例谈初中化学实验创新的思维方法

江苏省徐州市西苑中学 221002 李德前

摘  要 结合自身实验创新成果，介绍了改进和设计化学实验的几种思维方法。

关键词 化学实验；创新；思维方法

在化学实验教学中，我们在用好课本经典实验的同时，还要注意理性质疑课本实验的不足，并充分利用现有的仪器和代用品，改进和设计出一些构造简单、操作方便、现象直观的化学实验。另外，我们在学习他人的实验创新成果时，不仅要把优秀的设计方案嫁接到自己的教学中，尤其要反思他人实验设计的思维方法，从而对我们的实验创新给予方法上的启示。这样，化学实验就能更加科学、简洁和完美。

近10年来，笔者公开发表了近30项实验创新成果，并获首届江苏省基础教育教学成果二等奖，其中有的被现行初中化学课本采用，有的被改编成全国初中化学竞赛题和各地中考题。在改进和设计化学实验中，笔者以希望点列举法和缺点列举法为基础，又较多的使用了组合法、移植法、替换法和逆向法等。下面主要结合自身的研究成果，介绍实验创新的思维方法。

1缺点列举法

缺点列举法就是通过发掘现有实验的缺陷，并逐一列举，然后提出改进措施的一种创新技法，它是改进化学实验最常用的思维方法。

例如，课本上“二氧化碳灭火”实验的缺点是：烧杯里2支蜡烛燃烧产生的热气流不断上升，常会阻碍二氧化碳的下沉，致使“标准实验现象”难以出现。一番苦思冥想后，笔者裁剪了一张大小合适的凹形硬纸板，将其缺口向下插入大烧杯中（见图1），顺利改掉了上述缺点。另外，细沙的使用则方便了蜡烛的固定，也节省了二氧化碳。

2希望点列举法

从个人愿望或教学需求出发，对某一化学实验列出种种希望，并沿着希望点寻找发明目标，这就是希望点列举法，它是设计化学实验最常用的思维方法。

例如，设计“氨分子扩散”实验，笔者列出如下希望点：①装置尽量密闭；②氨水的用量少；③装置固定，可反复使用。在上述希望点的引导下，笔者反复试验，终于研制出图2所示的实验装置。只需将7-8滴浓氨水滴到弯曲的支管处，就会出现如下实验现象：中上部纱布条从下往上慢慢变红，中下部纱布条不变色，从而说明：分子不断运动，氨气比空气密度下，氨水显碱性；若微热氨水，纱布条会很快变红，这又说明温度越高分子运动速率越快。需要说明的是，因为氨水用量少，玻璃管的2个端口可以不用湿润的棉花塞住。

3移植法

移植法就是把已成熟的某种科学原理或实用方法引入化学实验中，从而设计出新的实验装置或操作方法。

像课本上“检验物质燃烧生成二氧化碳”的方法(内壁涂有石灰水的烧杯罩在火焰上)，现象不明显，操作不方便，尤其是没有二氧化碳生成时石灰水也可能变浑(因为氢氧化钙溶解度遇热变小)。笔者想，要是把燃烧产生的气体直接聚集到盛有石灰水的某种容器内，不就方便检验了吗？这就想到了“注射器抽取液体的原理”，并将其成功移植到上述实验中（见图3）。

4替换法

替换法就是通过更换不同性能的材料，优化实验装置或实验方法，从而产生更好的实验效果。

如课本上“二氧化碳溶于水”实验的不足是：二氧化碳用量大；实验时只看到瓶子变瘪，不能显示二氧化碳溶解了多少。笔者思考，如果把塑料瓶换成容积较小的容器，且该容器能直观显示它所盛物质的体积，不就改掉了原实验的不足吗？至此，实验方案呼之欲出：用20mL的注射器先抽取10mL水，再抽取10mL二氧化碳，封闭针管后用力振荡，活塞会自行向前推进，最后停在12mL刻度处（见图4），这充分说明10mL的水约能溶解8mL的二氧化碳。

另外，沪教版“化学变化的现象”实验，是利用“煤油燃烧”、“氯化氢与氨气混合”、“碘化钾与硝酸银反应”这3个小实验来说明的。但是，“煤油燃烧”、“氯化氢与氨气混合实验”污染较重；硝酸银试剂价格高，碘化钾试剂初中化学实验室一般没有；且上述实验没有体现化学变化放出气体。于是，笔者利用替换法改进该实验：用发光、变色、冒烟、放热的“镁带燃烧”实验代替“煤油燃烧”和“氯化氢与氨气混合”这2个实验；用既产生红褐色沉淀、又放出气体的“硫酸铁与小苏打反应”实验代替“碘化钾与硝酸银反应”实验。

