有價值的異?，F象“微科技”課題的教學實施

凌一洲 程鵬

摘要： 異?，F象是指化學實驗中實際發生的與預期正常結果不符的現象，它由實驗者未知的規律造成。學生在排查實驗、查閱文獻并評估可行性后，可將價值較高的異常現象作為研究性課題的選題，通過假設—驗證法等方法探究其產生的原因，最后對發現的規律加以轉化應用。基于異?，F象的研究性課題具有小切口、低成本、易開發、有價值等特征，屬于“微科技”課題，其實施滿足“微科技”課程設計中知識內容的豐富性、綜合實踐的趣味性、培養方式的獨特性的要求。引導學生將實際中遇到的異?，F象轉化為個性化的研究性課題，并以實踐研究的形式完成課題，是“微科技”滲透于化學學科的重要途徑。

關鍵詞： 異?，F象;微科技;研究性課題;化學教學

文章編號： 10056629（2018）3003403 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 引言

縱觀化學史，許多新元素、新物質的發現和新學說、新理論的創立都來源于實驗的異?，F象 [1]?？梢姡惓，F象不一定是誤差或失誤造成的，其背后可能隱含著實驗者不知道的客觀規律。在實施化學實驗教學時也經常能遇到各種異常現象，引導學生進一步探究其原因并將其發展成為研究性課題，符合“微科技”滲透于化學實驗教學的要求。

2013年起，江蘇省南菁高級中學開始了微科技課程的探索實踐，2015年筆者出版了《微科技實踐錄》一書，2017年南菁高中被省教育廳確定為“江蘇省微科技課程基地”，學校以微小切口的科技創新為切入點，將包括化學在內的各科課程與學校拓展課程和綜合課程有機整合，形成具有南菁特色的微科技課程群。

2 概念界定

2.1 微科技

“微科技”概念的提出基于中學教育在創新人才培養中的基礎性地位。微科技以微小切口的科技創新為切入點，從基礎教育本身的特點出發，探索培養學生科學素養和創新能力的有效途徑?！拔ⅰ睆娬{創新實踐的部分基于學生興趣、源于課堂學習，具有小切口、低成本、易開發、有價值等特征。

2.2 異常現象及其課題

在教師演示實驗或學生實驗的過程中，如果實驗者觀察到的實際現象與預期現象不符，就可認定該現象為異常現象。

基于異?，F象的研究性課題是指，對于具有較高研究價值的異?，F象，在評估可行性后可確定為研究性課題，學生需要通過提出假設、設計方案、驗證假設等步驟進行各種探究活動，解釋異?，F象產生的原因并爭取將發現的規律推廣應用，最后完成總結報告。

3 實施方法

3.1 選題設計

選題設計的步驟見圖1。

圖1 選題設計的步驟

實驗時，學生應仔細觀察反應中顏色、狀態、氣味、溫度等方面的變化（如果肉眼無法看清，可做可視化改進 [2]）。如果發現異常現象，則需仔細觀察并及時記錄，最好能拍照、錄像記錄。產生異常現象的原因主要有兩點： 一是實驗誤差或失誤（操作不當、試劑變質、儀器精度太低等），二是存在知識盲點。前者可以通過排查實驗發現，進而改正錯誤、重做實驗，而后者就值得實驗者進一步研究。

由于許多異?，F象的成因其實很簡單，可以詢問教師后直接得到答案;抑或是他人也曾經遇到過同類問題并已經作出解釋，可以查閱文獻后獲得答案。如果自己遇到的異?，F象無法在文獻中找到解釋，則可以說明該發現具有新穎性，有一定研究價值。接下來，學生需要對研究異?，F象的可行性作出評估，預測成本是否低廉（是否需要大量的時間精力、能否就地取材完成研究）、開發是否容易（能否用高中所學知識加上簡單的自學完成任務）。如果可行，就可以確定為研究性課題的選題。

