基于推理思維的實(shí)驗(yàn)再改進(jìn)

范玉英

摘要：通過改變藥品呈現(xiàn)方式、改進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)、改變反應(yīng)條件等方法，重新設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)。新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)操作簡單、現(xiàn)象直觀、有益環(huán)保。可用于學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)或獨(dú)立開展有價(jià)值的實(shí)踐活動，有助于提高學(xué)生“科學(xué)思維”“科學(xué)探究與實(shí)踐”等化學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：推理思維；科學(xué)思維；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號：10056629（2023）06006705中圖分類號：G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

“推理”是邏輯學(xué)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(jù)已知的判斷推導(dǎo)出未知判斷的思維形態(tài)^［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(xué)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(shí)驗(yàn)開展、證據(jù)評價(jià)、推斷和辯論等環(huán)節(jié)，由此形成、修正關(guān)于自然（或社會）的概念和理論^［2］。

推理思維是改進(jìn)、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的重要途徑之一。我們課題組和興趣小組在系列實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新再設(shè)計(jì)時(shí)，用常規(guī)思維方法（如轉(zhuǎn)化法、例證法等），常陷于“黔驢技窮”的困境；若轉(zhuǎn)換思維路徑，巧借推理思維，則有“峰回路轉(zhuǎn)”之效。

查閱文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，多數(shù)教師對教材實(shí)驗(yàn)實(shí)施某些改進(jìn)以規(guī)避教材實(shí)驗(yàn)的局限性，取得較為理想的演示效果。但改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)主要指向教師演示，難以突破學(xué)生分組或獨(dú)立開展實(shí)驗(yàn)。如何為學(xué)生提供探究活動的舞臺，我們課題組和興趣小組運(yùn)用推理思維從實(shí)驗(yàn)微型化設(shè)計(jì)、改變藥品呈現(xiàn)方式、改進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)、改變反應(yīng)條件等方面創(chuàng)設(shè)現(xiàn)象直觀、操作簡單、綠色環(huán)保的新實(shí)驗(yàn)裝置。下面結(jié)合具體案例予以說明。

1 微型化的實(shí)驗(yàn)

在學(xué)習(xí)“碳酸氫銨受熱分解”時(shí)，滬教版（P3）在“觀察與思考”欄目設(shè)計(jì)了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)象明顯，學(xué)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(shè)計(jì)相關(guān)探究實(shí)驗(yàn)。檢驗(yàn)水可用無水硫酸銅，檢驗(yàn)氨氣用無色酚酞溶液，該知識在滬教版下冊“應(yīng)用廣泛的酸、堿、鹽”章節(jié)，這種前后知識的不連貫性，給學(xué)生理解反應(yīng)的原理造成障礙。為幫助學(xué)生體驗(yàn)知識的形成過程，化抽象為形象，意義較大。正向推理：檢驗(yàn)氨氣、水蒸氣、二氧化碳需選擇何種試劑？怎么放置？如何改進(jìn)裝置？教師擇機(jī)展示玻璃管、球形干燥管等儀器，啟迪學(xué)生思維。興趣小組在教師啟迪下，進(jìn)一步推理裝置設(shè)計(jì)、試劑擺放順序等，再交流、評價(jià)，設(shè)計(jì)了如圖2所示的實(shí)驗(yàn)。教師點(diǎn)評：圖2裝置看似很完美，但推理欠嚴(yán)密：該藥品擺放順序能逐一證明碳酸氫銨的分解產(chǎn)物嗎？反應(yīng)快的學(xué)生領(lǐng)悟了酚酞試液中的水也會被無水硫酸銅吸收變藍(lán)，對碳銨受熱分解產(chǎn)物水的檢驗(yàn)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?yōu)樗{(lán)色）。

教師利用信息提示，機(jī)智處理“前導(dǎo)知識對后繼知識鋪墊”和“后繼知識與前導(dǎo)知識融合”的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)前后知識銜接“一體化”之效^［3］。助推學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與活動順利進(jìn)行，從而促進(jìn)對反應(yīng)原理的深層次理解。

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

興趣小組依據(jù)信息提示，并借助定制的玻璃管對圖2實(shí)驗(yàn)再作改進(jìn)，設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)，取得了預(yù)期的教學(xué)效果。

1.1.1 實(shí)驗(yàn)用品

橡膠塞、玻璃管（2cm×24cm）、導(dǎo)管、酒精燈、酒精噴燈、酒精、手套、石棉網(wǎng)、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(shí)驗(yàn)裝置

借助玻璃管設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示（固定、夾持裝置略）。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)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(wǎng)上，冷卻備用；

（2） 向玻璃管內(nèi)分別放置滴有酚酞溶液的棉團(tuán)、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(dǎo)管另一端系一氣球，用酒精燈加熱碳酸氫銨固體；

