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不确定性的困惑与机会
不确定性的困惑与机会
【摘要】你忘记的事情,有人会记起;你不懂的知识,有人会精通;你不做的事情,有人做得很好。
怀疑和不确定性是科学中的基本要素,“确定未知”是在知识基础上新的发现,是创新的起点,是通向未来的桥梁,对未知的探寻是打开世界奥秘唯一的手段,化学教育要超出试题的桎梏,既要传承和丰富既往的知识,也要承担起探索新知识、新方法、新理念的责任。
对于教育者,一个简单而平坦的路的终点是绝境;一条崎岖的路,虽然会有太多的未知与艰辛,但攀登的过程会是经历无限风光!
【关键词】不确定性 怀疑 创造力 知识迁移
1 问题的提出
2008年高考已经淡出了人们的视线,但2008年高考理综全国I试卷第28题是值得探讨的。
这道试题当时引起了不少人的公开强烈质疑。
题目如下:
取化学式为MZ的黄色粉末状化合物进行如下实验。
将MZ和足量碳粉充分混合,平铺在反应管a中。
在b瓶中盛足量澄清石灰水,按图连接仪器。
实验开始时缓缓通入氮气,过一段时间后,加热反应管a,观察到管内发生剧烈反应,并有熔融物生成,同时,b瓶的溶液中出现白色浑浊。
待反应完全后,停止加热,仍继续通氮气,直至反应管冷却。
此时,管中的熔融物成银白色金属。
根据以上叙述回答问题:
(1)元素Z是
(2)停止加热前是否需要断开a和b的连接处?
为什么?
(3)反应管a中发生的所有反应的化学方程式是
……,……
浙江省的抽样统计数据如下表1:
表1:
全国理综I的第28题得分抽样统计
分值
0
1
2
3
4
5
6
得分率
8.79
0
26.6
1.89
27.5
8.29
13.5
分值
7
8
9
10
11
12
13
得分率
5.49
3.2
3.5
1.09
0
0
0
平均得分为3.99,得分率30.7%,得分区域主要集中在2~6分,占77.8%。
得分率过低引起了众多教师参与了这道试题的争论,主要有以下三种观点:
观点一、“让人愤怒的28小题”①
愤怒的理由:
看了答案,才知道不用推断MZ是什么东西,只要按规则回答就行。
混帐的“专家”:
不要求推断MZ,为何给出“黄色粉末状化合物”这样的信息?
你不是要把学生的思路引向先推测出“黄色粉末状化合物”是什么物质,才来完成有关问题的回答吗?
我想只要是认真负责的同学一定要去得出黄色粉末状化合物MZ到底是什么,这题让一大批优生误入歧途!
观点二、使得绝大多数学生落入陷阱中②
许多学生费尽心机地在那里拼命推导MZ是什么物质,花了大量时间,最终却一无所得。
这也难怪,因为中学涉及的方程式都是具体物质,而命题者又用了“黄色粉末状化合物”、“凝固成银白色金属”这些非常明显的现象来误导学生,使得绝大多数学生落入陷阱中。
观点三、误导考生③
部分考生习惯于从已学元素化合物知识推测MZ是什么,以为只有推出MZ的化学式才能书写化学方程式。
但是,已有的相关知识和题目给出的信息不足以判断M,解题陷入困境。
由此有人质疑,不要求判断MZ是什么,为什么不明确指出,为什么要描述它的色态?
