首页 -> 2008年第12期
化学探究式实验设计的思维方法
作者：苏香妹
近几年来，我们开展了题为《探究式实验教学方法和策略》的课题研究，借鉴、改进、设计了一些探究性实验，回味实验设计的思维方法，得出了一些共性的思维特点，总结如下。
一、 转换法
化学学科上常常遇到要探究的问题是看不见摸不着的，这就给我们的探究带来一定的难度。怎样把看不见摸不着的问题在探究过程中转换成明显的现象让学生清楚地观察到，利用学生知晓的化学知识及规律进行转换设计，是一条很好的思维途径。
例如：新教材《物质结构与性质》中，在验证分子极性时，采用的是H2O和CCl4分别装在酸式滴定管中，利用带电的玻璃棒靠近从滴定管下端流出的细流是否发生偏转来说明H2O是极性分子，而CCl4是非极性分子。这个实验的设计采用的就是转化法的思维方法。极性分子的电荷分布是不对称的，非极性分子的电荷分布是对称的，因此把带电体靠近极性分子时，会产生电荷相斥现象，而非极性分子则不会。从而把微观不能看见的性质显现出来。但这个实验也有不足之处：细流小，发生偏转现象又不明显，采用实物投影仪放大实现不了（因为水是无色液体）。为此我们可以仿此思维改进这个实验，在两个水槽子中分别盛水和CCl4，再分别滴入一滴苯和水，然后用条形磁块接近液面，并缓缓移动，水滴跟着磁块移动，而苯不移动。
再比如钢铁的腐蚀，我们可以采用如下的实验设计装置，引导学生探究。
说明：U型管中装有红色液体。
活动与探究：向铁粉中加入少量的炭粉，混和均匀后，撒入内壁分别用NaCl溶液和稀醋酸润湿过的两支锥形瓶，按上图装置。
几分钟后，观察比较上图U型管中液面的位置变化，思考下列的问题：
①向铁粉中加入炭粉的作用是什么？
②两个实验现象有何差异？猜想差异的可能原因是什么？
③设计实验证明你的猜想是正确的。
二、 逆向思维法
所谓逆向思维就是打破一般的思维程序，即把事物反过来分析，从结果出发探究原因的思维方法。应用这一方法进行思维有时也会给探究实验的设计带来突破。
比如：在初中科学教材中，学生就知道分子间是有一定间隙的，因此在通常状况下100mL酒精和100mL水混和，总体积约变为195mL。但学生会有疑问，分子在间隙间是否就可以穿插呢？到了高中，学生学习了分子间作用力后，还会进一步提出问题，分子间不是有作用力吗？这种作用力在混和液体是否有变化呢？更有学生会根据逆向思维提出是否会两种液体混合体积增大呢？教师可以提示学生极性不同的两种互溶液体因为分子间排列的变化，分子间作用力发生变化，有可能体积增大，比如乙酸和苯的混和。因为乙酸和苯易挥发，我们可以通过测定混和液的密度来测量混和后体积的变化（说明：PC6H6=0.8784g·ml-1，PCHCOOH=1.0538g·ml-1）
三、 演绎思维法
所谓演绎思维法就是从一般规律出发，考察与一般规律有某种联系的个体，从而推演出针对个体的新结论的思维方法，把这种思维方法应用于探究式实验设计，往往可以获得创新的实验方案。
例如：在中学化学选修教材《化学反应原理》的原电池实验中，锌半电池和铜半电池是用盐桥连接起来的。这是中学生第一次接触盐桥。在此，学生难免产生一些疑问，下面就学生提出的两个有关盐桥的问题进行实验探究。
1.在原电池工作时，除了盐桥中的K+、Cl-向两极溶液中扩散外，电极溶液中的离子是否也相互扩散？
下面以电池Zn(s)|ZnSO4(0.2mol/L)||KCl饱和溶液||CuSO4(0.2mol/L)|Cu(s)为例，进行实验探究（在实验中，把装满了KCl饱和溶液，用棉花堵住管口的U形管作盐桥）。其电池装置如下图所示。
实验记录
电路中电流强度维持在5.3mA左右
2.当改变电极溶液中电解质浓度时，电极溶液中离子扩散速度是否受到影响？
将上述锌铜原电池中ZnSO4、CuSO4溶液浓度都改为1mol/L，再进行实验。
实验记录
电路中电流强度为7mA
上述实验结果显示，在原电池开始工作的一段时间内，由于盐桥中电解质溶液浓度高，K+、Cl-几乎担负了通过液相接界的全部电流的迁移。在电池工作一段时间后，电极溶液中的离子也开始显著地相互扩散，特别是当电极溶液中的离子浓度较大时，这种情况发生得更早，也更加明显。
四、 彰显思维法
