化学“证伪”实验设计的探索，本文主要内容关键词为：化学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
新课程倡导科学探究，而“求证”是探究教学的核心要素。“求证”的结果可能是证实也可能是证伪。而在现实的探究式课堂教学中，实验的证实作用已得到充分的关注和论证，而实验的证伪作用却未得到足够的重视。
一、设计“证伪”实验的必要性
所谓证伪，就是指实践的结果与理论的预期或设定相悖，从而导致理论预期或设定部分或全部被推翻。支持假设的实验称为“证实”实验，否定假设的实验就是“证伪”实验。
在中学化学教学中，证实实验虽对中学生学科知识的形成有重要的作用，但也存在一些难以避免的缺点和尴尬：如教学中采用简单枚举法，甚至根据一个实验就可“证实”一条规律，很容易造成学生思想方法上的简单化和治学不严谨的态度。而证伪实验恰恰能够弥补证实实验的这些不足。证伪实验教学中，学生需要经历精细观察现象、充分收集实验信息，尊重实验事实得出结论、实事求是地对假说作出评价的过程；这一过程丰富地蕴含了反思批判实验设计方案、分析实验现象精度及假说提出合理性的机智和能力；这是一种饱含科学态度、科学精神和科学方法的学习活动。
1.从哲学的视野看
证实主要侧重于解释世界，证伪则主要侧重于改变世界。一个理论如果被实践检验部分或完全地否证，人们就要致力于完善，改进这个理论或创立新理论。当人们在通过实践不断检验既有理论的过程中，发现它们被证伪时就创建新理论，并继续通过实践对新理论进行检验，如此循环往复，促使实践活动不断发展。
2.从科学发展的视野看
科学是靠证伪发展的，如比萨斜塔实验，证伪了亚里士多德关于物体下落的论断；卢瑟福的α粒子散射实验，证伪了汤姆逊的原子结构西瓜模型……科学史表明：在科学探索的漫长岁月中，人们对自然科学现象及本质的认识都是不断地通过证伪错误的假说和理论而逐步深入的。
3.从科学教育的视野看
化学家戴维曾说：“我的那些最重要的发现是受到失败的启示而做出的”。在向科学进军的道路上，大多数人和大多数时间实际上都耗费在证伪实验引发的对实验、假说的检讨和修正上。因此，只有证实实验的探究教学，会使学生产生科学的道路是平坦的、发现科学理论是一帆风顺的错觉，从而误解科学的本质。而证伪实验的设计与探索是对科学研究历程的模拟，有利于学生体验科学探究的曲折历程。证实实验可以解释化学原理，促进学生建立知识体系，证伪实验可以改变学生的错误观念，促进新知识的生成。证伪实验与证实实验相比，更接近科学的本质，具有更大的教育价值。
二、“证伪”实验设计的一般程式
在探究教学中进行证伪通常需要经过以下过程：实验的结果与预期假设根本不符，即出现了反例；通过对反例的认真考察，认定反例是真实的、确凿无疑的；只要反例是真实的、确凿无疑的，就可以运用该反例对假设进行证伪。这一过程可用图1表示。
三、“证伪”实验设计的策略
1.利用学生前观念的科学性设计证伪实验
前观念是学生在长期的生活经历中形成的，能有效解释他们的所见所闻，且与其他观念紧密地联系在一起，具有很强的顽固性，但不一定与科学概念一致，对学习科学可能起促进作用，也可能起阻碍作用。因此，应充分暴露学生的前观念，然后设计证伪实验予以冲击和破除，最后建构对科学概念的理解。
案例1 是氧化褪色还是中和褪色？
[实验情景]在NaOH溶液中加几滴酚酞试液，溶液变红，再加几滴新制氯水，变无色。
[提出问题]为什么试管中的酚酞最终变为无色？
[提出假设]NaOH与氯水中HCl、HCIO发生中和反应，使
浓度减小，酚酞变无色。
[实验证伪]①在NaOH溶液中滴加几滴酚酞，变红，逐滴滴入HCI溶液，直至溶液褪色，后返滴几滴NaOH溶液，发现溶液又呈红色。
②在NaOH溶液中滴加几滴酚酞，变红，逐滴滴入氯水，到溶液褪色，后再滴几滴NaOH溶液，发现溶液不变红色。
[交流评价]学生在讨论、交流基础上获得共识。
[得出结论]氯水中HCIO氧化酚酞使其结构破坏而褪色。
任何无视错误前观念存在的教学是无效的。学生通过证伪实验产生认知冲突，渴望明白“事实的真相”，以解除其疑问；教师可以通过实验结果的分析、论证、抽象等策略，点明学生观点错误的原因，促使他们自觉地予以放弃，萌发修正或重构新观念的心理欲望。
2.利用学生学习中的错误认识设计证伪实验
