科学精神：化学启蒙教育的循证与追问

黄丹

摘要：化学启蒙教育的目的在于激发孩子的好奇心，培养孩子坚毅专注、质疑求证、纠错批判的科学精神。本研究以空气中氧气含量的探究为载体，对学生进行人文精神和科学精神的渗透和浸润，彰显化学启蒙教育立德树人的功能。

关键词：化学启蒙教育;科学精神;探究实验;氧气含量测定

文章编号：1008-0546（2022）07-0083-05中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.07.021

化学启蒙教育，是一个值得教师探讨的问题。化学学科能够启蒙孩子哪些素养？化学启蒙教育对科学精神的涵育有何深远影响？科学精神对于14、15周岁少年的价值何在？本文将以“空气中氧气含量的测定”为案例作一些探索。

一、提出问题

在“测定空气中氧气的含量”的教学中，师生常常有这样的困惑：用氧气传感器可以便捷地测出空气中氧气的含量，而用红磷测定空气中氧气的含量，误差大且有污染，还有必要做吗？其实，像这样的疑问还有很多：“质量守恒定律”的教学中，大家都已经知道，化学反应前后质量是守恒的，还有必要做“那两个演示实验”吗？“物质的分散”教学中，“氯化钠、高锰酸钾、泥沙溶于水”这个实验，还有必要演示吗？等等。

我们不难发现，很多“已有結论”的实验，在教学中的作用问题常常困扰着教学者和学习者，因此，如何正确看待化学实验的功能，这一点，在化学启蒙教育中尤其值得深思，也更值得追问。化学启蒙的意义在于启发孩子“像科学家一样的思考”，在于“穿越时空的对话”，在于“好奇地专注于实验的所有细节”，在于“激活孩子的惊诧感”。

二、关于化学启蒙教育与科学精神

1.化学启蒙教育

化学启蒙教育，是在化学学科学习中实施的“启蒙的科学教育”。因此，从学段上看，化学学科的启蒙教育宜从初中入门开始。化学启蒙教育从“人是如何学习的”来看，当从激发好奇心和激活求知欲入手;从“实施方案”来看，宜从“化学实验”和“综合阅读”方面着手;化学启蒙教育主要应指向化学思维、化学实验方法和化学思想渗透等。这里顺便说一下，化学启蒙教育与化学启蒙是两个不同概念，前者侧重于每个儿童进行化学学科学习的方法论视角，后者则是面向“人类对化学学科的科学认知、理解和应用”。

2.科学精神

科学是一个建立在可检验的解释和对客观事物的形式、组织等进行预测的有序的知识系统，是已系统化和公式化了的知识。其对象是客观现象，内容是形式化的科学理论，形式是语言，包括自然语言与数学语言。有人认为，所有今天已经知道是不正确的东西，都应该被排除在“科学”之外，但这种想法在逻辑上是荒谬的——因为这将导致科学完全失去自身的历史。科学是一个不断进步的阶梯，今天“正确的”结论，随时都可能成为“不正确的”或“不够正确”[1]。所以科学精神主要指理性求真的实证精神、质疑纠错的批判精神、百折不挠的坚毅精神、大胆尝试的创新精神。

三、科学精神的涵育实践

1.培养专注和坚毅精神

美国积极心理学硕士卡洛琳·亚当斯·米勒（Caro⁃ line Adams Miller）提出坚毅的定义：“充满热情地追求艰难目标，那些目标使人感到敬畏和鼓舞，激励人们变得更优秀，在情感上更加丰盈，勇于承担风险，并且过上他们最好的生活。”[2]现如今的爷爷奶奶包括爸爸妈妈对孩子大包大揽、温柔呵护，剥夺了孩子锻炼自我的机会，导致孩子在受到批评或遇到挫折时容易受伤，缺少责任感，脆弱和自恋，缺乏挑战困难的动力和勇气，缺乏坚毅品质，而科学精神的探索在一定程度上可以培养学生们的坚毅精神。

