基于推理思維的實驗再改進

范玉英

摘要：通過改變藥品呈現方式、改進裝置結構、改變反應條件等方法，重新設計碳酸氫銨受熱分解、雙氧水分解制氧氣、白磷在水中燃燒、硫在氧氣中燃燒、鐵生銹等實驗。新設計的實驗操作簡單、現象直觀、有益環保。可用于學生分組實驗或獨立開展有價值的實踐活動，有助于提高學生“科學思維”“科學探究與實踐”等化學核心素養。

關鍵詞：推理思維；科學思維；實驗改進；實驗探究

文章編號：10056629（2023）06006705中圖分類號：G633.8文獻標識碼：B

“推理”是邏輯學的重要研究對象，是思維的基本形式之一。所謂“推理”，是指根據已知的判斷推導出未知判斷的思維形態^［1］，它包含直接推理、間接推理或正向推理、逆向推理等。從科學探究視角看，推理是指在探究過程中所涉及的普適性思維和推理技能，包含實驗開展、證據評價、推斷和辯論等環節，由此形成、修正關于自然（或社會）的概念和理論^［2］。

推理思維是改進、優化實驗的重要途徑之一。我們課題組和興趣小組在系列實驗創新再設計時，用常規思維方法（如轉化法、例證法等），常陷于“黔驢技窮”的困境；若轉換思維路徑，巧借推理思維，則有“峰回路轉”之效。

查閱文獻資料發現，多數教師對教材實驗實施某些改進以規避教材實驗的局限性，取得較為理想的演示效果。但改進的實驗主要指向教師演示，難以突破學生分組或獨立開展實驗。如何為學生提供探究活動的舞臺，我們課題組和興趣小組運用推理思維從實驗微型化設計、改變藥品呈現方式、改進裝置結構、改變反應條件等方面創設現象直觀、操作簡單、綠色環保的新實驗裝置。下面結合具體案例予以說明。

1 微型化的實驗

在學習“碳酸氫銨受熱分解”時，滬教版（P3）在“觀察與思考”欄目設計了如圖1所示的實驗，現象明顯，學生通過感官感知到刺激性氣體為氨氣。但生成物還有哪些？教材未設計相關探究實驗。檢驗水可用無水硫酸銅，檢驗氨氣用無色酚酞溶液，該知識在滬教版下冊“應用廣泛的酸、堿、鹽”章節，這種前后知識的不連貫性，給學生理解反應的原理造成障礙。為幫助學生體驗知識的形成過程，化抽象為形象，意義較大。正向推理：檢驗氨氣、水蒸氣、二氧化碳需選擇何種試劑？怎么放置？如何改進裝置？教師擇機展示玻璃管、球形干燥管等儀器，啟迪學生思維。興趣小組在教師啟迪下，進一步推理裝置設計、試劑擺放順序等，再交流、評價，設計了如圖2所示的實驗。教師點評：圖2裝置看似很完美，但推理欠嚴密：該藥品擺放順序能逐一證明碳酸氫銨的分解產物嗎？反應快的學生領悟了酚酞試液中的水也會被無水硫酸銅吸收變藍，對碳銨受熱分解產物水的檢驗造成干擾（提示：氨氣能使無色酚酞試液變紅；無水硫酸銅遇水由白色變為藍色）。

教師利用信息提示，機智處理“前導知識對后繼知識鋪墊”和“后繼知識與前導知識融合”的關系，實現前后知識銜接“一體化”之效^［3］。助推學生實驗設計與活動順利進行，從而促進對反應原理的深層次理解。

