在化學實驗教學中培養學生的發散思維能力

江蘇 印志林

在化學教學中必須培養學生的創造性思維，思維的創造性又以發散性思維為核心。發散思維就是對同一問題從不同角度、不同側面和不同層次進行分析和探索?；瘜W是一門以實驗為基礎的學科，從某種程度上說，抓住了實驗就抓住了整個考試的核心部分。化學實驗在培養學生的發散思維上有獨特的優勢。在教學中，教師可根據實驗進行引導，對實驗的原理、現象、裝置等進行分析，對實驗方案進行設計，從而培養學生的發散思維能力。

一、實驗原理的發散

教師可根據課本上已經呈現的知識，引導學生尋找實驗原理的相似性和差異性。

【例1】中學化學中能用于實驗室制氧氣的反應有哪些？

【分析】中學化學中能生成氧氣的反應大約有14種，其中能用于實驗室制氧氣的反應有如下幾個：

【例2】實驗室可用濃硫酸和食鹽共熱制備HCl氣體，指出制取HF、HBr、HI氣體的原理和方法各是什么。

【分析】HF、HBr、HI和HCl有著相似的性質：常溫下都是氣體，都易溶于水，其水溶液都是揮發性的酸，故這三種氣體的制取都可以像HCl一樣，用相應的鹽和不揮發性酸通過加熱制得。用濃硫酸和CaF2共熱可制取HF，但HBr、HI有較強的還原性，不能用強氧化性的濃硫酸來制取，應改用濃磷酸來代替濃硫酸。

二、實驗現象的發散

1.一個實驗多種現象

教師可以把某一實驗現象與其他問題有機地結合在一起，成為一個新問題，以此展開發散；也可以對實驗現象產生質疑，引導學生分析實驗現象的原因。

【例3】用如圖1所示的簡易裝置可以進行氣體的發生和收集。

圖1

(1)實驗前如何檢查該裝置的氣密性？

(2)拔開試管a的橡皮塞，加入10 mL 6 mol·L-1的稀硝酸和1 g薄銅片，立即將帶有導管的橡皮塞塞緊試管口。反應開始時速度緩慢，然后逐漸加快。請寫出在試管a中發生的所有反應的化學方程式。

(3)從反應開始到反應結束，預期在試管a中可觀察到的現象，請依次逐一寫出。

(4)在反應開始時，可觀察到導管b中的水面先沿導管b慢慢上升到一定高度，此后又回落，然后有氣泡從導管口冒出。試說明反應開始時，導管中水面先上升的原因。

(5)試管c收集滿氣體后，用拇指堵住管口，取出水槽。將管口向上，松開拇指，片刻后，再次堵住管口，將試管再次倒置于水槽中，松開拇指。此時可觀察到什么現象？

【分析】要圓滿地解答該題，首先要明確實驗原理，清楚實驗過程中發生的化學反應，在此基礎上，按反應前、反應中、反應后的順序逐一回答有關的實驗現象。

【答案】(1)把導管b的下端浸入水中，用手緊握試管a，導管口會有氣泡冒出，松開手后，水又會回升到導管b中。

(3)①銅片和稀硝酸反應，有無色氣泡產生，產生氣泡的速度開始時緩慢，然后逐漸加快；②試管a上部空間由無色變為淺棕色，又變為無色；③試管a中的溶液由無色變為淺藍色；④反應結束后，銅片全部溶解。

(4)由于反應開始時產生的NO和試管a上部空氣中的O2作用生成NO2；NO2易溶于水并與水起反應，使裝置內氣體的壓強暫時減小，所以導管中的水面會先上升到一定高度。

(5)①水進入試管，上升到一定高度；②試管中氣體的顏色由紅棕色變為無色。

2.一個現象多種原因

在化學實驗中，有很多不同的反應經常會出現相同的現象，在復習時引導學生聯想歸納，以不變應萬變，觸類旁通。

例如，溴水是中學化學實驗中使用廣泛的一種試劑，同樣是使溴水褪色，其原因可能是：①含不飽和碳原子的有機物(不飽和烴、不飽和烴的衍生物、石油產品、天然橡膠以及二烯烴的加聚產物等)與溴發生加成反應；②苯酚及其同系物與溴發生取代反應；③含醛基的化合物與溴發生氧化反應；④一些還原性的無機物(含S2-或+4價硫的化合物、亞鐵鹽、較活潑金屬單質等)或堿與溴發生氧化還原反應。

三、實驗裝置的發散

教學中，教師除了要讓學生了解一種儀器的多種用途和用法外，還要讓學生了解同一裝置的用途往往不止一種，在實驗時應多中選優，以達到培養學生發散思維的目的。

1.一種儀器多種用途

采用不同的操作方法，同一實驗裝置有不同的用途，要重視一種儀器或裝置的多種用途。例如，錐形瓶可用作中和滴定的反應裝置，又可用作易溶于水的氣體吸收裝置，還可以用作加熱裝置、組裝制備氣體的裝置。乙醇、濃硫酸在加熱到170℃制乙烯的實驗中，經凈化后的乙烯與液溴反應，生成1，2-二溴乙烷的實驗裝置中(如圖2所示)，就多次使用了錐形瓶，但其作用是不同的，其中裝置b是安全瓶，裝置c是乙烯的凈化裝置，裝置e是尾氣吸收裝置。

