飞虎

痛苦的否定体验  缜密的检视反思

江苏省江阴市华士实验小学  曾宝俊

《蜡烛的燃烧和空气的体积》这节课围绕蜡烛在量筒内燃烧后出现进水水位高低不同的现象，通过层层剥笋式的现象剖析、逻辑推理、实验检验、过程检视等活动，探索水位的高低和蜡烛火焰大小之间的关系，让学生发现生活中某些现象，常常是逻辑推理成立而实验并不一定能够证实；有时候，逻辑判断错误而直觉却指向正确。课堂隐含并揭示了一个高深的科学哲学命题：面对新的现象，科学理论是有限的，人的经验是存在缺陷的，而我们往往并不自知。面对这样一个连大科学家都要穷尽毕生精力去求索的命题，如何把这层哲学意蕴传达给十几岁的小娃娃们呢？如何让学生在探究的过程中对这科学哲学命题有所体悟呢？

“用蜡烛燃烧法来判断空气中氧气含量多少”是小学科学课堂的一个经典实验。从上个世纪80年代到如今，这个活动仍然是空气成分这一内容的经典论证方式。然而早在98年，就有香港小朋友通过实践检验，提出了蜡烛在水杯中燃烧后，水位上升的高度并不在五分之一处。通过细致分析，我们知道，蜡烛燃烧时火焰上方是热空气，其密度小于正常的空气密度。当杯子罩住蜡烛的时候，罩住的是火焰上方的热空气。蜡烛燃烧的时候，由于燃烧会产生热量，所以杯内空气受热膨胀，压力增大。我们看到的现象是，杯子里的空气首先从杯口向外跑，杯口有气泡冒出来。在消耗掉一些氧之后，量筒中水面开始慢慢上升，速度很慢（压力缘故）；而蜡烛的火焰会越来越小（因氧越来越少）。在蜡烛熄灭的一瞬间，我们又会发现，杯内水位会迅速升高，一般情况下会超过原本量筒内空气体积的五分之一。这是因为蜡烛熄灭后，杯内空气失去了供热源，空气受冷收缩，“量筒”内空气压力减小，杯外的大气压力把水迅速压入杯中。所以，用燃烧的方法消耗氧气后，实际上不会停留在五分之一处，而是要高于五分之一处。

孩童的思维由于不受世俗和经验的束缚，因而容易发散，而形成创新思维。但是孩童在思维的整体性、系统性和周密性上又是相对薄弱的，他们往往凭借直觉来思考问题和解决问题。在他们的认知结构里，通常以眼见为实为主。眼睛没看到的，往往就是不存在的。他们的注意力往往会停留在运动的、鲜艳的、新奇的现象上，而对微小的、隐形的和非直接感知到的往往加以忽略。在逻辑思维层面上，孩童往往容易通过二元对立的非理性思维建立事物之间的因果关系。在他们对这个实验现象的分析中，我们可以知道：

燃烧需要氧气；

空气中的氧气占空气体积的五分之一；

燃烧会产生二氧化碳；

这就是我在课堂一开始安排的一个环节，了解学生对燃烧和空气的相关知识。其目的是充分调动学生学习本课内容的前概念，让学生回顾以前所学的知识，并对相关知识做粗略的归纳。

【教学片断】

师指向大屏幕标题《蜡烛燃烧和空气体积》：这个内容，以前有没有上过？

生：四年级上过的。

师：我不知道你们有没有忘了？

学生有的答忘了，有答没忘，毕竟现在是六年级，离当初的学习已经两年了

师：有人说没忘，回忆一下，关于这个内容，你还有哪些印象？

生：蜡烛的燃烧需要氧气，如果没有氧气的话，蜡烛就不能燃烧。

师：好，还有吗？（环顾）还有第二个吗？

生：空气是由多种气体组成的。

师：很好，还有吗？能再进一步说说吗？

生：空气中含有20%的氧气，百分之70%的，哦，80%的其它气体。

师：还有吗？燃烧时，氧气消耗掉，会产生一种什么现象？

生：燃烧会产生二氧化碳。

……

在学生们的潜意识里，在一个密封容器里燃烧，可以消耗掉这其中的氧。而他们忽略掉的是燃烧不仅仅消耗氧，还会产生大量的热，而热量会改变空气的密度，相同的体积下，密度小的空气里，氧的总量会少。同时，空气还具有热胀冷缩的性质。这些是他们在此后解决研究“氧气所占空气体积的比例”的问题时，容易忽视的。因此，当老师拿出一个量筒，问他们如何消耗掉其中五分之一的氧的时候，学生一致认为——燃烧！