是误导考生。
这些质疑的核心问题是:
高考不能出“不确定的内容”来考查学生的能力,试题的“不确定性”会误导考生。
在回答质疑之前,有必要提出两个问题:
一个是“不确定的未知”内容有没有价值;二是学生为什么会被误导。
2 确定已知与确定未知
2.1 确定已知的,是科学研究一个重要环节
确定原子结构中的质子数、原子半径大小、核外电子排布的确定,对元素的分类以及元素周期律的发现具有里程碑式意义,也为元素性质及其变化找到了依据,对元素的性质周期性变化有了科学解释,对于“确定已知”的重大意义,大家都乐于并且容易接受。
2.2 从已知推定未知,是科学研究一个重要环节
从化学史的角度来看,确定未知与确定已知是一样重要的。
钾的发现被确定在1807年10月6日⑥,这一天汉弗莱·戴维在电解实验中得到的最终产物虽然不是钾,而是钾在空气中燃烧后得到的白色粉末,但是对于这个从未见过的现象中,戴维确定这个实验中出现了“未知的物质”,在随后进行的实验中在对钾的性质未知的背景下得到了钾,并根据制取钾的经验得到了金属钠。
这一发现钾钠的过程一直为化学界津津乐道的同时,也证明“确定未知”的价值。
元素周期律的发现与元素周期表编制⑤:
到1830年,被发现的元素达55种之多,新元素的陆续发现,使化学家们深感不安。
新元素的性质纷杂,化学家们无法充分了解它们和其他元素之间的关联性,而且对元素种类的增加也毫无把握。
门捷列夫将过去已经发现的62种元素按原子量由小到大依序排列,结果,他发现每隔七个就会出现性质相似。
这就是“元素周期表”的最初形态,后来门捷列夫发现此周期表有若干空位,他认为这些空位是尚未发现的元素所要占的位置,1871年,他大胆地预言有哪些新元素将填补空位,并预言其性质,这便是钙后面的元素和锌后面的元素。
门捷列夫从“已知”中“确定未知”,赢得了尊重与敬仰。
2.3 从已知推定未知,是教学中需要培养的基本技能
从已知推定未知的内容在高考中一直就有。
例一、2003化学广东试卷的第24题:
化合物A—E的转化关系如图1所示,
已知:
A是芳香化合物,只能生成3种一溴化合物,B有酸性,C是常用增塑剂,D是有机合成的重要中间体和常用化学试剂(D也可由其他原料催化氧化得到),E是一种常用的指示剂酚酞,结构如图2。
写出A、B、C、D的结构简式:
“D+苯酚”在一定条件下生成酚酞的反应,没有出现在中学的化学教材中,但可以题目中所给出的条件,如通过“只能生成3种一溴化合物”确定A中支链的数量与位置,并结合E(即苯酚)结构,推断出D结构中支链的位置与数量。
例二、2002年高考上海化学试卷第29题:
某有机物J(C19H20O4)不溶于水,毒性低,与聚氯乙烯、聚乙烯等树脂具有良好相容性,是塑料工业主要增塑剂,可以用下列方法合成之:
已知:
合成路线:
上述流程中:
……,……
(3)写出B+E→J的化学方程式。
从B+E→J,就是通过A+F→J所推定反应的主要产物,
(3)
+
+NaCl
这个反应在中学课本中也是没有涉及的,但是可以从A+F→J+H2O的酯化反应中推出J的酯结构,进而推出另一产物NaCl。
另一个需要“确定”的是-C4H9,-C4H9有四种同分异构体,试题中没有-C4H9相关信息,不能确定是具体哪一种,所以结构简式中保持-C4H9。
上述两个例子可以看出,从已知的内容推定未知的内容,是教学中学生应该掌握的基本技能之一。
这就是教学中的明确要求的“信息迁移能力”。
2008年全国理综I的第27题也是这一理念的重现。
V、W、X、Y、Z是由周期表中1~20号部分元素的组成的5种化合物,V、W、X、Z其中均为两种元素组成。
上述5种化合物涉及的所有元素的原子序数之和等于35。
它们之间的反应关系如下图:
(1)5种化合物是V W X Y Z
……
这道题目也存在争论,焦点在“V+O2→W(白色固体)+X(无色无味气体)”,质疑者认为碳化钙与氧气反应学生没有学过,不应该让学生进行推导。
事实上可以至少有三种方式可以推导CaC2的燃烧产物:
一、从“已知的内容推定未知的内容”的基本原则判断,在空气中燃烧产物在教材中未给出,但从题目所给条件“W+H2O→Y”,与水反应生成Ca(OH)2的只有CaO;
