当实验事实与科学原理出现冲突之后

李发顺

教学中经常遇到这样的现象，预设现象与实验事实发生“冲突”，有的教师直接忽略，有的是自顾自讲，有的解释说实验不够精确，这样的教学会让学生不相信实验，更不会相信“实验是检验科学的标准”，久而久之，学生渐渐失去了对化学学科的研究兴趣。笔者最近在原电池教学时也遇到这样的问题，教师设伏与引导，激发学生积极参与、互相解释，更是引发了深度的教学思考，把初学者看似很难理解的知识（如两个原电池相连、微型原电池）溶解在学生原认知与实验冲突之中，通过实验现象“异常”与师生之间的探讨获取对原电池原理的理解。

一、铜锌原电池放电时负极表面真的没有气体产生吗？

铜锌原电池作为原电池原理学习的载体，基于铜锌原电池进行实验和问题设计是教学组织的形式。实践中教师设置了三个实验。

实验一：将铜片和锌片同时插入稀硫酸溶液，观察铜片、锌片表面变化；

实验二：用导线连接，观察铜片和锌片表面变化；

实验三：接入电流计进行读数。

学生观察到的实验现象是：未接导线前，铜片上没有明显变化，锌片上有气泡产生；连接导线后，铜片产生大量气泡，锌片上也有气泡产生，只是比原先少一些；接上灵敏电流计有较大的读数（笔者在实验中的读数是260 μA）。但有些教师会去“纠正”，描述为：导线连接后锌片上没有气泡；有的解释是刚才产生的气泡没有消除掉，甚至不断产生的气泡也视而不见；有的干脆告诉学生记住：负极反应是Zn-2e-=Zn2+，正极反应是2H++2e-=H2↑，锌片上不可能产生气泡。这样的教学过程，容易让学生不仅不相信实验，不相信化学，甚至不相信教师，而且实验仅仅是一个过程，没有起到引领学习与佐证化学原理的作用。

实实在在的实验现象不容否定，如出现与教材描述不一致时，我们不要紧张，要学会让学生提出问题，教师和学生一起讨论，逐一分析可能的原因，引发学生思维进入愤悱之态。这才是真正的探究，真正的学习过程，而强记的答案不是学生学习，而是“生产产品”。

因为在笔者的课堂学生有相当大的自由发言权，同时笔者的教学不仅完成教材实验，而且还会增加自己设计的实验，所以学生会大胆地解答和实验操作，描述实验现象时会看到什么说什么，从来不会说假现象。学生因此得出的电极反应中负极多了一个反应2H++2e-=H2↑。笔者并没有强行删掉，而是让他们分析原因，电子从负极流向正极，溶液中的阳离子（H+）向正极移动，在正极等着接电子，只会在正极产生H2逸出。有的学生说是有少量H+没有移向铜电极，有的说是有的H+还没有来得及移向铜电极，有的学生说是Zn和H+直接进行氧化还原反应，有的说是没有进入理想状态，但没有谁能说服谁。此时有一位学生说可能是锌片不纯。当听到这个解释时，笔者进行了追问：“不纯，可能会混入什么物质？”学生都在说可能是铜、银、金之类，当锌和这些金属一起浸泡在稀硫酸中会形成原电池，也就是说在锌片上也存在正极，所以会产生H2。笔者补充一句，其实只要能导电的都可以，如石墨。为后面的钢铁腐蚀原理埋下伏笔。但立刻有学生反驳了：难道混有杂质铝也会吗？此时，笔者都没有“抢到”回答的机会，已经有同学说了：有铝也没有关系的，铝和锌浸泡在稀硫酸中可以形成原电池，只是金属锌担当正极大任，表面照样会产生气泡。到这里笔者并没有结束引导，又问学生：铜就一定是纯铜吗？学生说也不是，因为如果里面混有比铜不活泼的金属时，在稀硫酸中也不会形成原电池，还有学生说如果混进去是活泼金属就行了，因为这样就可以与铜在稀硫酸中形成原电池了（此时笔者根本没有回答机会），也有可能混有活泼金属，但被铜严密包裹，无法与稀硫酸接触照样不会产生气泡。

在上述学习过程中，教师只是在利用实验中常被大家忽略的现象，而恰恰是这个现象，让学生从实验事实与预设现象的冲突，展开思考和讨论，这十分钟左右的争论与思辨不正是我们想要的科学探究吗？不正是学生主体作用的发挥吗？

