當(dāng)實(shí)驗(yàn)事實(shí)與科學(xué)原理出現(xiàn)沖突之后

李發(fā)順

教學(xué)中經(jīng)常遇到這樣的現(xiàn)象，預(yù)設(shè)現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)事實(shí)發(fā)生“沖突”，有的教師直接忽略，有的是自顧自講，有的解釋說實(shí)驗(yàn)不夠精確，這樣的教學(xué)會(huì)讓學(xué)生不相信實(shí)驗(yàn)，更不會(huì)相信“實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)”，久而久之，學(xué)生漸漸失去了對(duì)化學(xué)學(xué)科的研究興趣。筆者最近在原電池教學(xué)時(shí)也遇到這樣的問題，教師設(shè)伏與引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生積極參與、互相解釋，更是引發(fā)了深度的教學(xué)思考，把初學(xué)者看似很難理解的知識(shí)（如兩個(gè)原電池相連、微型原電池）溶解在學(xué)生原認(rèn)知與實(shí)驗(yàn)沖突之中，通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象“異?！迸c師生之間的探討獲取對(duì)原電池原理的理解。

一、銅鋅原電池放電時(shí)負(fù)極表面真的沒有氣體產(chǎn)生嗎？

銅鋅原電池作為原電池原理學(xué)習(xí)的載體，基于銅鋅原電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和問題設(shè)計(jì)是教學(xué)組織的形式。實(shí)踐中教師設(shè)置了三個(gè)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)一：將銅片和鋅片同時(shí)插入稀硫酸溶液，觀察銅片、鋅片表面變化；

實(shí)驗(yàn)二：用導(dǎo)線連接，觀察銅片和鋅片表面變化；

實(shí)驗(yàn)三：接入電流計(jì)進(jìn)行讀數(shù)。

學(xué)生觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是：未接導(dǎo)線前，銅片上沒有明顯變化，鋅片上有氣泡產(chǎn)生；連接導(dǎo)線后，銅片產(chǎn)生大量氣泡，鋅片上也有氣泡產(chǎn)生，只是比原先少一些；接上靈敏電流計(jì)有較大的讀數(shù)（筆者在實(shí)驗(yàn)中的讀數(shù)是260 μA）。但有些教師會(huì)去“糾正”，描述為：導(dǎo)線連接后鋅片上沒有氣泡；有的解釋是剛才產(chǎn)生的氣泡沒有消除掉，甚至不斷產(chǎn)生的氣泡也視而不見；有的干脆告訴學(xué)生記?。贺?fù)極反應(yīng)是Zn-2e-=Zn2+，正極反應(yīng)是2H++2e-=H2↑，鋅片上不可能產(chǎn)生氣泡。這樣的教學(xué)過程，容易讓學(xué)生不僅不相信實(shí)驗(yàn)，不相信化學(xué)，甚至不相信教師，而且實(shí)驗(yàn)僅僅是一個(gè)過程，沒有起到引領(lǐng)學(xué)習(xí)與佐證化學(xué)原理的作用。

實(shí)實(shí)在在的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不容否定，如出現(xiàn)與教材描述不一致時(shí)，我們不要緊張，要學(xué)會(huì)讓學(xué)生提出問題，教師和學(xué)生一起討論，逐一分析可能的原因，引發(fā)學(xué)生思維進(jìn)入憤悱之態(tài)。這才是真正的探究，真正的學(xué)習(xí)過程，而強(qiáng)記的答案不是學(xué)生學(xué)習(xí)，而是“生產(chǎn)產(chǎn)品”。