（3） 觀察現(xiàn)象：碳酸氫銨固體逐漸減少，無水硫酸銅由白變藍(lán)，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(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

（1） 現(xiàn)象明顯、直觀，促進(jìn)了學(xué)生對碳銨受熱分解原理的理解；

（2） 實(shí)驗(yàn)將4個(gè)反應(yīng)進(jìn)行微型一體化探究且操作簡單；

（3） 適宜學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，發(fā)展學(xué)生推理思維、合作探究等綜合實(shí)踐能力；

（4） 該裝置還適用于銅綠受熱分解的實(shí)驗(yàn)探究。

2 改變藥品呈現(xiàn)方式的實(shí)驗(yàn)

在學(xué)習(xí)“雙氧水分解制氧氣”時(shí)，滬教版（P36）在“活動與探究”欄目設(shè)置的實(shí)驗(yàn)如圖4所示。該實(shí)驗(yàn)具有易操作、反應(yīng)速率適中、制取的氧氣較純等優(yōu)點(diǎn)。但不能控制反應(yīng)的發(fā)生與停止，且二氧化錳的回收較復(fù)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(yīng)的發(fā)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(yōu)點(diǎn)？有無不足？小組學(xué)生思考、辨析、評價(jià)。學(xué)生代表：該裝置能控制反應(yīng)的發(fā)生與停止，氣流穩(wěn)定。教師啟發(fā)學(xué)生再思量：不妨從圖5（a）催化劑的成分考慮！學(xué)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(xué)生在圖5（a）基礎(chǔ)上，能創(chuàng)設(shè)更合理的二氧化錳呈現(xiàn)方式嗎？學(xué)生探究熱情被點(diǎn)燃，思維的碰撞產(chǎn)生智慧之花。學(xué)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(jīng)師生交流評價(jià)，學(xué)生設(shè)計(jì)了圖5（b）裝置。經(jīng)實(shí)踐，有“異途同歸”之妙。

吳俊明教授曾說：“化學(xué)物質(zhì)千差萬別，難以用抽象演繹方法做出準(zhǔn)確和精細(xì)的推定，需逐個(gè)研究、認(rèn)識，它的這種個(gè)性決定了化學(xué)對實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐的強(qiáng)烈依賴。^［5］”

3 改進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)

在學(xué)習(xí)“燃燒的條件”時(shí)，人教版（P129）設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。實(shí)際操作中，當(dāng)通入氧氣時(shí)，因白磷熔點(diǎn)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(shí)驗(yàn)成功率較低。教師引導(dǎo)學(xué)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(fēng)景！學(xué)生聯(lián)想逆向推理：設(shè)計(jì)一個(gè)有限空間，持續(xù)通入氧氣至這一空間內(nèi)，白磷與氧氣充分接觸，問題可迎刃而解。

3.1 實(shí)驗(yàn)方案1

興趣小組借助硬質(zhì)玻璃管、不銹鋼網(wǎng)等器材優(yōu)化教材實(shí)驗(yàn)裝置，取得較好的探究效果。

3.1.1 實(shí)驗(yàn)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(dǎo)管的雙孔橡膠塞、硬質(zhì)玻璃管（3cm×13cm）、過濾豆?jié){的不銹鋼網(wǎng)、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(shí)驗(yàn)裝置

借助硬質(zhì)玻璃管、不銹鋼網(wǎng)等儀器和用品設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。

3.1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

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

（2） 硬質(zhì)玻璃管上端塞緊橡膠塞，長導(dǎo)管下端插入不銹鋼網(wǎng)（中間制成與玻璃管匹配的孔），短導(dǎo)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(wǎng)小孔放入，硬質(zhì)玻璃管下端套在螺母上；

（4） 向燒杯內(nèi)倒入200mL熱水，通入氧氣（發(fā)生裝置可水浴加熱，產(chǎn)生氧氣速率更快）；

（5） 觀察現(xiàn)象：白磷在水中燃燒，呈現(xiàn)“水火交融”的景象！

3.1.4 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

（1） 操作簡便、現(xiàn)象直觀，有利于學(xué)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(chǎn)生的白煙逸散至空氣中造成環(huán)境污染問題。本實(shí)

驗(yàn)體現(xiàn)激趣、安全、環(huán)保、創(chuàng)新等理念，充分發(fā)揮了實(shí)驗(yàn)的育人價(jià)值。

3.2 實(shí)驗(yàn)方案2

在學(xué)習(xí)“氧氣的性質(zhì)”時(shí)，人教版（P33）設(shè)計(jì)了硫在集滿氧氣的集氣瓶中燃燒的實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，能有效達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，但硫燃燒產(chǎn)生的刺激性氣體會造成環(huán)境污染。教師提問：如何設(shè)計(jì)一個(gè)綠色、環(huán)保、又能檢驗(yàn)燃燒產(chǎn)物的裝置？學(xué)生逆向推理：教材實(shí)驗(yàn)是半封閉的，若設(shè)計(jì)成硫在封閉裝置內(nèi)燃燒，再增設(shè)檢驗(yàn)、除污的裝置，方案就水到渠成了。