二、另外还可以从燃烧的一般规律看,产物通常是氧化物,即CaO、CO2
三、用黄铁矿的燃烧生成二氧化硫与氧化铁作为模板,进行信息迁移:
4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2
2CaC2+5O2=2CaO+4CO2
这道题的平均得分为6.43,满分率为17.59%,但零分率高达35.2%。
从以上分析看,有三种方式推导出CaO,在技能上并不存在真正的障碍,考试的结果说明,学生在处理“不确定性”问题时缺乏必要的能力或信心。
3 不确定性的困惑与机会
3.1 “确定已知”的缺失让学生陡生困惑
“确定已知”的缺失,让许多学生在碰到困难时无法下手。
在学生询问题目解法时,当被要求描述具体困难时,最多的回答是“不会做”。
实际上这些学生既未“确定已知”的条件,也未“确定未知”的内容是什么,甚至连题目都没有看清楚。
有些数据是隐藏在其他信息中的,但其本身是确定的,解题时需要先找出这些具体数据,通过计算确定相关物理量的大小。
例如杭州市某学年高二统测试题:
将0.1mol/L-1的下列物质的水溶液,从常温加热到80℃,溶液的pH不变的是
A.NaClB.NaOHC.H2SO4D.NH4Cl
正确答案C,自己班级中答案选项统计如下表,正确率只有7.5%,其他班级和学校也存在类似情况。
选项
A
B
C
D
人数
28
5
3
4
面对这个十分令人困惑的统计结果,在考试后为此专门进行了调查,结果是学生在解答时是凭感觉选的,并没有进行相关计算(或估算)!
题目所给信息中,唯一改变的条件是温度,溶质的浓度本身受温度的影响极小可以不考虑,受温度影响大的是Kw,四种溶液中只有H2SO4溶液的H+来自溶质,水电离出的c(H+)可以忽略。
NaCl、NaOH、NH4Cl四种溶液的pH均与水的电离有关,水在80℃时Kw增大,导致c(H+)发生改变。
既然计算或判断难度不大,那又是什么因素影响了学生解决问题呢?
学生因缺少“确定已知”和“确定未知(变量)”的过程,导致无法在已知与未知之间建构起桥梁,从而无法正确解决问题。
教学中发现,虽然化学是一门科学,即使是高二的学生,对物理量、有效数字、单位、反应物过量及其相关数据的认知存在明显的缺陷,中和热测定实验,有些学生所得到的数据与理论值相差1000倍,却没有任何感觉。
如果不能从信息中提取出数据,那么就无法确定已知的信息和排除“不确定性”,那就只能“凭感觉”选一个选项。
这种“凭感觉”选择答案与“听讲”的后果,导致听懂的题目过了一段时间后还是不会做,或者遇到不确定性的内容时不敢“下手”。
3.2 “确定未知”的缺失给教师的困惑
当把作业中出现了“Si4+”、“O-”写在黑板上,学生们几乎没有人敢做出判断。
在许多需要教师讲述的内容中有些难度不大,而是与这些内容相关联的知识更难理解,恰恰是这些内容被忽略。
上面的“Si4+”、“O-”就是典型的例子,在教师的角度来看,“Si4+”、“O-”是不可思议的,是不用过多讲解的,可是不少学生在这里遇到困难却没有与老师进行沟通。
许多学生总是分不清离子化合物与共价化合物,他们搞不清楚哪些原子可以形成离子,而课本上的确没有明确的相关描述,从而造成困惑。
就象类似这样的问题存在:
教师看起来很简单,而学生就是不懂;教师虽然知道有问题,可就是不知道问题发生在什么地方,没有办法“确定未知”,导致没有办法帮助学生解决实际问题。
简单化教学思维是导致这种现状的根源,虽然高中化学理论水平、实验手段都只是处于一个起步阶段,能检验的只有少得可怜、不能有太多干扰的几种离子,对物质的组成、结构精确测定完全是空白,但并不意味化学是简单的;课本知识的范围有限也并不意味化学范围是狭小的; 有限的高考内容并不意味着化学不需要阅读。
实验特点之一就是不确定性,如能检验出的只有少数几种离子,而且还要在相对纯净、一定浓度的条件作为保证等,也就是说,中学化学有太多内容不能讲、无法讲或无法实验。
又如配制一定物质的量浓度的溶液、中和滴定、中和热的测定等定量实验即使做得再精确,也不会有太多的意义,其真正意义在于学生通过实验理解掌握科学方法。
这些内容无疑对于那些想教出高分的教师,是一个不小的困惑!
