創造性思維方法在化學實驗創新中的應用

摘 要 在實際對實驗的創新過程中，所使用的技法并不是單一的，往往是多種技法交融并串的綜合應用，只有對化學實驗進行不斷的改進創新，化學實驗才會充滿生機和活力，化學實驗的創新永無止境。

關鍵詞 創造性；思維方法；化學實驗

中圖分類號：G712 文獻標識碼：B 文章編號：1671-489X(2012)03-0082-03

“化學實驗是化學科學賴以形成和發展的基礎，是檢驗化學科學知識真理性的標準；是化學教學中學生獲取化學經驗知識和檢驗化學知識的重要媒體和手段，是提高學生科學素質的重要內容和途徑。”以實驗為基礎展開化學教學已成為所有化學教學工作者的共識。那么怎樣才能最大限度地發揮實驗在化學教學中的作用，使化學實驗教學更切合教學改革的潮流，適應素質教育和創新教育的需求呢？只有對化學實驗進行不斷改進和創新，化學實驗才會充滿生命和活力，保持其在化學教學中的獨特魅力。

1 組合技法

組合技法就是將一些相關的化學實驗按某種關聯因素或特征進行新的組合，構成新的實驗方案的實驗創新技法。愛因斯坦曾說過：“我認為，為了滿足人類的需要而找出已知裝置的新的組合的人就是發明家。”同樣，將已有的化學實驗按一些共同特征或功能進行合理組合，使其具有某種新的功能，也是對原有化學實驗的一種創新。

如“Cu和濃HNO3的反應——藍色噴泉實驗”，在燒瓶中滴加4 mL濃硝酸，并在靠近橡皮塞（預先將石蠟熔融均勻涂抹在橡皮塞上）的長導管上纏上螺旋狀粗銅絲，緩緩倒置燒瓶，接上一個盛水的塑料瓶。銅與濃硝酸即開始反應，紅棕色氣體由下而上充滿燒瓶，空氣被排除，塑料瓶中有氣體逸出，逸出的少量氣體被收集在氣球中。當整個燒瓶充滿二氧化氮氣體時，用手擠壓塑料瓶，使少量水進入燒瓶，立即形成美麗的藍色噴泉。實驗結束，燒瓶中剩余氣體的體積約占燒瓶體積的1/3。

上述實驗將銅與濃硝酸反應的實驗、二氧化氮與水反應的噴泉實驗巧妙地組合在一起，裝置簡單，儀器少，兩個反應連貫性強，一氣呵成，操作簡便，無污染（少量從水瓶中逸出的一氧化氮被收集在氣球中）；實驗現象明顯，趣味性濃；既有定性的展示，又有定量的呈現（生成的一氧化氮體積與參加反應的二氧化氮體積的關系）。在課堂教學中使用該實驗，不僅能激起學生強烈的學習欲望，使學生牢固掌握相應的化學知識，而且能形成良好的教學氣氛。

教師若將該實驗置于探究性的教學情境中，教學效果則更佳。

運用組合技法創新化學實驗應注意的問題：1）組合并不是幾個化學實驗的簡單聯接和共同演示，經過組合的實驗應具有原先所不具有的教學功能，能獲得1+1＞2的教學效益；2）組合應是在對原先實驗進行變形的基礎上再將它們進行的有機融合，切忌將一些并不相干的實驗生搬硬套地拼湊在一起；3）組合的實驗應易操作，儀器裝置應簡單明了。

現在有一些通過組合而改進的實驗有往“高、大、長”發展的趨勢，組合的實驗很復雜，特別是其中還使用了一些非常規的自制儀器，分散了學生的注意力，教學時為講解儀器裝置的功用而花費的時間長，以致不能保證實驗教學的重點，這種做法顯然不值得提倡。

2 模擬技法

模擬技法指用學生比較熟悉的感性試驗材料形象地說明學生平時較難觀察的生疏現象。化學中有許多與生產生活實際相聯系的教學內容，設計實驗來模擬這些內容，使學生在獲取鮮明直觀的印象的同時，萌發強烈的探究欲望。