笔者选取化学史料——拉瓦锡研究空气组成的实验进行教学。

【实验1】实验装置见图1[3]。

在曲颈瓶中加热4盎司汞，玻璃钟罩及曲颈瓶中空气体积约为50立方英寸。加热第1天，瓶中的汞不断蒸发，以微滴的形式覆盖了整个器皿内表面;第2 天，瓶中汞表面出现红色粉末，随后，不断增加。12天后，红色粉末不再增加。此时，停止加热，结束实验。使装置冷却至实验前，经测量，空气的体积为42立方英寸。

【实验2】将瓶中的汞表面的红色粉末收集起来，其质量为45格令。将这45格令的红色粉末置于一个小的曲颈瓶，并将曲颈瓶与一个易于收集气体或液体的装置相连，加热曲颈瓶，最终得到41.5格令的汞和8立方英寸的某种气体。炭等物质在这种气体中燃烧远比空气中燃烧剧烈。

【实验3】拉瓦锡将得到的8立方英寸的氧气加入到实验1 中剩下的42立方英寸空气中，发现得到的混合气体的性质几乎与空气相同。

（注：盎司、格令为英制质量单位。1盎司=437.5格令）

【师】提问：拉瓦锡能够连续加热12天，你能为了一个实验，操作并观察12天吗？

【生】学生交流讨论后提出：拉瓦锡专注和坚毅的品质值得我们学习。学生还提出曲颈瓶中的汞过量的污染问题。

【师】拉瓦锡为什么要将红色氧化汞再加热，“还原出原来的空气”，这样做实验的思维特质是什么？……

【生】学生交流讨论，大多数学生提出：拉瓦锡严谨求实的科学精神值得我们学习，还有同学提到了质量守恒定律。

【师】拉瓦锡的空气组成还原实验，体现了科学实验的可检验、可重复、多证据视角。从思维特质来看，就是严谨性和深刻性，以及从定性走向定量是科学的必然趋向。

化学史料：拉瓦锡描述煅烧汞灰的制备过程的艰辛。

汞甚至在畅通的空气中都难以氧化，在化学实验室里，这个过程通常在一个长径卵形瓶中进行，该卵形瓶有非常扁平的瓶体和非常长的瓶颈，此器皿通常被称为波义耳巢，导入的汞量足以盖住瓶底，将其置于沙浴之中，沙浴保持着持续的热使汞沸腾，用五个或六个类似的长颈卵形瓶连续这种操作几个月，不时的更新汞，最后得到几盎司红色氧化物，此装置极缓慢极不方便是由于不充分更换空气，但是另一方面，如果与外部空气的循环过于流畅，就会夺走蒸汽状态的汞，以致容器中几天之内都不会留下任何东西[4]。

【师】读完这段史料，你有什么感想？

【生】师生交流：多数学生都被化学家专注科学实验的艰辛和热情所感动，决心向拉瓦锡学习。

【师】科学家做研究向来都离不开专注，他们沉浸于探索未知世界，不是为了个人私利，而是为人类谋幸福。

【专注和坚毅品质培养的问卷调查表】具体内容如表1。

基于問卷调查的结果分析：化学对学生的坚毅和专注品格的训练养成效果显著。空气组成化学史的教学，抓住学生追根溯源的天性，既有助于学生了解知识的来龙去脉，又激发学生学习化学的热情，同时，也让同学体会到科研的严谨和艰辛，体会坚毅专注的科学家精神，树立正确的价值观。这也是维持初学者对化学好奇心的重要支柱，开启化学启蒙教育的重要方式。

2.培养质疑和求实精神

怀疑，就是对已经被认为是真理的理论持不同态度的心理状态。“怀疑”一词在汉语中有两个很不相同的意思，一指猜疑，一指不相信。科学精神的“怀疑”指的是不相信，确切地说是不轻信。

科学的怀疑精神始于古希腊。当时的怀疑论者被称为Skeptikos，意思是“探究者”。他们反对教条主义，对于各种说教、理论首先持怀疑态度，然后去分析、判断、推理，最后确定其真伪。著名的科学方法论学者波普尔说：“正是怀疑、问题激发我们去学习，去发展知识，去观察。”[5]

