从两个著名化学实验中还能学到什么

宋心琦

“蚂蚁的智慧”的故事，日本生物学老师的评语，以及化学老师强调指出的第二、第三点评语和其中包含了对“两种学习理论”问题答案的暗示，引起了同学们极大的兴趣。但是如何从简单的小故事和短短的两则评语中领会到其中的深意，一时议论纷纷，得不出一个大家都认可的说法。小沛说：“解铃还需系铃人，也许老师可以帮助我们解开这个谜团，何不听听老师的意见呢？”这个提议得到了大家的赞同，争论暂时结束，同学们开始准备自己要向老师提出的问题。

正好这天有化学课，老师一进课堂就从静谧的教室和同学们脸上的笑容里读懂了同学们的秘密。在学生起立、师生互相问好后，老师问：“你们是否对我上次讲的故事和提示还存在问题？”同学们点头称是。老师说：“今天的课程内容不多。我们先用点时间来探讨你们的问题吧！要求发言的请举手，重复的就不要再问了，好吗？”老师耐心地倾听着同学们的发言，弄清楚问题的症结所在之后说，“从这两个简单的故事里要找出核心的理念，并不是一件容易的事情，需要有一个学习、思索、实践、反省和再学习的过程，所以有多种不同的看法、想法和困惑是合理的，对于初学者更是如此。今天我还是不直接回答你们的问题，建议你们试着用从现实生活中寻找正面和反面的实际例子来验证生物老师评语的方法来寻求自己的答案。基于反复思索和自我批判得出的答案，可以使你们对故事作者所提倡的学习理论和方法的领会更为深刻而具体。上次我在评论日本生物老师的评语时，曾经顺带举了一些实际例子，大家还记得吗？你们参考这些事例，经过思索，就有可能找到和日本老师评语相印证的实际事例。如果做到了，就说明你们真正懂了，也就能够从中体会到两种学习理论的根本差别了。我们一起来试试这种学习方法，好吗？”从同学们的掌声中，老师高兴地看出，同学们已经开始有了依靠自主学习和探究来解决问题的勇气，他们渐渐成熟了！

按照课程计划，最近要开始做一系列化学实验。所以老师说：“从下节课开始，我们会接触到很多化学实验，有的是我来演示，有的是你们分小组或自己做。”一听说要做化学实验，同学们印象中魔术表演的情境立即呈现了出来，有的同学兴奋地说：“我最喜欢看魔术了，学了化学，我也可以表演化学魔术了！”

老师说：“为了能够从化学实验中学到更多的东西，在准备做一个实验时，不论是课程计划规定的实验，还是你们自己准备做的探索性实验，第一应当明白要做什么，也就是说想达到什么目的。科学实验是一种学习过程，不是休闲式的游戏。第二是怎么做，教材提供了实验指示内容，在实验目的之下，介绍了所应采取的实验体系和步骤，我们应当在预习时，弄清楚为什么用这样的体系和步骤就有可能达到实验目的。只有这样，在实验过程中才能够从观察到的现象里学习如何从化学角度认识物质的性质，也就是学会如何通过实验学习化学。第三是学习规范的操作。第四是总结在实验过程中的经验、教训和撰写实验报告。所以，科学实验不仅有趣。同时也是很严肃的学习或探究活动。如果你漫不经心，最多能够满足一时的欢愉，不会有什么收获，留下的将是‘深入宝山空手回的遗憾！”听了老师的一段话，同学们收起了笑容，课堂静了下来。同学们初步认识到，原来做科学实验不同于玩游戏和演魔术，是一种既要动脑又要动手的学习过程，这和课堂听老师讲课也不同，需要自己预习，不仅从实验现象中学习化学知识和原理，还要自己总结实验过程中的收获和教训。怪不得学习科学必须学会如何进行科学实验！小沛在自己的笔记本上记下了老师的几句话，并在最后重重地画了三个惊叹号。