學(xué)生巧借推理思維，用常規(guī)儀器及用品將“半封閉型”裝置改進(jìn)為“封閉型”，集趣味性、知識性、綜合性于一體，充分體現(xiàn)了可視性與環(huán)保性。

3.2.1 實(shí)驗(yàn)用品

橡膠塞、導(dǎo)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(tuán)、硬質(zhì)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(shí)驗(yàn)裝置

借助推理思維設(shè)計(jì)的封閉型實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示。

3.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 按圖8裝配好儀器，檢查裝置氣密性，向U型管、硬質(zhì)玻璃管中央部位預(yù)先分別加入棉花包裹的無水氯化鈣、0.1g硫粉，兩廣口瓶內(nèi)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(nèi)約0.5cm（防倒吸）；

（2） 在錐形瓶內(nèi)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(dāng)廣口瓶內(nèi)玻璃管下端有氣泡連續(xù)冒出時(shí)，將燃著的酒精燈對準(zhǔn)硬質(zhì)玻璃管中央部位加熱；

（4） 觀察現(xiàn)象：硫由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，燃燒，產(chǎn)生明亮的藍(lán)紫色火焰，高錳酸鉀溶液褪色，現(xiàn)象十分明顯、直觀！

3.2.4 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

（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(shí)驗(yàn)中，硬質(zhì)玻璃管管徑粗、空間大，硫與氧氣充分反應(yīng)產(chǎn)生藍(lán)紫色火焰，生成的氣體能使高錳酸鉀溶液褪色（檢驗(yàn)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(xiàn)了綠色化設(shè)計(jì)。

不過實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意以下2點(diǎn)：

（1）自制二氧化錳小球數(shù)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(fā)生裝置產(chǎn)生的氧氣需經(jīng)干燥處理。

4 改變反應(yīng)條件的實(shí)驗(yàn)

滬教版教材安排的鐵生銹實(shí)驗(yàn)（第127頁）如圖9所示。實(shí)際教學(xué)中需提前準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)，才能觀察到現(xiàn)象。該實(shí)驗(yàn)反應(yīng)時(shí)間長，無法在課堂內(nèi)演示或分組實(shí)驗(yàn)。正向推理：怎樣才能加速鐵的銹蝕？化學(xué)反應(yīng)速率與哪些因素有關(guān)？受教師啟發(fā)，學(xué)生推理：增加氧氣濃度；提高反應(yīng)溫度；增大反應(yīng)物

接觸面積；加入氯化鈉等。如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)兀繉W(xué)生自主思考，組內(nèi)交流，然后派代表表述見解，開展師生評價(jià)。

興趣小組從控制變量角度改進(jìn)、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，取得顯著的實(shí)驗(yàn)效果。

4.1 實(shí)驗(yàn)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(xì)導(dǎo)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(jì)時(shí)器、熱水（80℃以上）

4.2 實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)氧氣的制取、鐵生銹一體化裝置，如圖10所示。

4.3 實(shí)驗(yàn)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(nèi)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(tuán)包裹無水氯化鈣的棉

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

（3） 設(shè)三組實(shí)驗(yàn)，向錐形瓶內(nèi)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(shí)水浴加熱）、水浴溫度控制在80℃以上，觀察、記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。教師擇優(yōu)展示成果，見表1。

4.4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)論

學(xué)生通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)：過氧化氫溶液濃度越大，水溫高于80℃時(shí)，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(cuò)、共同作用的復(fù)雜問題，簡化成研究對象與各個(gè)單一因素發(fā)生聯(lián)系的簡單問題，從而降低了學(xué)習(xí)難度^［6］，更加契合學(xué)生的認(rèn)知能力。

5 結(jié)語

本課題主要運(yùn)用推理思維對教材的部分實(shí)驗(yàn)作再改進(jìn)和再設(shè)計(jì)。新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)操作簡單、實(shí)驗(yàn)時(shí)間短、現(xiàn)象明顯，較適合小組學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，學(xué)會運(yùn)用推理思維解決問題，發(fā)展了化學(xué)思維與創(chuàng)新能力。通過實(shí)踐活動，學(xué)生增強(qiáng)了對化學(xué)反應(yīng)原理的本原性認(rèn)知，并由此體驗(yàn)推理思維的創(chuàng)造性、正向或逆向探求的奇妙性^［7］。

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