從兩個著名化學實驗中還能學到什么

宋心琦

“螞蟻的智慧”的故事，日本生物學老師的評語，以及化學老師強調指出的第二、第三點評語和其中包含了對“兩種學習理論”問題答案的暗示，引起了同學們極大的興趣。但是如何從簡單的小故事和短短的兩則評語中領會到其中的深意，一時議論紛紛，得不出一個大家都認可的說法。小沛說：“解鈴還需系鈴人，也許老師可以幫助我們解開這個謎團，何不聽聽老師的意見呢？”這個提議得到了大家的贊同，爭論暫時結束，同學們開始準備自己要向老師提出的問題。

正好這天有化學課，老師一進課堂就從靜謐的教室和同學們臉上的笑容里讀懂了同學們的秘密。在學生起立、師生互相問好后，老師問：“你們是否對我上次講的故事和提示還存在問題？”同學們點頭稱是。老師說：“今天的課程內容不多。我們先用點時間來探討你們的問題吧！要求發言的請舉手，重復的就不要再問了，好嗎？”老師耐心地傾聽著同學們的發言，弄清楚問題的癥結所在之后說，“從這兩個簡單的故事里要找出核心的理念，并不是一件容易的事情，需要有一個學習、思索、實踐、反省和再學習的過程，所以有多種不同的看法、想法和困惑是合理的，對于初學者更是如此。今天我還是不直接回答你們的問題，建議你們試著用從現實生活中尋找正面和反面的實際例子來驗證生物老師評語的方法來尋求自己的答案。基于反復思索和自我批判得出的答案，可以使你們對故事作者所提倡的學習理論和方法的領會更為深刻而具體。上次我在評論日本生物老師的評語時，曾經順帶舉了一些實際例子，大家還記得嗎？你們參考這些事例，經過思索，就有可能找到和日本老師評語相印證的實際事例。如果做到了，就說明你們真正懂了，也就能夠從中體會到兩種學習理論的根本差別了。我們一起來試試這種學習方法，好嗎？”從同學們的掌聲中，老師高興地看出，同學們已經開始有了依靠自主學習和探究來解決問題的勇氣，他們漸漸成熟了！

按照課程計劃，最近要開始做一系列化學實驗。所以老師說：“從下節課開始，我們會接觸到很多化學實驗，有的是我來演示，有的是你們分小組或自己做。”一聽說要做化學實驗，同學們印象中魔術表演的情境立即呈現了出來，有的同學興奮地說：“我最喜歡看魔術了，學了化學，我也可以表演化學魔術了！”

老師說：“為了能夠從化學實驗中學到更多的東西，在準備做一個實驗時，不論是課程計劃規定的實驗，還是你們自己準備做的探索性實驗，第一應當明白要做什么，也就是說想達到什么目的。科學實驗是一種學習過程，不是休閑式的游戲。第二是怎么做，教材提供了實驗指示內容，在實驗目的之下，介紹了所應采取的實驗體系和步驟，我們應當在預習時，弄清楚為什么用這樣的體系和步驟就有可能達到實驗目的。只有這樣，在實驗過程中才能夠從觀察到的現象里學習如何從化學角度認識物質的性質，也就是學會如何通過實驗學習化學。第三是學習規范的操作。第四是總結在實驗過程中的經驗、教訓和撰寫實驗報告。所以，科學實驗不僅有趣。同時也是很嚴肅的學習或探究活動。如果你漫不經心，最多能夠滿足一時的歡愉，不會有什么收獲，留下的將是‘深入寶山空手回的遺憾！”聽了老師的一段話，同學們收起了笑容，課堂靜了下來。同學們初步認識到，原來做科學實驗不同于玩游戲和演魔術，是一種既要動腦又要動手的學習過程，這和課堂聽老師講課也不同，需要自己預習，不僅從實驗現象中學習化學知識和原理，還要自己總結實驗過程中的收獲和教訓。怪不得學習科學必須學會如何進行科學實驗！小沛在自己的筆記本上記下了老師的幾句話，并在最后重重地畫了三個驚嘆號。