【教学片断】

师：有没有人能想出一个办法，把量筒中五分之一的氧气给我消耗掉，仅剩下其它气体？

生（充满信心）：有办法。

师：什么办法？

生：用蜡烛燃烧。

师：怎么做，说具体！

生：把水杯倒立在水里，里面放一根蜡烛，之后就可以把氧气消耗掉，剩下就是二氧化碳和其他气体了。

师：一个关键步骤没说。

生：（一齐补充）点燃！

师：蜡烛燃烧后，水面会发生什么变化？

学生思考，一生不举手就直接说了：水面会变高。

师：会高到哪个部位？

生：高到氧气消耗的部位。

师：具体哪个部位？

生：就是橡皮筋勒的这个地方（老师让学生在量筒的五分之一处勒了一根橡皮筋）。

师：那请大家用实验来验证一下，看看是不是会上升到橡皮筋勒的部位，好，开始试验！

学生动手实验，一会儿，学生（兴奋地）：上，上，上……灭了！耶~~~我们成功了！

真的成功了吗？对于学生来说，他们的在课堂上关注的是“是不是动手了？” “水面是不是上升了？”。而对于是不是上升到五分之一处，则不太关心。此时老师要采取必要的手段，让学生从动手的满足、兴奋中迁移到冷静的观察、思考，回归到理性的探究上来，老师让各组学生把所有的量筒放到讲台上，师将量筒排整齐，放平。用橡皮筋做的水面高低记号十分明显，高高低低，参差不齐。

师：你看到了什么现象，有什么问题？

生：有高有低。

生：高高低低。

师：高高低低、参差不齐这是现象，面对这种现象你有什么问题？

生：按道理应该都是一样高，可是现在却高高低低的，这是为什么？

为什么水面会出现“高高低低、参差不齐”的现象？是什么因素造成了这种现象？这就是本课要研究的核心问题。人有探究的本能，面对新的现象，总会根据自己的经验，提出一个理论来解释新现象。你看学生提出的“理论”——

生：测量不准。——（“实验失误”论）

生：可能是每个杯子的氧气占据不一样。——（“氧气不均”论）

生：可能水面的高度不一样。——（“水面影响”论）

生：和蜡烛燃烧时间有关。——（“燃烧时间”论）

生：和蜡烛长短有关。——（“蜡烛长短”论）

生：和蜡烛燃烧火焰的大小有关。——（“火焰大小”论）

面对这些理论，咋一看，似乎学生思考了很多，思维非常活跃，然而我们只要仔细一分析，就会发现孩子的理论隐含着他们思维肤浅。这时候我们需要让孩子从不同的方面来分析，有的理论就能够直接否定掉了，如：测量不准、蜡烛长短、氧气有多有少等，实际上从这些理论的提出，也可以发现孩子理性思维和有针对性的思考明显不足。最后留下的是“火焰大小”和“燃烧时间”。通过让学生分析、建立假设，学生进一步明确了自己理论的内涵——