高分的获得最常见的两种方式:
一是对化学的科学认知和热爱;二是有对考试内容与考试技巧熟练。
多数人选择的是第二种方式,从而把精力放在可以立竿见影的解题技巧训练上,甚至忽略了对化学知识理解。
解题固然是对化学的理解方式之一,是对已知的结论的知识的巩固,但是解题高手与创造力是两个不同的概念,目前教育的结果就是培养了解题高手,而非教育的真正目标-一个身心健康的有创造力的人。
“石壁倒听枫叶下,橹摇背指菊花开”这样优美的诗句是不是能给化学教师一些启示呢?
化学课堂语言什么时候可以变得更美,更具有积极价值观的引导,离功利色彩远一些,这不正是新课程“情感与价值观”要求吗?
对于教育而言,一个简单而平坦的路,可是这条路的终点是绝境;一条崎岖的路,虽然会有太多的未知与艰辛,但攀登的过程会是经历无限风光!
3.3 确定未知,是创新的机会和起点
3.3.1 从偶然到必然
美国化学家CharlesPederson于1967年发现了冠醚④,并因此获得1987年的诺贝尔化学奖。
然而,有趣的是,他首次合成的第一个冠醚分子-二苯并[18]冠-6图(IV)是非常偶然的。
他尝试合成链状的二醇图(III),希望其可以作为钒离子的配体起催化作用,反应如下:
起始原料为儿茶酚(1,2-二氢羟基苯)的衍生物图(I),其中一个羟基被四氢呋喃保护。
但令Pederson意想不到的是,起始原料被一些游离的儿茶酚(II)轻微污染,因此所得产品为混合物,是预期产品图(III)和微量的只占0.4%的二苯并[18]冠-6图(IV)。
Pederson因其良好的实验技能而能够从混合物中分离并获得了这么微量的副产物。
CharlesPederson从他想要的二醇,从“不纯”的试剂到微量而且“微不足道”的“新的杂质”,到后面发现的新化合物冠醚二苯并[18]冠-6,到开拓出冠醚的一片新天地,开创了一个新的化学领域,创造出享誉世界的智慧佳话。
看似一个偶然的机会,却在他的努力下变成了“必然”。
英国物理学家莱姆赛与他们的合作者发现从空气的得来的氮气每升重1.257g,而从氮的化合物得来的氮气每升重1.251g,经过细致研究,发现氩,后来又陆续发现了氦、氖、氪和氙。
一个0.48%的差别,演绎了一个科学佳话。
3.3.2 从尝试到到发现
1985年富勒烯的发现⑦代表了近年来化学领域一个最为惊人的、具有吸引力的发现,来自美国HoustonRice大学的RobertF.Curl.Jr和RichardE.Smalley,英国Sussex大学的HaroldW.Kroto因在该领域的成就,获得了1996年的诺贝尔化学奖。
HaroldW.Kroto对该化学领域的兴趣,始于微波谱研究大气的“星云”和“星际尘埃云”现象。
HaroldW.Kroto于1975~1978年在宇宙检测到碳氮化合物聚乙炔腈的光谱,他试图在实验室里重复。
RichardE.Smalley有使金属原子汽化的仪器,可通过质谱检测仪研究金属簇,Kroto与Smalley联系,他们一起把这种手段应用到石墨。
质谱结果很令人振奋,它显示出了许多符合碳簇的峰,但是这些相应于C60和C70的峰位于其余峰之间,这暗示着这些簇团要更稳定一点。
对于出现特殊稳定性,研究者们一开始感到有点困惑,不知如何解释。
当意识到这也许是一个封闭的簇团之后,这个研究小组马上花了一个晚上,试图用六边形纸片拼凑起来,并用牙签把胶质软糖连接起来。
研究者们幸运地从Kroto拥有的“星状圆顶”模型中意识到一个很重要的因素:
可能五边形的面也需要。
他们最终能够获得了完美的60个顶点的球形固体,即C60的结构,享誉世界的“足球烯”由此诞生。
