運用創造發明法改進化學實驗的6個案例

翁慶雙+徐煌

摘要：針對浙教版科學教材中6個化學實驗中裝置、方案的不足，運用發明創造技法中的缺點列舉法、逆向發明法、組合發明法、變化發明法、聯想發明法等改進實驗教學，使實驗操作簡單明了、實驗現象直觀明顯、實驗結論易于揭示化學本質，同時能消除教材經典實驗的神秘感，激發一線教師改進實驗的興趣。

關鍵詞：化學實驗改進；創造發明法；化學實驗教學

文章編號：1005–6629（2014）1–0055–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

我國著名化學家戴安邦先生曾說：“化學實驗教學是實施全面化學教育的一種最有效的形式。”可見實驗是化學的靈魂，是體現化學魅力和激發學生學習興趣的主要源泉；實驗教學更是培養和發展學生思維能力和創新能力的重要方法和手段。然而課堂教學中個別演示實驗由于受實驗器材、方法、步驟、季節等因素的制約，導致實驗操作復雜、現象不明顯等。改進實驗目的是使實驗操作簡單明了、實驗現象直觀明顯、實驗結論易于揭示化學本質。一線教師認為教材中的經典實驗改進特別困難，是高不可攀的，然而筆者經過多年在發明創造方面的嘗試和研究，發現改進實驗與發明創造存在許多共性特點，可以運用發明創造技法中的缺點列舉法、逆向發明法、組合發明法、變化發明法、聯想發明法等方法改進實驗裝置，優化實驗方案，合理設計實驗教學。不僅能提高實驗教學的有效性，也能擺脫一線教師對改進實驗的神秘感，激發改進實驗的興趣。

1 運用缺點列舉法改進實驗

缺點列舉法是針對一個產品（部件）進行的，任何產品無論它設計得多么合理，制造得如何精致，一旦它交付生產或使用就會顯露出某些方面的不足，這是一個客觀的規律。缺點列舉法的一般操作步驟是先確定主題，然后列舉該主題的缺點，再根據缺點來考慮改善方法[1]。對于改進實驗，首先通過實驗操作和失敗的原因分析，盡快地尋找它的不足之處，并予以羅列，然后根據這些不足，尋找合適的器材、方法或步驟等方面加以代替，從而形成新的改進實驗。

案例1 借用指星筆點燃白磷，測定空氣中氧氣的體積分數

1.1 教材實驗的缺陷

如圖1所示的裝置是測定空氣中的氧氣含量的實驗裝置[2]。在實驗中發現存在如下的缺陷：①經常會出現各裝置間連接處的氣密性、將點燃后的紅磷快速伸入到集氣瓶時的氣密性等原因出現漏氣而導致失敗。②該裝置由于要將紅磷先取出點燃，點燃后又要將紅磷伸入集氣瓶并塞緊橡皮塞，這一過程會讓氧氣進入，從而使測量值偏離真實值。③將紅磷移出到集氣瓶外點燃，后又移入瓶內，會造成教室內空氣污染。

1.2 實驗改進方法

實驗原理：白磷的著火點低，同時指星筆的激光功率大，采用指星筆的強激光可直接透過集氣瓶的玻璃對準白磷，從而引燃白磷。

1.2.1 改進點：用指星筆直接點燃白磷，無需打開裝置。

實驗步驟及現象：

（1）根據圖2搭好裝置，并檢查氣密性。

（2）取少量的白磷放于燃燒匙內，塞緊橡皮塞。

（3）打開指星筆，將激光的焦點對準白磷，片刻間可使白磷燃燒。

（4）待冷卻后，打開止水夾，測定進入集氣瓶內的水位。

1.2.2 實驗優點

（1）操作簡便且節省時間。白磷著火點低，易點燃，可有效縮短演示時間。

（2）能有效避免因燃燒匙取出、放入帶來的氣密性問題，有效保證實驗成功，有利于提高測定數據的準確性。

（3）這種點燃方式體現化學的生活化與趣味性，材料源于生活，知識又能運用于生活，有利于激發學生的興趣。

（4）指星筆價廉、易得，可重復利用；還可以用于物理的光學實驗中。

（5）由于裝置一直處于密封狀態，生成的五氧化二磷不會泄漏到空氣中，能有效保障學生的安全，具有保護學生的作用。

總之，缺點列舉法是一種易理解、易操作、易見效的改善方法。它的優點是只要找出原有事物的一個缺點，就能加以改進，從而取得令人滿意的效果。因此教師在演示實驗失敗時要及時分析原因，尋找實驗的不足之處進行改進。

