创造性思维方法在中学化学实验设计教学中应用的研究天津李平.doc

创造性思维方法在中学化学实验设计教学中应用的研究 天津师范大学教育基金项目。项目编号：52LJ04李 平（天津师范大学教育学院 300387）内容提要：教育的根本目的在于创新，只有教师富有创新精神，才能培养出具有创新能力的学生。在化学实验设计教学活动中，蕴含着丰富的创造性思维方法。分析并加强对学生创造性思维方法的指导，把进行化学实验设计时的思维过程和思维方法教给学生，这对培养学生创造能力是大有裨益的。关键词：创造性思维 创造性思维方法 化学实验设计创造性思维是伴随着创造性活动而进行的思维活动，是指对事物间的联系进行前所未有的思考，从而创造出新事物的思维方法，是一切具有崭新内容的思维形式的总和。一切需要创新的活动都离不开思考，离不开创造思维。 化学实验是化学教学的重要环节，是培养学生的创新、实践能力的重要途径。做实验的目的，并不只是让学生学会操作，而是要求学生在熟悉实验原理的基础上，能够结合实验研究课题，运用创造性思维方法去寻找完成实验的最佳途径。因此，在化学实验设计教学活动中，加强对学生创造性思维方法的指导，把进行化学实验设计时的思维过程和思维方法教给学生，这对培养学生创造能力将是大有裨益的。 笔者通过对天津市参加化学实验创新设计部分获奖实验的中学教师进行访谈，并对他们在进行化学实验设计时所采用的创造性思维方法进行了分析、归纳，总结出几种在化学实验设计时常用的思维方法，现分述如下：1.细致观察法 观察是人们认识世界，增长知识的有效途径。一个正常人从外界接触到的信息80以上都是通过视觉和听觉通道传入大脑的。观察也是化学实验设计选题的“眼睛”。在化学实验设计活动中，通过观察，可以获得大量的感性材料，对这些感性材料再经过思维活动的加工、提炼，就可以在平凡中发现不平凡，从而促进思维的发展，完成化学实验设计的课题。 例如，天津武清区的杨老师在一次用氢气还原氧化铜的实验完毕后，偶然观察到在试管底部有一小块铜镜，对此，他进行了分析和研究，经过多次实验，终于发现，在不改变教材演示实验要求的前提下，先用洗耳球通过玻璃管向盛有氧化铜粉末的试管中吹气，使极少量干燥的氧化铜粉末均匀附着在试管底部，然后再按教材的要求进行实验，就可以得到具有金属光泽的铜镜。他的这个实验设计在京津沪川化学实验研讨会上进行了交流并获得一等奖。这个事例说明，在化学实验过程中，只有仔细观察，才能发现问题，在观察过程中，需要热情、耐心。因为只有这样，才能观察到别人观察不到的东西。细致观察既需要用眼睛看、耳朵听、鼻子闻、手触摸等多器官共同参与。还需要把观察和思考结合起来，这样才能找到实验创新的突破口。 2.分析归纳法分析归纳就是找出所研究实验的个别特征，通过分析。比较、归纳加以改进创新的一种方法。例如：将在2009年9月召开的全国第十届化学实验教学创新研讨会上展示的“铝和水蒸气反应实验的绿色化设计”就是通过对铝和水蒸气反应的实验原理、方法及实验装置进行分析对比后，找出了影响实验成败的关键是如何防止除去氧化膜的铝不被氧化。经过近1个学期的探究，不断调整实验方案，最后设计出不使用汞盐溶液的安全、环保、简单、易做的实验方案。此实验在天津市中学化学实验交流会上进行了展示，获得优秀实验一等奖。又如，在用向下（或向上）排空气法收集氢气、氧气、二氧化碳三种气体的实验中，如何证明集气瓶中已分别充满三种气体？氧气、二氧化碳均有实验证明，只有氢气没有实验证明。为解决氢气验满这个问题，笔者曾做过多次实验，用过多种方法和物质，经过分析、对比和归纳，最后发现“烟”能在空气中扩散，但不能向氢气中扩散。由此完成了用“烟”做指示剂来进行用向下排空气法收集氢气时进行验满的实验设计。 这两个事例说明，在进行分析和归纳时可以先找一些带有典型性的特例，从实际例子下手。从容易突破的地方开始，一般说来，具体的、和小的题目比较容易研究，把它们搞清楚了，就可以得到启发。3、发散聚合法发散性思维是一种多方向、多数量、全面展开的辐射型思维方式，是创新思维中最可贵的思维形式。这种思维形式能克服常规思维的单一性、单向性。它是以一个目标作为思维起点，沿着不同方向，提出各种设想寻找各种途径，解决具体问题的实验设计方法。而聚合性思维是把解决问题过程中所提供的各种信息经过分析、比较、综合、归纳得出一个最优化答案的思维方法。是在追求思维结果的数量基础上寻求质量。通过发散和集中的思考，可以让头脑灵活起来，超越了形形色色的习惯思维障碍，最后达到创新的终点。