基于逆向思維的化學(xué)實驗改進(jìn)策略探討

鄭曉松

［摘 要］基于逆向思維的化學(xué)實驗改進(jìn)，有利于將實驗簡單化、易操作化，最終實現(xiàn)對實驗的創(chuàng)新并達(dá)到良好的實驗效果。文章基于理論研究與教學(xué)實踐，概述逆向思維的定義及特點，提出基于逆向思維的化學(xué)實驗改進(jìn)策略，即“逆向思考藥品順序，使現(xiàn)象更鮮明”“逆向思考實驗儀器，使判斷更準(zhǔn)確”“逆向思考實驗環(huán)境，使操作更綠色”“逆向思考實驗結(jié)論，使分析更簡單”，為實驗教學(xué)的持續(xù)性發(fā)展提供力量。

［關(guān)鍵詞］逆向思維；化學(xué)實驗；改進(jìn)策略

［中圖分類號］ ? ?G633.8 ? ? ? ?［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ ? ?A ? ? ? ?［文章編號］ ? ?1674-6058（2022）20-0075-03

實驗在化學(xué)中的地位不言而喻。雖然常規(guī)實驗改革在不斷深入，但常規(guī)思維下的實驗改進(jìn)仍然存在一些問題與不足，實驗現(xiàn)象或效果往往不盡如人意。逆向思維，是指從常規(guī)思維相反的角度、過程出發(fā)去思考問題的思維方式。基于逆向思維的化學(xué)實驗改進(jìn)，有利于將實驗簡單化、易操作化，最終實現(xiàn)對實驗的創(chuàng)新并達(dá)到良好的實驗效果。本文立足逆向思維，利用逆向思維的“求異”特點，從實驗藥品、實驗儀器、實驗環(huán)境及實驗結(jié)論四個方面進(jìn)行實驗改進(jìn)，為實驗教學(xué)的持續(xù)性發(fā)展提供力量。

一、逆向思維概述

（一）逆向思維的定義

思維指的是人腦對客觀事物的本質(zhì)屬性與內(nèi)在規(guī)律的概括的、間接的反映。逆向思維在本質(zhì)上是一種求異思維，是對人們司空見慣的幾乎成為定論的事物或者觀點反過來思考的一種思維方式。在很多情況下，人們往往習(xí)慣于沿著事物發(fā)展的正方向進(jìn)行思考和探索，實際上，“反其道而思之，反其道而行之”，使思維向著自身的反方向發(fā)展，往往能夠使復(fù)雜的問題簡單化，收到意想不到的效果。逆向思維是創(chuàng)造性思維的重要維度，它對思維的流暢性、變通性和獨特性都提出了更高的要求。

（二）逆向思維的特點

逆向思維具有普遍性。唯物辯證法認(rèn)為，任何事物都有相互對立統(tǒng)一的兩個方面。正是由于任何事物都有兩面性，才為人們用正向思維和逆向思維分析事物提供了可能。

逆向思維具有批判性。逆向思維是對常規(guī)的挑戰(zhàn)，具有明顯的批判性。它能克服思維定式，打破僵化的認(rèn)知模式。

逆向思維具有創(chuàng)造性。正向和逆向是兩個在邏輯上截然相反的思考方向。正向思維是常規(guī)的、已經(jīng)被普遍接受了的觀點和做法，而逆向思維是獨特的、擺脫了思維限制的非常規(guī)的觀點和做法。

逆向思維具有新穎性。逆向思維要求人們跳出常規(guī)思維的“舒適區(qū)”，擺脫司空見慣的思考模式和已有知識經(jīng)驗的影響，從而得出與眾不同的分析和解決問題的方法。

二、基于逆向思維的化學(xué)實驗改進(jìn)策略

化學(xué)實驗是學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的重要途徑。學(xué)生通過完成實驗操作、觀察實驗現(xiàn)象、分析實驗結(jié)論，實現(xiàn)知識理解和思維發(fā)展。因此，實驗對化學(xué)而言，猶如羽翼之于飛鳥，劃槳之于輕舟?；瘜W(xué)實驗?zāi)軌蚪o化學(xué)課堂帶來活力，能夠讓抽象的化學(xué)原理看得見、摸得著，從而為教師的“教”和學(xué)生的“學(xué)”開辟廣闊的新天地。高中化學(xué)實驗經(jīng)過不斷地完善，基本上已經(jīng)形成了大家普遍認(rèn)可的實驗設(shè)計和操作方法。但是，在實踐中仍然有一些化學(xué)實驗存在現(xiàn)象不清晰、操作難度大等問題，采用常規(guī)思維進(jìn)行改進(jìn)，其效果卻不盡如人意。而基于逆向思維對化學(xué)實驗進(jìn)行改進(jìn)，往往能夠起到意想不到的效果。