虽然Kroto起初想得到的是聚乙炔腈,而最有价值的发现却是C60,也证明了实验的魅力。
实验中不确定性,今后再还是一样给科学家带来过无数惊喜,这也是尝试的价值所在:
实验既可以带来实验者想得到的东西,也能给实验者带来意外的惊喜。
3.4 “不确定性”带来的新思维
“不确定性”的机会被上述两例诺贝尔化学奖得主演绎得很精彩,其科学精髓可以用下面的框图来表示:
我们并非崇拜外国的科学家,很想在中国化学家的精彩案例,可惜难度较大,这与我国对化学家的宣传少,尤其是对中学生的直接宣传太少有很大关系。
经过努力终于查到了首次合成的合成胰岛素的一点资料,这些科学研究中的思维方式会对所有对科学有兴趣的学生提供帮助:
胰岛素是两条链组成的多肽,A链、B链中间通过二硫键连接起来。
当时有多个合成方案。
其中一个是分别合成两链后,再将它们合起来。
当时不知道,分开的两链,能不能合起来。
邹承鲁、张友尚、鲁子贤、许根俊、杜雨苍负责把天然的胰岛素拆开,然后看能不能合起来,所谓拆合工作。
如果天然的可以拆合,那么人工合成的也就可以,这样就可以走两链分别合成、继而连接的途径。
他们拆合成功,对胰岛素合成的课题来说,不仅是一步,而且就确定了总体途径。
马上排除了其它途径、比如需要合成分叉链的途径。
当时分成三部分,除了拆合以外,钮经义等合成B链,汪猷、邢其毅、季爱雪等合成A链。
三部分工作都必需,所以自然科学一等奖是授予三部分的人。
中国独立完成了拆合工作。
不过,不是最早发表。
这些中国卓越的科学家的工作也是在“不确定性”的基础上完成的,成为“世界首次”。
改革开放以来,中国学生参加化学国际奥林匹克竞赛的成绩长时间保持世界一流水平,说明中国学生在基础知识与技能都非常好,具备相当的优势,遗憾的是这些优势在其后的工作研究中未能体现出来。
除了基础知识与能力培养,化学教育中还存在哪些缺陷?
对于优秀科学研究者来说,所需要的敏锐被似曾相识的标准答案所掩盖、面对困难的勇气被无情的分数压制、创新的激情是不是被大量的“确定性”的试题消耗殆尽、而对“不确定性”的内容无动于衷?
再回到前面的争论,“黄色粉末状化合物”、“凝固成银白色金属”这两个条件是不可能推导出任何明确结论的,这个“不能确定M是何种金属”的结论,却被认定为不是结论放弃,强行做出了缺乏科学常识的错误判断,并且浪费了许多时间。
批判者无法以科学依据证明试题本身对错,却使用“非常明显的现象来误导学生,使得绝大多数学生落入陷阱中”等情绪化语言对出题者进行人身攻击。
这恰恰证明了有人为了应试,不顾化学作为一门自然科学的本质属性,把化学当成习题集,并认定所有的题目都必须有肯定的答案,导致化学教育教学上的事实偏差,学生在应对的未知结论时不自信甚至恐惧,失去的不仅仅是高考中的分数,还有对未知事物的认识、勇气与方法。
面对“不确定性”的困惑的某一天,有一个声音在耳边响起:
你忘记的事情,有人会记起;你不懂的知识,有人会精通;你不做的事情,有人做得很好。
虽然不能改变世界,但是可以在思想中改变描述世界的方式。
4反思
从高考所要求的能力,到最前沿的科学研究,证明了“确定未知”的重要性。
创新是基于对未知事物的研究与应用,诺贝尔奖的故事证实“意外的未知”蕴藏了极大的科学价值,教师有理由、有必要把这些科学本质与佳话传承给学生,让学生有兴趣、有勇气去面对那些暂时未知的东西,并主动去发现未知、去研究未知,向创新的方向努力。
NASA哥达德空间研究院领导人詹姆斯·汉森认为:
“怀疑和不确定性是科学中的基本要素。
它们推动探究和得出假说,引导做出预测。
”⑧现在的“探究式教学”非常盛行,其内容大多是在已知结果或结论的范围,很少有探究未知的东西,为什么呢?