值得一提的是，實驗者在發現異?，F象后往往會非常激動，迫不及待地直接開始研究（如案例1所示），這樣很容易走彎路。

案例1 筆者在中學時代曾做過鎂條與沸水反應的實驗，遇到了至今仍然記憶猶新的異?，F象： 把試管在酒精燈上加熱一段時間后，突然有火焰從試管口噴出，火焰長度約5cm，持續時間約1s。筆者非常興奮，立刻做出了“生成了純凈的氫氣”等假設并開展實驗，但屢次受挫。直到最后筆者才排查第一次的實驗，找到了原因： 筆者為了讓酚酞變紅更明顯，沒有按照實驗要求先加水再滴2滴酚酞溶液，而是直接用酚酞溶液代替了水。由于酚酞溶液中酒精含量很高，在加熱時揮發出來，在試管口燃燒。

案例1表明，如果在開展研究前能保持冷靜，事先排查錯誤，就能避免不少的無用功。

案例2 一次公開課上，筆者在氯化亞鐵溶液中加入幾滴高錳酸鉀，再用硫氰化鉀溶液檢測鐵離子，結果溶液沒有變成血紅色。筆者立刻排查實驗，發現了問題所在： 由于裝有氯化亞鐵的細口瓶與苯酚溶液放置在了一起，苯酚可能已經揮發并溶解到了氯化亞鐵中。而高錳酸鉀溶液的濃度又很低（為防止其本身的紫紅色掩蓋鐵離子檢驗時的血紅色），所以高錳酸鉀溶液在加入氯化亞鐵溶液后馬上被苯酚還原，失效了。筆者在沒變紅的溶液中繼續加入幾滴高錳酸鉀溶液后，溶液立刻變紅。

由此可見，許多異?，F象其實是操作不規范、試劑變質等各種失誤造成的，在研究異?，F象前先排查錯誤非常有必要。

3.2 實驗探究

為研究異常現象產生的原因，可以按照圖2的步驟實施研究。為避免實驗的偶然性，課題實施者應該在原來的條件下重做實驗（盡量在原來的環境中使用原來的試劑、儀器），嘗試復原異?，F象。如果未能復原，則需比較兩次實驗條件的細微差異，重新排查實驗。如果可以復原，則代表異?，F象具有一定范圍的普遍性，代表了未知的客觀規律。

探究這些規律的最常用的方法是假設—驗證法，學生可在參考資料的基礎上用所學知識對異常現象的原因提出假設，并運用不同的實驗方法，設計驗證性實驗驗證假設。

圖2 實施探究的步驟

案例3 在做鋅片與1mol/L硫酸銅反應的實驗時，由于硫酸銅剛好用完，筆者用等濃度的氯化銅溶液代替，卻意外地發現反應速率加快了很多。筆者重新配制了等濃度的硫酸銅和氯化銅溶液，并做對比試驗，依然存在這個異常現象。為探究原因，筆者作出假設： 是氯離子加快了反應速率。為驗證假設，筆者在原硫酸銅溶液里加入氯化鈉固體，使氯離子的濃度也達到1mol/L后再與鋅片反應，發現速率與氯化銅基本相同，驗證了假設 [3—5]。此外，還可以在鋅片上同時滴加等pH的稀硫酸和稀鹽酸，會發現稀鹽酸與鋅反應較快，也可以得到相同的結論 [6]。

實際上，案例3的異常現象是由于氯離子穿透金屬晶體表層膜或裂縫的能力較強 [7]而造成的。這是中學生沒有學過的規律，但可以在課題探究時發現。

案例4 在做鉀的焰色反應時，筆者用鉑絲蘸取硫酸鉀（化學純）溶液，在酒精燈上灼燒，但透過藍色鈷玻璃幾乎看不到紫色火焰。事后，有學生作出假設，并完成了如下探究實驗（見表1）。

