黃丹

摘要：化學(xué)啟蒙教育的目的在于激發(fā)孩子的好奇心，培養(yǎng)孩子堅(jiān)毅專注、質(zhì)疑求證、糾錯(cuò)批判的科學(xué)精神。本研究以空氣中氧氣含量的探究為載體，對(duì)學(xué)生進(jìn)行人文精神和科學(xué)精神的滲透和浸潤(rùn)，彰顯化學(xué)啟蒙教育立德樹人的功能。

關(guān)鍵詞：化學(xué)啟蒙教育;科學(xué)精神;探究實(shí)驗(yàn);氧氣含量測(cè)定

文章編號(hào)：1008-0546（2022）07-0083-05中圖分類號(hào)：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.07.021

化學(xué)啟蒙教育，是一個(gè)值得教師探討的問題?；瘜W(xué)學(xué)科能夠啟蒙孩子哪些素養(yǎng)？化學(xué)啟蒙教育對(duì)科學(xué)精神的涵育有何深遠(yuǎn)影響？科學(xué)精神對(duì)于14、15周歲少年的價(jià)值何在？本文將以“空氣中氧氣含量的測(cè)定”為案例作一些探索。

一、提出問題

在“測(cè)定空氣中氧氣的含量”的教學(xué)中，師生常常有這樣的困惑：用氧氣傳感器可以便捷地測(cè)出空氣中氧氣的含量，而用紅磷測(cè)定空氣中氧氣的含量，誤差大且有污染，還有必要做嗎？其實(shí)，像這樣的疑問還有很多：“質(zhì)量守恒定律”的教學(xué)中，大家都已經(jīng)知道，化學(xué)反應(yīng)前后質(zhì)量是守恒的，還有必要做“那兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)”嗎？“物質(zhì)的分散”教學(xué)中，“氯化鈉、高錳酸鉀、泥沙溶于水”這個(gè)實(shí)驗(yàn)，還有必要演示嗎？等等。

我們不難發(fā)現(xiàn)，很多“已有結(jié)論”的實(shí)驗(yàn)，在教學(xué)中的作用問題常常困擾著教學(xué)者和學(xué)習(xí)者，因此，如何正確看待化學(xué)實(shí)驗(yàn)的功能，這一點(diǎn)，在化學(xué)啟蒙教育中尤其值得深思，也更值得追問。化學(xué)啟蒙的意義在于啟發(fā)孩子“像科學(xué)家一樣的思考”，在于“穿越時(shí)空的對(duì)話”，在于“好奇地專注于實(shí)驗(yàn)的所有細(xì)節(jié)”，在于“激活孩子的驚詫感”。

二、關(guān)于化學(xué)啟蒙教育與科學(xué)精神

1.化學(xué)啟蒙教育

化學(xué)啟蒙教育，是在化學(xué)學(xué)科學(xué)習(xí)中實(shí)施的“啟蒙的科學(xué)教育”。因此，從學(xué)段上看，化學(xué)學(xué)科的啟蒙教育宜從初中入門開始?；瘜W(xué)啟蒙教育從“人是如何學(xué)習(xí)的”來看，當(dāng)從激發(fā)好奇心和激活求知欲入手;從“實(shí)施方案”來看，宜從“化學(xué)實(shí)驗(yàn)”和“綜合閱讀”方面著手;化學(xué)啟蒙教育主要應(yīng)指向化學(xué)思維、化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法和化學(xué)思想滲透等。這里順便說一下，化學(xué)啟蒙教育與化學(xué)啟蒙是兩個(gè)不同概念，前者側(cè)重于每個(gè)兒童進(jìn)行化學(xué)學(xué)科學(xué)習(xí)的方法論視角，后者則是面向“人類對(duì)化學(xué)學(xué)科的科學(xué)認(rèn)知、理解和應(yīng)用”。