如運用下列實驗成功模擬沼氣池產生沼氣的過程。

實驗原理：廢棄有機物（如植物殘體）在缺氧條件下被微生物發酵分解，產生的氣體即為沼氣，其主要成分為甲烷。

實驗步驟：將人尿、新鮮豬糞或牛糞、池沼底部或陰溝里的黑臭污泥、米糖或麩皮按一定比例混合置于A瓶發酵，通過漏斗向A瓶加入適量水并使漏斗下端沒入水中，將B瓶中盛滿水，C瓶中盛適量水，將各部分聯接好，夾緊彈簧夾，將裝置放在溫暖處。

觀察方法及現象：通過觀察B瓶和C瓶水位高低來判斷生成氣體的多少；大約一周后，B瓶水位明顯下降，此時松開彈簧夾，在尖嘴管處點燃所得氣體，可發現氣體能夠燃燒，火焰為淡藍色。

上述模擬沼氣池產生沼氣的實驗適用于課外活動或家庭小實驗。

此外，還成功地利用實驗模擬“溫室效應”“發酵法制酒精”等與生活密切相關的化學現象。

3 逆向技法

逆向技法是沿著事物的相反方向，用反方向探究的思維方式對現有的實驗設計進行逆向思考，從而提出新的實驗設計的實驗創新技法。逆向技法有4種常見類型。

3.1 功能反轉

從事物的相反功能，去設想和尋求解決問題的新途徑，從而獲得新的實驗設計。如稀釋濃H2SO4時強調將濃H2SO4沿器壁緩緩加入水中，且應邊加邊攪拌。若將水加入濃H2SO4中，則會造成嚴重后果。利用一個安全的實驗將水加入濃H2SO4中這一違規操作造成的后果展示給學生，可以提高學生的安全意識。

3.2 結構反轉

從已有實驗的相反結構形式上來設想和尋求解決問題的新途徑。如在演示完用碳棒（惰性電極）電解CuCl2溶液的實驗，引導學生弄清電解原理后，將原實驗中陰陽兩根電極（此時陰極碳棒上已附著紅色的銅）調換再進行電解，一段時間后改作為陽極的碳棒上附著的銅消失。顯然將陰陽兩極調換后，可以為非惰性電極作陽極時的電解原理的學習設置探索情境。

3.3 因果反轉

從已有事物的因果關系出發，變因為果地去發現新的現象和規律，尋找新的實驗設計。例如很多教師在鐵的鈍化的教學中的做法是先告知學生鐵在濃硝酸中可以被鈍化，再用實驗來驗證（由因及果的驗證）。可以改為：將預先放入濃硝酸中的鐵取出洗凈，用它來與硫酸銅溶液反應，卻置換不出銅。以此激起學生的認知沖突（由果及因的探究）。

3.4 狀態反轉

根據事物的某一屬性（如動與靜）的反轉來創新化學實驗。如課本中制備溴苯的實驗中是將溴和苯先加入燒瓶，然后向燒瓶中在加入鐵粉（即溴和苯靜、鐵粉動），由于反應物已全部加入燒瓶，加入催化劑后，反應劇烈無法控制，導致溴揮發從導管溢出而達不到預期目的。采取先將鐵粉加入燒瓶，將溴和苯的混合液加入分液漏斗，通過分液漏斗的活塞來控制加液速度（即鐵粉靜、溴和苯動）的方法，從而克服原實驗的缺陷。

4 強化技法

強化技法指增加關鍵的需感知部分的強度（稱正強化），或排除一些無關和次要的現象（稱負強化），以突出研究對象。

如“溴的揮發性實驗”，將加入少量NaOH溶液的大號培養皿放在一調好的投影儀的載物臺上，在其中放入一個小號培養皿，滴兩滴液溴在小號培養皿中，迅速將中號培養皿罩在小號培養皿上，很快就可以在投影屏幕上觀察到深紅棕色的液溴揮發為紅棕色的溴蒸汽，過一會兒紅棕色即消失。

上述實驗利用投影儀將溴的揮發現象放大強化，使學生易觀察。裝置中用NaOH溶液液封，無污染，該實驗還為后面講解溴與NaOH溶液的反應作了鋪墊。

5 缺點列舉技法

缺點列舉技法指通過發現現有實驗的缺陷，把現有實驗的缺點一一列舉出來，然后提出改革或革新方法的一種技法。列舉缺點就是發現問題，而創新就是要解決現有的問題，每發現一個缺點、提出一個問題，也就是找到一個創新的課題。世界上沒有盡善盡美的東西，化學實驗也一樣。化學實驗在體現某些功能具有優越性的同時，在體現另一些功能時則可能存在某些缺陷。對化學實驗進行觀察、研究、分析、發現其缺陷，并在此基礎上探索改進，就可以對化學實驗進行創新。

