基于推理思维的实验再改进.pdf

672023年第6 期基于推理思维的实验再改进范玉英（江苏省靖江市滨江学校，江苏靖江214500)摘要：通过改变药品呈现方式、改进装置结构、改变反应条件等方法，重新设计碳酸氢铵受热分解、双氧水分解制氧气、白磷在水中燃烧、硫在氧气中燃烧、铁生锈等实验。新设计的实验操作简单、现象直观、有益环保。可用于学生分组实验或独立开展有价值的实践活动，有助于提高学生“科学思维”“科学探究与实践”等化学核心素养。关键词：推理思维；科学思维；实验改进；实验探究文章编号：10 0 5-6 6 2 9(2 0 2 3)0 6-0 0 6 7-0 5中图分类号：G633.8文献标识码：B“推理”是逻辑学的重要研究对象，是思维的基本形式之一。所谓“推理”，是指根据已知的判断推导出未知判断的思维形态1，它包含直接推理、间接推理或正向推理、逆向推理等。从科学探究视角看，推理是指在探究过程中所涉及的普适性思维和推理技能，包含实验开展、证据评价、推断和辩论等环节，由此形成、修正关于自然（或社会)的概念和理论 2 。推理思维是改进、优化实验的重要途径之一。我们课题组和兴趣小组在系列实验创新再设计时，用常规思维方法（如转化法、例证法等），常陷于“黔驴技穷”的困境；若转换思维路径,巧借推理思维，则有“峰回路转”之效。查阅文献资料发现，多数教师对教材实验实施某些改进以规避教材实验的局限性，取得较为理想的演示效果。但改进的实验主要指向教师演示，难以突破学生分组或独立开展实验。如何为学生提供探究活动的舞台，我们课题组和兴趣小组运用推理思维从实验微型化设计、改变药品呈现方式、改进装置结构、改变反应条件等方面创设现象直观、操作简单、绿色环保的新实验装置。下面结合具体案例予以说明。1微型化的实验在学习“碳酸氢铵受热分解”时，沪教版（P3）在“观察与思考”栏目设计了如图1所示的实验，现象明显，学生通过感官感知到刺激性气体为氨气。但生成物还有哪些？教材未设计相关探究实验。检验水可用无水硫酸铜，检验氨气用无色酚酞溶液，该知识在沪教版下册“应用广泛的酸、碱、盐”章节，这种前后知识的不连贯性，给学生理解反应的原理造成障碍。为帮助学生体验知识的形成过程，化抽象为形象，意义较大。正向推理：检验氨气、水蒸气、二氧化碳需选择何种试剂？怎么放置？如何改进装置？教师择机展示玻璃管、球形干燥管等仪器，启迪学生思维。兴趣小组在教师启迪下，进一步推理装置设计、试剂摆放顺序等，再交流、评价，设计了如图2 所示的实验。教师点评：图2图1沪教版碳酸氢铵受热实验*泰州市中小学教学研究2 0 2 1年度重点课题基于核心素养的初中化学实践性作业设计研究”（课题编号：tiyzd2021-018）阶段性研究成果。68化学教学创新设计实验研究装置看似很完美，但推理欠严密：该药品摆放顺序能逐一证明碳酸氢铵的分解产物吗？反应快的学生领悟了酚酞试液中的水也会被无水硫酸铜吸收变蓝，对碳铵受热分解产物水的检验造成干扰（提示：氨气能使无色酚酞试液变红；无水硫酸铜遇水由白色变为蓝色）。碳酸氢铵滴加酚酞无水硫酸铜溶液的棉团澄清石灰水一图2学生设计的碳酸氢铵受热实验1教师利用信息提示，机智处理“前导知识对后继知识铺垫”和“后继知识与前导知识融合”的关系，实现前后知识衔接“一体化”之效 3。助推学生实验设计与活动顺利进行，从而促进对反应原理的深层次理解。1.1实验方案兴趣小组依据信息提示，并借助定制的玻璃管对图2 实验再作改进，设计了如下实验，取得了预期的教学效果。