老师说：“说起科学实验，化学史上有很多著名的实验，这些发现和研究成果被认为是近代化学发展进程中的里程碑。有的澄清了人们对某些自然现象的误解；有的为化学开拓了新的研究领域；有的则为原来的物质世界增添了新的物种，并对人类的物质生活起着强有力的推动作用。这些事例在化学教材中都有所涉及，我们会在课程进行过程中逐一地介绍。但是里程碑不仅是对过去而言，它对于未来则意味着新的起点。所以学习化学史时，我们不能只强调继承而忽视了批判和发展。”同学们经常听到的科学故事，大都是介绍科学成就的重大意义和科学家殚精竭虑地为科学献身的事迹，很少有人提及如何全面理解所谓里程碑的含义。同学们觉得老师讲的有道理，可是如何才能做到呢？同学们陷入了沉思之中。

老师接着说：“从下面的两个故事中，可以获得启示。你们愿意听我讲吗？”在同学们的一片赞同声中，老师讲了以下两个故事。

“第一个是关于稀有气体发现史的故事。在教科书里有简单的介绍。我这里不讲细节，只把从中应该获得的经验教训说清楚。早在1785年，人们已经知道干燥的清洁空气中含有氮气、氧气和二氧化碳。卡文迪什在研究空气组成时，发现用常规的化学方法从空气中把上述这些成分除尽后还残留有少量气体。但是这一发现并没有引起科学界的重视。谁曾想到这其中竞隐藏着一个完整的化学元素家族！100多年后，物理学家瑞利发现从含氮化合物中分离出来的氮气比从空气中分离出来的氮气每升质量多0.0064g（前者密度为1.2508g/L）。后来在化学家莱姆赛的合作下，于1894年用光谱分析法从剩余气体中发现了氩，继而陆续发现了其他稀有气体。因为它们和一般的化学试剂不能发生化学反应，曾被称作惰性气体，在元素周期表中列为0族。在谈及这段历史时。人们常为卡文迪什未能发现残留气体中的秘密而感到遗憾。其实化学史实已经表明，仅仅依靠当时的化学方法是无法通过化学性质来识别和分离稀有气体的，只有在瑞利把灵敏度远高于化学分析方法的光谱技术引入这项研究后，才解决了检测手段的问题。亦即卡文迪什的‘遗憾源于当时高精度测量技术的阙如。所以，关注其他学科和技术领域的进展，并及时地把它们引入化学研究工作。是这个故事提供给我们的重要启示。化学中许多新领域的诞生和发展，也多与此有密切关系。20世纪60年代后期逐渐形成的稀有气体化学、70年代中期出现的激光化学以及90年代兴起的纳米科技，就是三个有力的例证。”讲到这里，老师停顿了一下接着说：“我再讲一个发生在离我们比较近的故事。教材里有一个关于C60分子结构的插图。形状很像一个经典的足球。它的‘母亲是大家熟悉的石墨。C60在自然界非常少见，所以科学界一直认为碳的晶态单质只有两种，即金刚石和石墨，而且它们代表了碳原子在有机化合物中的两种基本成键方式。1985年，科尔、克罗托和斯莫利用电弧轰击石墨靶时发现了C60等球形和笼形的单质碳，并于1996年获得诺贝尔化学奖。有关C60的故事在很多教科书和科普作品中都可以找到，我就不细说了。值得一提的是。1991年，人们发现用和制备C60同样的实验装置，不仅能够得到C印，还能得到碳纳米管（由类似石墨的六边形网格所组成的管状物，直径处于0.33nm至数十纳米之间）。碳纳米管的稳定性和其他性能远优于C60，为什么科尔等人当时只发现了C60而漏掉了碳纳米管？因为他们当时用于检测的质谱仪只能检测气态的分子及碎片。碳纳米管因难于汽化，进不了他们所用质谱仪的检测系统，所以未能发现。其实检测碳纳米管的手段当时是具备的。例如用高倍电子显微镜是可以观察到碳纳米管的存在和形貌，并非技术条件所限。这个史实给我们的教训是什么？对新的反应体系所得产物进行检测时，检测技术和手段不可单一，对产物中所有未知物的分离和检测不可忽略。”

讲到这里，老师语重心长地说：“这些例子虽然取自化学史实，但是它给我们的启示并不限于化学。它一方面提高了我们对于学科之间、科学和技术之间的相互依存、相互促进关系的认识；另一方面也着重提醒我们在探究事物本质时不要忽视科学精神和作风的重要性。小故事里有大智慧，你们同意吗？”

同学们，读了这些小故事之后，你们对小故事里有大智慧的说法有什么新的体会和看法吗？

责任编辑 侯秀姣