（一）逆向思考藥品順序，使現(xiàn)象更鮮明

在高中化學(xué)的驗證性實驗中，藥品的順序往往是給定的，需要學(xué)生去嚴(yán)格執(zhí)行，這導(dǎo)致了學(xué)生逆向思維的缺失。教學(xué)中，教師不妨讓學(xué)生思考其中的原因，分析藥品順序倒置會如何等問題。這不僅能夠讓學(xué)生明白其中的順序邏輯，還會有意外收獲，如使實驗現(xiàn)象更加鮮明等。

例如，在“制取氫氧化亞鐵［Fe（OH）2］白色沉淀”的實驗中，白色沉淀呈現(xiàn)的時間往往很短，往往還沒來得及仔細(xì)觀察就已經(jīng)變成了灰綠色。為了解決這一問題，教師引導(dǎo)學(xué)生對該實驗進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)。

常規(guī)改進(jìn)：（1）煮沸，減少氫氧化鈉溶液中的氧氣含量；（2）改進(jìn)實驗設(shè)備；（3）上層加苯或植物油以隔絕空氣。

常規(guī)實驗改進(jìn)，旨在避免體系與氧氣接觸，實驗效果并不明顯。為此，教師帶領(lǐng)學(xué)生通過查閱資料、實驗驗證等方式來探究白色沉淀變成灰綠色的主要原因，找到變色的癥結(jié)所在。

原因分析：結(jié)合對比實驗發(fā)現(xiàn)，白色沉淀變成灰綠色的主要原因與[SO2-4]、Fe（OH）3及結(jié)晶水無關(guān)，而是形成的Fe（OH）2分子聚集成Fe（OH）2膠核，若溶液中Fe2+的濃度較大，聚集的Fe（OH）2會吸附較多的Fe2+，使得白色沉淀很快變?yōu)榛揖G色。查閱資料可知，升高溫度，F(xiàn)e（OH）2膠核的吸附能力會下降，利用水浴加熱實驗可以證實這一點。

改進(jìn)重點：避免Fe（OH）2膠核吸附Fe2+。（這樣就可以長時間看到Fe（OH）2白色沉淀）

學(xué)生討論：實驗中要減小Fe2+的濃度，以減少Fe（OH）2膠核對Fe2+的吸附量，同時還要考慮常規(guī)實驗改進(jìn)中“避免與氧氣接觸”這一點。

逆向改進(jìn)：取一支試管，先向其中注入適量的[8 mol/L]的NaOH溶液，然后再慢慢注入[0.1 mol/L]的新制FeSO4溶液?？梢杂^察到有白色懸濁液生成，固體顆粒慢慢沉入底部，并沒有灰綠色沉淀產(chǎn)生。

關(guān)鍵操作：（1）NaOH溶液濃度大且無溶解氧；（2）FeSO4溶液濃度小且要緩慢注入。

立足逆向思維，將實驗藥品的加入順序進(jìn)行了倒置，同時融合了常規(guī)實驗改進(jìn)的優(yōu)點，既保證了[Fe（OH）2]白色沉淀的生成，又延長了其呈現(xiàn)時間，達(dá)到了良好的實驗效果。

又如，在進(jìn)行“苯酚與溴水反應(yīng)”的實驗時，常規(guī)做法是向稀苯酚溶液中加入濃溴水。在實驗過程中，苯酚的濃度過高或者溴水濃度過低，都會導(dǎo)致實驗生成的三溴苯酚溶解在過量的苯酚中，難以觀察到清晰的白色沉淀。

實驗關(guān)鍵：防止生成的三溴苯酚溶解在過量的苯酚中。

逆向改進(jìn)：向濃溴水中滴加少量的稀苯酚溶液。

三溴苯酚不能溶于溴水，在溴水中加入苯酚會立即生成白色沉淀，這樣就能夠大大提高實驗的成功率，使得實驗現(xiàn)象更加鮮明。此外，還能夠通過觀察溶液的渾濁程度來調(diào)節(jié)苯酚的滴入量，使實驗操作變得更加容易控制。

