创造性思维方法在化学实验创新中的应用

来源:用户上传      作者: 付飞鹤

　　摘 要 在实际对实验的创新过程中，所使用的技法并不是单一的，往往是多种技法交融并串的综合应用，只有对化学实验进行不断的改进创新，化学实验才会充满生机和活力，化学实验的创新永无止境。
　　关键词 创造性；思维方法；化学实验
　　中图分类号：G712 文献标识码：B 文章编号：1671-489X(2012)03-0082-03
　　
　　“化学实验是化学科学赖以形成和发展的基础，是检验化学科学知识真理性的标准；是化学教学中学生获取化学经验知识和检验化学知识的重要媒体和手段，是提高学生科学素质的重要内容和途径。”以实验为基础展开化学教学已成为所有化学教学工作者的共识。那么怎样才能最大限度地发挥实验在化学教学中的作用，使化学实验教学更切合教学改革的潮流，适应素质教育和创新教育的需求呢？只有对化学实验进行不断改进和创新，化学实验才会充满生命和活力，保持其在化学教学中的独特魅力。
　　1 组合技法
　　组合技法就是将一些相关的化学实验按某种关联因素或特征进行新的组合，构成新的实验方案的实验创新技法。爱因斯坦曾说过：“我认为，为了满足人类的需要而找出已知装置的新的组合的人就是发明家。”同样，将已有的化学实验按一些共同特征或功能进行合理组合，使其具有某种新的功能，也是对原有化学实验的一种创新。
　　如“Cu和浓HNO3的反应――蓝色喷泉实验”，在烧瓶中滴加4 mL浓硝酸，并在靠近橡皮塞（预先将石蜡熔融均匀涂抹在橡皮塞上）的长导管上缠上螺旋状粗铜丝，缓缓倒置烧瓶，接上一个盛水的塑料瓶。铜与浓硝酸即开始反应，红棕色气体由下而上充满烧瓶，空气被排除，塑料瓶中有气体逸出，逸出的少量气体被收集在气球中。当整个烧瓶充满二氧化氮气体时，用手挤压塑料瓶，使少量水进入烧瓶，立即形成美丽的蓝色喷泉。实验结束，烧瓶中剩余气体的体积约占烧瓶体积的1/3。
　　上述实验将铜与浓硝酸反应的实验、二氧化氮与水反应的喷泉实验巧妙地组合在一起，装置简单，仪器少，两个反应连贯性强，一气呵成，操作简便，无污染（少量从水瓶中逸出的一氧化氮被收集在气球中）；实验现象明显，趣味性浓；既有定性的展示，又有定量的呈现（生成的一氧化氮体积与参加反应的二氧化氮体积的关系）。在课堂教学中使用该实验，不仅能激起学生强烈的学习欲望，使学生牢固掌握相应的化学知识，而且能形成良好的教学气氛。
　　教师若将该实验置于探究性的教学情境中，教学效果则更佳。
　　运用组合技法创新化学实验应注意的问题：1）组合并不是几个化学实验的简单联接和共同演示，经过组合的实验应具有原先所不具有的教学功能，能获得1+1＞2的教学效益；2）组合应是在对原先实验进行变形的基础上再将它们进行的有机融合，切忌将一些并不相干的实验生搬硬套地拼凑在一起；3）组合的实验应易操作，仪器装置应简单明了。
　　现在有一些通过组合而改进的实验有往“高、大、长”发展的趋势，组合的实验很复杂，特别是其中还使用了一些非常规的自制仪器，分散了学生的注意力，教学时为讲解仪器装置的功用而花费的时间长，以致不能保证实验教学的重点，这种做法显然不值得提倡。
　　2 模拟技法
　　模拟技法指用学生比较熟悉的感性试验材料形象地说明学生平时较难观察的生疏现象。化学中有许多与生产生活实际相联系的教学内容，设计实验来模拟这些内容，使学生在获取鲜明直观的印象的同时，萌发强烈的探究欲望。
　　如运用下列实验成功模拟沼气池产生沼气的过程。
　　实验原理：废弃有机物（如植物残体）在缺氧条件下被微生物发酵分解，产生的气体即为沼气，其主要成分为甲烷。