1.1 實驗方案

興趣小組依據信息提示，并借助定制的玻璃管對圖2實驗再作改進，設計了如下實驗，取得了預期的教學效果。

1.1.1 實驗用品

橡膠塞、玻璃管（2cm×24cm）、導管、酒精燈、酒精噴燈、酒精、手套、石棉網、火柴、碳酸氫銨、無水硫酸銅、藥匙、酚酞試液、脫脂棉、澄清石灰水、氣球

1.1.2 實驗裝置

借助玻璃管設計的實驗裝置如圖3所示（固定、夾持裝置略）。

1.1.3 實驗步驟

（1） 取一長玻璃管，用酒精噴燈彎制成如圖3所示形狀，放置于石棉網上，冷卻備用；

（2） 向玻璃管內分別放置滴有酚酞溶液的棉團、無水硫酸銅、適量碳酸氫銨，V形玻璃管中倒入適量澄清石灰水，塞緊左右兩邊橡膠塞，導管另一端系一氣球，用酒精燈加熱碳酸氫銨固體；

（3） 觀察現象：碳酸氫銨固體逐漸減少，無水硫酸銅由白變藍，滴有酚酞溶液的棉花變紅，石灰水變渾濁，氣球逐漸膨大。

1.1.4 實驗優點

（1） 現象明顯、直觀，促進了學生對碳銨受熱分解原理的理解；

（2） 實驗將4個反應進行微型一體化探究且操作簡單；

（3） 適宜學生分組實驗，發展學生推理思維、合作探究等綜合實踐能力；

（4） 該裝置還適用于銅綠受熱分解的實驗探究。

2 改變藥品呈現方式的實驗

在學習“雙氧水分解制氧氣”時，滬教版（P36）在“活動與探究”欄目設置的實驗如圖4所示。該實驗具有易操作、反應速率適中、制取的氧氣較純等優點。但不能控制反應的發生與停止，且二氧化錳的回收較復雜。逆向推理：如果將粉末狀的二氧化錳制成小顆粒或塊狀，既能控制反應的發生與停止，又能回收再利用^［4］，裝置見圖5（a）。教師試問：該裝置有何優點？有無不足？小組學生思考、辨析、評價。學生代表：該裝置能控制反應的發生與停止，氣流穩定。教師啟發學生再思量：不妨從圖5（a）催化劑的成分考慮！學生豁然開朗：水泥也能加快雙氧水的分解，對二氧化錳的催化作用造成干擾。

學生在圖5（a）基礎上，能創設更合理的二氧化錳呈現方式嗎？學生探究熱情被點燃，思維的碰撞產生智慧之花。學生提出：用百得膠（氯丁膠）制成二氧化錳小球，如綠豆般大小，使用后可回收再利用。經師生交流評價，學生設計了圖5（b）裝置。經實踐，有“異途同歸”之妙。

吳俊明教授曾說：“化學物質千差萬別，難以用抽象演繹方法做出準確和精細的推定，需逐個研究、認識，它的這種個性決定了化學對實驗、實踐的強烈依賴。^［5］”

3 改進裝置結構的實驗

在學習“燃燒的條件”時，人教版（P129）設計的實驗裝置如圖6所示。實際操作中，當通入氧氣時，因白磷熔點低，遇熱水易熔化，在氣流作用下，白磷在水中四處游動，難以與氧氣充分接觸，實驗成功率較低。教師引導學生思考：怎樣才能使白磷與氧氣充分接觸？反其道而行之或有另一番風景！學生聯想逆向推理：設計一個有限空間，持續通入氧氣至這一空間內，白磷與氧氣充分接觸，問題可迎刃而解。

3.1 實驗方案1

興趣小組借助硬質玻璃管、不銹鋼網等器材優化教材實驗裝置，取得較好的探究效果。

3.1.1 實驗用品

制氧氣裝置、20%過氧化氫溶液、自制二氧化錳小球100粒、帶導管的雙孔橡膠塞、硬質玻璃管（3cm×13cm）、過濾豆漿的不銹鋼網、白磷、螺母（外徑×高：2.7cm×1.3cm）、銅片、剪刀、小刀、燒杯、熱水（高于80℃）、廣口瓶、氫氧化鈉溶液

