当实验事实与科学原理出现冲突之后

来源 :教学月刊·中学版(教学参考) | 被引量 : 0次 | 上传用户:buyaodiua1
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  教学中经常遇到这样的现象,预设现象与实验事实发生“冲突”,有的教师直接忽略,有的是自顾自讲,有的解释说实验不够精确,这样的教学会让学生不相信实验,更不会相信“实验是检验科学的标准”,久而久之,学生渐渐失去了对化学学科的研究兴趣。笔者最近在原电池教学时也遇到这样的问题,教师设伏与引导,激发学生积极参与、互相解释,更是引发了深度的教学思考,把初学者看似很难理解的知识(如两个原电池相连、微型原电池)溶解在学生原认知与实验冲突之中,通过实验现象“异常”与师生之间的探讨获取对原电池原理的理解。
  一、铜锌原电池放电时负极表面真的没有气体产生吗?
  铜锌原电池作为原电池原理学习的载体,基于铜锌原电池进行实验和问题设计是教学组织的形式。实践中教师设置了三个实验。
  实验一:将铜片和锌片同时插入稀硫酸溶液,观察铜片、锌片表面变化;
  实验二:用导线连接,观察铜片和锌片表面变化;
  如图2所示,学生都能回答不能构成原电池,因电解质没有形成闭合回路,导线导电是电子在导线中定向移动,电解质溶液(或熔融态)导电是阴阳离子定向移动。图3中两个半电池中正极所在半电池中的阴离子([SO4][2-])无法通过盐桥(琼脂 饱和KCl溶液)从正极半电池进入负极半电池,而负极半电池中的阳离子(Zn2 )无法通过盐桥进入正极半电池,而且实验中学生读得电流是260μA,也就是形成了原电池,负极反应Zn-2e-=Zn2 ,正极反应Cu2 2e-=Cu,必然导致负极半电池中正电荷多于负电荷而带正电,而正极半电池中正电荷少于负电荷而带负电。笔者让学生来体验这两个半电池中的溶液是否带电,学生既兴奋又害怕,有一位学生用手指分别伸入负极半电池和正极半电池,没有感觉异常,继续将手指同时伸入两个半电池,还是没有异常,但灵敏电流计的指针显示仍然有240μA。学生感觉诧异了,有学生把思考方向引向了盐桥,既然两个半电池不带电,是不是意味着盐桥中的阴、阳离子分别进入负极半电池和正极半电池,中和半电池中的电荷。学生的补充很及时,如果这样,这盐桥用一段时间不是要“死亡”了吗?笔者不仅给予了肯定,还让学生说怎样让盐桥“重生”。学生说再向琼脂中灌入饱和氯化钾溶液。
  接着笔者让学生做一个猜测,如图4,将盐桥换成了一根铜导线分别伸入两个半电池,能形成原电池吗?学生立即回答不可能,因为不仅是练习中遇到过,而且也知道阴、阳离子不可能在导线中流动,所以无法形成闭合回路。笔者让学生自己来实验,就直接将一根铜导线两端同时伸入两个半电池,学生非常诧异,不仅能产生电流,且爆表了(灵敏电流计最大值300μA)。学生纳闷了,这好像与参考书上描述的完全不一样,很多学生自己做了几次,确实每一次电流都很大,学生产生了疑问。是不是试剂有问题?但刚才实验也是这些试剂,没有更换过,问题出在哪里呢?学生的想象能力真的是很强,趁笔者没有注意,已经有学生按下述图5和图6进行了实验,而且按图5读数接近300μA,按图6读数也有10μA左右。
  三、蔗糖溶液不能做电解质溶液吗?
  实验中笔者用蔗糖溶液来探讨能不能形成原电池,开始笔者也很确信不能形成,因为蔗糖是非电解质,不会电离出离子。但在实验中,不仅可以,而且还有约50μA的电流产生(Zn、Cu、蔗糖溶液)。很快学生帮笔者解释了,理由是蔗糖溶液中有水,水是弱电解质,是可以产生H 和OH-离子的,所以可以形成原电池。顺着学生的思路下去,要证明蔗糖不能形成原电池,学生想到了将蔗糖加热到熔化状态进行实验,设想很好,但在实践中又如何做呢?加热到蔗糖熔化,两个电极插入会形成原电池吗?是否会有电流产生?这些都是留给我们研究的方向,学生对这些未知的领域有兴趣,也就会积极探索,这才是学习过程,并不一定要学生对所有科学原理都理解清楚,但这些实验都能引起学生对空气中的O2在正极得电子被还原的思考,这正为后续研究吸氧腐蚀埋下伏笔。
  实验事实与预设现象会有冲突,但在中学学习中更多的是伪冲突。教材中的科学原理总是去枝去叶的主干认识,理想化的分析现状,但在实验中却是真实状态,会出现与教材描述不一样的现象,教师利用好实验现象进行科学分析,获得科学原理的理解,收获研究问题的方法。
  教学是一个引发师生思考的过程,不应过于追求结果是什么,而要重视研究的过程和出现的“意外”。探索的道路上会有很多“风景”,在科学的道路中细细品味遇到的各种各样的风景,这正是科学教学的真谛!
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