二、用铜导线做“盐桥”就不能形成原电池吗？

如图2所示，学生都能回答不能构成原电池，因电解质没有形成闭合回路，导线导电是电子在导线中定向移动，电解质溶液（或熔融态）导电是阴阳离子定向移动。图3中两个半电池中正极所在半电池中的阴离子（[SO4][2-]）无法通过盐桥（琼脂+饱和KCl溶液）从正极半电池进入负极半电池，而负极半电池中的阳离子（Zn2+）无法通过盐桥进入正极半电池，而且实验中学生读得电流是260μA，也就是形成了原电池，负极反应Zn-2e-=Zn2+，正极反应Cu2++2e-=Cu，必然导致负极半电池中正电荷多于负电荷而带正电，而正极半电池中正电荷少于负电荷而带负电。笔者让学生来体验这两个半电池中的溶液是否带电，学生既兴奋又害怕，有一位学生用手指分别伸入负极半电池和正极半电池，没有感觉异常，继续将手指同时伸入两个半电池，还是没有异常，但灵敏电流计的指针显示仍然有240μA。学生感觉诧异了，有学生把思考方向引向了盐桥，既然两个半电池不带电，是不是意味着盐桥中的阴、阳离子分别进入负极半电池和正极半电池，中和半电池中的电荷。学生的补充很及时，如果这样，这盐桥用一段时间不是要“死亡”了吗？笔者不仅给予了肯定，还让学生说怎样让盐桥“重生”。学生说再向琼脂中灌入饱和氯化钾溶液。

接着笔者让学生做一个猜测，如图4，将盐桥换成了一根铜导线分别伸入两个半电池，能形成原电池吗？学生立即回答不可能，因为不仅是练习中遇到过，而且也知道阴、阳离子不可能在导线中流动，所以无法形成闭合回路。笔者让学生自己来实验，就直接将一根铜导线两端同时伸入两个半电池，学生非常诧异，不仅能产生电流，且爆表了（灵敏电流计最大值300μA）。学生纳闷了，这好像与参考书上描述的完全不一样，很多学生自己做了几次，确实每一次电流都很大，学生产生了疑问。是不是试剂有问题？但刚才实验也是这些试剂，没有更换过，问题出在哪里呢？学生的想象能力真的是很强，趁笔者没有注意，已经有学生按下述图5和图6进行了实验，而且按图5读数接近300μA，按图6读数也有10μA左右。

此时学生不难看出，图5相当于铜线和锌片在硫酸锌溶液中的原电池，虽然电解质溶液是ZnSO4，与负极Zn理论上不会自发进行氧化还原反应，但实验事实发生了。图6产生微弱电流的原因学生很快找到，因为这根导线明显不是纯铜，含有少量杂质，会形成原电池，所以有微弱的电流（前一次课，用两块相同的铜片浸入硫酸铜溶液实验过，确实没有电流）。这时学生间的讨论更加剧烈了，在这个过程中学生真的发现图4产生电流的原因，有学生将图4的原电池图加了两条线，如图7所示，而且学生还解释了如果笔者分析左边的原电池时，右边电池相当于导线（如图中虚线①），如果笔者分析右边的原电池，左边的电池相当于导线（如图中虚线②），这样实际相当于两个原电池串联了，电流很大。当时笔者惊呆了。合适的实验、问题等载体，能给学生自主的空间，学生不仅能分析异常现象，还能发现教师未曾发现的知识。

三、蔗糖溶液不能做电解质溶液吗？

实验中笔者用蔗糖溶液来探讨能不能形成原电池，开始笔者也很确信不能形成，因为蔗糖是非电解质，不会电离出离子。但在实验中，不仅可以，而且还有约50μA的电流产生（Zn、Cu、蔗糖溶液）。很快学生帮笔者解释了，理由是蔗糖溶液中有水，水是弱电解质，是可以产生H+和OH-离子的，所以可以形成原电池。顺着学生的思路下去，要证明蔗糖不能形成原电池，学生想到了将蔗糖加热到熔化状态进行实验，设想很好，但在实践中又如何做呢？加热到蔗糖熔化，两个电极插入会形成原电池吗？是否会有电流产生？这些都是留给我们研究的方向，学生对这些未知的领域有兴趣，也就会积极探索，这才是学习过程，并不一定要学生对所有科学原理都理解清楚，但这些实验都能引起学生对空气中的O2在正极得电子被还原的思考，这正为后续研究吸氧腐蚀埋下伏笔。

实验事实与预设现象会有冲突，但在中学学习中更多的是伪冲突。教材中的科学原理总是去枝去叶的主干认识，理想化的分析现状，但在实验中却是真实状态，会出现与教材描述不一样的现象，教师利用好实验现象进行科学分析，获得科学原理的理解，收获研究问题的方法。

教学是一个引发师生思考的过程，不应过于追求结果是什么，而要重视研究的过程和出现的“意外”。探索的道路上会有很多“风景”，在科学的道路中细细品味遇到的各种各样的风景，这正是科学教学的真谛！