1.1.1实验用品橡胶塞、玻璃管（2 cm24cm）、导管、酒精灯、酒精喷灯、酒精、手套、石棉网、火柴、碳酸氢铵、无水硫酸铜、药匙、酚酞试液、脱脂棉、澄清石灰水、气球1.1.2实验装置借助玻璃管设计的实验装置如图3所示（固定、夹持装置略）。滴加酚溶液碳酸氢铵的棉团无水硫酸铜澄清石灰水图3学生设计的碳酸氢铵受热实验21.1.3实验步骤（1）取一长玻璃管，用酒精喷灯弯制成如图3所示形状，放置于石棉网上，冷却备用；（2）向玻璃管内分别放置滴有酚酞溶液的棉团、无水硫酸铜、适量碳酸氢铵，V形玻璃管中倒人适量澄清石灰水，塞紧左右两边橡胶塞，导管另一端系一气球，用酒精灯加热碳酸氢铵固体；（3）观察现象：碳酸氢铵固体逐渐减少，无水硫酸铜由白变蓝，滴有酚酞溶液的棉花变红，石灰水变浑浊，气球逐渐膨大。1.1.4实验优点（1）现象明显、直观，促进了学生对碳铵受热分解原理的理解；（2）实验将4个反应进行微型一体化探究且操作简单；（3）适宜学生分组实验，发展学生推理思维、合作探究等综合实践能力；（4）该装置还适用于铜绿受热分解的实验探究。2改变药品呈现方式的实验在学习双氧水分解制氧气”时，沪教版（P36）在“活动与探究”栏目设置的实验如图4所示。该实验具有易操作、反应速率适中、制取的氧气较纯等优点。但不能控制反应的发生与停止，且二氧化锰的回收较复杂。逆向推理：如果将粉末状的二氧化锰制成小颗粒或块状，既能控制反应的发生与停止，又能回收再利用 4，装置见图5（a)。教师试问：该装置有何优点？有无不足？小组学生思考、辨析、评价。学生代表：该装置能控制反应的发生与停止，气流稳定。教师启发学生再思量：不妨从图5（a）催化剂的成分考虑！学生豁然开朗：水泥也能加快双氧水的分解，对二氧化锰的催化作用造成干扰。一双氧水水二氧化锰图4沪教版双氧水分解制氧气实验692023年第6 期创新设计实验研究用氯丁胶制成的二氧化锰小球2 0 粒用水泥制成的二氧化锰小球多孔塑料板15%过氧(a)化氢溶液(b)图5学生设计的双氧水分解制氧气实验学生在图5（a)基础上，能创设更合理的二氧化锰呈现方式吗？学生探究热情被点燃，思维的碰撞产生智慧之花。学生提出：用百得胶（氯丁胶）制成二氧化锰小球，如绿豆般大小，使用后可回收再利用。经师生交流评价，学生设计了图5（b）装置。经实践，有“异途同归”之妙。吴俊明教授曾说：“化学物质千差万别，难以用抽象演绎方法做出准确和精细的推定，需逐个研究、认识，它的这种个性决定了化学对实验、实践的强烈依赖。5 ,3改进装置结构的实验在学习“燃烧的条件”时，人教版（P129）设计的实验装置如图6 所示。实际操作中，当通人氧气时，因白磷熔点低，遇热水易熔化，在气流作用下，白磷在水中四处游动，难以与氧气充分接触，实验成功率较低。教师引导学生思考：怎样才能使白磷与氧气充分接触？反其道而行之或有另一番风景！学生联想逆向推理：设计一个有限空间，持续通人氧气至这一空间内，白磷与氧气充分接触，问题可迎刃而解。氧气热水白磷图6人教版燃烧条件的实验3.1实验方案1兴趣小组借助硬质玻璃管、不锈钢网等器材优化教材实验装置，取得较好的探究效果。3.1.1实验用品制氧气装置、2 0%过氧化氢溶液、自制二氧化锰小球10 0 粒、带导管的双孔橡胶塞、硬质玻璃管（3cm13cm）、过滤豆浆的不锈钢网、白磷、螺母（外径高：2.7cm1.3cm）、铜片、剪刀、小刀、烧杯、热水（高于80）、广口瓶、氢氧化钠溶液3.1.2实验装置借助硬质玻璃管、不锈钢网等仪器和用品设计的实验装置如图7 所示。