3.1.2 實驗裝置

借助硬質玻璃管、不銹鋼網等儀器和用品設計的實驗裝置如圖7所示。

3.1.3 實驗步驟

（1） 螺母內放一圓形銅片，大小與螺母內徑相匹配，銅片中央凹陷，將圓形（比螺母內徑稍大）不銹鋼網嵌入螺母內；

（2） 硬質玻璃管上端塞緊橡膠塞，長導管下端插入不銹鋼網（中間制成與玻璃管匹配的孔），短導管與氫氧化鈉溶液相連；

（3） 將2粒綠豆大小的白磷從不銹鋼網小孔放入，硬質玻璃管下端套在螺母上；

（4） 向燒杯內倒入200mL熱水，通入氧氣（發生裝置可水浴加熱，產生氧氣速率更快）；

（5） 觀察現象：白磷在水中燃燒，呈現“水火交融”的景象！

3.1.4 實驗優點

（1） 操作簡便、現象直觀，有利于學生深度理解可燃物燃燒需具備的條件；

（2） 解決了白磷燃燒后產生的白煙逸散至空氣中造成環境污染問題。本實

驗體現激趣、安全、環保、創新等理念，充分發揮了實驗的育人價值。

3.2 實驗方案2

在學習“氧氣的性質”時，人教版（P33）設計了硫在集滿氧氣的集氣瓶中燃燒的實驗。該實驗現象明顯，能有效達成教學目標，但硫燃燒產生的刺激性氣體會造成環境污染。教師提問：如何設計一個綠色、環保、又能檢驗燃燒產物的裝置？學生逆向推理：教材實驗是半封閉的，若設計成硫在封閉裝置內燃燒，再增設檢驗、除污的裝置，方案就水到渠成了。

學生巧借推理思維，用常規儀器及用品將“半封閉型”裝置改進為“封閉型”，集趣味性、知識性、綜合性于一體，充分體現了可視性與環保性。

3.2.1 實驗用品

橡膠塞、導管、錐形瓶（250mL）、15%過氧化氫溶液、用氯丁膠制成的二氧化錳小球、U型管、無水氯化鈣、棉團、硬質玻璃管、硫、藥匙、酒精燈、火柴、廣口瓶、粗玻璃管（1.5cm×12cm）、高錳酸鉀溶液、氫氧化鈉溶液

3.2.2 實驗裝置

借助推理思維設計的封閉型實驗裝置如圖8所示。

3.2.3 實驗步驟

（1） 按圖8裝配好儀器，檢查裝置氣密性，向U型管、硬質玻璃管中央部位預先分別加入棉花包裹的無水氯化鈣、0.1g硫粉，兩廣口瓶內分別盛適量的高錳酸鉀溶液、氫氧化鈉溶液，粗玻璃管伸入高錳酸鉀溶液內約0.5cm（防倒吸）；

（2） 在錐形瓶內放約100粒自制二氧化錳小球，并倒入85mL 15%的過氧化氫溶液，塞緊橡膠塞；

（3） 當廣口瓶內玻璃管下端有氣泡連續冒出時，將燃著的酒精燈對準硬質玻璃管中央部位加熱；

（4） 觀察現象：硫由固態變為液態，燃燒，產生明亮的藍紫色火焰，高錳酸鉀溶液褪色，現象十分明顯、直觀！

3.2.4 實驗優點

（1） 自制二氧化錳小球作催化劑，效果好，且能回收再利用；

（2） 實驗中，硬質玻璃管管徑粗、空間大，硫與氧氣充分反應產生藍紫色火焰，生成的氣體能使高錳酸鉀溶液褪色（檢驗二氧化硫氣體），剩余的有害氣體被氫氧化鈉溶液吸收，避免了對空氣造成污染，體現了綠色化設計。