如案例4所示，如果一次假設未能得到驗證，則需繼續提出假設并反復驗證，直至得出結論、解釋異常現象。

在現實中，雖然在實驗開展前已經進行了篩選、評估、論證，但限于實驗條件、師生精力等因素，有時作出多種假設并驗證后依然得不到確切結論。即便如此，實驗探究找出了異常現象的非影響因素，這個過程依然有意義，學生仍然應該將假設內容和驗證實驗如實記錄。

3.3 總結應用

在異?，F象得到解釋后，學生已經發現了原本未知的規律（或已知規律的新的表現形式），這本身就是研究性課題的成果之一。為使成果得以運用，可從以下兩個方面考慮（見圖3）。一是將發現的規律運用于實驗改進，包括實驗方法的改進（改進原實驗、設計新實驗）和實驗儀器的改進（自制教具）。例如張樹榮在解決密信實驗中出現打印紙變藍、碘酒涂在打印紙上變黑等異?，F象后，作出了噴霧法的改進，提高了成功率 [8];再例如筆者在做硫酸銅與氫氧化鈉反應的實驗時遇到產物不單一的異?，F象，在探究其原因后根據其原理設計了趣味實驗 [9]。二是將規律應用于實際，既可以設計應用于生產生活的新發明，又可以因此解決實驗中的實際問題。

圖3 成果推廣應用的步驟

對成果推廣應用的要求是能達到有益效果，例如改進后的實驗應提高成功率、加強可視性和趣味性、綠色化、微型化等，應用于實際的成果應使用科學的方法，從新的角度或者以新的方式解決問題，并具有可預見的社會效益或經濟效益。此類課題也特別適合與青少年科技創新大賽等活動對接。

4 微科技在課題中的體現

微科技課程以微科技項目為載體，讓學生在做中學習、樂中探究、研中創造。微科技項目具有小切口、低成本、易開發、有價值的特征，尊重學生個體的差異性，體現個性化的創新實踐;課程設計追求知識內容的豐富性、綜合實踐的趣味性、培養方式的獨特性。以此提升學生在科學領域內的核心素養，為培養適應時代發展需要的創新型人才奠定基礎。

基于異常現象的研究性課題的特征符合微科技項目4種特征（見表2），其產生的有利效果也滿足微科技課程的整體設計要求（見表3）。因此，開展此類課題是微科技滲透于化學實驗教學的重要途徑，教師應積極引導，充分發揮異?，F象的教育功能和教學價值，鼓勵學生以開展課題的形式進行創新實踐。

參考文獻：

[1]王大全.試論對化學實驗中異?，F象的教學策略[J].化學教育，2004，25（6）： 48～49.

[2]凌一洲.從美的發生到美的體驗、美的創造——利用可視化實驗室實現美育滲透的探索[J].化學教學，2017，（12）： 10～13.

[3]李耀軍，金東升，余新紅.鋁與硫酸銅溶液反應的適宜條件探究[J].化學教學，2015，（8）： 54～55.

[4]范艷花，趙俊偉，孫丹兒.鋁與氯化銅溶液反應異?，F象的探究[J].化學教學，2010，（2）： 9～11.

[5]吳朝輝.對鋁和氯化銅反應的異?，F象解釋的補充與商榷[J].化學教學，2016，（12）： 90～92.

[6]陳恕華.不宜用熱力學原理解釋反應速率問題——兼談鋅與稀硫酸溶液的反應[J].化學教學，2001，（3）： 43～44.

[7]談小強.關于鋼鐵腐蝕的理論探討和實驗分析[J].化學教學，2012，（5）： 47～48.

[8]張樹榮，厲敏娜，魏魯毓.化學密信實驗“異?！爆F象探析及改進[J].化學教學，2014，（12）： 76～77.

[9]凌一洲.硫酸銅與氫氧化鈉溶液反應的實驗探究[J].化學教學，2015，（9）： 39～41.