郑长龙

(东北师范大学化学教育研究所 吉林长春 130024)

摘要  针对科学探究教学实践中提出的“什么是科学探究?”、“什么样的知识需要探究?”、“探究就比讲授好吗?”、“探究需要什么样的引导”等问题,从理论上进行了探讨。

关键词  科学探究 探究教学

    随着化学新课程的推进,有关科学探究教学的理论和实践研究已在全国蓬勃开展起来,呈现出喜人的研究局面。然而,很多一线教师在实施科学探究教学时也遇到了许多困惑:“我这节课是探究课吗?”、“是不是所有的知识都要探究?”、“讲授比探究学生学的知识多,为什么还非得探究?不探究行不行?”、“探究还需不需要教师的引导?”等等。对于这些疑问,迫切需要从理论上加以回答。

1 科学探究的本质

在科学探究的教学实践中,很多老师问得最多的一个问题是:“我这节课是科学探究教学吗?”、“这节课体现科学探究思想了吗?”在化学课堂教学中,一些老师还经常说:“下面我们就一起进行一下探究”、“下面大家通过化学实验来进行探究？”、“说探究就是探究了吗?”、“没说探究就不是探究了吗?”要回答这些问题,就必须首先弄清楚到底什么是科学探究?科学探究的本质是什么?

对于什么是科学探究,很多人在解释时都引用了美国“国家科学教育标准”中的提法,即“科学探究”指的是科学家用以研究自然界并基于此种研究获得的证据提出种种解释的多种不同途径。科学探究也指的是学生用以获取知识、领悟科学的思想观念、领悟科学家们研究自然界所用的方法而进行的各种活动。“但是,对于这样的一个定义,老师们在阅读后还是无法把握其实质,还是回答不了上面的那些问题看来,要想真正弄清楚科学探究的含义,还得从科学研究的具体案例中去解读。

案例:化学家对“燃烧本质”的探究木头能够燃烧，金属能够燃烧,许许多多的物质都能够燃烧"那么,物质为什么会燃烧呢?这一问题激发了很多化学家的研究兴趣,经过100多年的不懈努力,直到200多年前,这一奥秘才被揭开。

一、波义耳的研究

1.实验研究

将铜片放在玻璃瓶里,称重后,将其放在炉子上加热、煅烧"这时,原来有紫红色光泽的铜片,渐渐地蒙上一层暗灰色的东西,最后变成了黑色的渣滓"烧完后称重,铜片变重了。

波义耳又拿了铅、锡、铁和银进行同样的实验,发现它们燃烧后也变重了"根据上述实验事实,波义耳得出结论:金属煅烧后重量会增加。

2.原因分析

“也许是因为瓶子没有盖紧,让炉子里的脏东西落了进去,才变重的吧、”于是,他找了一个有着长长的弯头颈的玻璃瓶——曲颈瓶,把金属放进去封闭起来进行煅烧。煅烧后,他小心地从炉膛里拿出滚烫的瓶子,打开瓶口(这时,他听见一阵尖锐的丝丝声),再称金属的重量,结果仍是一样。

3.解释

1674年,波义耳在5关于火和火焰的新实验6论文中,提出了自己的见解"金属在加热后,重量之所以增加,是由于有一种特殊的、极其微小的、肉眼看不见的“火素”穿过了玻璃瓶的瓶壁,跑到金属里去,跟金属化合成了灰烬。“火素”是有重量的。因此,加热后,金属的重量增加了。

二、罗蒙诺索夫的研究

1.实验研究

1756年,罗蒙诺索夫重新做了波义耳关于金属在加热后重量增加的实验。将金属放在曲颈瓶里,并将瓶口封闭,然后连同曲颈瓶一起放在天平上称量。加热至曲颈瓶里的金属表面蒙上了一层渣滓"将曲颈瓶冷却,仍旧密闭瓶口 (不打开塞子)放在天平上称量"结果,前后称得的重量完全相同。

2.原因分析

罗蒙诺索夫的实验与波义耳的实验的不同之处在于:罗蒙诺索夫在整个实验过程中都一直把瓶口密闭,没有打开。而波义耳的实验虽然在加热时密闭着瓶口,但在加热完毕后,却立即把瓶口打开,正如他所描述的那样:“这时外面的空气发出了丝丝的响声,冲进了容器”。

3.解释

金属煅烧后重量增加,并不是“火素”穿过瓶壁钻进瓶子和金属化合,而是“这些不断地在金属表面流动着的空气微粒”,跟金属化合,因而增加了它的重量"罗蒙诺索夫写到: “这个实验说明了光荣的波义耳的意见是错误的,因为隔绝了外界的空气,煅烧后的金属重量保持不变。”

三、拉瓦锡的研究

1.实验研究

1774年,拉瓦锡又重复做了这个实验,发现:如果把容器密闭起来,加热后,容器和金属的总重量没有增加;但是,如果敞着口加热,那么,容器和金属的总重量就会增加。到底金属重量增加的原因是什么呢?