探究化学问题时，我们常常会发现所探究的问题无法呈现出实验现象，有时即便有现象也是肉眼看不见的。这就要求我们想方设法使实验的现象“显现”出来。根据生活中的经验进行彰显思维有时会使问题迎刃而解。
具体比如：在完成和Br2反应的实验时，根据学生已学知识，学生可能认为是加成，也可能是取代，我们就可以让学生进行大胆的猜想与假设，并让学生对自己的猜想与假设，开展实验探究。
五、 改变强弱思维法
有些探究式实验虽然可以获得成功，但实验的现象很不明显，近处都难以观察，更不用说处于远处的学生，这种实验的成功率往往也很低。有时我们还会遇到一些有毒气体实验，而使实验难以获得成功。遇到这些情况，要分析其主要原因，采用改变强弱对比的思维方法，巧妙地改变影响因素的强弱，或安全性，可以使实验的可见度与成功率大大提高。
比如， Cu与稀HNO3的反应，是中学化学中必须引导学生开展探究的实验，但按教材提供的方法，不仅实验产生的气体有毒，而且学生难以看到无色气体转化为红棕色气体的实验现象。据此，按下图所示组装实验装置，一支直径2.5厘米的U型管，一端用木塞塞住，另一端塞单孔塞，塞上插一铜丝，单孔塞接一启普发生器上的活塞，活塞另一端接试管。先按图搭好装置。拔下单孔塞，向左边已塞有木塞的U型管中加入稀HNO3至近管口，使U型管稍朝右倾斜。塞上插有铜丝的单孔塞（注意此时启普发生器活塞关闭），反应开始，有无色气体生成，2分钟后打开上面活塞，使生成的NO进入小试管中，将看到小试管中有明显的红棕色。演示完毕，把铜丝往上抽，使铜丝与溶液脱离接触，反应自行停止。
六、 给合思维法
用巧妙的组合来实验我们需要达到的目的，可以说是一个再创造的过程。在探究性实验设计中，用我们学过的知识或实验及身边的现成的东西进行组合思维，进而设计实验，往往可以获得意想不到的探究效果。
例如，乙醇催化氧化的实验设计。
在苏教版《必修Ⅱ》65页的“观察与思考”中，乙醇被氧化成乙醛的实验是这样的：在试管里加入约2ml乙醇。把一端弯成螺旋状的铜丝放在酒精灯外焰上加热，使铜丝表面生成一层黑色的氧化铜，立即把它插入盛有乙醇的试管，这样反复操作几次，注意闻生成物的气味，注意观察铜丝表面的变化。书上设计这个实验的意图就是通过闻气体的气味来判断有乙醛气体。但由于乙醛气味较浓，学生往往难以闻到刺激性气味。而且学生对为什么实验中的有刺激性气味的气体就一定是乙醛而不是其他气体常有疑问。因此具体实验时我们可以结合乙醛的性质实验进行大胆的设计。实验时取一只硬质试管（两端相通），按上图夹在铁架台上，用酒精灯对硬质试管加热以提高试管的温度；用另一只酒精灯将一根螺旋状的铜丝烧红，直到其表面变黑，然后将黑热的螺旋状铜丝插入硬质试管。取一片试管口粗的滤纸（自己剪），在上面先滴上10%的NaOH溶液5滴，再在其中央滴1滴2%CuSO4溶液，然后放入硬质试管的一端，最后在硬质试管另一端放一团浸有乙醇的棉花，然后塞上塞子。在上述第一步操作中对空的试管加热，主要是为了提高试管的温度，这样可以保证接下来各反应所需要的温度。加热螺旋状的铜丝主要是为了使其表面氧化生成黑色CuO，并提高铜丝的温度。在圆形滤纸上先滴上10%的NaOH溶液5滴，然后在其中央滴1滴2%CuSO4溶液是为了在滤纸这个体系中形成新制Cu(OH)2溶液并迅速扩散到滤纸的四周。放入热的试管后会使滤纸体系温度升高至接近试管温度。在左端放一团沾有乙醇的棉花，并塞上塞子。此时棉花上的乙醇遇到热的试管，马上会产生大量的乙醇蒸汽向右扩散，遇到灼热的氧化铜马上发生反应使黑色的氧化铜变红，并生成乙醛气体，乙醛气体在乙醇蒸汽的作用下向右移动，碰到沾有新制Cu(OH)2的灼热的滤纸体系，相当于乙醛溶解在新制Cu(OH)2的溶液中并加热，于是在滤纸上呈现出特有的砖红色。
探究式实验设计的思维方法是多种多样的，本文浅谈了常见的六种，且这六种方法之间并不是割裂的，往往在具体的设计时可以相互渗透、穿插应用，从而使设计出的探究性实验操作性好、说理性强、可见度大。在大力倡导探究式实验教学的今天，迫切需要大量优秀的、具有创新性的探究实验来丰富我们的课堂教学，但愿本文能成为引玉之砖。
（责任编辑付一静）
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