因?yàn)樵诠P者的課堂學(xué)生有相當(dāng)大的自由發(fā)言權(quán)，同時(shí)筆者的教學(xué)不僅完成教材實(shí)驗(yàn)，而且還會(huì)增加自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，所以學(xué)生會(huì)大膽地解答和實(shí)驗(yàn)操作，描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)會(huì)看到什么說什么，從來不會(huì)說假現(xiàn)象。學(xué)生因此得出的電極反應(yīng)中負(fù)極多了一個(gè)反應(yīng)2H++2e-=H2↑。筆者并沒有強(qiáng)行刪掉，而是讓他們分析原因，電子從負(fù)極流向正極，溶液中的陽離子（H+）向正極移動(dòng)，在正極等著接電子，只會(huì)在正極產(chǎn)生H2逸出。有的學(xué)生說是有少量H+沒有移向銅電極，有的說是有的H+還沒有來得及移向銅電極，有的學(xué)生說是Zn和H+直接進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，有的說是沒有進(jìn)入理想狀態(tài)，但沒有誰能說服誰。此時(shí)有一位學(xué)生說可能是鋅片不純。當(dāng)聽到這個(gè)解釋時(shí)，筆者進(jìn)行了追問：“不純，可能會(huì)混入什么物質(zhì)？”學(xué)生都在說可能是銅、銀、金之類，當(dāng)鋅和這些金屬一起浸泡在稀硫酸中會(huì)形成原電池，也就是說在鋅片上也存在正極，所以會(huì)產(chǎn)生H2。筆者補(bǔ)充一句，其實(shí)只要能導(dǎo)電的都可以，如石墨。為后面的鋼鐵腐蝕原理埋下伏筆。但立刻有學(xué)生反駁了：難道混有雜質(zhì)鋁也會(huì)嗎？此時(shí)，筆者都沒有“搶到”回答的機(jī)會(huì)，已經(jīng)有同學(xué)說了：有鋁也沒有關(guān)系的，鋁和鋅浸泡在稀硫酸中可以形成原電池，只是金屬鋅擔(dān)當(dāng)正極大任，表面照樣會(huì)產(chǎn)生氣泡。到這里筆者并沒有結(jié)束引導(dǎo)，又問學(xué)生：銅就一定是純銅嗎？學(xué)生說也不是，因?yàn)槿绻锩婊煊斜茹~不活潑的金屬時(shí)，在稀硫酸中也不會(huì)形成原電池，還有學(xué)生說如果混進(jìn)去是活潑金屬就行了，因?yàn)檫@樣就可以與銅在稀硫酸中形成原電池了（此時(shí)筆者根本沒有回答機(jī)會(huì)），也有可能混有活潑金屬，但被銅嚴(yán)密包裹，無法與稀硫酸接觸照樣不會(huì)產(chǎn)生氣泡。

在上述學(xué)習(xí)過程中，教師只是在利用實(shí)驗(yàn)中常被大家忽略的現(xiàn)象，而恰恰是這個(gè)現(xiàn)象，讓學(xué)生從實(shí)驗(yàn)事實(shí)與預(yù)設(shè)現(xiàn)象的沖突，展開思考和討論，這十分鐘左右的爭論與思辨不正是我們想要的科學(xué)探究嗎？不正是學(xué)生主體作用的發(fā)揮嗎？

二、用銅導(dǎo)線做“鹽橋”就不能形成原電池嗎？

如圖2所示，學(xué)生都能回答不能構(gòu)成原電池，因電解質(zhì)沒有形成閉合回路，導(dǎo)線導(dǎo)電是電子在導(dǎo)線中定向移動(dòng)，電解質(zhì)溶液（或熔融態(tài)）導(dǎo)電是陰陽離子定向移動(dòng)。圖3中兩個(gè)半電池中正極所在半電池中的陰離子（[SO4][2-]）無法通過鹽橋（瓊脂+飽和KCl溶液）從正極半電池進(jìn)入負(fù)極半電池，而負(fù)極半電池中的陽離子（Zn2+）無法通過鹽橋進(jìn)入正極半電池，而且實(shí)驗(yàn)中學(xué)生讀得電流是260μA，也就是形成了原電池，負(fù)極反應(yīng)Zn-2e-=Zn2+，正極反應(yīng)Cu2++2e-=Cu，必然導(dǎo)致負(fù)極半電池中正電荷多于負(fù)電荷而帶正電，而正極半電池中正電荷少于負(fù)電荷而帶負(fù)電。筆者讓學(xué)生來體驗(yàn)這兩個(gè)半電池中的溶液是否帶電，學(xué)生既興奮又害怕，有一位學(xué)生用手指分別伸入負(fù)極半電池和正極半電池，沒有感覺異常，繼續(xù)將手指同時(shí)伸入兩個(gè)半電池，還是沒有異常，但靈敏電流計(jì)的指針顯示仍然有240μA。學(xué)生感覺詫異了，有學(xué)生把思考方向引向了鹽橋，既然兩個(gè)半電池不帶電，是不是意味著鹽橋中的陰、陽離子分別進(jìn)入負(fù)極半電池和正極半電池，中和半電池中的電荷。學(xué)生的補(bǔ)充很及時(shí)，如果這樣，這鹽橋用一段時(shí)間不是要“死亡”了嗎？筆者不僅給予了肯定，還讓學(xué)生說怎樣讓鹽橋“重生”。學(xué)生說再向瓊脂中灌入飽和氯化鉀溶液。

