科學精神：化學啟蒙教育的循證與追問

黃丹

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

關鍵詞：化學啟蒙教育;科學精神;探究實驗;氧氣含量測定

文章編號：1008-0546（2022）07-0083-05中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.07.021

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

一、提出問題

在“測定空氣中氧氣的含量”的教學中，師生常常有這樣的困惑：用氧氣傳感器可以便捷地測出空氣中氧氣的含量，而用紅磷測定空氣中氧氣的含量，誤差大且有污染，還有必要做嗎？其實，像這樣的疑問還有很多：“質量守恒定律”的教學中，大家都已經知道，化學反應前后質量是守恒的，還有必要做“那兩個演示實驗”嗎？“物質的分散”教學中，“氯化鈉、高錳酸鉀、泥沙溶于水”這個實驗，還有必要演示嗎？等等。

我們不難發(fā)現，很多“已有結論”的實驗，在教學中的作用問題常常困擾著教學者和學習者，因此，如何正確看待化學實驗的功能，這一點，在化學啟蒙教育中尤其值得深思，也更值得追問?；瘜W啟蒙的意義在于啟發(fā)孩子“像科學家一樣的思考”，在于“穿越時空的對話”，在于“好奇地專注于實驗的所有細節(jié)”，在于“激活孩子的驚詫感”。

二、關于化學啟蒙教育與科學精神

1.化學啟蒙教育

化學啟蒙教育，是在化學學科學習中實施的“啟蒙的科學教育”。因此，從學段上看，化學學科的啟蒙教育宜從初中入門開始?；瘜W啟蒙教育從“人是如何學習的”來看，當從激發(fā)好奇心和激活求知欲入手;從“實施方案”來看，宜從“化學實驗”和“綜合閱讀”方面著手;化學啟蒙教育主要應指向化學思維、化學實驗方法和化學思想滲透等。這里順便說一下，化學啟蒙教育與化學啟蒙是兩個不同概念，前者側重于每個兒童進行化學學科學習的方法論視角，后者則是面向“人類對化學學科的科學認知、理解和應用”。

2.科學精神

科學是一個建立在可檢驗的解釋和對客觀事物的形式、組織等進行預測的有序的知識系統，是已系統化和公式化了的知識。其對象是客觀現象，內容是形式化的科學理論，形式是語言，包括自然語言與數學語言。有人認為，所有今天已經知道是不正確的東西，都應該被排除在“科學”之外，但這種想法在邏輯上是荒謬的——因為這將導致科學完全失去自身的歷史。科學是一個不斷進步的階梯，今天“正確的”結論，隨時都可能成為“不正確的”或“不夠正確”[1]。所以科學精神主要指理性求真的實證精神、質疑糾錯的批判精神、百折不撓的堅毅精神、大膽嘗試的創(chuàng)新精神。

三、科學精神的涵育實踐

1.培養(yǎng)專注和堅毅精神

美國積極心理學碩士卡洛琳·亞當斯·米勒（Caro? line Adams Miller）提出堅毅的定義：“充滿熱情地追求艱難目標，那些目標使人感到敬畏和鼓舞，激勵人們變得更優(yōu)秀，在情感上更加豐盈，勇于承擔風險，并且過上他們最好的生活?！盵2]現如今的爺爺奶奶包括爸爸媽媽對孩子大包大攬、溫柔呵護，剝奪了孩子鍛煉自我的機會，導致孩子在受到批評或遇到挫折時容易受傷，缺少責任感，脆弱和自戀，缺乏挑戰(zhàn)困難的動力和勇氣，缺乏堅毅品質，而科學精神的探索在一定程度上可以培養(yǎng)學生們的堅毅精神。

筆者選取化學史料——拉瓦錫研究空氣組成的實驗進行教學。

【實驗1】實驗裝置見圖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器皿內表面;第2 天，瓶中汞表面出現紅色粉末，隨后，不斷增加。12天后，紅色粉末不再增加。此時，停止加熱，結束實驗。使裝置冷卻至實驗前，經測量，空氣的體積為42立方英寸。

【實驗2】將瓶中的汞表面的紅色粉末收集起來，其質量為45格令。將這45格令的紅色粉末置于一個小的曲頸瓶，并將曲頸瓶與一個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。炭等物質在這種氣體中燃燒遠比空氣中燃燒劇烈。

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

（注：盎司、格令為英制質量單位。1盎司=437.5格令）

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

【生】學生交流討論后提出：拉瓦錫專注和堅毅的品質值得我們學習。學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”，這樣做實驗的思維特質是什么？……