因为有了确定的结果,所以“探究”过程显得有效而准确,因此老师们在引导学生探究时显得信心十足并游刃有余。
这一过程如果能移植到他们的学生内心里去,这种探究仍然是成功的,因为对学生来讲结果或结论是未知的。
但事实上学生只是听众,无法真正参与到探究的过程中,或者因为“探究”过程中的某个未知因素导致学生的思维跟不上,或者学生对这个问题本来就没有兴趣(书上不是已经有结果了吗),使得“探究”流于形式。
真正的探究,就是要去寻找发现未知的东西!
如果是为了讲解某个翻开书本就可以看到的结果或结论,又何妨讲一些与这个内容相关的知识或背景呢?
把机会让学生,让他们一定的背景下去发现、推测、猜想,又有什么不可以呢?
舍弃了怀疑和不确定性的探究,与其说是被误导,还不如说假探究给学生带来的是困惑和失败。
科学不能为所有的问题提供全部的答案,未知会成为永远的困难,困难是人类进步的机会。
历史上许多事情,在今天看起来都十分简单,那么“理所当然”,之所以被人认为有价值,就是因其在发现之前,都是让人迷惘、无可奈何甚至是恐惧的事情。
化学教育教学何去何从?
这是令许多普通化学教师困惑的问题,本文希望通过案例分析,探究教学困难的解决之道。
许多的科学发现都源于尝试,戴维的尝试发现钾钠,门捷列夫的尝试发现元素周期律,这些“道理”人人都懂,然后在实际的学习过程中,学生被要求“听课”、“听话”,老师却很少去倾听学生的声音,很少放手让学生去做。
希望化学教育工作者能放眼更多的学科,更多的科学家以及他们使用的研究方法,使得探究更加真实。
“确定已知”是对知识的理解与掌握,“确定未知”是在知识基础上新的发现,是创新的起点,是通向未来的桥梁,对未知的探寻是打开世界奥秘唯一的手段,化学教育要超出试题的桎梏,既要传承和丰富既往的知识,也要承担起探索新知识、新方法、新理念的责任。
“爬山的盲人也许对他经过的部分不同陡峭程度具有相当正确的估计,他甚至可能合理地述说他当时正在站立之处的正确坡度,但是这个斜坡通向险峻的悬崖呢,还是实际上正是顶峰呢,他对此无话可说。
”⑨英国哲学家K·皮尔逊的这句话恰如其分地指出了没有方向的盲目探究所带来的困惑,我们需要抬起头来,需要一些面对未知的勇气与果敢,借用他人的眼光,看一看前面的未知天空。
参考文献
①王艳春有关高考化学试题的思考
②张明昭审视08年高考试卷中的化学试题
③王云生从几道08年高考化学试题引发的几点思考
④J.W.SteedJ.L.Atwood赵耀鹏 孙震译超分子化学[M]化学工业出版社
⑤尼查耶夫王力译化学的秘密[M]北京燕山出版社
⑥人民教育出版社化学室全日制普通高级中学教科书(必修)化学第一册[M]
⑦J.W.SteedJ.L.Atwood赵耀鹏 孙震译超分子化学[M]化学工业出版社
⑧LucyPrydeEubanksCatherineH.Middlecamp 段连运译,化学与社会[M] 工业出处社
⑨K.皮尔逊李醒民译科学的规范[M]华夏出版社
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