证伪实验在高中化学教学中的作用
芜湖市清水河中学 刘红旗
摘要 所谓证伪,就是指实践的结果与理论的预期或设定相悖,从而导致理论部分地或全部地被推翻。现行化学教学中实验的证实作用已得到充分的关注和施行,然而其证伪作用却未得到足够的重视。
关键词 证伪实验 探究教学 探究精神
化学课程注重科学探究,而“求证”是探究教学的核心要素。“求证”的结果可能是证实也可能是证伪。现行化学教学中实验的证实作用已得到充分的关注和施行,而实验的证伪作用却未得到足够的重视。只有证实性实验而无证伪性实验的探究式教学,不利于学生科学思维、科学态度和科学精神的培养。
一、设计证伪实验的必要性
所谓证伪,就是指实践的结果与理论的预期或设定相悖,从而导致理论部分地或全部地被推翻。在化学探究教学中,学生、教师提出的假设,很多都是要接受实验的检验。支持假设的实验称为“证实”实验,而“证伪”实验是指否定假设的实验。
证伪实验的设计与探究是对科学研究历程的模拟,有利于学生体验科学探究的曲折历程。证实实验可以解释化学原理,促进学生建立知识体系;证伪实验可以改变学生的错误概念,促进新知识的生成,教育价值很大。因此,在探究教学中,如果没有证伪实验,学生的探究过程往往会陷于形式而失去创造性。
二、证伪实验设计的基本程式
当实验验证的结果与预期的假设不符或不完全相符时,就出现了反例,只要反例是真实的、确凿无疑的,就可以运用该反例对假设进行证伪。以证伪实验为基础的探究学习过程可用下图表示:
三、证伪实验设计的基本原则
化学探究教学中学生提出假设有很多,有些会超出教师的预料和处理能力或凭现有的知识和条件而无法处理。因此,对学生的假设一一进行验证是不现实的。设计证伪实验时,一般来说主要有四条原则:
1、简便性原则
要求所选方案原理简单、操作简便。应尽量避免实施那些原理复杂、操作繁琐和不易直接测量的实验方案。
2、可行性原则
实验方案的实施要安全可靠,不会对人身和器材造成危害;所需装置和器材要易于置备;对于难以探究的内容,可进行推理处理。
3、精确性原则
在选择方案时,要对各种可能的方案进行初步的误差分析,尽可能选用精确度高的实验方案。
4、需求性原则
在设计证伪实验时,要考虑学生实情和需求,有针对性的选择,要考虑大多数学生的发展,解决学生关注的热点。
四、证伪实验设计的教学目的
1、冲击和破除学生的前观念
前观念是学生在长期的生活经历中形成的,能有效解释他们的所见所闻,具有很强的顽固性,但不一定与科学概念一致,对学习科学可能起阻碍作用。因此,在教学中,当学生的前观念充分暴露后,我们须设计证伪实验,冲击和破除学生的前观念,以使学生形成对概念的正确理解。
案例1 是氧化褪色还是中和褪色?
实验情景 在NaOH 溶液中加几滴酚酞试液,溶液变红,再加几滴新制氯水,变无色。
提出问题 为什么试管中的酚酞最终变为无色?
提出假设 NaOH与氯水中 HCl、HClO 发生中和反应,使C(OH-)减小,酚酞变无色。
实验证伪 ① 在NaOH溶液中滴加几滴酚酞,变红,逐滴滴入HCl溶液,直至溶液褪色,后返滴几滴NaOH溶液,发现溶液又呈红色。
② 在NaOH溶液中滴加几滴酚酞,变红,逐滴滴入氯水,到溶液褪色,后再滴几滴NaOH溶液,发现溶液不变红色。
交流评价 学生在讨论、交流基础上获得共识。
得出结论 氯水中的HClO氧化酚酞使其结构破坏而褪色。
无视错误前概念存在的教学是无效的。学生通过证伪实验产生认知冲突,渴望明白“事实的真相”,以解除其疑问,教师就可以通过实验结果的分析、论证等说明学生观点错误的原因,学生会自觉地放弃前概念,萌发修正或重新构建新概念的欲望。
2、纠正学习中产生的错误认识
学生因理解能力与思考问题方式的差别,在学习中遇到的新问题或实验中的异常的现象时,有些学生会作出错误的判断,此时教师要引导学生对新问题和异常的实验现象要产生兴趣,然后认真分析,设计实验,进行探究活动。
案例2 铁遇浓硝酸钝化
实验情景 铜与浓硝酸能剧烈反应,铁与浓硝酸呢?
