| 化学实验设计与学生思维品质的培养 |
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作者：谭银光 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2007-9-12 16:54:37  |
化学实验设计与学生思维品质的培养
谭银光
思维品质是思维能力的具体表现，是衡量一个人智力水平高低的重要指标和提高思维能力的突破口。优良的思维品质包括思维的广阔性、深刻性、灵活性、批判性四要素，它们都是在实践过程中内化而形成的。
化学实验设计的特点是：思维量大、综合性强、能力要求高、情境新，主要侧重学生的发散思维能力。化学实验设计是最能激发学生的创新意识并培养、提高其思维品质的一种有效方式。
下面笔者就以高中化学实验教学中如何利用实验设计培养学生的思维品质谈几点做法。
一、多向拓展，培养思维的广阔性品质
思维的广阔性品质就是思维多向发散的广阔程度，主要表现为思路宽广，善于从多方面的知识经验去寻找解决问题的方法。
在一次活动课上，笔者提问如图１所示装置在化学实验中有哪些
用途。学生纷纷展开讨论，还有的同学将各种用途罗列起来，很快设
计出二十多种用途，现列举其中几种，这里面学生思维的广阔性品质得到了淋漓尽致的展示。
图2(Ⅰ)排空气集气法：a进b出，向上排空气法收集密度比空气大的气体；b进a出，向下排空气法收集密度比空气小的气体。
图2(Ⅱ)排水集气法：b进a出，排水法收集气体。
图2(Ⅲ)洗气瓶：若气体a进b出，广口瓶内装适当试剂，可用于干燥气体或除去气体中其他杂质。
图2(Ⅳ)量气装置：气体从b进，排出广口瓶内水流入量筒，量筒内水的体积即为气体体积。
图2(Ⅴ)安全瓶：当吸收液发生倒吸时，倒吸进来的液体被广口瓶贮存，防止吸收液进入受热容器或反应容器。
图2(Ⅵ)变式启普发生器：块状固体包裹后系在铜丝下，与液体接触产生气体；若关闭导管活塞，液体回流到长颈漏斗，固体与液体隔离，反应停止。
图2(Ⅶ)储气瓶：集气瓶内集满气体，需要该气体时，打开活塞使分液漏斗液体流出，瓶内气体均匀排出，供实验使用。
图2(Ⅷ)反应容器：打开活塞，广口瓶内生成气体的反应开始，从a中缓缓通入不含反应生成气体的气流，使产生气体全部从b导出，用其他方法测出产生气体体积，从而确定固体中物质的纯度。
通过多向拓展，学生的思路不断得到拓宽，学生的思维越来越有广度，当学生在实验设计中尝到成功的乐趣时，学生思维的广阔性品质得以深化。
二、深化推广，培养思维的深刻性品质
思维的深刻性品质就是思维的抽象程度、逻辑水平及思维活动的程度，集中表现为在具体进行思维活动时善于深入地思考问题，抽象概括出事物的本质，发现事物间的内在联系，深刻地理解概念、原理和深入地钻研问题，从而圆满解决问题。
如教学排水量气装置时，引导学生分析：水往高处流的原因，并联想初中学过的启普发生器原理，抓住相同的本质是气压差使液体流动。进而推广“这样的原理还有那些应用？”同学们各显所长，充分思考，并查阅大量资料，一星期后总结出来的应用方案有二十余种，都是理化学科间相互融合深刻思维的结晶体。现实录其中几种：
图3(Ⅰ~Ⅲ)：若打开活塞，则液体与固体接触，发生反应产生的气体由支管导出；若关闭活塞，则液体、固体脱离接触，反应自行停止。需要时再打开活塞，又可以使气体产生。
图3(Ⅳ)：块状固体包裹后系在铜丝下，与液体接触产生气体；若关闭导管活塞，液体回流到长颈漏斗，固体与液体隔离，反应停止。
图4(Ⅰ)：打开分液漏斗的活塞，NaOH溶液与烧瓶内SO2接触，一会儿后打开导管活塞，煤油流入烧瓶，说明SO2与NaOH溶液发生了反应。
图4(Ⅱ)：用镊子等拔开集满SO2的试管橡皮塞，NaOH溶液与SO2接触随即试管内液面上升，说明SO2与NaOH溶液发生了反应。
图4(Ⅲ)：往集满SO2的集气瓶内加入NaOH浓溶液，塞上带有S型导管的单孔塞，一会后，红色液体左边升高右边降低，说明SO2与NaOH溶液发生了反应。
实验教学中经常引导学生对观察的现象深挖细究，追本求源，学生对知识的理解、掌握和应用一定会深刻牢固，对培养学生思维的深刻性品质大有裨益。
三、因势利导，培养思维的灵活性品质
思维的灵活性品质就是思维活动的灵活程度，集中表现为善于根据事物发展变化的具体情况，审时度势，随机应变，及时调整思路，找出符合实际的解决问题的最佳方案。化学思维的灵活性表现在不受思维定势和固定模式的束缚，善于发现新的条件和新的因素，寻找新的解决问题的途径和方法。在教学《碱金属》一章中过氧化钠的性质时，在演示［实验2—6］过氧化钠与水反应后演示趣味实验“吹气生火”，指出“我们呼出的CO2能灭火，这个实验中却用它来点火，为什么？是Na2O2可燃?是CO2可燃?还是……”,这时有位同学举起手来说“人呼出的气体中除了大量的CO2外，还有较多的水蒸气……”笔者抓住这一契机，赶紧说“对呀，本实验用于验证CO2与Na2O2的反应还有不足，可要怎样证明纯的CO2与Na2O2的反应，你们课后认真设计一下，下次上课时要评价你们设计的方案，再选取其中有创意的方案在课堂演示。”课后学生调整思路，从不同角度变通思考，收集相关资料，学生设计了多种富有创意的实验方案，尤为可贵的是还有定量实验方案，这对高中阶段为数很少的定量实验是一种很好的补充，图5列举了几种。
