在化學(xué)實驗教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維能力

江蘇 印志林

在化學(xué)教學(xué)中必須培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，思維的創(chuàng)造性又以發(fā)散性思維為核心。發(fā)散思維就是對同一問題從不同角度、不同側(cè)面和不同層次進(jìn)行分析和探索。化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)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(xué)實驗在培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維上有獨(dú)特的優(yōu)勢。在教學(xué)中，教師可根據(jù)實驗進(jìn)行引導(dǎo)，對實驗的原理、現(xiàn)象、裝置等進(jìn)行分析，對實驗方案進(jìn)行設(shè)計，從而培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維能力。

一、實驗原理的發(fā)散

教師可根據(jù)課本上已經(jīng)呈現(xiàn)的知識，引導(dǎo)學(xué)生尋找實驗原理的相似性和差異性。

【例1】中學(xué)化學(xué)中能用于實驗室制氧氣的反應(yīng)有哪些？

【分析】中學(xué)化學(xué)中能生成氧氣的反應(yīng)大約有14種，其中能用于實驗室制氧氣的反應(yīng)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(zhì)：常溫下都是氣體，都易溶于水，其水溶液都是揮發(fā)性的酸，故這三種氣體的制取都可以像HCl一樣，用相應(yīng)的鹽和不揮發(fā)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(qiáng)的還原性，不能用強(qiáng)氧化性的濃硫酸來制取，應(yīng)改用濃磷酸來代替濃硫酸。

二、實驗現(xiàn)象的發(fā)散

1.一個實驗多種現(xiàn)象

教師可以把某一實驗現(xiàn)象與其他問題有機(jī)地結(jié)合在一起，成為一個新問題，以此展開發(fā)散；也可以對實驗現(xiàn)象產(chǎn)生質(zhì)疑，引導(dǎo)學(xué)生分析實驗現(xiàn)象的原因。

【例3】用如圖1所示的簡易裝置可以進(jìn)行氣體的發(fā)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(dǎo)管的橡皮塞塞緊試管口。反應(yīng)開始時速度緩慢，然后逐漸加快。請寫出在試管a中發(fā)生的所有反應(yīng)的化學(xué)方程式。

(3)從反應(yīng)開始到反應(yīng)結(jié)束，預(yù)期在試管a中可觀察到的現(xiàn)象，請依次逐一寫出。

(4)在反應(yīng)開始時，可觀察到導(dǎo)管b中的水面先沿導(dǎo)管b慢慢上升到一定高度，此后又回落，然后有氣泡從導(dǎo)管口冒出。試說明反應(yīng)開始時，導(dǎo)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(xiàn)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(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，在此基礎(chǔ)上，按反應(yīng)前、反應(yīng)中、反應(yīng)后的順序逐一回答有關(guān)的實驗現(xiàn)象。

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

(3)①銅片和稀硝酸反應(yīng)，有無色氣泡產(chǎn)生，產(chǎn)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?yōu)闇\棕色，又變?yōu)闊o色；③試管a中的溶液由無色變?yōu)闇\藍(lán)色；④反應(yīng)結(jié)束后，銅片全部溶解。

(4)由于反應(yīng)開始時產(chǎn)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(yīng)，使裝置內(nèi)氣體的壓強(qiáng)暫時減小，所以導(dǎo)管中的水面會先上升到一定高度。

(5)①水進(jìn)入試管，上升到一定高度；②試管中氣體的顏色由紅棕色變?yōu)闊o色。

2.一個現(xiàn)象多種原因

在化學(xué)實驗中，有很多不同的反應(yīng)經(jīng)常會出現(xiàn)相同的現(xiàn)象，在復(fù)習(xí)時引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想歸納，以不變應(yīng)萬變，觸類旁通。

例如，溴水是中學(xué)化學(xué)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(jī)物(不飽和烴、不飽和烴的衍生物、石油產(chǎn)品、天然橡膠以及二烯烴的加聚產(chǎn)物等)與溴發(fā)生加成反應(yīng)；②苯酚及其同系物與溴發(fā)生取代反應(yīng)；③含醛基的化合物與溴發(fā)生氧化反應(yīng)；④一些還原性的無機(jī)物(含S2-或+4價硫的化合物、亞鐵鹽、較活潑金屬單質(zhì)等)或堿與溴發(fā)生氧化還原反應(yīng)。

三、實驗裝置的發(fā)散

教學(xué)中，教師除了要讓學(xué)生了解一種儀器的多種用途和用法外，還要讓學(xué)生了解同一裝置的用途往往不止一種，在實驗時應(yīng)多中選優(yōu)，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生發(fā)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(yīng)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(jīng)凈化后的乙烯與液溴反應(yīng)，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(jìn)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(jìn)入；

(3)若廣口瓶是干燥的，則由b口進(jìn)氣，可收集的氣體有________；

(4)若在廣口瓶中裝入濃硫酸進(jìn)行干燥，則可用此裝置來干燥的氣體是________，這時氣體由________口進(jìn)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(lián)于綜合實驗的高溫反應(yīng)裝置與低溫反應(yīng)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(xué)基礎(chǔ)知識和實驗技能、技巧的基礎(chǔ)上，教師可引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)化學(xué)實驗原理，選擇合適的儀器，設(shè)計出更加優(yōu)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(shè)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(chǎn)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(xué)生會設(shè)計出如圖4中甲、乙兩個裝置：

甲

乙

但僅僅能設(shè)計出這兩個裝置還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，分析已有儀器的用途和用法，經(jīng)過深入思考，還可以設(shè)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(xué)、更合理。

四、實驗方案的設(shè)計

在化學(xué)教學(xué)中，教師提出實驗問題，引導(dǎo)學(xué)生多角度設(shè)計實驗方案或改進(jìn)原有的實驗方案，是訓(xùn)練發(fā)散思維的有效途徑。

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

【分析】這是一道開放性的試題，標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計簡便的判斷方法，利用水和與水互不相溶的有機(jī)溶劑在物理、化學(xué)性質(zhì)上差異的多樣性可得出不同的開放性答案。除標(biāo)準(zhǔn)答案外，至少還應(yīng)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(jī)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(yīng)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(jìn)行演變。

(1)如何排除揮發(fā)出的溴蒸氣對溴化氫檢驗的干擾?

(2)長導(dǎo)管冷凝回流不夠理想，若要進(jìn)一步防止苯與溴的揮發(fā)，應(yīng)作如何改正?

(3)能否設(shè)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(huán)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(chǔ)上，設(shè)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(yīng)的證明更加嚴(yán)密。

甲

乙

(2)圖乙所示裝置中以冷凝管來代替長導(dǎo)管回流效果更好，讓學(xué)生認(rèn)識到冷凝管不但可用于蒸餾過程中的冷卻，在許多有機(jī)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(yīng)的溴逸出污染環(huán)境，然而設(shè)計一個封閉式的實驗難度較大，所以可以在教師的引導(dǎo)下和學(xué)生一起逐步篩選，選出幾種最佳的裝置進(jìn)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(xué)實驗中無不滲透著新的知識，在所有的自然科學(xué)中，化學(xué)涉及的實驗面之大、內(nèi)容之廣博是其他學(xué)科所無法比擬的。只要教師在備課時能充分挖掘教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化教學(xué)方法，就一定能達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維能力的目的。