老師說：“說起科學實驗，化學史上有很多著名的實驗，這些發現和研究成果被認為是近代化學發展進程中的里程碑。有的澄清了人們對某些自然現象的誤解；有的為化學開拓了新的研究領域；有的則為原來的物質世界增添了新的物種，并對人類的物質生活起著強有力的推動作用。這些事例在化學教材中都有所涉及，我們會在課程進行過程中逐一地介紹。但是里程碑不僅是對過去而言，它對于未來則意味著新的起點。所以學習化學史時，我們不能只強調繼承而忽視了批判和發展。”同學們經常聽到的科學故事，大都是介紹科學成就的重大意義和科學家殫精竭慮地為科學獻身的事跡，很少有人提及如何全面理解所謂里程碑的含義。同學們覺得老師講的有道理，可是如何才能做到呢？同學們陷入了沉思之中。

老師接著說：“從下面的兩個故事中，可以獲得啟示。你們愿意聽我講嗎？”在同學們的一片贊同聲中，老師講了以下兩個故事。

“第一個是關于稀有氣體發現史的故事。在教科書里有簡單的介紹。我這里不講細節，只把從中應該獲得的經驗教訓說清楚。早在1785年，人們已經知道干燥的清潔空氣中含有氮氣、氧氣和二氧化碳。卡文迪什在研究空氣組成時，發現用常規的化學方法從空氣中把上述這些成分除盡后還殘留有少量氣體。但是這一發現并沒有引起科學界的重視。誰曾想到這其中競隱藏著一個完整的化學元素家族！100多年后，物理學家瑞利發現從含氮化合物中分離出來的氮氣比從空氣中分離出來的氮氣每升質量多0.0064g（前者密度為1.2508g/L）。后來在化學家萊姆賽的合作下，于1894年用光譜分析法從剩余氣體中發現了氬，繼而陸續發現了其他稀有氣體。因為它們和一般的化學試劑不能發生化學反應，曾被稱作惰性氣體，在元素周期表中列為0族。在談及這段歷史時。人們常為卡文迪什未能發現殘留氣體中的秘密而感到遺憾。其實化學史實已經表明，僅僅依靠當時的化學方法是無法通過化學性質來識別和分離稀有氣體的，只有在瑞利把靈敏度遠高于化學分析方法的光譜技術引入這項研究后，才解決了檢測手段的問題。亦即卡文迪什的‘遺憾源于當時高精度測量技術的闕如。所以，關注其他學科和技術領域的進展，并及時地把它們引入化學研究工作。是這個故事提供給我們的重要啟示。化學中許多新領域的誕生和發展，也多與此有密切關系。20世紀60年代后期逐漸形成的稀有氣體化學、70年代中期出現的激光化學以及90年代興起的納米科技，就是三個有力的例證。”講到這里，老師停頓了一下接著說：“我再講一個發生在離我們比較近的故事。教材里有一個關于C60分子結構的插圖。形狀很像一個經典的足球。它的‘母親是大家熟悉的石墨。C60在自然界非常少見，所以科學界一直認為碳的晶態單質只有兩種，即金剛石和石墨，而且它們代表了碳原子在有機化合物中的兩種基本成鍵方式。1985年，科爾、克羅托和斯莫利用電弧轟擊石墨靶時發現了C60等球形和籠形的單質碳，并于1996年獲得諾貝爾化學獎。有關C60的故事在很多教科書和科普作品中都可以找到，我就不細說了。值得一提的是。1991年，人們發現用和制備C60同樣的實驗裝置，不僅能夠得到C印，還能得到碳納米管（由類似石墨的六邊形網格所組成的管狀物，直徑處于0.33nm至數十納米之間）。碳納米管的穩定性和其他性能遠優于C60，為什么科爾等人當時只發現了C60而漏掉了碳納米管？因為他們當時用于檢測的質譜儀只能檢測氣態的分子及碎片。碳納米管因難于汽化，進不了他們所用質譜儀的檢測系統，所以未能發現。其實檢測碳納米管的手段當時是具備的。例如用高倍電子顯微鏡是可以觀察到碳納米管的存在和形貌，并非技術條件所限。這個史實給我們的教訓是什么？對新的反應體系所得產物進行檢測時，檢測技術和手段不可單一，對產物中所有未知物的分離和檢測不可忽略。”

講到這里，老師語重心長地說：“這些例子雖然取自化學史實，但是它給我們的啟示并不限于化學。它一方面提高了我們對于學科之間、科學和技術之間的相互依存、相互促進關系的認識；另一方面也著重提醒我們在探究事物本質時不要忽視科學精神和作風的重要性。小故事里有大智慧，你們同意嗎？”

同學們，讀了這些小故事之后，你們對小故事里有大智慧的說法有什么新的體會和看法嗎？

責任編輯 侯秀姣