2 運用逆向發明法改進實驗

逆向發明法是一種運用逆向思維的發明方法，即人們通常所說的“反過來想”、“反其道而行之”。由于人們習慣于常規的正向思維，往往需要用智慧來突破常規思維，從而達到出其不意的效果。在實驗中，有時會遇到難題，絞盡腦汁也想不出好辦法來，這時不妨從問題的相反方向倒過來去思考，即運用“逆向思維法”，或許會使你頓開茅塞。

案例2 質量守恒定律的實驗改進

2.1 教材中的實驗思路及缺陷

教材的設計思路是讓學生先通過觀察紅磷與氧氣的燃燒實驗，然后去分析哪些物質參加了反應、生成了哪些物質，最后通過分析推理得出各反應物與生成物之間的質量關系，從而得出質量守恒定律。然后又通過硫酸銅與氫氧化鈉、鹽酸與碳酸鈉這兩個學生較陌生的化學反應加以驗證規律的合理性。在這種思路下學生的思維是被動的。若我們把教材的實驗處理逆向思考，效果卻完全不同。

2.2 質量守恒定律實驗逆向改進

實驗原理：用電子天平稱量反應前后的質量。

2.2.1 改進點一：開放體系下，反應后物質的質量增加的實驗

實驗一：鎂條燃燒實驗

（1）取一段20厘米長的鎂條，把它卷起來形成橢圓形的鎂盤。

（2）在電子天平上放一個燒杯、一張石棉網，并將鎂條放于上面，稱出質量。

（3）取下石棉網，用鉗鍋鉗夾取鎂條，用酒精燈引燃鎂條并立即放到石棉網上，罩上大燒杯，避免生成的氧化鎂粉末擴散引起質量減少，同時防止空氣污染。

（4）等鎂條熄滅后，把石棉網放到電子天平上稱量，并對比反應前后的質量變化。

思考與討論：鎂條在空氣中燃燒，燃燒后的質量為什么會增加？

2.2.2 改進點二：開放體系下，反應后物質的質量減少的實驗

實驗二：蠟燭燃燒實驗

將一支小蠟燭點燃后放到燒杯中燃燒，將整個燒杯置于電子天平上，觀察電子天平示數的變化。

思考與討論：蠟燭點燃后，為什么質量會減少？

追問：如果反應中氣體不跑到空氣中，那么化學反應前后各物質的質量總和會發生怎樣的變化，你如何設計這個實驗？

2.2.3 改進點三：密閉體系的質量變化實驗

思考與討論：如果我們讓它們都處于密閉的體系中，那么反應前后的質量會發生怎樣的變化？

實驗三：用電子天平替代托盤天平進行紅磷燃燒前后的質量變化實驗

思考與討論：其他的化學反應是不是也符合這樣的規律？

2.3 改進實驗優點

（1）利用電子天平替代托盤天平，使用方便、測量準確，同時節省大量的時間。

（2）通過讓學生體驗開放體系（燒杯、試管等）中反應后質量增加或減少了，能有利于學生思考造成變化的原因可能是反應物或生成物的種類發生了變化。這種思考能有效地引發學生對反應前后質量變化的質疑，從而引導學生對實驗的深入分析。同時通過逆向思維深入引導，讓學生設計實驗，探究在一個比較合理的封閉體系中進行的反應的質量是否發生變化，從而形成對“定律”的有力支持，同時為了使規律更具普遍性，通過多次實驗進行規律驗證，讓學生進一步認識規律。

總之，逆向改進實驗是相對運動的動靜逆向轉換、同物相反性能的逆向轉變、事物正反面的逆向轉化、過程順序的逆向轉換、事物過程的反向轉換、空間位置逆向轉換、時間反演和從有到無的逆向轉變。改進者要從多方面去思考問題，充分運用逆向求解的方法。

3 運用組合發明法改進實驗

組合發明法是將相同或不相同的事和物，經適當的組合而創造出另一種新事物，并且會產生難以預料的作用。在一些實驗中，教師可根據需要，把不同的器材或方法有機地結合，就能改進出新實驗。組合方法并不是簡單的相加或疊加，它需要把現有的知識、技術、工藝和智慧進行合理的綜合開發，從而在原有實驗的基礎上，創造出新的實驗，這才算是實現了組合方法的真諦。

案例3 揭示與體驗原子內部結構的實驗

3.1 教材中的原子結構模型建立思路及缺陷

盧瑟福做α粒子散射實驗探索原子的內部結構，建立原子核式模型。但是由于學生認知水平不足和缺乏對微觀世界的體驗，所以對該實驗方法的認可和實驗結論的認同都達不到理想的效果。