【教学片断】

生：和蜡烛燃烧的火焰有关。。

师：燃烧的多少和火焰的什么有关？

生（齐）：大小。

师：和火焰的大小有什么关系？

生：如果火焰大的话，燃烧消耗的氧气就多；如果火焰小的话，消耗的氧气就少。

师：消耗的氧气的多少跟这个（量筒上橡皮筋）位置的高低有什么关系？

生：高低？（学生一下子没有明白应该建立现象与现象之间的联系，故此疑惑）

师：对啊，我们是说火焰大小跟（水位）高低之间的关系。高？大？火焰大小跟水位高低有什么关系？

生：如果氧气消耗得大的话，那个水进来得就多；如果消耗得小的话，水进来得就少。

师：什么情况下，氧气消耗大？

生：火焰大的时候，氧气消耗得就大。

师：对，再推一步，我们六年级了，再往前推一步，如果消耗大的话，

生：上升的水位就多、高。

师：你们的推测就是：火焰大，上升高；火焰小，上升低，对不对？

生：嗯。

至此，学生建立了这样一个通过直觉形成的“科学理论”，这个理论出来的并不太容易，通过学生对各种因素的排查，最终发现这样一个可能影响的水面上升的因素，并且通过分析建立起一种因果关系。这个理论看似完美，却经不住逻辑的推敲。科学思维往往首先从逻辑上对知识体系和理论进行推演，一旦发现违反逻辑或者二律背反，则可以证明该理论的错误。历史上，伽利略正是通过将两个轻重不同的铁球，拴在一起的假设，推导出两个完全相反的结论，从而证明了亚里斯多德的重物下落，轻重速度不一的理论。在这里，必须通过引导学生运用逻辑这个武器来检视自己理论，以确保理论的严密性。结果——

【教学片断】

师：有没有人不同意这个答案？

生大多数：没有！

师：有，（指向举手孩子）两个、三个。三位同学请起立。到前面来。伟大的错误的答案，将在他们一个人或三个人中诞生。

生笑，有人在为他们鼓掌加油。

师：请你们说说看，你们为什么不同意？

生1：蜡烛火焰大小与量筒进水多少根本没有关系。如果蜡烛燃烧的火焰小，那么它燃烧的时间可能就会长；如果燃烧的火焰大，那么燃烧的时间就会短。不管时间长短，蜡烛燃烧所需要的氧气肯定都是一样的。

师问另外两个同学：他说的观点，你们两个是怎么看的？

生2：差不多。

师：我简要地重复一下。也就是说（边说边比划），火焰小，燃烧时间可能会长一点，但消耗的氧气还是瓶子里的那么多；火焰大，燃烧的时间可能会短一点，消耗的氧气仍然还是瓶子里那么多。

生3：对，瓶子里的空气里本来含有的氧气就只有那么多。

生1补充：蜡烛燃烧需要氧气，氧气没了，那么蜡烛自然就熄灭了；如果蜡烛熄灭了，就说明氧气没了。

师拿过来一个量筒，指着说：你们的意思是，蜡烛只能消耗这个里面的氧气，对不对？是不是？

生：嗯。

师：量筒里面只有这么多氧气，对不对？（生：嗯！）所以，火焰大只是快一点把这个氧气消耗掉，对不对？（生：嗯！）不管快与慢，最终水面只能上升到五分之一处，是不是？

生（一起）：嗯。

上面这一段师生对话，看起来是老师和台上三个孩子在对话，实际上是将他们的思维展示给所有的参与探究并已深入思考的孩子们来看。这三个孩子的思维是多么具有穿透力啊！他们通过严密的逻辑推理，力驳了大多数人的观点。科学课堂需要的就是这样的理性思维品质：尊重证据、缜密推理、绝不从众。逻辑的力量是强大的，在这三个孩子的阐述之下，一部分孩子并不是在盲目跟从，他们也陷入了沉思。随后，开始发生摇摆，甚至想改变自己的观点。然而，在传统的好面子的心理作用之下，很多人依然坐在座位上。同时，他们在头脑中搜寻各种问题，意图击倒这三位孩子的阐述，证明自己的“明智”之选：