2.科學(xué)精神

科學(xué)是一個(gè)建立在可檢驗(yàn)的解釋和對(duì)客觀事物的形式、組織等進(jìn)行預(yù)測(cè)的有序的知識(shí)系統(tǒng)，是已系統(tǒng)化和公式化了的知識(shí)。其對(duì)象是客觀現(xiàn)象，內(nèi)容是形式化的科學(xué)理論，形式是語言，包括自然語言與數(shù)學(xué)語言。有人認(rèn)為，所有今天已經(jīng)知道是不正確的東西，都應(yīng)該被排除在“科學(xué)”之外，但這種想法在邏輯上是荒謬的——因?yàn)檫@將導(dǎo)致科學(xué)完全失去自身的歷史?？茖W(xué)是一個(gè)不斷進(jìn)步的階梯，今天“正確的”結(jié)論，隨時(shí)都可能成為“不正確的”或“不夠正確”[1]。所以科學(xué)精神主要指理性求真的實(shí)證精神、質(zhì)疑糾錯(cuò)的批判精神、百折不撓的堅(jiān)毅精神、大膽嘗試的創(chuàng)新精神。

三、科學(xué)精神的涵育實(shí)踐

1.培養(yǎng)專注和堅(jiān)毅精神

美國(guó)積極心理學(xué)碩士卡洛琳·亞當(dāng)斯·米勒（Caro? line Adams Miller）提出堅(jiān)毅的定義：“充滿熱情地追求艱難目標(biāo)，那些目標(biāo)使人感到敬畏和鼓舞，激勵(lì)人們變得更優(yōu)秀，在情感上更加豐盈，勇于承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)，并且過上他們最好的生活。”[2]現(xiàn)如今的爺爺奶奶包括爸爸媽媽對(duì)孩子大包大攬、溫柔呵護(hù)，剝奪了孩子鍛煉自我的機(jī)會(huì)，導(dǎo)致孩子在受到批評(píng)或遇到挫折時(shí)容易受傷，缺少責(zé)任感，脆弱和自戀，缺乏挑戰(zhàn)困難的動(dòng)力和勇氣，缺乏堅(jiān)毅品質(zhì)，而科學(xué)精神的探索在一定程度上可以培養(yǎng)學(xué)生們的堅(jiān)毅精神。

筆者選取化學(xué)史料——拉瓦錫研究空氣組成的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)。

【實(shí)驗(yàn)1】實(shí)驗(yàn)裝置見圖1[3]。

在曲頸瓶中加熱4盎司汞，玻璃鐘罩及曲頸瓶中空氣體積約為50立方英寸。加熱第1天，瓶中的汞不斷蒸發(fā)，以微滴的形式覆蓋了整個(gè)器皿內(nèi)表面;第2 天，瓶中汞表面出現(xiàn)紅色粉末，隨后，不斷增加。12天后，紅色粉末不再增加。此時(shí)，停止加熱，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。使裝置冷卻至實(shí)驗(yàn)前，經(jīng)測(cè)量，空氣的體積為42立方英寸。

【實(shí)驗(yàn)2】將瓶中的汞表面的紅色粉末收集起來，其質(zhì)量為45格令。將這45格令的紅色粉末置于一個(gè)小的曲頸瓶，并將曲頸瓶與一個(gè)易于收集氣體或液體的裝置相連，加熱曲頸瓶，最終得到41.5格令的汞和8立方英寸的某種氣體。炭等物質(zhì)在這種氣體中燃燒遠(yuǎn)比空氣中燃燒劇烈。

【實(shí)驗(yàn)3】拉瓦錫將得到的8立方英寸的氧氣加入到實(shí)驗(yàn)1 中剩下的42立方英寸空氣中，發(fā)現(xiàn)得到的混合氣體的性質(zhì)幾乎與空氣相同。

（注：盎司、格令為英制質(zhì)量單位。1盎司=437.5格令）

【師】提問：拉瓦錫能夠連續(xù)加熱12天，你能為了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，操作并觀察12天嗎？

【生】學(xué)生交流討論后提出：拉瓦錫專注和堅(jiān)毅的品質(zhì)值得我們學(xué)習(xí)。學(xué)生還提出曲頸瓶中的汞過量的污染問題。

【師】拉瓦錫為什么要將紅色氧化汞再加熱，“還原出原來的空氣”，這樣做實(shí)驗(yàn)的思維特質(zhì)是什么？……

【生】學(xué)生交流討論，大多數(shù)學(xué)生提出：拉瓦錫嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)精神值得我們學(xué)習(xí)，還有同學(xué)提到了質(zhì)量守恒定律。

【師】拉瓦錫的空氣組成還原實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)了科學(xué)實(shí)驗(yàn)的可檢驗(yàn)、可重復(fù)、多證據(jù)視角。從思維特質(zhì)來看，就是嚴(yán)謹(jǐn)性和深刻性，以及從定性走向定量是科學(xué)的必然趨向。