5模仿法

模仿法就是模仿和借鉴已有实验中某些有效因素，并对其再改进，从而开发出新的实验方案。

笔者看到网络上他人设计的“碳酸钙与盐酸反应”实验（见图5-a）：倒立瓶子即反应，反应前后质量不变；打开瓶盖放气后，天平失去平衡。但它是一次性实验装置，在多个班级的连续授课中不方便，也浪费药品。

笔者的模仿设计（见图5-b）：保留a装置优点(装置封闭、反应前后装置外形不变)，再借鉴启普发生器原理（倾斜瓶子即反应）。

6逆向法

用习惯性方法不能很好的解决实验中存在的问题时，不妨用反向探求的方式进行思考，常能达到柳暗花明的效果。

例如，用双氧水制氧气时的MnO₂粉末不易回收，且液体浑浊影响现象的观察，这些缺点皆因MnO₂是粉末状。若MnO₂颗粒变大(做成大颗粒或装入布袋)，问题不就迎刃而解了吗？徐州市的李为才老师因此发明了二氧化锰丸(将水泥在二氧化锰粉末上滚成团，晾干)。

再者，课本上检查装置气密性的两种方法都是通过增大装置内的气压来操作的，那么能否通过减小装置内气压来操作呢？于是，笔者又得出了“冷却法”（用凉毛巾冷却试管），以及图6所示的“抽气法”（外拉注射器活塞，若软胶管变瘪则装置不漏气）。

7放大创新法

将某些不明显的实验现象放大是实验创新的有效技法，通过以大求新，从而追求感官效应。

初中化学中的吸热、放热实验多用温度计测量温度变化，而温度计刻度细小，学生不易观察。 徐州市朱晓伟老师设计的“吸热、放热”实验装置（见图7），放大了实验现象：他在去底的塑料瓶里进行实验，产生的热效应会引起输液滴壶内封闭空气的体积变化，从而带动输液管内的红色液柱显著升高或降低 。

另外，不少老师改进“分子间有间隔”实验的思路都是“大容积瓶子+细长的管子”，这样水与酒精混合后体积的微小收缩，就能通过细管内液柱的明显下降而放大。当然，恰当的使用投影实验也可以放大实验现象。

8缩小省略法

运用缩小、减少、删减等手段进行实验创新的技法，叫做缩小省略法。化学上的微型实验就是通过“缩一缩”、“省一省”技法研制出来的。

例如，笔者利用Y形管研制了“灭火器原理”实验（见图8），只要将Y形管倾斜，两种药液就能混合，同时快速产生二氧化碳；该微型装置还可用于“固液不加热型”制取气体（需在装有固体的支管口处塞一团棉花），且反应便于控制。

9组合法

发明创造说到底就是两条路，一是全新的发现，二是把已有的物品进行组合。组合创新一般有异类组合、同类组合、主体附加、延伸组合等几种方法，常能达到1+1≥2的效果。

9.1异类组合法

异类组合法就是将不同的技术、不同的物品，按某种关联因素或特征进行新的组合，构成我们需要的实验装置。

笔者把别人发明的塑料注射器、电子打火器（废旧打火机上有）、导线等珠联璧合，就发明了气体爆炸演示器（见图10）。

9.2同类组合法

把多个相同的仪器或独立的实验组合到一块，能弥补单一仪器或实验功能的不足，并且数量的增加引起了质变，从而获得新方案、新实验，这就是同类组合法。

例如,将大小试管套起来，就能组装成探究碳酸钠和碳酸氢钠热稳定性的实验装置；把2个注射器对接，就组成了测量空气中氧气体积分数（铜氧化法）的实验装置。

笔者把几个NaOH性质实验组合起来，就是一个有趣的化学多米诺实验（见图11）；它使NaOH化学性质的复习课不再枯燥，也体现了知识的综合性。

9.3主体附加法

主体附加法就是以某一实验为主体，再添加另一种仪器（或替代品）作为附属物，从而实现组合创新。

像徐州市李培林老师研制的增氧酒精灯（见图12），就采用了这种发明方法。

再有，如何利用矿泉水瓶制作一个“地窖空气取样仪”呢？笔者也采用了主体附加法：①如何使塑料瓶在地窖里自由上下？在瓶口系一根细绳；②塑料瓶内装入哪种状态的物质才能使地窖内空气与瓶内物质快速方便的交换？装入液体（常用水）；③如何方便地倒出瓶内原来的物质？在瓶底系一根细绳（见图13）。