方案Ⅰ：用棉花包裹一些Na2O2放在石棉网上，撒上少量Mg粉，用连有干燥管的玻管瞄准Na2O2吹气，呼出的水蒸气被无水CuSO4吸收，余下的CO2与Na2O2反应，放出的热量使棉花燃烧，并引燃了Mg粉，而星火闪烁，“噼”“啪”有声。
方案Ⅱ：关闭活塞，将气球内的Na2O2倒入集气瓶内，待淡黄色固体变为白色固体后，打开活塞，广口瓶内的水倒吸入集气瓶。拔下橡皮塞，用带火星的木条检验广口瓶内生成的气体。
方案Ⅲ：在U型管右端中间塞进一团石棉，在石棉上放置过量的Na2O2粉末，在U型管的底部放小块CaCO3，胶头滴管滴入稀盐酸，用带火星的木条放在导管口，则可证明生成氧气。
方案Ⅳ：将气球内的Na2O2倒入集气瓶内，淡黄色固体变为白色固体，气球吸入试管内。
方案Ⅴ：用排饱和NaHCO3溶液的方法收集CO2，待去底塑料瓶内外液面一致时，停止收集；以液面为基准线，将塑料瓶内液面以上容积分为两等份。换上带燃烧匙的橡皮塞（燃烧匙内盛过量Na2O2）并塞紧；待液面上升后，慢慢往上抽动燃烧匙，防止Na2O2接触NaHCO3溶液。可观察到：液面上升至容积半分线，气体体积减半；燃烧匙内淡黄色的粉末变成白色。拔下橡皮塞，用带火星的木条检验塑料瓶内气体，重新燃烧，证明生成的气体为氧气；取少量燃烧匙内白色固体溶于水，加入过量的盐酸，可看见大量气泡产生，证明生成的白色固体为碳酸盐。
方案Ⅵ：用圆底烧瓶收集一满瓶CO2；取单孔橡皮塞，插入一端有尖嘴的玻璃管，尖嘴深入瓶内，另一端连接有止水夹的橡胶管，在橡皮塞部位的玻璃管上绑上用玻璃纤维包裹的 Na2O2，塞紧；待充分反应后，打开止水夹，烧杯中的煤油向上形成喷泉，液体充满烧瓶的一半容积。
当学生有疑而问时，教师要随机应变，因势利导，在保证实验安全的前提下，插好路标，选好角度、时机，激活学生思维的灵活性品质，将思维的潜能变为创造的显能。
四、辩析对比，培养思维的批判性品质
思维的批判性品质就是思维活动中的独立分析和批判程度，集中表现为自己的独立见解，具有明辩是非，正确合理地评价他人和自己的思维、行为及结果的能力。
高一教科书的化学实验有的没有考虑产物的污染，有的没有考虑副反应的发生，存在这样那样的缺陷。如在新授《硫酸》时，依教材要求做了“黑面包”的实验，前面的同学闻到了刺激性气味，教科书也认为该实验只体现浓硫酸的脱水性，而事实上该实验集浓硫酸的三大特性于一体。鉴于此，笔者布置课后作业：从环保、知识的整体性角度设计实验全面验证浓硫酸与蔗糖的反应，待第五章复习时检查。当天下午就有同学拿了设计方案来征求意见，利用活动课到班上共同分析，一同作了讲评。
特点讲评：①现象明显；但药品用量多；
②可能有少量气体溢出，污染环境；
③不能验证产物中有CO2。
特点讲评：①现象明显；但药品用量多；
②装置复杂，操作繁琐。
特点讲评：①现象明显；药品用量少；
②无污染环境；
③不能验证产物中有CO2。
特点讲评：①设计新颖，但现象不明显；
②可能污染环境；
③操作复杂。
相互讲评后，同学们个个跃跃欲试，余兴未尽，纷纷发表自己的想法和见解，师生智慧碰撞，终于设计出一种新颖的方案：
Ⅰ下端粘有蔗糖糊的玻璃棒
Ⅱ浸有0.1%品红溶液的脱脂棉
Ⅲ浸有1%KMnO4溶液的脱脂棉
Ⅳ浸有0.1%品红溶液的脱脂棉
Ⅴ98%的浓硫酸2mL
演示过程：
①按上图组装好仪器，具支试管中滴入2mL浓硫酸；塞上带玻璃棒的单孔塞。
②很快观察到白色糊状物变黑并体积膨胀；Ⅱ中红色很快褪去；Ⅲ逐渐褪色；Ⅳ中红色无变化；石灰水中产生白色沉淀。
实验现象及结论：蔗糖变黑，说明浓硫酸有脱水性；黑色物质体积膨胀是由于浓硫酸吸水放热，引发生成的炭与浓硫酸反应，说明浓硫酸有吸水性和氧化性；Ⅱ中红色很快褪去说明生成了具有漂白作用的SO2；石灰水变浑浊说明生成了CO2。
在实验设计中学生的热情高，但每个人思维的品质不同，选取角度不同，教师在鼓励的同时，要善于引导学生辩析对比，指出每个方案优劣，在不断修正过程中让学生思维的批判性品质得到极大的提高。
实践证明：富有探索性、创造性的实验设计不仅使学生获得了全面的实验方法和实验技能，而且能训练和发展学生的发散思维和收敛思维，有效培养学生在新情境下迁移、拓展、创新实验的能力，发展学生的思维品质。
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