3.2 教學過程的改進

3.2.1 改進點一：在方法上體驗——敲碎核桃取核桃肉進行模擬實驗

提問：核桃內部的果肉營養豐富，美味可口，但外殼堅硬無比，你會用什么辦法判斷核桃內部的核桃仁的形狀？

模擬實驗一：教師給每一位學生發一顆核桃，讓學生體驗擊碎核桃外殼觀察核桃仁。

提問：原子很小，那有什么辦法了解原子內部的結構呢？

3.2.2 改進點二：在實驗效果上體驗——撞擊的效果模擬實驗

實驗原理：原子內部的結構實際是一個化學的黑箱問題，為了揭示其內在的結構，需借助一定的方法和工具打開原子。你認為可以通過什么方法打開原子？

模擬實驗二：

（1）當我們用鉛球直接去撞擊小鋼球，觀察實驗現象？

（2）當我們用小鋼球直接去撞擊鉛球，觀察實驗現象？

思考與討論：若用帶正電的α粒子撞擊金屬箔，發現有極少數的α粒子發生了較大角度的偏轉。則說明了原子內部的原子核具有怎樣的特點？

模擬實驗三：

如圖3裝置，用小鋼球直接撞擊旁邊用紙做的圓，觀察實驗現象。

學生小組討論：若用帶正電的α粒子撞擊金屬箔，發現多數的α粒子穿過金屬箔后仍保持原來的運動方向，說明了原子核外有一“很大”空間。原子內存在一些電子，這些核外的電子圍繞著原子核做圓周運動。

3.2.3 改進點三：視頻還原真實實驗——盧瑟福實驗

多媒體播放α粒子轟擊原子實驗。

思考與討論：請根據圖4的原子模型原子的內部結構是怎樣的？請說明你的依據？

3.2.4 改進點四：請你來談談你對認識原子結構的感受

小結：讓學生知道建立模型是一個不斷完善、不斷修正的過程。使學生體驗、學習化學家提出問題、建立假設、修正模型的研究方法。

3.3 實驗優點

（1）有利于讓學生學會方法的遷移。

撞擊堅硬核桃的方法與盧瑟福用α粒子轟擊原子的方法，以及后來玻爾的研究方法，現代科學家用更高的能量來轟擊原子發現夸克的方法具有相似性，讓學生真正體驗了科學家研究方法的巧妙之處。復雜的科學方法與生活中的打擊核桃取果肉的方法一致，從而使課堂生活化，通俗易懂，從而使課堂教學生動、活潑，同時打破科學研究的神秘感。

（2）有意識地增加實驗的力度，讓學生主動地參與，并積極體驗實驗的樂趣。

用金屬球分別撞擊鉛球和白紙模擬實驗，不但令學生眼前一亮，而且有助于學生對知識的理解和對問題的解答，很大程度上提高了學生的學習興趣，充分調動起學生的質疑熱情，也體驗了科學研究方法的趣味性、科學性、巧妙性。

4 運用移植發明法改進實驗

移植發明法是將某個領域內的原理、技術、方法、材料和結構引用到另一個領域內進行研究的方法。移植發明法一般有兩條途徑：一條是將原理、方法應用于具體事物；另一條是為解決正在研究的問題，尋求可以移植的原理、方法。在實驗改進中，我們可以將原理或方法相同的器材相互取代，從而簡便有效地改進實驗。

案例4 利用打氣筒定性判定空氣中二氧化碳的體積分數

4.1 教材中實驗的缺陷

在教材中要粗略測定空氣中二氧化碳的體積分數（如5）時，為了能讓空氣直接進入集氣瓶，教材是利用針筒把空吸入到澄清石灰水中，針筒抽氣一次后，又要拆下，重新連接能再抽一下，這種操作非常麻煩且效果極不理想。

4.2 改進點：利用雙用打氣筒可重復打氣，改進實驗

為了減小拆裝氣筒的麻煩，可移植雙用打氣筒（可連續性打氣）進行多次重復打氣（如圖6），直到澄清石灰水變渾濁。

4.3 實驗優點

移植雙用打氣筒，這種操作簡便且利用生活中常見的物品（常見用于給氣球充氣的工具），這不僅拉近學生與生活的距離，有利于學生的切身體驗，更重要的是增加了學生的學習興趣；并且通過讓學生不斷地往復抽氣才能使澄清的石灰水變渾濁，從而讓學生真正體驗到空氣中二氧化碳的體積分數是非常小的。

