有價(jià)值的異常現(xiàn)象“微科技”課題的教學(xué)實(shí)施

凌一洲 程鵬

摘要： 異?，F(xiàn)象是指化學(xué)實(shí)驗(yàn)中實(shí)際發(fā)生的與預(yù)期正常結(jié)果不符的現(xiàn)象，它由實(shí)驗(yàn)者未知的規(guī)律造成。學(xué)生在排查實(shí)驗(yàn)、查閱文獻(xiàn)并評(píng)估可行性后，可將價(jià)值較高的異常現(xiàn)象作為研究性課題的選題，通過假設(shè)—驗(yàn)證法等方法探究其產(chǎn)生的原因，最后對(duì)發(fā)現(xiàn)的規(guī)律加以轉(zhuǎn)化應(yīng)用?；诋惓，F(xiàn)象的研究性課題具有小切口、低成本、易開發(fā)、有價(jià)值等特征，屬于“微科技”課題，其實(shí)施滿足“微科技”課程設(shè)計(jì)中知識(shí)內(nèi)容的豐富性、綜合實(shí)踐的趣味性、培養(yǎng)方式的獨(dú)特性的要求。引導(dǎo)學(xué)生將實(shí)際中遇到的異?，F(xiàn)象轉(zhuǎn)化為個(gè)性化的研究性課題，并以實(shí)踐研究的形式完成課題，是“微科技”滲透于化學(xué)學(xué)科的重要途徑。

關(guān)鍵詞： 異?，F(xiàn)象;微科技;研究性課題;化學(xué)教學(xué)

文章編號(hào)： 10056629（2018）3003403 中圖分類號(hào)： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 引言

縱觀化學(xué)史，許多新元素、新物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)和新學(xué)說、新理論的創(chuàng)立都來源于實(shí)驗(yàn)的異?，F(xiàn)象 [1]?？梢姡惓，F(xiàn)象不一定是誤差或失誤造成的，其背后可能隱含著實(shí)驗(yàn)者不知道的客觀規(guī)律。在實(shí)施化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)也經(jīng)常能遇到各種異?，F(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步探究其原因并將其發(fā)展成為研究性課題，符合“微科技”滲透于化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求。

2013年起，江蘇省南菁高級(jí)中學(xué)開始了微科技課程的探索實(shí)踐，2015年筆者出版了《微科技實(shí)踐錄》一書，2017年南菁高中被省教育廳確定為“江蘇省微科技課程基地”，學(xué)校以微小切口的科技創(chuàng)新為切入點(diǎn)，將包括化學(xué)在內(nèi)的各科課程與學(xué)校拓展課程和綜合課程有機(jī)整合，形成具有南菁特色的微科技課程群。

2 概念界定

2.1 微科技

“微科技”概念的提出基于中學(xué)教育在創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的基礎(chǔ)性地位。微科技以微小切口的科技創(chuàng)新為切入點(diǎn)，從基礎(chǔ)教育本身的特點(diǎn)出發(fā)，探索培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的有效途徑?！拔ⅰ睆?qiáng)調(diào)創(chuàng)新實(shí)踐的部分基于學(xué)生興趣、源于課堂學(xué)習(xí)，具有小切口、低成本、易開發(fā)、有價(jià)值等特征。

2.2 異?，F(xiàn)象及其課題

在教師演示實(shí)驗(yàn)或?qū)W生實(shí)驗(yàn)的過程中，如果實(shí)驗(yàn)者觀察到的實(shí)際現(xiàn)象與預(yù)期現(xiàn)象不符，就可認(rèn)定該現(xiàn)象為異?，F(xiàn)象。

基于異?，F(xiàn)象的研究性課題是指，對(duì)于具有較高研究?jī)r(jià)值的異?，F(xiàn)象，在評(píng)估可行性后可確定為研究性課題，學(xué)生需要通過提出假設(shè)、設(shè)計(jì)方案、驗(yàn)證假設(shè)等步驟進(jìn)行各種探究活動(dòng)，解釋異?，F(xiàn)象產(chǎn)生的原因并爭(zhēng)取將發(fā)現(xiàn)的規(guī)律推廣應(yīng)用，最后完成總結(jié)報(bào)告。

3 實(shí)施方法

3.1 選題設(shè)計(jì)

選題設(shè)計(jì)的步驟見圖1。

圖1 選題設(shè)計(jì)的步驟

實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生應(yīng)仔細(xì)觀察反應(yīng)中顏色、狀態(tài)、氣味、溫度等方面的變化（如果肉眼無法看清，可做可視化改進(jìn) [2]）。如果發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，則需仔細(xì)觀察并及時(shí)記錄，最好能拍照、錄像記錄。產(chǎn)生異?，F(xiàn)象的原因主要有兩點(diǎn)： 一是實(shí)驗(yàn)誤差或失誤（操作不當(dāng)、試劑變質(zhì)、儀器精度太低等），二是存在知識(shí)盲點(diǎn)。前者可以通過排查實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)而改正錯(cuò)誤、重做實(shí)驗(yàn)，而后者就值得實(shí)驗(yàn)者進(jìn)一步研究。