基于逆向思維，將實驗藥品的加入順序進(jìn)行倒置，不僅使實驗現(xiàn)象更加鮮明，提升了實驗效果，還打開了學(xué)生的思維空間度，激活了學(xué)生的思維靈活性，為學(xué)生創(chuàng)造性思維的發(fā)展做好了蘊伏。

（二）逆向思考實驗儀器，使判斷更準(zhǔn)確

在高中化學(xué)實驗操作中，實驗儀器往往是給定的，只需要學(xué)生學(xué)會規(guī)范操作即可，這就使得學(xué)生在實驗中模仿大于創(chuàng)新，無形中削弱了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在教學(xué)中，教師應(yīng)提供多樣化的實驗儀器供學(xué)生選擇，營造開放的實驗氛圍，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維，使學(xué)生能夠在深入理解原理的基礎(chǔ)上融會貫通、舉一反三。

例如，在教學(xué)如何判斷原電池正負(fù)極時，教師往往引導(dǎo)學(xué)生通過氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)來判斷正負(fù)極，進(jìn)而判斷電流（或電子）的流動方向。在相關(guān)實驗操作中，對于那些電流比較弱的原電池實驗，雖然能夠清晰地看到LED發(fā)光二極管發(fā)光，但電流表的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象不是很明顯，使正負(fù)極的判斷失去說服力。面對這一情況，學(xué)生對實驗儀器進(jìn)行了分析討論，逆向設(shè)計出了更便捷的實驗方案。

資料查閱：LED發(fā)光二極管具有單向?qū)щ娦?，且工作電壓比較小（只有1.7 V），電流在[2 mA]以下。當(dāng)LED發(fā)光二極管的正極連接電源的正極時，LED發(fā)光二極管就會發(fā)光。若反向連接，LED發(fā)光二極管就會處于截止?fàn)顟B(tài)，不會發(fā)光。

利用LED發(fā)光二極管的這一特點，就可以逆向進(jìn)行實驗改進(jìn)，放棄原來判斷正負(fù)極的方法，采用新的思路和改進(jìn)方法——正反接法。

逆向改進(jìn)：用金屬鎂條、石墨棒和2 mol/L的稀硫酸組成原電池，用導(dǎo)線連接LED發(fā)光二極管，觀察LED發(fā)光二極管是否發(fā)光。然后，再進(jìn)行反向連接，觀察LED發(fā)光二極管是否發(fā)光。

基于逆向思維，在判斷原電池正負(fù)極時進(jìn)行反向連接，使實驗現(xiàn)象更明顯且操作更方便，可以非常直觀地得出結(jié)論，為相關(guān)的理論學(xué)習(xí)提供了證據(jù)事實。由于原電池產(chǎn)生的電壓、電流都比較小，不用擔(dān)心在反向連接時LED發(fā)光二極管會被擊穿，實驗安全、高效。另外，實驗的創(chuàng)新點燃了學(xué)生的探索熱情，打開了學(xué)生的思維空間，將學(xué)生置于一個積極活躍的課堂中，真正構(gòu)建了高效實驗課堂。

（三）逆向思考實驗環(huán)境，使操作更綠色

在高中化學(xué)實驗中，實驗環(huán)境也是影響實驗的重要因素。在對實驗進(jìn)行改進(jìn)時，應(yīng)基于“幫忙不添亂”的原則對實驗環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化。在教學(xué)中，教師可以利用逆向思維來排除實驗環(huán)境對實驗的影響，為實驗現(xiàn)象的清晰呈現(xiàn)提供合適的實驗環(huán)境。

例如，在“焰色反應(yīng)實驗”的教學(xué)中，教師在實驗現(xiàn)象呈現(xiàn)上雖然做了改進(jìn)，但大多都是以放大反應(yīng)現(xiàn)象為突破口，并沒有從根本上實現(xiàn)火焰顏色的長時間呈現(xiàn)。對此，教師不妨帶領(lǐng)學(xué)生探索焰色反應(yīng)實驗中焰色呈現(xiàn)時間短的原因，開發(fā)學(xué)生思維，同時為學(xué)生創(chuàng)建更為合適的實驗環(huán)境。