提出假设 可能更加剧烈,因为铁比铜 活泼。
实验证伪 将一打磨铁片浸入浓硝酸中,结果无明显现象。假设不成立。
交流讨论 ①如果没反应,必能从铜盐中置换出铜;
②如果有反应,可能不能从铜盐中置换出铜。
继续探究 取出洗净,浸入硫酸铜溶液中。
实验现象 没明显现象。
得出结论 铁片与浓硝酸已发生反应。
再次假设 可能在铁片表面生成一层致密氧化膜,阻碍反应继续进行
再次讨论 如果仅是表面生成一层氧化膜,则将表面氧化膜破坏后,内层的铁必能从铜盐中置换出铜。
继续探究 将上述铁片再次取出洗净,再在铁片上覆盖一张湿润硫酸铜溶液的滤纸,用锋利的小刀刻破滤纸,在滤纸上留下划痕,一段时间后取下滤纸发现划痕呈红色。
得出结论 讨论交流,获得共识:铁片与浓HNO3能发生迅速反应,在Fe表面生成一层致密氧化膜。
铁遇浓硫酸、浓硝酸钝化,学生通常认为是不反应,不管教师怎么强调,始终不能改变错误的认识,通过设计实验进行证伪,能使学生真切感受到自己的错误认识,从而认真寻找错误的原因。
3、认识物质的结构,科学地接受新知识
知识的直接传授往往不能加深学生对新事物的认识,但是换一种角度教学,教师为学生设计证伪实验,可以培养学生发现问题、解决问题的能力。
案例3 苯的结构
明确问题 苯分子内有无碳碳双键?
讨论交流 学生通过讨论交流,对信息做初步的分类与思维加工。
形成假设 假设一:苯分子内不含碳碳双键。
假设二:苯分子内含碳碳双键。
设计方案 能否使酸性高锰钾溶液褪色?
实验证伪 通过实验对假设证伪。
提出问题 用现代苯分子的结构观点看凯库勒的苯分子结构有无缺限?
讨论交流 学生讨论并预测结论。
结论阶段 确切地表示苯分子的结构。
4、设计证伪实验呼应所学知识
有些涉及化学反应规律(原理)的知识,若设计成证伪实验的形式,更能加深与巩固学生对所学知识的理解。
案例4 是CO2还中SO2?
某校高一化学兴趣小组在做木炭和浓H2SO4反应的实验时,将反应生成的气体通入足量的澄清石灰水中,发现石灰水变浑浊。
(1)为进一步探究使澄清石灰水变浑浊的气体成分,该兴趣小组提出以下假设,请你完成假设二和假设三:(按气体成分由简单到复杂假设)
假设一:有CO2生成;假设二:__________;
假设三:__________________________;
(2)为验证假设三是否成立,课题组进行如下研究;请你依据右图中的装置和试剂,完成验证实验。
I、这些装置的连接顺序(按产物气流从左到右的方向)是(填装置的序号)___→___→___。
II、装置②中盛装的试剂是______________,
装置B的作用是________________________。
③ ① ②
III、
(3)写出木炭和浓H2SO4在加热条件下反应的化学方程式______________________________________。
该题目与传统的设计方式相比,突出了证伪思想,有利于学生更好地弄清楚物质的检验原理和方法,有利于培养学生的探究素养。
五、证伪实验思想在高考探究题中的运用
案例5 是PbCO3还是2PbCO3·Pb(OH)2?