總之，如果使用移植發明法進行改進實驗，對于教師來說，關鍵是要擴大知識面，做生活中的有心人。不斷用新的知識來充實自己，從而能使自己的思路豁然開朗，很快就能找到解決關鍵問題的辦法。

5 運用變化發明法改進實驗

變化發明法是改變原有事物的器材藥品材料、顏色、氣味、形狀、聲音、體積、重量、用途，從而產生新的思維，形成新的實驗效果。在化學實驗中，個別實驗現象不明顯的，可以采用一些新的實驗加以替代或尋求器材、方法上的變化，從而達到理想的實驗效果。

案例5 驗證二氧化碳能滅火的階梯實驗

5.1 教材中實驗的缺陷

如圖7，在驗證二氧化碳滅火的實驗中，教材中采用向盛有高低兩層燃著的蠟燭的燒杯中傾倒二氧化碳的方法，觀察到底層的蠟燭先熄滅，上層的蠟燭后熄滅，從而說明二氧化碳不燃燒，也不支持燃燒，密度比空氣的密度大。但在進行該實驗時，有時因傾倒角度選擇不好或傾倒時不小心經常會使上層蠟燭先熄滅，從而導致實驗失敗。

5.2 改進方法

（1）變化一：如圖7，在集氣瓶口處放一玻璃片，阻止流出的二氧化碳直接倒向上方那支蠟燭。

（2）變化二：如圖7，在燒杯內放一漏斗，直接將二氧化碳倒入到漏斗中。

（3）變化三：如圖7，取兩只燒杯進行對比實驗。把二氧化碳從集氣瓶中倒入其中的一個燒杯中，然后用兩支燃著的蠟燭分別伸入兩個燒杯中，其中倒入二氧化碳的燒杯中蠟燭立即熄滅，沒倒二氧化碳的燒杯中蠟燭繼續燃燒，對比效果非常明顯。這既說明二氧化碳密度比空氣的密度大，又說明二氧化碳不燃燒，也不支持燃燒。

總之，變化發明法，為創造者提供了施展才華的廣闊天地，變化的思路和方法給各個課堂帶來效益，給學生帶來歡樂和愉快，也帶來方便和享受。

6 運用聯想發明法改進實驗

聯想發明法就是由某種事物聯想起和它有關的事物。通常聯想有三種方法，即在空間或時間上接近的事物形成接近聯想；有相似特點的事物形成類似聯想；有對立關系的事物形成對比聯想。在實驗改進中，若個別實驗的成功率較低，實驗可見度較低，我們可聯想到與該器材、方法、功能十分相似的事物，最終加以取代。

案例6 還原性鐵粉在空氣中燃燒

6.1 教材中實驗的缺陷

鐵絲在氧氣中燃燒是初中化學的經典實驗，但是該實驗對鐵絲選擇要求較高，且需要在純氧中燃燒。由于物質反應的快慢跟顆粒的大小有關，顆粒越小，反應越快。通過聯想，能否直接將鐵絲用還原性鐵粉來代替呢？

6.2 改進點

將濾紙用手撕成0.5厘米寬的紙條，用酒精燈點燃一張濾紙；用鑷子夾住另一張濾紙條的一端，伸入還原鐵粉中均勻攪拌，使濾紙條上粘滿細鐵粉，取出后，用酒精燈點燃濾紙。

實驗現象：對比兩張濾紙的燃燒現象，濾紙條上的鐵粉在空氣中劇烈燃燒，燃燒產生的火星紛紛掉落，猶如天女散花。

6.3 實驗優點

該實驗操作簡單、現象明顯，不僅能幫助學生理解氧氣的化學性質，而且能給學生產生強烈的視覺沖擊，增強學生學習的興趣和熱情。若把該實驗與鐵絲在氧氣中燃燒條件、現象作對比分析，可以加深對化學反應本質的理解。

正如數學家華羅庚所說：科學的靈感，決不是坐等可以等來的。如果說，化學上的發現有什么偶然機遇的話，那么這種“偶然機遇”只能給那些有科學素養的人，給那些善于獨立思考的人，給那些具有鍥而不舍精神的人。一線教師只要細心洞察，合理遷移，勤思考，多動手，大膽嘗試，積極探索，定能以新穎獨創的方式創造出更直觀、形象、可見度高的實驗，讓教材中的經典實驗始終閃爍著理性思維的亮光，煥發出新的生命活力。

參考文獻：

[1]吳劍平.發明創造方法概論[M].北京：首都師范大學出版社，2006：235.

[2]朱清時.義務教育課程標準實驗教科書·科學八年級下[M].杭州：浙江教育出版社，2005：35.