　　实验步骤：将人尿、新鲜猪粪或牛粪、池沼底部或阴沟里的黑臭污泥、米糖或麸皮按一定比例混合置于A瓶发酵，通过漏斗向A瓶加入适量水并使漏斗下端没入水中，将B瓶中盛满水，C瓶中盛适量水，将各部分联接好，夹紧弹簧夹，将装置放在温暖处。
　　观察方法及现象：通过观察B瓶和C瓶水位高低来判断生成气体的多少；大约一周后，B瓶水位明显下降，此时松开弹簧夹，在尖嘴管处点燃所得气体，可发现气体能够燃烧，火焰为淡蓝色。
　　上述模拟沼气池产生沼气的实验适用于课外活动或家庭小实验。
　　此外，还成功地利用实验模拟“温室效应”“发酵法制酒精”等与生活密切相关的化学现象。
　　3 逆向技法
　　逆向技法是沿着事物的相反方向，用反方向探究的思维方式对现有的实验设计进行逆向思考，从而提出新的实验设计的实验创新技法。逆向技法有4种常见类型。
　　3.1 功能反转
　　从事物的相反功能，去设想和寻求解决问题的新途径，从而获得新的实验设计。如稀释浓H2SO4时强调将浓H2SO4沿器壁缓缓加入水中，且应边加边搅拌。若将水加入浓H2SO4中，则会造成严重后果。利用一个安全的实验将水加入浓H2SO4中这一违规操作造成的后果展示给学生，可以提高学生的安全意识。
　　3.2 结构反转
　　从已有实验的相反结构形式上来设想和寻求解决问题的新途径。如在演示完用碳棒（惰性电极）电解CuCl2溶液的实验，引导学生弄清电解原理后，将原实验中阴阳两根电极（此时阴极碳棒上已附着红色的铜）调换再进行电解，一段时间后改作为阳极的碳棒上附着的铜消失。显然将阴阳两极调换后，可以为非惰性电极作阳极时的电解原理的学习设置探索情境。
　　3.3 因果反转
　　从已有事物的因果关系出发，变因为果地去发现新的现象和规律，寻找新的实验设计。例如很多教师在铁的钝化的教学中的做法是先告知学生铁在浓硝酸中可以被钝化，再用实验来验证（由因及果的验证）。可以改为：将预先放入浓硝酸中的铁取出洗净，用它来与硫酸铜溶液反应，却置换不出铜。以此激起学生的认知冲突（由果及因的探究）。
　　3.4 状态反转
　　根据事物的某一属性（如动与静）的反转来创新化学实验。如课本中制备溴苯的实验中是将溴和苯先加入烧瓶，然后向烧瓶中在加入铁粉（即溴和苯静、铁粉动），由于反应物已全部加入烧瓶，加入催化剂后，反应剧烈无法控制，导致溴挥发从导管溢出而达不到预期目的。采取先将铁粉加入烧瓶，将溴和苯的混合液加入分液漏斗，通过分液漏斗的活塞来控制加液速度（即铁粉静、溴和苯动）的方法，从而克服原实验的缺陷。
　　4 强化技法
　　强化技法指增加关键的需感知部分的强度（称正强化），或排除一些无关和次要的现象（称负强化），以突出研究对象。
　　如“溴的挥发性实验”，将加入少量NaOH溶液的大号培养皿放在一调好的投影仪的载物台上，在其中放入一个小号培养皿，滴两滴液溴在小号培养皿中，迅速将中号培养皿罩在小号培养皿上，很快就可以在投影屏幕上观察到深红棕色的液溴挥发为红棕色的溴蒸汽，过一会儿红棕色即消失。
　　上述实验利用投影仪将溴的挥发现象放大强化，使学生易观察。装置中用NaOH溶液液封，无污染，该实验还为后面讲解溴与NaOH溶液的反应作了铺垫。
　　5 缺点列举技法
　　缺点列举技法指通过发现现有实验的缺陷，把现有实验的缺点一一列举出来，然后提出改革或革新方法的一种技法。列举缺点就是发现问题，而创新就是要解决现有的问题，每发现一个缺点、提出一个问题，也就是找到一个创新的课题。世界上没有尽善尽美的东西，化学实验也一样。化学实验在体现某些功能具有优越性的同时，在体现另一些功能时则可能存在某些缺陷。对化学实验进行观察、研究、分析、发现其缺陷，并在此基础上探索改进，就可以对化学实验进行创新。