化學(xué)史料：拉瓦錫描述煅燒汞灰的制備過程的艱辛。

汞甚至在暢通的空氣中都難以氧化，在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室里，這個(gè)過程通常在一個(gè)長(zhǎng)徑卵形瓶中進(jìn)行，該卵形瓶有非常扁平的瓶體和非常長(zhǎng)的瓶頸，此器皿通常被稱為波義耳巢，導(dǎo)入的汞量足以蓋住瓶底，將其置于沙浴之中，沙浴保持著持續(xù)的熱使汞沸騰，用五個(gè)或六個(gè)類似的長(zhǎng)頸卵形瓶連續(xù)這種操作幾個(gè)月，不時(shí)的更新汞，最后得到幾盎司紅色氧化物，此裝置極緩慢極不方便是由于不充分更換空氣，但是另一方面，如果與外部空氣的循環(huán)過于流暢，就會(huì)奪走蒸汽狀態(tài)的汞，以致容器中幾天之內(nèi)都不會(huì)留下任何東西[4]。

【師】讀完這段史料，你有什么感想？

【生】師生交流：多數(shù)學(xué)生都被化學(xué)家專注科學(xué)實(shí)驗(yàn)的艱辛和熱情所感動(dòng)，決心向拉瓦錫學(xué)習(xí)。

【師】科學(xué)家做研究向來都離不開專注，他們沉浸于探索未知世界，不是為了個(gè)人私利，而是為人類謀幸福。

【專注和堅(jiān)毅品質(zhì)培養(yǎng)的問卷調(diào)查表】具體內(nèi)容如表1。

基于問卷調(diào)查的結(jié)果分析：化學(xué)對(duì)學(xué)生的堅(jiān)毅和專注品格的訓(xùn)練養(yǎng)成效果顯著?？諝饨M成化學(xué)史的教學(xué)，抓住學(xué)生追根溯源的天性，既有助于學(xué)生了解知識(shí)的來龍去脈，又激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的熱情，同時(shí)，也讓同學(xué)體會(huì)到科研的嚴(yán)謹(jǐn)和艱辛，體會(huì)堅(jiān)毅專注的科學(xué)家精神，樹立正確的價(jià)值觀。這也是維持初學(xué)者對(duì)化學(xué)好奇心的重要支柱，開啟化學(xué)啟蒙教育的重要方式。

2.培養(yǎng)質(zhì)疑和求實(shí)精神

懷疑，就是對(duì)已經(jīng)被認(rèn)為是真理的理論持不同態(tài)度的心理狀態(tài)。“懷疑”一詞在漢語中有兩個(gè)很不相同的意思，一指猜疑，一指不相信。科學(xué)精神的“懷疑”指的是不相信，確切地說是不輕信。

科學(xué)的懷疑精神始于古希臘。當(dāng)時(shí)的懷疑論者被稱為Skeptikos，意思是“探究者”。他們反對(duì)教條主義，對(duì)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)?。著名的科學(xué)方法論學(xué)者波普爾說：“正是懷疑、問題激發(fā)我們?nèi)W(xué)習(xí)，去發(fā)展知識(shí)，去觀察。”[5]

【師】為了避免汞中毒，教材中改用紅磷代替汞，但紅磷燃燒生成的五氧化二磷有毒，且實(shí)驗(yàn)成功率低，誤差大。可以用什么物質(zhì)來代替紅磷呢？

【生】木炭燃燒、蠟燭燃燒。

【師】木炭蠟燭燃燒生成的是氣體，壓強(qiáng)變化如何？

【生】學(xué)生交流討論后提出：不可以，沒有水進(jìn)入廣口瓶，因?yàn)樯啥趸嫉捏w積等于消耗氧氣的體積。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)操作：將一根點(diǎn)燃的蠟燭，豎立在盛有水的小盆里，滴入幾滴色素，將錐形瓶倒扣在蠟燭上。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：見圖2，蠟燭慢慢熄滅，水進(jìn)入錐形瓶，液面沒有上升五分之一，但是水確實(shí)進(jìn)入了錐形瓶。

【師】實(shí)驗(yàn)的實(shí)際結(jié)果比標(biāo)準(zhǔn)答案要復(fù)雜得多，進(jìn)入錐形瓶中水的量，受瓶?jī)?nèi)空氣熱膨脹程度、蠟燭的長(zhǎng)短、蠟燭燃燒的程度等多種因素影響。不能用木炭或蠟燭代替紅磷的原因是多方面的[6]。