学生知识水平和问题解决能力存在一定的局限性。当他们在学习中碰到新问题或遇到实验过程中出现意外现象，由于对问题的解释超出了其现有知识水平和处理能力时，他们往往会做出错误的判断。此时教师首先要激发学生对新问题和异常的实验现象的兴趣，然后认真分析，设计实验，进行开放性的探究活动。
案例2 铁遇浓硝酸钝化
[实验情景]铜与浓硝酸能剧烈反应，铁与浓硝酸呢？
[提出假设]可能更加剧烈。
[实验证伪]将一经打磨的铁片浸入浓硝酸中，结果无明显现象。假设不成立。
[交流讨论]①如果没反应，该铁片必能从铜盐中置换出铜；②如果有反应，则该铁片可能不能从铜盐中置换出铜。
[继续探究]取出铁片洗净，浸入硫酸铜溶液中。
[实验现象]没明显现象。
[得出结论]铁片与浓硝酸已发生反应。
[再次假设]可能在铁片表面生成一层致密氧化膜，阻碍反应继续进行。
[再次讨论]如果仅是铁片表面生成一层氧化膜，则将表面氧化膜破坏后，内层的铁必能从铜盐中置换出铜。
[继续探究]将上述铁片再次取出洗净，再在铁片上覆盖一张湿润硫酸铜溶液的滤纸，用锋利的小刀刻破滤纸，在滤纸上留下划痕，一段时间后取下滤纸发现划痕呈红色。
[科学抽象]对上述实验事实进行抽象概括，讨论交流，获得共识。
[得出结论]铁片与浓
能发生迅速反应，在Fe表面生成一层致密氧化膜。
铁遇浓硫酸、浓硝酸钝化，学生通常认为是不反应，不管教师在教学中怎么强调，始终不能改变部分同学的错误认识，可通过引导学生设计实验进行证伪，使学生真切感受到自己的错误认识，印象之深可致以后不再犯类似错误。
3.利用化学史素材设计证伪实验
化学史素材可以重现科学家研究时的情景，从现在的眼光看，也许很多是失败的实验，但是换一种角度，它却可以成为教师为学生设计证伪实验的优秀素材。
案例3 苯的结构
[史实情景]1825年英国科学家法拉第从生产煤气剩余的一种油状、有臭味、粘稠的液体中分离出一种新的碳氢化合物。法国化学家日拉尔确定其相对分子质量为78，分子式为
，叫做苯。但苯的分子结构是十九世纪化学之谜。
[明确问题]苯分子应该具有怎样的结构？
[讨论交流]学生通过讨论交流，对信息做初步的分类与思维加工。
[形成假设]假设一：苯分子为链状结构。
假设二：苯分子为环状结构。
[提出问题]若苯分子为上述结构之一，则其应具有什么化学性质？设计怎样的实验来证明？
[设计方案]①能否使溴水褪色？②能否使酸性高锰钾溶液褪色？
[实验证伪]通过实验，这些假设一一被证伪。
[史实情景]介绍化学史实。（试根据凯库勒的观点画出苯分子的结构示意图。）
[提出问题]用现代苯分子的结构观点看凯库勒的苯分子结构有无缺陷？
[讨论交流]学生讨论并预测结论。
[得出结论]确切地表示苯分子的结构。
利用化学史的再现并设计证伪实验，可培养学生的阅读和获取信息的能力。通过比较自己的假设与科学家的假设，让学生体验到探究的乐趣，感受科学研究的重要意义。因此，利用化学史实设计证伪实验，不仅可以增强学生发现问题、解决问题的能力，且可以培养学生的科学精神和人文素养。
4.利用“假证伪”实验设计“证伪”实验
实验设计其本身具有很强的科学性、系统性，需要严格的条件控制，要求设计环节上应一丝不苟。否则，实验的目的是为了“证伪”，但可能由于实验原理、实验误差、仪器设备等原因，导致未出现预期结果，造成正确的假说被否定的假象，即“假证伪”实验。
案例4 海带中
的检验
[提出问题]如何检验海带中是否含有。
[讨论探究]讨论形成方案1：将海带灰浸入水中，搅拌、静置，取上层清液，加
溶液。
[实验证伪]现象不明显，无。
[继续探究]是否方法不够灵敏呢？讨论形成方案2：取上层清液滴加适量氯水。
[实验证伪]加氯水，现象不明显，无。
[再探究]如何使实验现象更明显？形成方案3：加淀粉或有机溶剂。
[实验验证]现象明显。
教学中出现“假证伪”实验时，首先要引导学生对实验设计的方案、实验的精度、所用仪器设备的原因进行考察，若真是因为这方面的原因，导致实验精确度低，现象不明显，可考虑改正实验方案、更换器材再进行实验，从而使假说得到证实；若对实验进行考察未发现问题的情况下，可再引导学生考察假说本身。
证实实验的建构和“证伪”实验的解构，对于学生的认知过程来说都是必要的。没有证实实验的建构，即确证和完善既有的假设，学生的认知过程就会陷于混乱而失去任何确定性，而没有“证伪”实验的解构，即否证既有假设和重构新假设，学生的探究过程就会陷于形式而失去创造性，因此关注证伪实验的教学，是有效培养学生创造能力和实践能力的教学。