　　利用缺点列举技法创新化学实验的一般步骤为：1）选定化学实验（可以是整体也可以是局部）；2）确定与实验有关的信息种类如材料、功能、结构等；3）根据确定的信息一一列出缺点；4）针对缺点（可以是全部也可以是其中的一个或几个）研究改进方案。

　　如课本中的铜与稀硝酸反应的实验必须达到以下目的：装置应密封，气体不能外溢；生成的气体应能够富集，便于学生观察NO为无色气体；一氧化氮的生成与一氧化氮的转化（即生成二氧化氮）分阶段进行。通过多次研究和实践，得出两种方法。
　　1）将反应在注射器内进行。先取下注射器活塞，在注射器内放入一团铜丝，塞上活塞后，吸入适量的稀硝酸，将注射器细管端用橡皮塞密封。反应即开始，生成的气体被富集在筒内；让学生观察气体为无色后，取下橡皮塞，拉动活塞吸入空气，无色气体即变为棕色气体。振荡注射器，棕色气体又变为无色气体（NO2与稀硝酸中的水反应又生成NO）；若再吸入空气，无色又变成棕色。本实验若采用投影仪放大强化，效果则更佳。
　　2）将反应在分液漏斗和U形管中进行。在分液漏斗下端缠上螺旋状铜丝，U形管中加入稀硝酸，将U形管向左倾斜，塞上带分液漏斗的橡皮塞时，尽可能使管内不留空气。铜与稀硝酸即开始反应，生成的NO气体被富集在U形管内；让学生观察后，打开分液漏斗活塞，无色气体被压入分液漏斗中，与分液漏斗中的空气反应即生成棕色气体（上口玻璃塞无需打开）。
　　6 希望点列举技法
　　在创造发明中，希望是灵感的源头。希望点列举技法就是通过对课题的希望和理想，使问题的本来目的聚集成焦点，再加以考虑的技法。人类的很多创造发明都源于改造世界、发展自身的希望。化学实验的创新也一样，很多在实验创新方面有成就的化学教师在设计教材中未设置的化学实验时，无一不是抱有将抽象的知识转化为形象的实验，以使学生能够获得鲜明的感性材料的希望。希望点列举技法的一般步骤为：1）定课题；2）列出希望点；3）制定具体实施方案。
　　如“铁与水蒸气反应的实验”（设计者瞿兵，发表于《化学教学》，1994年3月），设计者考虑课本中强调该反应应用“炽热的铁”，且需在“高温”下进行，列出希望点为：能够在实验室条件下进行该反应；生成氢气应有足够的量供检验和收集；仪器和装置应尽可能简单，操作尽可能简便。经过在实验室里的多次试验，酒精喷灯换成酒精灯，普通铁粉换成还原铁粉，将提供水蒸气的装置与反应装置分离（这种情况水蒸气经过导管时易冷凝），换为合二为一（在一只大试管的底部放入一团浸有水的棉花，中部放置适量铁粉，通过加了浸有水的棉花来提供水蒸气，因距离短，水蒸气不易冷凝），从而实现在实验室条件下完成铁与水蒸气反应的希望，且产气量足以检验和收集。
　　缺点列举技法是围绕现有实验的缺点提出的各种改进设想，显然，这些设想不会离开原型，因此它是一种被动型的创新方法。而希望点列举技法是从创新者的意愿出发提出各种新的设想，可以不受原型实验的束缚，因此它是一种积极的主动的创新方法。
　　化学实验的创新技法远不止上文提到的这些，在实际对实验的创新过程中，所使用的技法并不是单一的，往往是多种技法交融并串的综合应用。化学实验的创新永无止境，各种现代化媒体与化学实验的结合为实验创新提供了广阔的领域，只要勤于探索、勇于开拓，一定会有更多更好的创新实验问世。
　　参考文献
　　[1]刘知新.化学教学论[M].南宁:广西教育出版社,1990.
　　[2]王祖浩,王磊.普通高中化学课程标准（实验）解读[M].武汉:湖北教育出版社,2004.

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