由于許多異?，F(xiàn)象的成因其實(shí)很簡(jiǎn)單，可以詢問教師后直接得到答案;抑或是他人也曾經(jīng)遇到過同類問題并已經(jīng)作出解釋，可以查閱文獻(xiàn)后獲得答案。如果自己遇到的異?，F(xiàn)象無法在文獻(xiàn)中找到解釋，則可以說明該發(fā)現(xiàn)具有新穎性，有一定研究?jī)r(jià)值。接下來，學(xué)生需要對(duì)研究異?，F(xiàn)象的可行性作出評(píng)估，預(yù)測(cè)成本是否低廉（是否需要大量的時(shí)間精力、能否就地取材完成研究）、開發(fā)是否容易（能否用高中所學(xué)知識(shí)加上簡(jiǎn)單的自學(xué)完成任務(wù)）。如果可行，就可以確定為研究性課題的選題。

值得一提的是，實(shí)驗(yàn)者在發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象后往往會(huì)非常激動(dòng)，迫不及待地直接開始研究（如案例1所示），這樣很容易走彎路。

案例1 筆者在中學(xué)時(shí)代曾做過鎂條與沸水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，遇到了至今仍然記憶猶新的異常現(xiàn)象： 把試管在酒精燈上加熱一段時(shí)間后，突然有火焰從試管口噴出，火焰長(zhǎng)度約5cm，持續(xù)時(shí)間約1s。筆者非常興奮，立刻做出了“生成了純凈的氫氣”等假設(shè)并開展實(shí)驗(yàn)，但屢次受挫。直到最后筆者才排查第一次的實(shí)驗(yàn)，找到了原因： 筆者為了讓酚酞變紅更明顯，沒有按照實(shí)驗(yàn)要求先加水再滴2滴酚酞溶液，而是直接用酚酞溶液代替了水。由于酚酞溶液中酒精含量很高，在加熱時(shí)揮發(fā)出來，在試管口燃燒。

案例1表明，如果在開展研究前能保持冷靜，事先排查錯(cuò)誤，就能避免不少的無用功。

案例2 一次公開課上，筆者在氯化亞鐵溶液中加入幾滴高錳酸鉀，再用硫氰化鉀溶液檢測(cè)鐵離子，結(jié)果溶液沒有變成血紅色。筆者立刻排查實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了問題所在： 由于裝有氯化亞鐵的細(xì)口瓶與苯酚溶液放置在了一起，苯酚可能已經(jīng)揮發(fā)并溶解到了氯化亞鐵中。而高錳酸鉀溶液的濃度又很低（為防止其本身的紫紅色掩蓋鐵離子檢驗(yàn)時(shí)的血紅色），所以高錳酸鉀溶液在加入氯化亞鐵溶液后馬上被苯酚還原，失效了。筆者在沒變紅的溶液中繼續(xù)加入幾滴高錳酸鉀溶液后，溶液立刻變紅。

由此可見，許多異常現(xiàn)象其實(shí)是操作不規(guī)范、試劑變質(zhì)等各種失誤造成的，在研究異常現(xiàn)象前先排查錯(cuò)誤非常有必要。

3.2 實(shí)驗(yàn)探究

為研究異常現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，可以按照?qǐng)D2的步驟實(shí)施研究。為避免實(shí)驗(yàn)的偶然性，課題實(shí)施者應(yīng)該在原來的條件下重做實(shí)驗(yàn)（盡量在原來的環(huán)境中使用原來的試劑、儀器），嘗試復(fù)原異?，F(xiàn)象。如果未能復(fù)原，則需比較兩次實(shí)驗(yàn)條件的細(xì)微差異，重新排查實(shí)驗(yàn)。如果可以復(fù)原，則代表異?，F(xiàn)象具有一定范圍的普遍性，代表了未知的客觀規(guī)律。

探究這些規(guī)律的最常用的方法是假設(shè)—驗(yàn)證法，學(xué)生可在參考資料的基礎(chǔ)上用所學(xué)知識(shí)對(duì)異?，F(xiàn)象的原因提出假設(shè)，并運(yùn)用不同的實(shí)驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證假設(shè)。

圖2 實(shí)施探究的步驟

案例3 在做鋅片與1mol/L硫酸銅反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于硫酸銅剛好用完，筆者用等濃度的氯化銅溶液代替，卻意外地發(fā)現(xiàn)反應(yīng)速率加快了很多。筆者重新配制了等濃度的硫酸銅和氯化銅溶液，并做對(duì)比試驗(yàn)，依然存在這個(gè)異?，F(xiàn)象。為探究原因，筆者作出假設(shè)： 是氯離子加快了反應(yīng)速率。為驗(yàn)證假設(shè)，筆者在原硫酸銅溶液里加入氯化鈉固體，使氯離子的濃度也達(dá)到1mol/L后再與鋅片反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)速率與氯化銅基本相同，驗(yàn)證了假設(shè) [3—5]。此外，還可以在鋅片上同時(shí)滴加等pH的稀硫酸和稀鹽酸，會(huì)發(fā)現(xiàn)稀鹽酸與鋅反應(yīng)較快，也可以得到相同的結(jié)論 [6]。