【生】學生交流討論，大多數學生提出：拉瓦錫嚴謹求實的科學精神值得我們學習，還有同學提到了質量守恒定律。

【師】拉瓦錫的空氣組成還原實驗，體現了科學實驗的可檢驗、可重復、多證據視角。從思維特質來看，就是嚴謹性和深刻性，以及從定性走向定量是科學的必然趨向。

化學史料：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，在化學實驗室里，這個過程通常在一個長徑卵形瓶中進行，該卵形瓶有非常扁平的瓶體和非常長的瓶頸，此器皿通常被稱為波義耳巢，導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，用五個或六個類似的長頸卵形瓶連續(xù)這種操作幾個月，不時的更新汞，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，就會奪走蒸汽狀態(tài)的汞，以致容器中幾天之內都不會留下任何東西[4]。

【師】讀完這段史料，你有什么感想？

【生】師生交流：多數學生都被化學家專注科學實驗的艱辛和熱情所感動，決心向拉瓦錫學習。

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

【專注和堅毅品質培養(yǎng)的問卷調查表】具體內容如表1。

基于問卷調查的結果分析：化學對學生的堅毅和專注品格的訓練養(yǎng)成效果顯著?？諝饨M成化學史的教學，抓住學生追根溯源的天性，既有助于學生了解知識的來龍去脈，又激發(fā)學生學習化學的熱情，同時，也讓同學體會到科研的嚴謹和艱辛，體會堅毅專注的科學家精神，樹立正確的價值觀。這也是維持初學者對化學好奇心的重要支柱，開啟化學啟蒙教育的重要方式。

2.培養(yǎng)質疑和求實精神

懷疑，就是對已經被認為是真理的理論持不同態(tài)度的心理狀態(tài)?！皯岩伞币辉~在漢語中有兩個很不相同的意思，一指猜疑，一指不相信?？茖W精神的“懷疑”指的是不相信，確切地說是不輕信。

科學的懷疑精神始于古希臘。當時的懷疑論者被稱為Skeptikos，意思是“探究者”。他們反對教條主義，對于各種說教、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)巍Ｖ目茖W方法論學者波普爾說：“正是懷疑、問題激發(fā)我們去學習，去發(fā)展知識，去觀察?！盵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，且實驗成功率低，誤差大。可以用什么物質來代替紅磷呢？

【生】木炭燃燒、蠟燭燃燒。

【師】木炭蠟燭燃燒生成的是氣體，壓強變化如何？

【生】學生交流討論后提出：不可以，沒有水進入廣口瓶，因為生成二氧化碳的體積等于消耗氧氣的體積。

學生實驗：

實驗操作：將一根點燃的蠟燭，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。

實驗現象：見圖2，蠟燭慢慢熄滅，水進入錐形瓶，液面沒有上升五分之一，但是水確實進入了錐形瓶。

【師】實驗的實際結果比標準答案要復雜得多，進入錐形瓶中水的量，受瓶內空氣熱膨脹程度、蠟燭的長短、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]。

師生一起做實驗，實驗的目的不僅僅是為了驗證，更是在于發(fā)現和討論。一個結論是否科學、是否切實可行，必須要在“執(zhí)行”環(huán)節(jié)中去驗證、去鑒別。施一公院士說：做學問必須誠實，這是基本的學術道德。要有一說一，實事求是，尊重原始實驗數據的真實性。在誠實做研究的前提下，對具體實驗結果的分析、理解有偏差甚至錯誤是很常見的，這是科學發(fā)展的正常過程。

學生質疑和求實精神的培養(yǎng)是需要過程的，創(chuàng)設探究、民主、寬松、和諧的學習氛圍是培養(yǎng)學生質疑求實精神的保證，實驗教學是培養(yǎng)學生質疑求實精神的關鍵。

3.培養(yǎng)糾錯的耐挫精神

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

【師】鐵絲能否代替紅磷做實驗呢？

【生】有的學生回答不可以，理由是鐵絲在空氣中點不燃，有的學生回答說可以，因為鐵生銹會消耗氧氣。

學生實驗：

實驗操作：把一團用鹽水浸過的鐵絲放在圓底燒瓶里，用雙孔橡皮塞塞緊，接一個盛水的大燒杯[7]。

實驗現象：一周后，看到銀白色鐵絲上出現紅色物質，燒杯中的水倒吸進入圓底燒杯;一個月后，液面上升如圖3所示。

【師】鐵絲實驗不成功，原因是復雜的。實驗受條件限制，條件不同，現象、產物會不同。

【生】把鐵絲改成鐵粉呢？

學生實驗：

實驗操作：把鐵粉用食鹽水浸濕，用氧氣傳感儀檢測耗氧量。

實驗現象：耗時45 min，耗氧量不到1%。如圖4。

【師】實驗再次失敗，是繼續(xù)改進實驗還是放棄？

【生】不放棄，查閱資料，繼續(xù)改進。

學生實驗：

實驗操作：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內壁，旋緊氧氣傳感器配套容器的膠塞，采集數據（見圖5、圖6）[ 8]。