氧气氢氧化白磷不锈钢网钠溶液铜片螺母图7学生设计的白磷在水中燃烧实验3.1.3实验步骤（1）螺母内放一圆形铜片，大小与螺母内径相匹配，铜片中央凹陷，将圆形（比螺母内径稍大）不锈钢网嵌人螺母内；（2）硬质玻璃管上端塞紧橡胶塞，长导管下端插人不锈钢网（中间制成与玻璃管匹配的孔），短导管与氢氧化钠溶液相连；（3）将2 粒绿豆大小的白磷从不锈钢网小孔放人，硬质玻璃管下端套在螺母上；（4）向烧杯内倒入2 0 0 mL热水，通人氧气（发生装置可水浴加热，产生氧气速率更快）；（5）观察现象：白磷在水中燃烧，呈现“水火交融”的景象！3.1.4实验优点（1）操作简便、现象直观，有利于学生深度理解可燃物燃烧需具备的条件；（2）解决了白磷燃烧后产生的白烟逸散至空气中造成环境污染问题。本实验体现激趣、安全、环保、创新等理念，充分发挥了实验的育人价值。3.2实验方案2在学习“氧气的性质”时，人教版（P33）设计了硫在集满氧气的集气瓶中燃烧的实验。该实验现象70化学教学创新设计实验研究明显，能有效达成教学目标，但硫燃烧产生的刺激性气体会造成环境污染。教师提问：如何设计一个绿色、环保、又能检验燃烧产物的装置？学生逆向推理：教材实验是半封闭的，若设计成硫在封闭装置内燃烧，再增设检验、除污的装置，方案就水到渠成了。学生巧借推理思维，用常规仪器及用品将“半封闭型”装置改进为“封闭型”，集趣味性、知识性、综合性于一体，充分体现了可视性与环保性。3.2.1实验用品橡胶塞、导管、锥形瓶（2 50 mL）、15%过氧化氢溶液、用氯丁胶制成的二氧化锰小球、U型管、无水氯化钙、棉团、硬质玻璃管、硫、药匙、酒精灯、火柴、广口瓶、粗玻璃管（1.5cm12cm）、高锰酸钾溶液、氢氧化钠溶液3.2.2实验装置借助推理思维设计的封闭型实验装置如图8所示。棉花包裹硫的无水氯花钙15%过氧化氢溶液二氧化锰小球高锰酸氢化钾溶液钠溶液图：学生设计的硫在氧气中燃烧实验3.2.3实验步骤（1）按图8 装配好仪器，检查装置气密性，向U型管、硬质玻璃管中央部位预先分别加人棉花包裹的无水氯化钙、0.1g硫粉，两广口瓶内分别盛适量的高锰酸钾溶液、氢氧化钠溶液，粗玻璃管伸入高锰酸钾溶液内约0.5cm（防倒吸）；（2）在锥形瓶内放约10 0 粒自制二氧化锰小球，并倒人8 5mL15%的过氧化氢溶液，塞紧橡胶塞；（3）当广口瓶内玻璃管下端有气泡连续冒出时，将燃着的酒精灯对准硬质玻璃管中央部位加热；（4）观察现象：硫由固态变为液态，燃烧，产生明亮的蓝紫色火焰，高锰酸钾溶液褪色，现象十分明显、直观！3.2.4实验优点（1）自制二氧化锰小球作催化剂，效果好，且能回收再利用；（2）实验中，硬质玻璃管管径粗、空间大，硫与氧气充分反应产生蓝紫色火焰，生成的气体能使高锰酸钾溶液褪色（检验二氧化硫气体），剩余的有害气体被氢氧化钠溶液吸收，避免了对空气造成污染，体现了绿色化设计。不过实验时应注意以下2 点：（1）自制二氧化锰小球数目不能太少，双氧水浓度不能太低，否则生成的氧气量不足，硫不能燃烧；（2）发生装置产生的氧气需经干燥处理。4改变反应条件的实验沪教版教材安排的铁生锈实验（第12 7 页）如图9所示。实际教学中需提前准备实验，才能观察到现象。该实验反应时间长，无法在课堂内演示或分组实验。正向推理：怎样才能加速铁的锈蚀？化学反应速率与哪些因素有关？