实验1：在曲颈瓶里倒进一些水银,再把曲管的一端通到一个倒置在水银槽中的玻璃罩里"用炉子把水银加热到将近沸腾,并且一直保持这样的温度,日夜不停地和他的助手轮班,加热了20个昼夜。拉瓦锡发现钟罩中原先大约50立方英寸的空气,这时差不多减少了7~8立方英寸,大约减少了1/6。

实验2：为了弄清剩下来的5/6的气体是什么?拉瓦锡把点着的蜡烛放进去,立即熄灭了;把小动物放进去,几分钟内便窒息而死。

实验3：拉瓦锡将水银表面上的红色“渣滓”取出来,称了一下,重为45g。他将这45g红色“渣滓”加热,发现瓶里出现泛着银光的水银;同时,产生大量气体,将气体收集起来,共7~8立方英寸,恰好和原先空气所减少的体积一样多。

实验4：为了弄清这1/6的气体是什么?拉瓦锡把蜡烛放进这些被收集起来的气体中,蜡烛猛烈地燃烧起来,射出炫目的亮光;把火红的木炭投进去,木炭猛烈燃烧,吐出火焰,光亮到眼睛不能久视。

2.原因分析

拉瓦锡认为,空气是由2种气体组成的,一种是能够帮助燃烧的,称为“氧气”,大约占空气总体积的1/6到1/5;另一种是不能帮助燃烧的,称为“窒息空气”(氮气),大约占空气总体积的5/6到4/5。

3.解释

在1774年到1777年之间,拉瓦锡做了许多关于燃烧的实验,像磷、硫、木炭的燃烧,有机物的燃烧,锡、铅、铁的燃烧,氧化铅、硝酸钾的分解等"在此基础上,拉瓦锡提出了氧化学说,阐明了燃烧的本质。

1.1 科学探究始于问题

“物质为什么会燃烧?”这一问题促使波义耳去研究燃烧现象,经过实验发现:金属煅烧后重量会增加。金属煅烧后重量为什么会增加,是什么原因造成的呢?波义耳认为是由于“火素”穿过了玻璃瓶的瓶壁,跑到金属里,跟金属化合成了灰烬。金属煅烧后重量真的会增加吗?这一问题促使罗蒙诺索夫去核校波义耳的实验,结果发现:在密闭的条件下,金属煅烧前后重量不变。这说明并不是“火素”穿过瓶壁钻进瓶子和金属化合"那么是什么原因导致金属煅烧后重量增加呢?罗蒙诺索夫认为是“在金属表面流动着的空气微粒”造成的"真的是空气微粒导致金属煅烧后重量增加吗?拉瓦锡开始了实验研究,结果发现空气并不是纯净物、只有一种物质,而是混合物,是空气中的氧气造成“增重”，这说明正是一个一个的问题,导引着化学家们的探究;也正是这一个一个的探究活动,导致了化学家们揭示出燃烧现象的本质"因此,科学探究始于问题,问题是科学探究的起点,问题贯穿于科学探究的始终。除了科学问题以外,化学教学中的科学探究还可以是与科学有关的生产、生活中的问题,如“钡餐透视应选择哪一种钡盐?”，提不出问题,就没有科学探究的目标和方向，因此,问题的发现和提出,是进行科学探究的首要步骤,正是它启动着科学探究机制的运行,规定了科学探究的方向和内容。

1.2 解释是科学探究的核心

科学的力量就在于对自然事物和现象的解释这是科学的最基本功能。“金属在加热后,重量之所以增加,是由于有一种特殊的、极其微小的、肉眼看不见的“火素”穿过了玻璃瓶的瓶壁,跑到金属里去跟金属化合成了灰烬,-火素.是有重量的,因此,加热后,金属的重量增加了。“这是波义耳的解释。波义耳之所以做出这样的解释,是因为他在实验中发现当把瓶口打开时,”这时外面的空气发出了丝丝的响声,冲进了容器”,这是波义耳做出这种解释的证据"。因此,解释是需要证据的。

同样是“金属煅烧后重量为什么会增加”的问题,波义耳的解释是由于“火素”,罗蒙诺索夫的解释是“空气”,拉瓦锡的解释是“氧气”。这说明对同一个问题,可以形成多种解释。这多种解释是什么,就是假设。假设是可能性,是对所要解决问题的结果的一种猜测,一种推断。科学的假设不是瞎想和胡猜,它是基于一定的科学事实和理论。因此,假设的提出是有证据的。

科学的假设不同于一般的猜测,一般的猜测可以不用检验,例如,听到一声巨响,可能是枪声,可能是汽车轮胎爆炸声,也可能是液化气罐爆炸声,等等,你不一定非得去检验一下到底是什么声。但科学假设是必须要检验的,因为,你不检验,你就不知道你的猜测对不对,你的假设合理不合理。对假设的检验,实际上就是对假设的推断,通过推断的结果看一看假设是否正确"推断就是推理判断,常用的模式是“如果？那么？”例如,如果增重的原因是“火素”的话,那么,当在封闭的条件下煅烧金属时,金属也应该增重;如果增重的原因不是“火素”的话,那么,当在封闭的条件下煅烧金属时,金属的重量应该不变"罗蒙诺索夫实验的结果证明:金属煅烧后重量增加,并不是“火素”穿过瓶壁钻进瓶子和金属化合,而是“这些不断地在金属表面流动着的空气微粒,跟金属化合,因而增加了它的重量。”罗蒙诺索夫写到:“这个实验说明了光荣的波义耳的意见是错误的,因为隔绝了外界的空气,煅烧后的金属重量保持不变。”这说明解释或假设只是一种猜测,有可能是正确的,也有可能是错误的,也有可能是部分错误、部分正确的。实验证明:波义耳的解释是一个错误的假设,拉瓦锡的解释是一个正确的假设,罗蒙诺索夫的解释则是一个部分正确、部分错误的假设,需要修订"因此,对科学假设的检验过程,实际上就是进一步收集证据,证实或证伪解释的过程。如果一个解释或假设被证明是正确的,那么,它就会转变为理论,成为结论,被人们所继承。

综合上面的讨论,我们认为,从本质上说,科学探究就是运用证据对科学及与科学有关的问题进行解释,并进行检验,从而得出结论的过程,见图1所示。

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