實(shí)際上，案例3的異?，F(xiàn)象是由于氯離子穿透金屬晶體表層膜或裂縫的能力較強(qiáng) [7]而造成的。這是中學(xué)生沒有學(xué)過的規(guī)律，但可以在課題探究時(shí)發(fā)現(xiàn)。

案例4 在做鉀的焰色反應(yīng)時(shí)，筆者用鉑絲蘸取硫酸鉀（化學(xué)純）溶液，在酒精燈上灼燒，但透過藍(lán)色鈷玻璃幾乎看不到紫色火焰。事后，有學(xué)生作出假設(shè)，并完成了如下探究實(shí)驗(yàn)（見表1）。

如案例4所示，如果一次假設(shè)未能得到驗(yàn)證，則需繼續(xù)提出假設(shè)并反復(fù)驗(yàn)證，直至得出結(jié)論、解釋異?，F(xiàn)象。

在現(xiàn)實(shí)中，雖然在實(shí)驗(yàn)開展前已經(jīng)進(jìn)行了篩選、評(píng)估、論證，但限于實(shí)驗(yàn)條件、師生精力等因素，有時(shí)作出多種假設(shè)并驗(yàn)證后依然得不到確切結(jié)論。即便如此，實(shí)驗(yàn)探究找出了異?，F(xiàn)象的非影響因素，這個(gè)過程依然有意義，學(xué)生仍然應(yīng)該將假設(shè)內(nèi)容和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)如實(shí)記錄。

3.3 總結(jié)應(yīng)用

在異?，F(xiàn)象得到解釋后，學(xué)生已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了原本未知的規(guī)律（或已知規(guī)律的新的表現(xiàn)形式），這本身就是研究性課題的成果之一。為使成果得以運(yùn)用，可從以下兩個(gè)方面考慮（見圖3）。一是將發(fā)現(xiàn)的規(guī)律運(yùn)用于實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，包括實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)（改進(jìn)原實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)新實(shí)驗(yàn)）和實(shí)驗(yàn)儀器的改進(jìn)（自制教具）。例如張樹榮在解決密信實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)打印紙變藍(lán)、碘酒涂在打印紙上變黑等異?，F(xiàn)象后，作出了噴霧法的改進(jìn)，提高了成功率 [8];再例如筆者在做硫酸銅與氫氧化鈉反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)時(shí)遇到產(chǎn)物不單一的異?，F(xiàn)象，在探究其原因后根據(jù)其原理設(shè)計(jì)了趣味實(shí)驗(yàn) [9]。二是將規(guī)律應(yīng)用于實(shí)際，既可以設(shè)計(jì)應(yīng)用于生產(chǎn)生活的新發(fā)明，又可以因此解決實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際問題。

圖3 成果推廣應(yīng)用的步驟

對(duì)成果推廣應(yīng)用的要求是能達(dá)到有益效果，例如改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)應(yīng)提高成功率、加強(qiáng)可視性和趣味性、綠色化、微型化等，應(yīng)用于實(shí)際的成果應(yīng)使用科學(xué)的方法，從新的角度或者以新的方式解決問題，并具有可預(yù)見的社會(huì)效益或經(jīng)濟(jì)效益。此類課題也特別適合與青少年科技創(chuàng)新大賽等活動(dòng)對(duì)接。

4 微科技在課題中的體現(xiàn)

微科技課程以微科技項(xiàng)目為載體，讓學(xué)生在做中學(xué)習(xí)、樂中探究、研中創(chuàng)造。微科技項(xiàng)目具有小切口、低成本、易開發(fā)、有價(jià)值的特征，尊重學(xué)生個(gè)體的差異性，體現(xiàn)個(gè)性化的創(chuàng)新實(shí)踐;課程設(shè)計(jì)追求知識(shí)內(nèi)容的豐富性、綜合實(shí)踐的趣味性、培養(yǎng)方式的獨(dú)特性。以此提升學(xué)生在科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的核心素養(yǎng)，為培養(yǎng)適應(yīng)時(shí)代發(fā)展需要的創(chuàng)新型人才奠定基礎(chǔ)。

基于異?，F(xiàn)象的研究性課題的特征符合微科技項(xiàng)目4種特征（見表2），其產(chǎn)生的有利效果也滿足微科技課程的整體設(shè)計(jì)要求（見表3）。因此，開展此類課題是微科技滲透于化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要途徑，教師應(yīng)積極引導(dǎo)，充分發(fā)揮異?，F(xiàn)象的教育功能和教學(xué)價(jià)值，鼓勵(lì)學(xué)生以開展課題的形式進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐。

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