“穿墻而過的分子”：技術支持下的實驗迭代改進*

戴 樂 王禮風

（1.江蘇省清河中學 江蘇 淮安 223001；2.江蘇省淮陰中學 江蘇 淮安 223300）

化學學科的發展歷史告訴我們，無論在基本學科觀念的建構中還是在科學思維的形成中，化學實驗都扮演著重要的角色，雖然理論化學方法得到了長足的進步，但是所得結論仍然需要通過實驗來驗證，化學仍然是一門實驗性科學。無論是《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》中的核心素養中的“實驗探究與創新意識”，還是《義務教育化學課程標準（2022 版）》中的核心素養中的“探究實踐”，實驗探究實踐都是基礎教育化學教學的主旋律。［1，2］

“教師不可能教授他們不理解的內容”，教師作為教學中的“組織者”“引導者”，其對科學探究的認識不僅影響著自身的教育教學工作，同時也在影響學生科學本質觀形成。現有研究和教師培訓主要集中于為教師提供探究教學策略或技能方面的支持。教師要想有效地開展探究教學，開發和引導教師本人主動針對教學過程中遇到的實驗探究相關問題進行反思，有意識地提高自己的科學探究觀，可能效果會更加凸顯。

一、一次實驗展示開啟的科學探究之旅

在一次市級創新實驗展示比賽的準備過程中，化學噴泉實驗以其明顯的現象受到筆者的關注。化學噴泉實驗都是利用負壓產生噴泉，能否找到一個正壓產生噴泉的化學實驗呢？在《無機化學》中發現一則趣味實驗——氫氣噴泉實驗。該實驗利用陶素筒壁有透氣性，氫氣分子小和擴散速率較快的特點（同溫同壓下，氫氣分子的擴散速率是空氣的3.8 倍），氫氣較容易透過素筒壁，而素筒內空氣不易穿出，從而使得筒內壓強增大而形成噴泉（見圖1）。［3］

圖1 氫氣噴泉的示意圖與實物圖

1.第一次改進：利用傳統技術手段進行了增強實驗現象

在重復了《無機化學》書中的實驗后，發現現象非常不明顯，無法出現水流的噴射現象。于是在塑料瓶的開口處加了一張濾紙以減緩氫氣的擴散，增加素瓷筒周圍的氫氣濃度和延長氫氣與素瓷筒的接觸時間，同時將錐形瓶中液體加滿，把噴射口拉成尖嘴并用乳膠管與止水夾增加初始噴射時的壓強。實驗結果證明，液體可以產生噴射，但是只是在止水夾和乳膠管剝離的一瞬間。經過分析，可能是因為進入素瓷筒的氫氣量太少，無法產生液體噴泉。因此，最終把改進鎖定在用豎直的毛細管來呈現素瓷筒中氣體壓強的增大。在《化學探究性小實驗》書中，作者沒有用素瓷筒，而是改在塑料瓶上開了孔后蒙上薄紙板，由于孔徑變大，進入塑料瓶內的氫氣量增大，的確產生了噴泉。［4］

圖2 氫氣噴泉的第一次改進圖

2.第二次改進：數字化壓強傳感器和電火花發生器證明進入素瓷瓶的是氫氣

毛細管中的液柱上升，只能說明素瓷筒中壓強增大，如何證明進去的氣體是氫氣呢？先在素瓷筒中安裝了壓強傳感器（見圖3），通入氫氣壓強增大，改換二氧化碳和氧氣壓強不發生變化，初步能證明進入素瓷筒的氣體是氫氣（見圖4）。

圖3 氫氣噴泉的第二次改進：安裝了壓強傳感器的實驗裝置

圖4 比較實驗壓強傳感顯示的結果

通過實驗事實進行證據推理是促進科學思維建構的重要內容。我們在實驗裝置中增加了一組電極，可以產生電弧。如果進入素瓷瓶的是氫氣，在激發電弧后，氫氣與氧氣可以反應，恢復至室溫，素瓷瓶內的壓強會下降（如圖5所示）。由于此時的素瓷筒是一個密閉體系，因此利用實測壓強進行爆炸極限的估算。注意安全，氫氣爆炸極限是4.0%～75.6%（體積濃度）。

圖5 增加了氫氣噴泉的第二次改進：電火花發生器的實驗裝置和實驗現象

3.第三次改進：為什么氫氣可以進入素瓷筒，而其他氣體進不去，也出不來？

為進一步探究原因，借用掃描電子顯微鏡（SEM）對素瓷筒外表面、橫截面和內表面的結構進行了表征，結果如圖6所示。由圖可知，橫截面和內表面密布小孔，且孔徑約在1～2 μm，外表面在500 nm標尺下仍看不見小孔，證明素瓷瓶外表面孔徑要比內表面和截面小得多，起到篩選與阻攔的作用（氧分子、二氧化碳分子、瓶內原有空氣微粒無法進出，氫氣分子可以進入）。

圖6 SEM掃描圖

4.第四次改進：引入空白實驗，排除系統誤差

由于電弧放電過程中，素瓷瓶內的空氣中的氮氣與氧氣也可能會發生反應，也可能導致氣體分子數減小，從而可能會產生瓶內壓強下降的現象。為了驗證這一猜想，避免系統誤差，進行了空白對照實驗。在只有空氣的素瓷瓶中進行了同樣次數放電實驗，采集了放電前后的壓強數據（見圖7），未出現瓶內壓強下降現象。

圖7 空白實驗

二、實驗系列改進的反思與體會

實驗是科學研究的一種基本方法，能夠高度濃縮展示人們認識和發現某一知識、原理的過程；它還是一種重要的科學認識方法，有利于形成創造性思考、明智決策和有效解決各種問題的能力。教學過程本質上是認識過程，學生的認識過程是將人類認識過程“倒過來”的過程；學生認識的起點是人類認識的終點；過程上，則是把“倒過來”的過程再“轉回去”，即通過學生典型地、簡約地經歷人類認識過程的方式，使學生能夠主動地全面占有人類認識成果，能夠深刻理解人類認識過程的意義、過程與方法，從而使學生能夠走入歷史并具有創造未來歷史的能力、品格與情懷。［5］

而教師則是實現兩次倒轉中的關鍵要素，教師決定著“第一次倒轉”的實質內容并決定著“第二次倒轉”的起點與過程。部分教師在受教育過程中沒有接受過專門的科學探究等相關課程的學習，教師對科學探究的認識是在科學學習與教學過程中自發形成的。這樣也就可能在教師身上出現科學探究的知與行“兩張皮”的現象。

如何有效地開展實驗教學，提升實驗教學的實際效果，關鍵在于教師首先要做好實驗，然后以簡約、典型的方式實現對知識發現過程的“打開”與“重演”，但這種典型“重演”也不是從零開始，而是從學生經驗那里找到高級內容的原型，通過改造、擴展、提升、深化而成為科學內容。消除教師的知與行之間存在著壁壘，而追求宣稱理論與行動理論的統一，實際上就是追求教師將內化的科學本質外顯。除了開設相應的培訓課程外，鼓勵、開發和引導教師本人主動針對教學過程中遇到的科學探究相關問題進行反思的案例，有意識地提高自己的科學探究觀，可能效果會更加凸顯。