，做到求真、求实的同时，引导学生利用跨学科知识分析原因。现场演示用密闭性好的水杯进行实验，整体实现从质疑、追问、分析、实验到理解与释疑。

三、结语

以深度实验培养科学精神，教师要把握三个原则。

1.以深度实验培养科学精神首先在于深度理解实验

深度理解是基于对实验价值的认识。化学实验是化学概念、规律教学中必不可少的基础部分。化学实验还是实现化学教学课程目标的基本方法，学生通过实验进行体验，从而掌握化学知识，获得科学研究的方法，感悟其背后蕴藏的科学思想和精神。

2.以深度实验培养科学精神不是無限挖掘实验深度

为了让学生重蹈关键性步子，像科学家一样思考，作为一名化学教师，我们首先要弄明白每一个实验的关键性步子在哪里，深度理解实验所蕴含的价值，其次才是思考如何让学生重新走好这些关键的步子，最后让学生深度体验这一实验。深度实验教学不是无限挖掘实验深度、难度，而是重在思维能力的提升、方法的渗透和精神的熏陶。

3.以深度实验培养科学精神要从体验着手

学习建立在体验之上，只有进行了深度体验，学习才会真正发生。在以深度实验培养科学精神的教学中，教师要提出或者设置有价值的问题，让学生有思考、体验的过程，因为学生只有通过质疑、实践才能真正成为学习的主人。

【参考文献】

［1］居鸣富，高翔.基于科学精神培养的高中化学教学实践——以“元素周期律”为例［J］.化学教育（中英文），2020，41（7）：33-37.

［2］黄丹.科学精神：化学启蒙教育的循证与追问——以“空气中氧气含量的测定”为例［J］.化学教与学，2022（13）：83-87.

［3］彭昊，唐智松.核心素养背景下的科学精神：本质特征、内在逻辑与时代价值［J］.内蒙古师范大学学报（教育科学版），2021，34（5）：105-110.

［4］耿雁冰.化学深度实验的教学探索［J］.教学月刊·中学版（教学参考），2016（Z2）：40-44.