利用缺點列舉技法創新化學實驗的一般步驟為：1）選定化學實驗（可以是整體也可以是局部）；2）確定與實驗有關的信息種類如材料、功能、結構等；3）根據確定的信息一一列出缺點；4）針對缺點（可以是全部也可以是其中的一個或幾個）研究改進方案。

如課本中的銅與稀硝酸反應的實驗必須達到以下目的：裝置應密封，氣體不能外溢；生成的氣體應能夠富集，便于學生觀察NO為無色氣體；一氧化氮的生成與一氧化氮的轉化（即生成二氧化氮）分階段進行。通過多次研究和實踐，得出兩種方法。

1）將反應在注射器內進行。先取下注射器活塞，在注射器內放入一團銅絲，塞上活塞后，吸入適量的稀硝酸，將注射器細管端用橡皮塞密封。反應即開始，生成的氣體被富集在筒內；讓學生觀察氣體為無色后，取下橡皮塞，拉動活塞吸入空氣，無色氣體即變為棕色氣體。振蕩注射器，棕色氣體又變為無色氣體（NO2與稀硝酸中的水反應又生成NO）；若再吸入空氣，無色又變成棕色。本實驗若采用投影儀放大強化，效果則更佳。

2）將反應在分液漏斗和U形管中進行。在分液漏斗下端纏上螺旋狀銅絲，U形管中加入稀硝酸，將U形管向左傾斜，塞上帶分液漏斗的橡皮塞時，盡可能使管內不留空氣。銅與稀硝酸即開始反應，生成的NO氣體被富集在U形管內；讓學生觀察后，打開分液漏斗活塞，無色氣體被壓入分液漏斗中，與分液漏斗中的空氣反應即生成棕色氣體（上口玻璃塞無需打開）。

6 希望點列舉技法

在創造發明中，希望是靈感的源頭。希望點列舉技法就是通過對課題的希望和理想，使問題的本來目的聚集成焦點，再加以考慮的技法。人類的很多創造發明都源于改造世界、發展自身的希望。化學實驗的創新也一樣，很多在實驗創新方面有成就的化學教師在設計教材中未設置的化學實驗時，無一不是抱有將抽象的知識轉化為形象的實驗，以使學生能夠獲得鮮明的感性材料的希望。希望點列舉技法的一般步驟為：1）定課題；2）列出希望點；3）制定具體實施方案。

如“鐵與水蒸氣反應的實驗”（設計者瞿兵，發表于《化學教學》，1994年3月），設計者考慮課本中強調該反應應用“熾熱的鐵”，且需在“高溫”下進行，列出希望點為：能夠在實驗室條件下進行該反應；生成氫氣應有足夠的量供檢驗和收集；儀器和裝置應盡可能簡單，操作盡可能簡便。經過在實驗室里的多次試驗，酒精噴燈換成酒精燈，普通鐵粉換成還原鐵粉，將提供水蒸氣的裝置與反應裝置分離（這種情況水蒸氣經過導管時易冷凝），換為合二為一（在一只大試管的底部放入一團浸有水的棉花，中部放置適量鐵粉，通過加了浸有水的棉花來提供水蒸氣，因距離短，水蒸氣不易冷凝），從而實現在實驗室條件下完成鐵與水蒸氣反應的希望，且產氣量足以檢驗和收集。

缺點列舉技法是圍繞現有實驗的缺點提出的各種改進設想，顯然，這些設想不會離開原型，因此它是一種被動型的創新方法。而希望點列舉技法是從創新者的意愿出發提出各種新的設想，可以不受原型實驗的束縛，因此它是一種積極的主動的創新方法。

化學實驗的創新技法遠不止上文提到的這些，在實際對實驗的創新過程中，所使用的技法并不是單一的，往往是多種技法交融并串的綜合應用。化學實驗的創新永無止境，各種現代化媒體與化學實驗的結合為實驗創新提供了廣闊的領域，只要勤于探索、勇于開拓，一定會有更多更好的創新實驗問世。

參考文獻

[1]劉知新.化學教學論[M].南寧:廣西教育出版社，1990.

[2]王祖浩，王磊.普通高中化學課程標準（實驗）解讀[M].武漢:湖北教育出版社，2004.