“穿墙而过的分子”：技术支持下的实验迭代改进*

戴 乐 王礼风

（1.江苏省清河中学 江苏 淮安 223001；2.江苏省淮阴中学 江苏 淮安 223300）

化学学科的发展历史告诉我们，无论在基本学科观念的建构中还是在科学思维的形成中，化学实验都扮演着重要的角色，虽然理论化学方法得到了长足的进步，但是所得结论仍然需要通过实验来验证，化学仍然是一门实验性科学。无论是《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》中的核心素养中的“实验探究与创新意识”，还是《义务教育化学课程标准（2022 版）》中的核心素养中的“探究实践”，实验探究实践都是基础教育化学教学的主旋律。［1，2］

“教师不可能教授他们不理解的内容”，教师作为教学中的“组织者”“引导者”，其对科学探究的认识不仅影响着自身的教育教学工作，同时也在影响学生科学本质观形成。现有研究和教师培训主要集中于为教师提供探究教学策略或技能方面的支持。教师要想有效地开展探究教学，开发和引导教师本人主动针对教学过程中遇到的实验探究相关问题进行反思，有意识地提高自己的科学探究观，可能效果会更加凸显。

一、一次实验展示开启的科学探究之旅

在一次市级创新实验展示比赛的准备过程中，化学喷泉实验以其明显的现象受到笔者的关注。化学喷泉实验都是利用负压产生喷泉，能否找到一个正压产生喷泉的化学实验呢？在《无机化学》中发现一则趣味实验——氢气喷泉实验。该实验利用陶素筒壁有透气性，氢气分子小和扩散速率较快的特点（同温同压下，氢气分子的扩散速率是空气的3.8 倍），氢气较容易透过素筒壁，而素筒内空气不易穿出，从而使得筒内压强增大而形成喷泉（见图1）。［3］

图1 氢气喷泉的示意图与实物图

1.第一次改进：利用传统技术手段进行了增强实验现象

在重复了《无机化学》书中的实验后，发现现象非常不明显，无法出现水流的喷射现象。于是在塑料瓶的开口处加了一张滤纸以减缓氢气的扩散，增加素瓷筒周围的氢气浓度和延长氢气与素瓷筒的接触时间，同时将锥形瓶中液体加满，把喷射口拉成尖嘴并用乳胶管与止水夹增加初始喷射时的压强。实验结果证明，液体可以产生喷射，但是只是在止水夹和乳胶管剥离的一瞬间。经过分析，可能是因为进入素瓷筒的氢气量太少，无法产生液体喷泉。因此，最终把改进锁定在用竖直的毛细管来呈现素瓷筒中气体压强的增大。在《化学探究性小实验》书中，作者没有用素瓷筒，而是改在塑料瓶上开了孔后蒙上薄纸板，由于孔径变大，进入塑料瓶内的氢气量增大，的确产生了喷泉。［4］

图2 氢气喷泉的第一次改进图

2.第二次改进：数字化压强传感器和电火花发生器证明进入素瓷瓶的是氢气

毛细管中的液柱上升，只能说明素瓷筒中压强增大，如何证明进去的气体是氢气呢？先在素瓷筒中安装了压强传感器（见图3），通入氢气压强增大，改换二氧化碳和氧气压强不发生变化，初步能证明进入素瓷筒的气体是氢气（见图4）。

图3 氢气喷泉的第二次改进：安装了压强传感器的实验装置

图4 比较实验压强传感显示的结果

通过实验事实进行证据推理是促进科学思维建构的重要内容。我们在实验装置中增加了一组电极，可以产生电弧。如果进入素瓷瓶的是氢气，在激发电弧后，氢气与氧气可以反应，恢复至室温，素瓷瓶内的压强会下降（如图5所示）。由于此时的素瓷筒是一个密闭体系，因此利用实测压强进行爆炸极限的估算。注意安全，氢气爆炸极限是4.0%～75.6%（体积浓度）。

图5 增加了氢气喷泉的第二次改进：电火花发生器的实验装置和实验现象

3.第三次改进：为什么氢气可以进入素瓷筒，而其他气体进不去，也出不来？

为进一步探究原因，借用扫描电子显微镜（SEM）对素瓷筒外表面、横截面和内表面的结构进行了表征，结果如图6所示。由图可知，横截面和内表面密布小孔，且孔径约在1～2 μm，外表面在500 nm标尺下仍看不见小孔，证明素瓷瓶外表面孔径要比内表面和截面小得多，起到筛选与阻拦的作用（氧分子、二氧化碳分子、瓶内原有空气微粒无法进出，氢气分子可以进入）。

图6 SEM扫描图

4.第四次改进：引入空白实验，排除系统误差

由于电弧放电过程中，素瓷瓶内的空气中的氮气与氧气也可能会发生反应，也可能导致气体分子数减小，从而可能会产生瓶内压强下降的现象。为了验证这一猜想，避免系统误差，进行了空白对照实验。在只有空气的素瓷瓶中进行了同样次数放电实验，采集了放电前后的压强数据（见图7），未出现瓶内压强下降现象。

图7 空白实验

二、实验系列改进的反思与体会

实验是科学研究的一种基本方法，能够高度浓缩展示人们认识和发现某一知识、原理的过程；它还是一种重要的科学认识方法，有利于形成创造性思考、明智决策和有效解决各种问题的能力。教学过程本质上是认识过程，学生的认识过程是将人类认识过程“倒过来”的过程；学生认识的起点是人类认识的终点；过程上，则是把“倒过来”的过程再“转回去”，即通过学生典型地、简约地经历人类认识过程的方式，使学生能够主动地全面占有人类认识成果，能够深刻理解人类认识过程的意义、过程与方法，从而使学生能够走入历史并具有创造未来历史的能力、品格与情怀。［5］

而教师则是实现两次倒转中的关键要素，教师决定着“第一次倒转”的实质内容并决定着“第二次倒转”的起点与过程。部分教师在受教育过程中没有接受过专门的科学探究等相关课程的学习，教师对科学探究的认识是在科学学习与教学过程中自发形成的。这样也就可能在教师身上出现科学探究的知与行“两张皮”的现象。

如何有效地开展实验教学，提升实验教学的实际效果，关键在于教师首先要做好实验，然后以简约、典型的方式实现对知识发现过程的“打开”与“重演”，但这种典型“重演”也不是从零开始，而是从学生经验那里找到高级内容的原型，通过改造、扩展、提升、深化而成为科学内容。消除教师的知与行之间存在着壁垒，而追求宣称理论与行动理论的统一，实际上就是追求教师将内化的科学本质外显。除了开设相应的培训课程外，鼓励、开发和引导教师本人主动针对教学过程中遇到的科学探究相关问题进行反思的案例，有意识地提高自己的科学探究观，可能效果会更加凸显。