【师】为了避免汞中毒，教材中改用红磷代替汞，但红磷燃烧生成的五氧化二磷有毒，且实验成功率低，误差大。可以用什么物质来代替红磷呢？

【生】木炭燃烧、蜡烛燃烧。

【师】木炭蜡烛燃烧生成的是气体，压强变化如何？

【生】学生交流讨论后提出：不可以，没有水进入广口瓶，因为生成二氧化碳的体积等于消耗氧气的体积。

学生实验：

实验操作：将一根点燃的蜡烛，竖立在盛有水的小盆里，滴入几滴色素，将锥形瓶倒扣在蜡烛上。

实验现象：见图2，蜡烛慢慢熄灭，水进入锥形瓶，液面没有上升五分之一，但是水确实进入了锥形瓶。

【师】实验的实际结果比标准答案要复杂得多，进入锥形瓶中水的量，受瓶内空气热膨胀程度、蜡烛的长短、蜡烛燃烧的程度等多种因素影响。不能用木炭或蜡烛代替红磷的原因是多方面的[6]。

师生一起做实验，实验的目的不仅仅是为了验证，更是在于发现和讨论。一个结论是否科学、是否切实可行，必须要在“执行”环节中去验证、去鉴别。施一公院士说：做学问必须诚实，这是基本的学术道德。要有一说一，实事求是，尊重原始实验数据的真实性。在诚实做研究的前提下，对具体实验结果的分析、理解有偏差甚至错误是很常见的，这是科学发展的正常过程。

学生质疑和求实精神的培养是需要过程的，创设探究、民主、宽松、和谐的学习氛围是培养学生质疑求实精神的保证，实验教学是培养学生质疑求实精神的关键。

3.培养纠错的耐挫精神

耐挫力包含挫折容忍力和挫折超越力两个方面。容忍力就是不肯退让的一种心理力量，一个人若能容忍挫折，就一定会提高耐挫力的水平。但容忍力是消极的。挫折超越力是摆脱挫折、积极进取的一种心理力量，是积极的。当遭受挫折时，不能单纯容忍，应当面对困难，保持希望、树立信心，化消极为积极。它体现着一个人健康、成熟的心态。爱迪生做了6000多次实验发明了灯泡，居里夫人用4年时间从几吨沥青中提炼出0.1克的镭。科学实验就是不断纠错、不断改进的过程，耐挫力是科学精神中必不可缺的。

【师】铁丝能否代替红磷做实验呢？

【生】有的学生回答不可以，理由是铁丝在空气中点不燃，有的学生回答说可以，因为铁生锈会消耗氧气。

学生实验：

实验操作：把一团用盐水浸过的铁丝放在圆底烧瓶里，用双孔橡皮塞塞紧，接一个盛水的大烧杯[7]。

实验现象：一周后，看到银白色铁丝上出现红色物质，烧杯中的水倒吸进入圆底烧杯;一个月后，液面上升如图3所示。

【师】铁丝实验不成功，原因是复杂的。实验受条件限制，条件不同，现象、产物会不同。

【生】把铁丝改成铁粉呢？

学生实验：

实验操作：把铁粉用食盐水浸湿，用氧气传感仪检测耗氧量。

实验现象：耗时45 min，耗氧量不到1%。如图4。

【师】实验再次失败，是继续改进实验还是放弃？

【生】不放弃，查阅资料，继续改进。

学生实验：

实验操作：先将2张滤纸放入氧气传感器配套容器中，用胶头滴管吸取浓食盐水浸湿滤纸，将滤纸紧贴瓶壁，将事先称好的2 g还原铁粉和2.5 g 活性炭粉混合均匀倒入氧气传感器配套容器中，使混合物均匀附着在配套容器的瓶内壁，旋紧氧气传感器配套容器的胶塞，采集数据（见图5、图6）[ 8]。