接著筆者讓學(xué)生做一個(gè)猜測(cè)，如圖4，將鹽橋換成了一根銅導(dǎo)線分別伸入兩個(gè)半電池，能形成原電池嗎？學(xué)生立即回答不可能，因?yàn)椴粌H是練習(xí)中遇到過，而且也知道陰、陽離子不可能在導(dǎo)線中流動(dòng)，所以無法形成閉合回路。筆者讓學(xué)生自己來實(shí)驗(yàn)，就直接將一根銅導(dǎo)線兩端同時(shí)伸入兩個(gè)半電池，學(xué)生非常詫異，不僅能產(chǎn)生電流，且爆表了（靈敏電流計(jì)最大值300μA）。學(xué)生納悶了，這好像與參考書上描述的完全不一樣，很多學(xué)生自己做了幾次，確實(shí)每一次電流都很大，學(xué)生產(chǎn)生了疑問。是不是試劑有問題？但剛才實(shí)驗(yàn)也是這些試劑，沒有更換過，問題出在哪里呢？學(xué)生的想象能力真的是很強(qiáng)，趁筆者沒有注意，已經(jīng)有學(xué)生按下述圖5和圖6進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，而且按圖5讀數(shù)接近300μA，按圖6讀數(shù)也有10μA左右。

此時(shí)學(xué)生不難看出，圖5相當(dāng)于銅線和鋅片在硫酸鋅溶液中的原電池，雖然電解質(zhì)溶液是ZnSO4，與負(fù)極Zn理論上不會(huì)自發(fā)進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，但實(shí)驗(yàn)事實(shí)發(fā)生了。圖6產(chǎn)生微弱電流的原因?qū)W生很快找到，因?yàn)檫@根導(dǎo)線明顯不是純銅，含有少量雜質(zhì)，會(huì)形成原電池，所以有微弱的電流（前一次課，用兩塊相同的銅片浸入硫酸銅溶液實(shí)驗(yàn)過，確實(shí)沒有電流）。這時(shí)學(xué)生間的討論更加劇烈了，在這個(gè)過程中學(xué)生真的發(fā)現(xiàn)圖4產(chǎn)生電流的原因，有學(xué)生將圖4的原電池圖加了兩條線，如圖7所示，而且學(xué)生還解釋了如果筆者分析左邊的原電池時(shí)，右邊電池相當(dāng)于導(dǎo)線（如圖中虛線①），如果筆者分析右邊的原電池，左邊的電池相當(dāng)于導(dǎo)線（如圖中虛線②），這樣實(shí)際相當(dāng)于兩個(gè)原電池串聯(lián)了，電流很大。當(dāng)時(shí)筆者驚呆了。合適的實(shí)驗(yàn)、問題等載體，能給學(xué)生自主的空間，學(xué)生不僅能分析異?，F(xiàn)象，還能發(fā)現(xiàn)教師未曾發(fā)現(xiàn)的知識(shí)。

三、蔗糖溶液不能做電解質(zhì)溶液嗎？

實(shí)驗(yàn)中筆者用蔗糖溶液來探討能不能形成原電池，開始筆者也很確信不能形成，因?yàn)檎崽鞘欠请娊赓|(zhì)，不會(huì)電離出離子。但在實(shí)驗(yàn)中，不僅可以，而且還有約50μA的電流產(chǎn)生（Zn、Cu、蔗糖溶液）。很快學(xué)生幫筆者解釋了，理由是蔗糖溶液中有水，水是弱電解質(zhì)，是可以產(chǎn)生H+和OH-離子的，所以可以形成原電池。順著學(xué)生的思路下去，要證明蔗糖不能形成原電池，學(xué)生想到了將蔗糖加熱到熔化狀態(tài)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，設(shè)想很好，但在實(shí)踐中又如何做呢？加熱到蔗糖熔化，兩個(gè)電極插入會(huì)形成原電池嗎？是否會(huì)有電流產(chǎn)生？這些都是留給我們研究的方向，學(xué)生對(duì)這些未知的領(lǐng)域有興趣，也就會(huì)積極探索，這才是學(xué)習(xí)過程，并不一定要學(xué)生對(duì)所有科學(xué)原理都理解清楚，但這些實(shí)驗(yàn)都能引起學(xué)生對(duì)空氣中的O2在正極得電子被還原的思考，這正為后續(xù)研究吸氧腐蝕埋下伏筆。

實(shí)驗(yàn)事實(shí)與預(yù)設(shè)現(xiàn)象會(huì)有沖突，但在中學(xué)學(xué)習(xí)中更多的是偽沖突。教材中的科學(xué)原理總是去枝去葉的主干認(rèn)識(shí)，理想化的分析現(xiàn)狀，但在實(shí)驗(yàn)中卻是真實(shí)狀態(tài)，會(huì)出現(xiàn)與教材描述不一樣的現(xiàn)象，教師利用好實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)分析，獲得科學(xué)原理的理解，收獲研究問題的方法。

教學(xué)是一個(gè)引發(fā)師生思考的過程，不應(yīng)過于追求結(jié)果是什么，而要重視研究的過程和出現(xiàn)的“意外”。探索的道路上會(huì)有很多“風(fēng)景”，在科學(xué)的道路中細(xì)細(xì)品味遇到的各種各樣的風(fēng)景，這正是科學(xué)教學(xué)的真諦！