受教师启发，学生推理：增加氧气浓度；提高反应温度；增大反应物接触面积；加入氯化钠等。如何设计实验呢？学生自主思考，组内交流，然后派代表表述见解，开展师生评价。图9沪教版铁钉锈蚀实验兴趣小组从控制变量角度改进、优化实验，取得显著的实验效果。4.1实验用品锥形瓶（2 50 mL），6%、10%、15%过氧化氢溶液，单孔橡胶塞、自制二氧化锰小球、药匙、细导管、T型管、胶皮管、剪刀、来回折叠2 次的铁丝（长约6 cm）、砂纸、4支试管（1.5cm14.5cm）、蒸馏水、植物油、棉花、无水氯化钙、氯化钠、大烧杯、计时器、热水（8 0 以上）712023年第6 期创新设计实验研究4.2实验装置利用自制二氧化锰小球作催化剂，并从控制变量视角设计氧气的制取、铁生锈一体化装置，如图10所示。15%过氧化氢溶液T234图10学生设计的铁锈蚀实验4.3实验步骤（1）按图10 所示连接装置，检查装置气密性。（2）1号试管内盛有6 cm铁丝和6 mL水;2 号试管盛6 cm铁丝、6 mL水和植物油；3号试管先放人6 cm铁丝，再收集满氧气，试管口放一团包裹无水氯化钙的棉花，塞紧橡胶塞；4号试管内盛6 cm铁丝和6 mL氯化钠溶液；向大烧杯中倒人热水。（3）设三组实验，向锥形瓶内各加10 0 粒自制二氧化锰小球，分别倒人6%、10%、15%的过氧化氢溶液85mL，塞紧橡胶塞（同时水浴加热）、水浴温度控制在80以上，观察、记录实验现象。教师择优展示成果，见表1。4.4实验现象与结论学生通过实践发现：过氧化氢溶液浓度越大，水温高于8 0 时，在盐溶液中，铁的锈蚀速率最快。可见，利用变量控制思想可以把多种因素相互交错、共同作用的复杂问题，简化成研究对象与各个单一因素发生联系的简单问题,从而降低了学习难度 6 ,更加契合学生的认知能力。表1铁铁丝在不同条件下是否生锈实验记录编号药品记录铁丝生锈情况结论1铁丝+氧气+水850，铁丝有锈蚀现象2铁丝+水+植物油铁丝未生锈铁生锈是铁与氧气、水共同作用的结果；3铁丝+氧气+棉花包裹的无水氯化钙铁丝未生锈在盐溶液中，铁的锈蚀速率更快。4铁丝+氧气+氯化钠溶液510,溶液呈橙黄色，铁丝有明显锈蚀现象5结语本课题主要运用推理思维对教材的部分实验作再改进和再设计。新设计的实验操作简单、实验时间短、现象明显，较适合小组学生独立完成实验。学生通过实验设计，学会运用推理思维解决问题，发展了化学思维与创新能力。通过实践活动，学生增强了对化学反应原理的本原性认知，并由此体验推理思维的创造性、正向或逆向探求的奇妙性 7 。参考文献：1黄士平简明逻辑学M武汉：湖北教育出版社，2005:201.2 Z i mme r ma n C.T h e d e v e l o p me n t o f s c i e n t i f i c r e a s o n i n gskills J.Developmentai Review,2000,20(1):99149.【3陆军重构课程内容：培养学科核心素养的重要路径J 化学教学，2 0 2 2，（7）：3 7.47 李德前，魏海，马逸群，朱玉忠基于逆向思维创新化学实验的尝试 J化学教学，2 0 2 2，（8）：7 3 7 6.【5吴俊明初中化学的育人功能与观念渗透J化学教学,2 0 17,（2)：12.【6 董俊，王瑛，吴俊明.基于“变量控制”策略的初中化学实验探究教学 J化学教学，2 0 2 2，（4）：6 7 7 0，7 8.