实验分析：从曲线变化看，该实验在5 min 之内，含氧量下降大约12%，1 h不到，氧气残留量为0.43%。

实验结论：可以用铁粉来测定空气中氧气的含量。实验误差小，无污染。

该实验师生反复做30多次，实验结果基本相同，符合科学实验的可重复性。但该实验还有问题，做这个实验用的是颗粒状的活性炭，研磨成粉末，活性炭粉研磨得越细，实验效果越好，但研磨耗时费力，学生提出：能否用现成的活性炭粉呢？我们改成网购的活性炭粉、木炭粉做实验，但实验现象没有出现，至今没找到原因。

师生坚持做实验，面对失败不放弃，在一次次失败的纠错中，锻炼了耐挫力，培养了耐挫精神。耐挫力不是天生的，而是在多次失败后，坚决不放弃的过程中产生的。

4.培养严谨的实证精神

严谨，形容态度严肃谨慎，细致、周全，完善、追求完美。今天的世界，是科学的世界，是数字化的世界，精确精准不仅是对科研工作者的要求，也是对普通人的要求[9]。

实证，就是在科学探究过程中，解释、结论都是以事实为依据，不作伪并经得起事实反复论证。实证精神就是科学探究或者生活中，都以事实为依据的意识和思想。实证，是不能靠主观來判断，能够重复，能够被别人独立验证。

【师】化学是造福人类的科学，绿色环保是化学永恒的追求，做完实验后的木炭、生锈的铁粉和氯化钠该如何处理呢？

【生】分离回收，将混合物溶解过滤干燥。【师】滤纸上的滤渣中是否混有氯化钠？【生】可能会有。

教师演示实验，洗涤滤渣三次，测量洗涤液的电导率，数据分别是：1000μS/cm，790μS/cm，70μS/cm，用蒸馏水做空白对照实验，数据是60μS/cm。（实验数据受电导率传感器校准的影响和蒸馏水纯度的影响。）

从三次洗涤液和蒸馏水的电导率数据对比中，学生体会到化学实验的严谨性和实证性，同时从定性到定量认识了化学。教师结合教材上的拓展视野部分——稀有气体的发现，瑞利在研究氮气密度时没有放过微小的差异，经过两年多的实验研究和推理分析，发现了氩气。让学生明白无论是科学研究、发明创造，都是从细微之处的改变开始的。唯有具备严谨求实的态度，才有可能在别人忽略的方面，有全新的认识、理解和发现。

四、结语

化学启蒙教育的核心是激发学生的好奇心和对化学的热情，对学生科学精神的培养是在具体的、反复的实践中落实的。

以探究空气中氧气的含量为载体，引导学生阅读人物传记，如《拉瓦锡》《居里夫人》《门捷列夫》《波义耳》;环保类书籍，如《寂静的春天》《大地回心》等，激发学生萌生保护环境的责任感和使命感。科学精神的内核在于“求真”，人文精神的内核在于“求善”[5]。在化学启蒙教学中，将二者很好地结合，完善学生的人格，培养复合型人才，体现知识服务于人类的科学精神，可进一步彰显化学学科教育立德树人的功能。

参考文献

[1] 江晓原.科学反思：两种文化[M]. 上海：上海教育出版社，2019：5.

[2] 卡洛琳·亚当斯·米勒.坚毅[M]. 北京：机械工业出版社，2020：5.

[3] 李斌，李继良.从化学学科核心素养到学生学习活动——基于证据推理与模型认知的“空气”教学[J]. 化学教育（中英文），2020，41（3）：54.

[4] 冯翔，袁江洋.批判性实验：拉瓦锡化学革命研究[M]. 北京：科学出版社，2015：120.

[5] 余德刚.当代大学生科学精神与人文精神融合问题研究[M]. 成都：西南财经大学出版社，2010.

[6] 许小忠，陈和祥.测定空气中氧气含量的实验探究与反思[J]. 化学教学，2008（4）：14.

[7] 王祖浩.科学发现者：化学概念与应用[M]. 杭州：浙江教育出版社，2008.

[8] 徐泓，夏建华，盛恩宏.对“空气中氧气含量测定实验”的改进[J]. 化学教育（中英文），2018（5）：70-72.

[9] 李春蕾.科学精神：创新驱动的核心[M]. 上海：中华工商联合出版社，2019：44.