化学证伪实验的设计(一)

化学证伪实验的设计
 
 摘要：所谓证伪，就是指实践的结果与理论的预期或设定相悖，从而导致理论部分或全部被推翻。现行化学教学中实验的证实作用已得到充分的关注和论证，其证伪作用却未得到足够的重视。
 关键词：探究教学、证伪、假证伪
  新课程突出科学探究，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。而在现实的探究式教学课堂上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，只有证实性实验而无证伪性实验的探究式教学。直接影响了探究教学功能的发挥，不利于学生科学思维、科学态度和科学精神的培养。
1 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，从而导致理论部分或全部被推翻。在化学探究教学中，学生、教师提出的假设，其实伪必须接受实验的检验。支持假设的实验称为“证实”实验，而“证伪”实验是指否定假设的实验。
1.1 从哲学的视野
 证实主要侧重于解释世界不同，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。因此，人们只有通过实践不断检验既有理论，当发现它们被证伪时就创建新理论，并通过实践对这些新理论进行检验，如此循环往复，从而促使实践活动不断发展。就致力于改变世界的理论与实践的发展而言，对既有的理论进行证伪是不可或缺的环节。
1.2 从科学发展的视野　
 科学靠证伪发展的,如比萨斜塔实验，证伪了亚里士多德关于物体下落的论断；迈克尔逊一莫雷实验，证伪了电磁以太的存在；卢瑟福的a粒子散射实验，证伪了汤姆逊的原子结构西瓜模型·…诺贝尔奖金获得者、澳大利亚科学家艾克尔斯自觉地运用证伪性实验获得了成功，他把证伪的科学方法称赞为“巨大的解放力量”。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。
1.3 从科学教育的视野
 化学家戴维说：“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，大多数的人和大多数的时间实际上都耗费在证伪性实验引发的对实验、假说的检讨、修正上。因此，只有证实性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，从而曲解科学的本质。而证伪性实验的设计与探究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”性实验可以改变学生的错误概念，促进新知识的生成。“证伪”实验与证实性实验相比，更接近科学的本质，具有更大的教育价值。
2 “证伪”实验设计的基本程式
 从认识论的角度来看，化学教学也是一种认识过程，它与科学研究有许多相似之处，证伪性实验在化学教学中同样也有重要作用。
 进行证伪的程序如下:实验验证的结果与预期的假设根本不符，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。这一过程可用下图表示：
 
  以证伪实验为基础的探究学习过程
3 “证伪”实验设计的基本原则
 化学探究教学中学生提出假说势必形形色色，有些肯定超出教师的预料和处理能力或凭现有的知识和条件而无法处理。因此，对学生的假设一一进行验证是不现实的。设计证伪实验时，一般来说主要有四条原则：
3.1 简便性原则
 即要求所选方案原理简单、操作简便．应尽量避免实施那些原理复杂、操作繁琐和不易直接测量的实验方案．不应过分追求教学手段的现代化而忽视了简单仪器和生活用品的作用。实际上,某些简单的实验设备或生活用品反而有利于突出观察对象与化学现象的明显展示，同时使学生感觉到“化学”就在身边。
3.2 可行性原则
 实验方案的实施要安全可靠，不会对人身和器材造成危害；所需装置和器材要易于置备，不能脱离实际，不能超出现有条件；难于探究的内容，我们可以进行推理的处理。
3.3 精确性原则
 不同的实验方案，其实验原理、所用仪器以及实验重复性等方面所引入的误差是不同的．在选择方案时，应对各种可能的方案进行初步的误差分析，尽可能选用精确度高的实验方案．
3.4 需求性原则
 证伪实验设计关键是学生学习的需要，这就要求我们在设计证伪实验时，考虑学生实情和学生目前的急需解决的需求，有针对性的选择，考虑大多数学生的发展，解决学生关注的热点。例如：在乙烯与乙炔使溴水褪色的快慢讨论时，大多数学生都会认为是乙炔快，这时设计实验进行证伪，能使学生理解深刻。
4 “证伪”实验设计的策略
4.1 利用学生的前观念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： ① NaOH与氯水中 HCl、HClO 发生中和反应，使C(OH-)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HCl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HClO氧化酚酞使其结构破坏而褪色。
 任何无视错误前概念存在的教学是无效的。学生通过证伪实验发生认知冲突，此时学生渴望明白“事实的真相”，以解除其疑问；教师就可以通过实验结果的分析、论证、抽象等说明学生观点错误的原因，于是自觉地予以放弃，萌发修正或重构新观念的心理欲望。
4.2 利用学生学习中产生的错误认识设计证伪实验
 学生因生活经历、理解水平与思考问题方式的差别，学习中的新问题或实验中的异常的现象，有些肯定超出学生的处理能力或凭现有的知识无法处理，他们会作出错误的判断，教师首先应该引导学生对新问题和异常的实验现象要产生兴趣，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？

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