9.4延伸组合法

这属于先后组合，即在完成一个实验的基础上，利用现有的装置和物质条件，还能延伸再造出新的实验。

像前面介绍的“二氧化碳溶于水”实验，笔者意外发现：若将注射器向上竖起，然后下拉注射器活塞，则溶液中会冒出大量的小气泡。这个延伸实验证明了“压强减小气体溶解度变小”，逆向思考可知“压强增大气体溶解度增大”。

还有，徐州市马逸群老师在“火柴头爆炸实验”的基础上，巧妙的延伸出“含硫物质燃烧使高锰酸钾溶液褪色”实验（见图14）：向刚做过爆炸实验的试管里加入高锰酸钾溶液（或将试管倒立在高锰酸钾溶液中），溶液立即褪为肉色。该操作比课本实验简便得多，成功率百分百，实验现象明显，延伸的妙不可言。

笔者还常在“NaOH溶液与CO₂反应”实验结束后，延伸出“探究混合液中溶质成分”的实验。

9.5对比组合法

对比组合法是将“比较”和“实验”这两种认识事物的科学方法组合起来，设计多个平行或递进实验，通过控制实验条件、操作顺序等，对实验现象进行对比分析，从而得出实验结论。

例如，在充满二氧化碳的塑料瓶里加入少量NaOH溶液，封闭后振荡，塑料瓶变瘪。这能否说明NaOH溶液与二氧化碳反应了呢？显然有纰漏，因为NaOH溶液中有水，水也能溶解二氧化碳使瓶子变瘪。于是，笔者设计了对比实验（见图15）：在相同容积的2瓶二氧化碳里，分别加入等体积的水和NaOH溶液，封闭后振荡，加入NaOH溶液的瓶子会变得更瘪。

注意：若是递进关系的对比实验，要注意实验顺序符合认知规律。如2011版的沪教版初中化学课本上“探究钢铁生锈条件”的实验设计，第①、②支试管（分别放置酸洗过的铁钉、浸泡在盐水中的铁钉）是探究加快铁生锈因素的实验，第③、④、⑤支试管却是探究铁生锈条件的实验，这样排列不符合学生的认知规律。另外，设计对比实验要注意控制变量。

10等值交换法

根据现有实验装置的特性和功能，寻找能等值交换的其它仪器或物质，这就是等值交换创新法。排水集气、排空气集气、耗氧法测量空气中氧气体积分数等实验，都用到了这种思维方法。

例如，“测量空气中氧气体积分数”实验的物理原理是：同温同压下密闭容器里的气体若减少x升，那么与其相连通的储水装置里就有x升的水被吸入密闭容器，但学生不易理解这一隐含的原理。于是，笔者用等值交换法设计了图16所示的实验装置释疑：拉动注射器活塞吸走集气瓶内x升气体，同时就有x升水流入集气瓶。

再如“CO还原性”实验，困扰我们的最大的问题是：不能及时知道玻璃管内的空气何时排完。若通入CO时间短，加热时极易发生爆炸，所以大多长时间通入CO，这样既浪费药品也耽误时间。徐州市马逸群、吴国庆老师想到了等值交换法，他们设法将玻璃管内含有的空气与吸收二氧化碳的石灰水等值转换，即：通入CO后，只要石灰水的液面下降到18mL标记处，就说明玻璃管内空气基本排完（见图17）。

 11综合运用多种创新技法

创新化学实验的方法远不止上述几种，还有分解发明法、废物利用法、类比法等，而且创新过程中往往是多种技法的综合应用。

像上面的“CO还原性”改进实验，不仅使用了等值交换法，还同时用到了希望点列举法、缩小省略法、组合法等。

笔者改进“碳酸钙与盐酸反应”实验（见图18），用到了希望点列举法、异类组合法、移植法等。

创新永无止境，只要我们掌握方法、勤于探索，一定能创新出更多的实验成果。另外，化学实验创新不要孤立为教师的个人活动，要积极吸引学生参与进来，从而激发他们的创新思维。

参 考 文 献

[1]李德前.指导学生改进化学实验装置[J].化学教学，2006(5)：1-3

[2]马逸群.初中化学2个火柴头实验的组合设计[J].中学化学教学参考，2012(6)：57-58

[3]朱晓伟.吸热、放热实验的创新设计[J].教学仪器与实验，2008（11）：20

[4]李培林，李为才.增氧酒精灯 [J]. 教学仪器与实验，2009(10)：43

[5]赵红，李德前.气体爆炸实验器的制作和使用[J].中国教育技术装备，2005(1)：23

[6]李德前.“碳酸钙与盐酸反应前后质量的测定”实验改进[J].化学教育，2011(10)：84-85