原因分析：（1）酒精燈的火焰顏色為黃色，存在顏色干擾；（2）利用鐵絲蘸取金屬鹽溶液時，蘸取的金屬鹽溶液比較少；（3）使用噴壺向火焰噴灑金屬鹽溶液時，金屬鹽溶液與火焰接觸的時間較短。

通過分析發(fā)現(xiàn)，上述問題多是由實驗環(huán)境引發(fā)的。教師可立足逆向思維，對實驗環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，為學(xué)生創(chuàng)建合適的實驗環(huán)境。

逆向改進(jìn)：將金屬鹽的粉末撤在瓊脂固體酒精上，然后點燃酒精，觀察火焰顏色。

實驗優(yōu)點：（1）用瓊脂固體酒精來代替液體酒精，火焰與金屬鹽可以長時間接觸，延長了焰色的呈現(xiàn)時間；（2）用金屬鹽粉末來代替金屬鹽溶液，濃度大，顏色深；（3）消除了火焰本身顏色的干擾；（4）在操作完焰色反應(yīng)之后，金屬鹽仍然呈塊狀，可以循環(huán)使用。

基于逆向思維大膽改進(jìn)實驗環(huán)境，使得實驗在操作、現(xiàn)象上達(dá)到了一個新的高度，也使得學(xué)生更積極主動地參與實驗。同時，這一實驗還符合綠色化學(xué)思想，在學(xué)生的心中種下綠色的種子，為學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)提供了平臺。

（四）逆向思考實驗結(jié)論的，使分析更簡單

高中化學(xué)實驗往往會采用正向探究法，即根據(jù)實驗探究的主題進(jìn)行正向的實驗設(shè)計、實驗操作及現(xiàn)象（或數(shù)據(jù)）記錄，進(jìn)而推導(dǎo)出實驗結(jié)論。在實驗教學(xué)中，教師不妨利用逆向思維，引導(dǎo)學(xué)生從實驗結(jié)論出發(fā)，開放性探索實驗方法，以簡化實驗過程，順利得出實驗結(jié)論。

例如，在探究水的組成時，往往采用電解的方法來證明。

常規(guī)方法：利用直流電源電解水，收集陰陽兩極產(chǎn)生的氣體。（1）將帶火星的木條伸入盛有陽極產(chǎn)生的氣體的集氣瓶中，如果帶火星的木條復(fù)燃，則證明有氧氣生成，說明水中含有氧元素；（2）將盛有陰極產(chǎn)生的氣體的試管靠近點燃的酒精燈，點燃?xì)怏w，如果聽到爆鳴聲，則證明有氫氣生成，說明水中含有氫元素。結(jié)合（1）（2）可得，水是由氫元素和氧元素組成的。

不難看出，這樣的實驗比較復(fù)雜、難度較大，對實驗裝置和反應(yīng)條件要求較高，且具有一定的危險性。采用逆向思維，從氫氣、氧氣入手進(jìn)行考慮，可以設(shè)計出更為簡單的實驗，順利得出想要的實驗結(jié)論。

逆向改進(jìn)：將純凈的氫氣放置在純凈的氧氣中燃燒，并在上方罩一個冷而干燥的小燒杯，觀察實驗現(xiàn)象。

小燒杯中的小水珠讓學(xué)生明白了氫氣與氧氣在燃燒條件下反應(yīng)會生成水，從而逆向推導(dǎo)出“水是由氫元素和氧元素組成的”這一結(jié)論?？梢?，逆向思維為學(xué)生找到了解決問題的簡單途徑，使實驗設(shè)計、儀器和操作步驟得到了極大的簡化，切實提高了實驗的效果。

總之，基于逆向思維的化學(xué)實驗改進(jìn)，打破了原有的常規(guī)思維，“反其道而思之”，通過對藥品順序和操作順序的倒置、實驗環(huán)境的逆向優(yōu)化及實驗結(jié)論的逆推等，開創(chuàng)了實驗改進(jìn)新模式。站在正向思維的對立面進(jìn)行思考，大膽地對實驗進(jìn)行改進(jìn)，不僅使實驗變得鮮明、簡化和綠色化，還使思維具有了變通性、獨特性與流暢性，為化學(xué)實驗創(chuàng)新提供了新方向，注入了新活力。

［ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻(xiàn) ? ］

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（責(zé)任編輯 羅 艷）