生：为什么我们的蜡烛灭了后，水面还在上升？

生2：那可能是二氧化碳被水吸收了……

师：他说燃烧产生二氧化碳，二氧化碳被水吸收。二氧化碳也占体积的。这个解释你接受吗？

生（固执地）：不行。

师：说不行，你要问他为什么不行。（递话筒给说“不行”的孩子。）

生尴尬：（无语）

不过，理性总归是会战胜情感的，你看——

师：（拿回话筒）反正就是觉得不行。他们说得有没有道理？台下的同学有没有观点已经改变，准备反水的？你们有没有人现在改变主意来支持他们？

……

师（语速很慢）：还坚持吗？还坚持吗？放弃自己的观点（台下有学生在接过话筒）……也是一种美德。

底下学生偷偷地笑。

生4拿话筒想反驳：我觉得所有的氧气不可能在同一个地方，有可能是在上面的，燃烧的火焰大的话……

师：把上面的也烧掉了？

生4：我不是这个意思。然后……（说不下去）我站到他们一边了。（生4放下话筒就快步站到台上）

底下的学生一起大笑。

师：你们呢？我觉得放弃也是一种伟大。

众生：我们也是……

师：放弃的，就自动的，也可以站到前面去了。

很多学生往前涌，站在了讲台上。

这一段是全课最有意思的一个环节，孩子们经过激烈地思维交锋，经过痛苦的价值选择，终于在理智和情感方面做出了一个正确的选择：放弃自己的观点，支持少部分人的观点。这种放弃和选择，对于他们这个年龄段来说，是一件不容易的事情。对于孩子来说，他们往往受情绪支配，容易受蛊惑，容易冲动，容易固执！然而科学追求的就是服从真理，服从证据，服从于内心真诚而理性的选择，唯有如此，才能使科学研究者具有一种包容与开放的心态，才能去接纳不同于自己喜好的异见。这就是柏拉图所说的：“吾爱吾师，吾更爱真理！”

课上到这一个环节，学生已经坚信，逻辑似乎可以战胜一切。然而再好的逻辑推理而形成的理论，也要通过实证来检验。“实践是检验真理的唯一标准。”至于是不是如此呢？只要动手去做一做就行了。谁知，实验结果让刚才还自鸣得意的“逻辑推理家”们大跌眼镜——

【教学片断】

师：好，研究停止！请问，三次实验，水面上升到同一高度的请举手。

全班没有一个举手的，因为随着火焰的增大，量筒内的水面在逐渐增高。

师：火焰大小对水面的高度有没有影响？

生：（齐）有。

师：刚才你们不是说“没有影响”的么？

生笑：有。

师：难道我们错了？是你们不够认真？

生齐：不是！

师：是我们最初的理论错了？

生：是！

师：错在了哪儿？

众生无语！

孩子一下子陷入了两难的境地，刚才论证成功的愉悦感还没过去，实践的打击已经到来，此时他们的心中正在反复审视实验的步骤是否严谨，琢磨得出结论的逻辑是否合理，而此时正需要老师引导学生做这样的反思和回头检视——

师：慢慢来，我们先来看看我们的逻辑推理： (老师展示PPT，出示量筒)里面空气没有增多吧？

生：嗯。

师：所以氧气也应该是一定的吧？

生：嗯。

师：所以，不管火焰的大小怎样，消耗掉的氧气应该是一样多吧？

生：嗯。

师：从理论上说，应该是上升到同一个位置吧？

生：嗯。

师：那就说明我们逻辑没有问题！可是为什么水面上升的高度不是一致的呢？

 “慢慢来”，这是一个让人感动的字眼，这一“慢”，让所有的学生进入了一种“心有求而能未得”的“愤诽”状态！此时学生面临的是，明知有问题，明知探究有路，却走不下去。此时慢下来，停下来，让孩子们做反思：从实验本身反思，从逻辑方法反思，从自己持有的理论（即学生的假设）反思，用排除法引导学生发现，既然实验本身没问题，逻辑没问题，有问题得只有原先持有的理论，即假设火焰可以消耗掉杯中的氧。同时也让学生意识到，很有可能有我们未知的因素在影响实验结果。但不管如何，孩子们的内心深处一定种下了“凡事出皆有因！”最终孩子们提出了用“钢丝球生锈”来改进实验。

本节课从制造实验现象、集中问题到使用排除法排除各种可能性再到发现事实真相，学生一直处于一种向未知进发的过程中，在教师引领下，学生不断在质疑，联想，猜测，处于“立”与“破”的反复循环中，愈是未知，愈是不正确，学生向前进发探究的动力愈是强烈，这样，在艰难的选择中，学生一步一步走进科学本质的殿堂！

2013年03月25日星期一初稿
2013年3月26日星期二  完稿