實驗分析：從曲線變化看，該實驗在5 min 之內，含氧量下降大約12%，1 h不到，氧氣殘留量為0.43%。

實驗結論：可以用鐵粉來測定空氣中氧氣的含量。實驗誤差小，無污染。

該實驗師生反復做30多次，實驗結果基本相同，符合科學實驗的可重復性。但該實驗還有問題，做這個實驗用的是顆粒狀的活性炭，研磨成粉末，活性炭粉研磨得越細，實驗效果越好，但研磨耗時費力，學生提出：能否用現成的活性炭粉呢？我們改成網購的活性炭粉、木炭粉做實驗，但實驗現象沒有出現，至今沒找到原因。

師生堅持做實驗，面對失敗不放棄，在一次次失敗的糾錯中，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，堅決不放棄的過程中產生的。

4.培養(yǎng)嚴謹的實證精神

嚴謹，形容態(tài)度嚴肅謹慎，細致、周全，完善、追求完美。今天的世界，是科學的世界，是數字化的世界，精確精準不僅是對科研工作者的要求，也是對普通人的要求[9]。

實證，就是在科學探究過程中，解釋、結論都是以事實為依據，不作偽并經得起事實反復論證。實證精神就是科學探究或者生活中，都以事實為依據的意識和思想。實證，是不能靠主觀來判斷，能夠重復，能夠被別人獨立驗證。

【師】化學是造福人類的科學，綠色環(huán)保是化學永恒的追求，做完實驗后的木炭、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。【師】濾紙上的濾渣中是否混有氯化鈉？【生】可能會有。

教師演示實驗，洗滌濾渣三次，測量洗滌液的電導率，數據分別是：1000μS/cm，790μS/cm，70μS/cm，用蒸餾水做空白對照實驗，數據是60μS/cm。（實驗數據受電導率傳感器校準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率數據對比中，學生體會到化學實驗的嚴謹性和實證性，同時從定性到定量認識了化學。教師結合教材上的拓展視野部分——稀有氣體的發(fā)現，瑞利在研究氮氣密度時沒有放過微小的差異，經過兩年多的實驗研究和推理分析，發(fā)現了氬氣。讓學生明白無論是科學研究、發(fā)明創(chuàng)造，都是從細微之處的改變開始的。唯有具備嚴謹求實的態(tài)度，才有可能在別人忽略的方面，有全新的認識、理解和發(fā)現。

四、結語

化學啟蒙教育的核心是激發(fā)學生的好奇心和對化學的熱情，對學生科學精神的培養(yǎng)是在具體的、反復的實踐中落實的。

以探究空氣中氧氣的含量為載體，引導學生閱讀人物傳記，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)學生萌生保護環(huán)境的責任感和使命感?？茖W精神的內核在于“求真”，人文精神的內核在于“求善”[5]。在化學啟蒙教學中，將二者很好地結合，完善學生的人格，培養(yǎng)復合型人才，體現知識服務于人類的科學精神，可進一步彰顯化學學科教育立德樹人的功能。

參考文獻

[1] 江曉原.科學反思：兩種文化[M]. 上海：上海教育出版社，2019：5.

[2] 卡洛琳·亞當斯·米勒.堅毅[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2020：5.

[3] 李斌，李繼良.從化學學科核心素養(yǎng)到學生學習活動——基于證據推理與模型認知的“空氣”教學[J]. 化學教育（中英文），2020，41（3）：54.

[4] 馮翔，袁江洋.批判性實驗：拉瓦錫化學革命研究[M]. 北京：科學出版社，2015：120.

[5] 余德剛.當代大學生科學精神與人文精神融合問題研究[M]. 成都：西南財經大學出版社，2010.

[6] 許小忠，陳和祥.測定空氣中氧氣含量的實驗探究與反思[J]. 化學教學，2008（4）：14.

[7] 王祖浩.科學發(fā)現者：化學概念與應用[M]. 杭州：浙江教育出版社，2008.

[8] 徐泓，夏建華，盛恩宏.對“空氣中氧氣含量測定實驗”的改進[J]. 化學教育（中英文），2018（5）：70-72.

[9] 李春蕾.科學精神：創(chuàng)新驅動的核心[M]. 上海：中華工商聯合出版社，2019：44.