不過實驗時應注意以下2點：

（1）自制二氧化錳小球數目不能太少，雙氧水濃度不能太低，否則生成的氧氣量不足，硫不能燃燒；（2）發生裝置產生的氧氣需經干燥處理。

4 改變反應條件的實驗

滬教版教材安排的鐵生銹實驗（第127頁）如圖9所示。實際教學中需提前準備實驗，才能觀察到現象。該實驗反應時間長，無法在課堂內演示或分組實驗。正向推理：怎樣才能加速鐵的銹蝕？化學反應速率與哪些因素有關？受教師啟發，學生推理：增加氧氣濃度；提高反應溫度；增大反應物

接觸面積；加入氯化鈉等。如何設計實驗呢？學生自主思考，組內交流，然后派代表表述見解，開展師生評價。

興趣小組從控制變量角度改進、優化實驗，取得顯著的實驗效果。

4.1 實驗用品

錐形瓶（250mL），6%、 10%、 15%過氧化氫溶液，單孔橡膠塞、自制二氧化錳小球、藥匙、細導管、T型管、膠皮管、剪刀、來回折疊2次的鐵絲（長約6cm）、砂紙、4支試管（1.5cm×14.5cm）、蒸餾水、植物油、棉花、無水氯化鈣、氯化鈉、大燒杯、計時器、熱水（80℃以上）

4.2 實驗裝置

利用自制二氧化錳小球作催化劑，并從控制變量視角設計氧氣的制取、鐵生銹一體化裝置，如圖10所示。

4.3 實驗步驟

（1） 按圖10所示連接裝置，檢查裝置氣密性。

（2） 1號試管內盛有6cm鐵絲

和6mL水；2號試管盛6cm鐵絲、6mL水和

植物油；3號試管先放入6cm鐵絲，再收

集滿氧氣，試管口放一團包裹無水氯化鈣的棉

花，塞緊橡膠塞；4號試管內盛6cm鐵絲和6mL氯化鈉溶液；向大燒杯中倒入熱水。

（3） 設三組實驗，向錐形瓶內各加100粒自制二氧化錳小球，分別倒入6%、 10%、 15%的過氧化氫溶液85mL，塞緊橡膠塞（同時水浴加熱）、水浴溫度控制在80℃以上，觀察、記錄實驗現象。教師擇優展示成果，見表1。

4.4 實驗現象與結論

學生通過實踐發現：過氧化氫溶液濃度越大，水溫高于80℃時，在鹽溶液中，鐵的銹蝕速率最快。可見，利用變量控制思想可以把多種因素相互交錯、共同作用的復雜問題，簡化成研究對象與各個單一因素發生聯系的簡單問題，從而降低了學習難度^［6］，更加契合學生的認知能力。

5 結語

本課題主要運用推理思維對教材的部分實驗作再改進和再設計。新設計的實驗操作簡單、實驗時間短、現象明顯，較適合小組學生獨立完成實驗。學生通過實驗設計，學會運用推理思維解決問題，發展了化學思維與創新能力。通過實踐活動，學生增強了對化學反應原理的本原性認知，并由此體驗推理思維的創造性、正向或逆向探求的奇妙性^［7］。

參考文獻：

［1］黃士平. 簡明邏輯學［M］. 武漢： 湖北教育出版社，2005： 201.

［2］Zimmerman C.. The development of scientific reasoning skills ［J］.? Developmentai Review，2000，20（1）： 99～149.

［3］陸軍. 重構課程內容： 培養學科核心素養的重要路徑［J］. 化學教學，2022，（7）： 3～7.

［4］［7］李德前，魏海，馬逸群，朱玉忠. 基于逆向思維創新化學實驗的嘗試［J］. 化學教學，2022，（8）： 73～76.

［5］吳俊明. 初中化學的育人功能與觀念滲透［J］. 化學教學，2017，（2）： 12.

［6］董俊，王瑛，吳俊明. 基于“變量控制”策略的初中化學實驗探究教學［J］. 化學教學，2022，（4）： 67～70，78.