圖2

【例4】利用如圖3所示裝置收集以下8種氣體(用序號填空)：①H2②Cl2③CH4④HCl ⑤NH3⑥NO ⑦H2S ⑧SO2。

圖3

(1)若廣口瓶是干燥的，則由a口進氣可收集的氣體是________；

(2)若廣口瓶充滿水，可收集的氣體有________，這時氣體由________口進入；

(3)若廣口瓶是干燥的，則由b口進氣，可收集的氣體有________；

(4)若在廣口瓶中裝入濃硫酸進行干燥，則可用此裝置來干燥的氣體是________，這時氣體由________口進入。

【分析】本題考查了洗氣瓶的多種用途，該裝置可用于排空氣法收集氣體，尤其適用于收集污染性的氣體；也可用于排水法收集難溶性氣體或用排水法測定氣體的體積；還可以在廣口瓶中裝入液體干燥劑(或凈化劑)，用于對氣體的干燥(或凈化)；若將該裝置串聯于綜合實驗的高溫反應裝置與低溫反應裝置之間，則可用作安全裝置。

【答案】(1)②④⑦⑧ (2)①③⑥ b (3)①③⑤ (4)①②③④⑧ a

2.一種用途多種裝置

在掌握了化學基礎知識和實驗技能、技巧的基礎上，教師可引導學生根據化學實驗原理，選擇合適的儀器，設計出更加優化的實驗裝置，解決實驗中的具體問題。

【例5】請參照實驗室吸收HCl的實驗裝置，在下列實驗儀器中選擇合適的儀器，設計一些等效的防倒吸的裝置。

【分析】在理解了防止HCl氣體溶于水時產生倒吸的裝置的原理后，研究課本中吸收HCl的裝置，大部分學生會設計出如圖4中甲、乙兩個裝置：

甲

乙

但僅僅能設計出這兩個裝置還是遠遠不夠的，分析已有儀器的用途和用法，經過深入思考，還可以設計出如圖5中的丙、丁、戊、己等效防倒吸裝置：

丙

丁

戊

己

尤其需要指出的是，甲裝置雖然可以防止倒吸，但有大量的HCl逸散到空氣中，會造成空氣污染，其他裝置顯然比該裝置更科學、更合理。

四、實驗方案的設計

在化學教學中，教師提出實驗問題，引導學生多角度設計實驗方案或改進原有的實驗方案，是訓練發散思維的有效途徑。

【例6】在分液漏斗中用一種有機溶劑提取水溶液里的某物質時，靜置分層后，如果不知道哪一層液體是“水層”，試設計出一種簡便判斷方法。

【分析】這是一道開放性的試題，標準答案是取一只小試管，打開分液漏斗的活塞，慢慢放出少量液體，往其中加入少量水，如果加入水后，試管中的液體不分層，說明分液漏斗中下層是“水層”，反之上層是水層。

題目要求設計簡便的判斷方法，利用水和與水互不相溶的有機溶劑在物理、化學性質上差異的多樣性可得出不同的開放性答案。除標準答案外，至少還應有以下幾種可能的答案：

①取下層液體于試管中，往試管中加入少量苯或CCl4，若試管中液體不分層，說明上層是“水層”，反之下層是水層。

②分別取分液漏斗上層液體少量于試管中，分別加入少量水或與水互不相溶的有機溶劑，又可得出兩種答案。

③取下層溶液于試管中，向試管中投入一小粒金屬鈉，若劇烈反應放出氣體，則下層是“水層”，反之則上層是水層。

【例7】針對課本中制取溴苯的實驗裝置提出以下問題，請對裝置進行演變。

(1)如何排除揮發出的溴蒸氣對溴化氫檢驗的干擾?

(2)長導管冷凝回流不夠理想，若要進一步防止苯與溴的揮發，應作如何改正?

(3)能否設計一個實驗，邊實驗邊制得無色的溴苯，且實驗過程中能避免溴引起的環境污染，使整個實驗更加完善。

【分析】(1)在課本實驗裝置的基礎上，設計圖甲所示裝置，中間連接一個盛有苯或四氯化碳的洗氣瓶，就能將溴化氫中的溴除去，使取代反應的證明更加嚴密。

甲

乙

(2)圖乙所示裝置中以冷凝管來代替長導管回流效果更好，讓學生認識到冷凝管不但可用于蒸餾過程中的冷卻，在許多有機合成實驗中也常用冷凝管來冷凝回流。

(3)制溴苯實驗最后把燒瓶里的液體倒出時，有大量未反應的溴逸出污染環境，然而設計一個封閉式的實驗難度較大，所以可以在教師的引導下和學生一起逐步篩選，選出幾種最佳的裝置進行組合，確定出幾種實驗方案，例如圖7。

圖7

從上面的分析中可以看出，化學實驗中無不滲透著新的知識，在所有的自然科學中，化學涉及的實驗面之大、內容之廣博是其他學科所無法比擬的。只要教師在備課時能充分挖掘教學內容，優化教學方法，就一定能達到培養學生發散思維能力的目的。