安徽2012年高考理综第28题:
工业上从废铅蓄电池回收铅的过程中,可用碳酸盐溶液与处理后的铅膏(主要成分是PbSO4)发生反应:PbSO4(s) + CO32-(aq) PbCO3(s) + SO42-(aq)。某课题组用PbSO4为原料模拟该过程,探究上述反应的实验条件及固体产物的成分。
(3)查阅文献:上述反应还可以能生成碱式碳酸铅[2PbCO3•Pb(OH)2],它和PbCO3受热都易分解生成PbO。该课题组对固体产物(不考虑PbSO4)的成分提出如下假设,请你完成假设二和假设三:
假设一:全部为PbCO3;假设二:_________________;假设三:_______________________
(4)为验证假设一是否成立,课题组进行如下研究。
定性研究:请你完成下表中内容。
实验步骤(不要求写出具体操作过程)
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预期实验现象和结论
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取一定量样品充分干燥,……
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审题可知,可能的产物有PbSO4、PbCO3和2PbCO3·Pb(OH)2,现不考虑PbSO4,因此对产物的假设只有三种情况:
1、全为PbCO3; 2、全为2PbCO3·Pb(OH)2; 3、为PbCO3和2PbCO3·Pb(OH)2的混合物。
PbCO3受热分解不会生成水,而2PbCO3·Pb(OH)2受热分解会生成水,因此要完成对假设一的证伪其实就是证明产物受热分解有水生成。
案例6 谁在起催化作用?
安徽2013年高考理综第28题:
某酸性工业废水中含有K2Cr2O7。光照下,草酸(H2C2O4)能将其中的Cr2O72-转化为Cr3+。某课题组研究发现,少量铁明矾[Al2Fe(SO4)4·24H2O]即可对该反应堆起催化作用。
(4)该课题组队铁明矾[Al2Fe(SO4)4·24H2O]中起催化作用的成分提出如下假设,请你完成假设二和假设三:
假设一:Fe2+起催化作用; 假设二: ;假设三: ;
(5)请你设计实验验证上述假设一,完成下表中内容。
除了上述实验提供的试剂外,可供选择的药品有K2SO4、FeSO4、K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O、Al2(SO4)3等。(溶液中Cr2O72-的浓度可用仪器测定)
实验方案(不要求写具体操作过程)
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预期实验结果和结论
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这是在水溶液中进行的反应,铁明矾[Al2Fe(SO4)4·24H2O]在水溶液中可电离出Fe2+、Al3+、SO42-,因此,从单一离子的催作用化角度来分析,假设有三种情况:
1、Fe2+起催化作用;2、Al3+起催化作用;3、SO42-起催化作用。
要完成对假设一的证伪,就要选择在水溶液中同时能够提供Al3+和SO42-而又不提供Fe2+的物质,因此选定的是K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O,并且要提供和先前实验相同的反应条件;对比反应经过相同时间后,如果溶液的c(Cr2O72-)不比先前的实验小,也就完成了对假设一的证伪。
证实性实验虽对知识的形成有重要的作用,但有时很容易造成学生思想方法的简单化和不严谨的学习态度。通过证伪实验,可以使学生认识到化学知识发展的艰辛历程。在证伪实验教学中,学生通过精细地观察现象、收集解读实验信息而得出结论,实事求是地对假说作出评价。
作为中学教师,在日常教学中,应加强对这类试题的研究与编制,在试题编制过程中要要再三推敲试题有没有情境歧义或科学性错误,在纸笔测试中融入这些试题,能让学生在解题过程中体验到科学探究的过程并激发学习化学的兴趣,从而提高他们的科学探究意识。同时,这对实现新课程的理念,提高中学化学教学质量,提高教师的综合素质都是有益的。
参考文献
1、王晓林,证伪之维,四川人民出版社, 1998.
2、安徽省2012年、2013年高考理综化学试卷.