師生一起做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的目的不僅僅是為了驗(yàn)證，更是在于發(fā)現(xiàn)和討論。一個(gè)結(jié)論是否科學(xué)、是否切實(shí)可行，必須要在“執(zhí)行”環(huán)節(jié)中去驗(yàn)證、去鑒別。施一公院士說：做學(xué)問必須誠(chéng)實(shí)，這是基本的學(xué)術(shù)道德。要有一說一，實(shí)事求是，尊重原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性。在誠(chéng)實(shí)做研究的前提下，對(duì)具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析、理解有偏差甚至錯(cuò)誤是很常見的，這是科學(xué)發(fā)展的正常過程。

學(xué)生質(zhì)疑和求實(shí)精神的培養(yǎng)是需要過程的，創(chuàng)設(shè)探究、民主、寬松、和諧的學(xué)習(xí)氛圍是培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑求實(shí)精神的保證，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑求實(shí)精神的關(guān)鍵。

3.培養(yǎng)糾錯(cuò)的耐挫精神

耐挫力包含挫折容忍力和挫折超越力兩個(gè)方面。容忍力就是不肯退讓的一種心理力量，一個(gè)人若能容忍挫折，就一定會(huì)提高耐挫力的水平。但容忍力是消極的。挫折超越力是擺脫挫折、積極進(jìn)取的一種心理力量，是積極的。當(dāng)遭受挫折時(shí)，不能單純?nèi)萑?，?yīng)當(dāng)面對(duì)困難，保持希望、樹立信心，化消極為積極。它體現(xiàn)著一個(gè)人健康、成熟的心態(tài)。愛迪生做了6000多次實(shí)驗(yàn)發(fā)明了燈泡，居里夫人用4年時(shí)間從幾噸瀝青中提煉出0.1克的鐳?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)就是不斷糾錯(cuò)、不斷改進(jìn)的過程，耐挫力是科學(xué)精神中必不可缺的。

【師】鐵絲能否代替紅磷做實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?/p>

【生】有的學(xué)生回答不可以，理由是鐵絲在空氣中點(diǎn)不燃，有的學(xué)生回答說可以，因?yàn)殍F生銹會(huì)消耗氧氣。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)操作：把一團(tuán)用鹽水浸過的鐵絲放在圓底燒瓶里，用雙孔橡皮塞塞緊，接一個(gè)盛水的大燒杯[7]。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：一周后，看到銀白色鐵絲上出現(xiàn)紅色物質(zhì)，燒杯中的水倒吸進(jìn)入圓底燒杯;一個(gè)月后，液面上升如圖3所示。

【師】鐵絲實(shí)驗(yàn)不成功，原因是復(fù)雜的。實(shí)驗(yàn)受條件限制，條件不同，現(xiàn)象、產(chǎn)物會(huì)不同。

【生】把鐵絲改成鐵粉呢？

學(xué)生實(shí)驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)操作：把鐵粉用食鹽水浸濕，用氧氣傳感儀檢測(cè)耗氧量。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：耗時(shí)45 min，耗氧量不到1%。如圖4。

【師】實(shí)驗(yàn)再次失敗，是繼續(xù)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)還是放棄？

【生】不放棄，查閱資料，繼續(xù)改進(jìn)。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)操作：先將2張濾紙放入氧氣傳感器配套容器中，用膠頭滴管吸取濃食鹽水浸濕濾紙，將濾紙緊貼瓶壁，將事先稱好的2 g還原鐵粉和2.5 g 活性炭粉混合均勻倒入氧氣傳感器配套容器中，使混合物均勻附著在配套容器的瓶?jī)?nèi)壁，旋緊氧氣傳感器配套容器的膠塞，采集數(shù)據(jù)（見圖5、圖6）[ 8]。

實(shí)驗(yàn)分析：從曲線變化看，該實(shí)驗(yàn)在5 min 之內(nèi)，含氧量下降大約12%，1 h不到，氧氣殘留量為0.43%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：可以用鐵粉來測(cè)定空氣中氧氣的含量。實(shí)驗(yàn)誤差小，無污染。

該實(shí)驗(yàn)師生反復(fù)做30多次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相同，符合科學(xué)實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。但該實(shí)驗(yàn)還有問題，做這個(gè)實(shí)驗(yàn)用的是顆粒狀的活性炭，研磨成粉末，活性炭粉研磨得越細(xì)，實(shí)驗(yàn)效果越好，但研磨耗時(shí)費(fèi)力，學(xué)生提出：能否用現(xiàn)成的活性炭粉呢？我們改成網(wǎng)購(gòu)的活性炭粉、木炭粉做實(shí)驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象沒有出現(xiàn)，至今沒找到原因。

師生堅(jiān)持做實(shí)驗(yàn)，面對(duì)失敗不放棄，在一次次失敗的糾錯(cuò)中，鍛煉了耐挫力，培養(yǎng)了耐挫精神。耐挫力不是天生的，而是在多次失敗后，堅(jiān)決不放棄的過程中產(chǎn)生的。

4.培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)證精神

嚴(yán)謹(jǐn)，形容態(tài)度嚴(yán)肅謹(jǐn)慎，細(xì)致、周全，完善、追求完美。今天的世界，是科學(xué)的世界，是數(shù)字化的世界，精確精準(zhǔn)不僅是對(duì)科研工作者的要求，也是對(duì)普通人的要求[9]。

實(shí)證，就是在科學(xué)探究過程中，解釋、結(jié)論都是以事實(shí)為依據(jù)，不作偽并經(jīng)得起事實(shí)反復(fù)論證。實(shí)證精神就是科學(xué)探究或者生活中，都以事實(shí)為依據(jù)的意識(shí)和思想。實(shí)證，是不能靠主觀來判斷，能夠重復(fù)，能夠被別人獨(dú)立驗(yàn)證。

【師】化學(xué)是造福人類的科學(xué)，綠色環(huán)保是化學(xué)永恒的追求，做完實(shí)驗(yàn)后的木炭、生銹的鐵粉和氯化鈉該如何處理呢？

【生】分離回收，將混合物溶解過濾干燥?！編煛繛V紙上的濾渣中是否混有氯化鈉？【生】可能會(huì)有。

教師演示實(shí)驗(yàn)，洗滌濾渣三次，測(cè)量洗滌液的電導(dǎo)率，數(shù)據(jù)分別是：1000μS/cm，790μS/cm，70μS/cm，用蒸餾水做空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)是60μS/cm。（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)受電導(dǎo)率傳感器校準(zhǔn)的影響和蒸餾水純度的影響。）

從三次洗滌液和蒸餾水的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)對(duì)比中，學(xué)生體會(huì)到化學(xué)實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性和實(shí)證性，同時(shí)從定性到定量認(rèn)識(shí)了化學(xué)。教師結(jié)合教材上的拓展視野部分——稀有氣體的發(fā)現(xiàn)，瑞利在研究氮?dú)饷芏葧r(shí)沒有放過微小的差異，經(jīng)過兩年多的實(shí)驗(yàn)研究和推理分析，發(fā)現(xiàn)了氬氣。讓學(xué)生明白無論是科學(xué)研究、發(fā)明創(chuàng)造，都是從細(xì)微之處的改變開始的。唯有具備嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的態(tài)度，才有可能在別人忽略的方面，有全新的認(rèn)識(shí)、理解和發(fā)現(xiàn)。

四、結(jié)語

化學(xué)啟蒙教育的核心是激發(fā)學(xué)生的好奇心和對(duì)化學(xué)的熱情，對(duì)學(xué)生科學(xué)精神的培養(yǎng)是在具體的、反復(fù)的實(shí)踐中落實(shí)的。

以探究空氣中氧氣的含量為載體，引導(dǎo)學(xué)生閱讀人物傳記，如《拉瓦錫》《居里夫人》《門捷列夫》《波義耳》;環(huán)保類書籍，如《寂靜的春天》《大地回心》等，激發(fā)學(xué)生萌生保護(hù)環(huán)境的責(zé)任感和使命感。科學(xué)精神的內(nèi)核在于“求真”，人文精神的內(nèi)核在于“求善”[5]。在化學(xué)啟蒙教學(xué)中，將二者很好地結(jié)合，完善學(xué)生的人格，培養(yǎng)復(fù)合型人才，體現(xiàn)知識(shí)服務(wù)于人類的科學(xué)精神，可進(jìn)一步彰顯化學(xué)學(xué)科教育立德樹人的功能。

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