例如 在进行“喷泉实验”的教学实践中， 我们首先引导学生认真观察和分析了氯化氢气体溶于水形成喷泉实验的原理，然后布置了每组学生完成除氯化氢气体溶于水形成的喷泉实验外，再至少用5种不同的实验方法和反应原理进行喷泉实验设计并对各种实验设计方案进行评价的研究课题。学生在查阅大量的文献资料的基础上，经过分析比较和实验探究完成了下列比较成功的喷泉实验设计。并在全班进行了演示交流，学生设计的实验方案简单示例如下: 碳的吸附性（实验装置如图1所示 ） 物理变化 氨气热胀冷缩 磷 + 氯气 (1)由容器内压强减小引起的喷泉实验 磷 + 氧气 二氧化硫 + 水图1 化学变化 过氧化钠 + 二氧化碳氢氧化钠 + 二氧化碳 向盛满水的容器中充入难溶于水的 气体而产生的喷泉实验(如氢气喷泉)(2)由外界压强增大引起的喷泉实验 由势能差引起的喷泉实验（实验装置如图2所示）图2（3）运用化学与物理综合的方法设计的“永久” 喷泉。（实验装置如图3所示）图3 通过学生的演示、交流和分析评价，一致认为，虽然不同的实验方案都各有特色 ，但相比起来，碳的吸附性喷泉、氨气热胀冷缩喷泉、过氧化钠和二氧化碳反应的喷泉、由势能差引起的喷泉和运用化学与物理综合的方法设计的“永久” 喷泉等5种实验方案，更具有知识、趣味性和创新性。是比较好的实验方案。在以后的教学实践中值得推广。这个事例说明，在培养学生创造性思维过程中，既要注重培养学生的发散思维，更要注重培养学生对运用发散思维设计的不同实验方案进行综合分析、比较归纳、优化选择的聚合思维。只有发散思维与聚合思维结合，才能把思维不断引向深处。在一般情况下，遇到问题后，发散思维可为解决问题提出多种可选择的方法。而聚合思维则对选定的方法作进一步的思考，此方法是否是最优的？还有无可完善之处? 这时又需要再进行发散与聚合配合思考，这样反复多次，最后的结果往往能超出正常思维的水平。这亦是“头脑风暴”教学法的真谛。4、逆向思维法逆向思维法是指从相反方向思考问题的方法。是运用颠倒过来思索的方式进行实验设计的方法。逆向思维是顺向性思维的对立面。顺向性思维是一种常规性、传统性思维；用逆向思维法，就可能打破顺向思维所形成的思维定势，克服思维“框框”造成的对创造力发挥的阻碍，取得一定的实验设计成果。 图4例如，教材中胶体电泳的实验是在U形管中进行的，在通直流电时，带电氢氧化铁胶体粒子的移动除了靠正负电性时吸引外，还要克服重力的吸引。因此，实验所需要的电压高（110V），时间长，实验效果不明显。天津海河中学的任老师运用逆向思维的方法，在不改变教材操作要求的前提下，用倒置的U形管进行实验，电压只需12V，3分钟即可以观察到明显的实验效果。（实验装置如图4所示）此实验改进后之所以取得这样好的效果，是将以前阻碍氢氧化铁胶体粒子移动的重力，转变为促进它移动的动力。此实验改进在第六届京津沪渝川化学实验研讨会上进行了交流，并获得一等奖。这个事例说明，在化学实验设计中进行逆向思维就要要打破头脑中的僵化思想。要有意识地把思维的重点放在反面。在正面思维碰壁之后，就要从反面去思考是否有解决问题的方法。逆向思维不是简单的表面上的逆向，更不是否定一切。要从实际情况出发，要在认识事物本质和一般规律的基础上进行。这样把思维重点偏重在反面，也能解决进行化学实验设计中的一些难题。5、联想思维法 联想思维法是指在人脑内记忆表象系统中由于某种诱因使不同表象发生联系的一种思维活动。联想就是由此事物想到另一事物。它是通过人的思维过程，在不同事物或概念之间建立起暂时的联系。这种联系，有的是客观存在联系的反映，有的是在人的思维过程中主观上在它们之间建立起来的一定的联系。对于这种联系，还要充分利用头脑中存贮的过去得到的丰富的知识经验，在广泛的联系中比较、选择。在化学实验设计中常用的联想思维法有：（1）相似联想 指从外形或从性质上、意义上的相似引起的联想。例如，用氢气一次吹出多个气泡起泡器的实验设计就是由在日常生活中看到儿童吹皂泡的现象，通过联想迁移而设计出来的。在全国第十届化学实验教学创新研讨会上将展示的“氢氧连续爆鸣装置”中的点火器，就是将打火机上的点火装置，迁移应用到氢氧连续爆鸣装置中，收到了良好的实验效果。（2）迁移联想 指把某些事物的特性联想到可以运用到的别的事物上去。例如，丁达尔效应实验新光源实验设计就由在日常生活中看到儿童玩具激光手电，联想迁移并将其运用于丁达尔效应实验的光源，从而解决了在比较明亮的教室内不使用暗箱就能观察到光在各种溶胶中的通路问题。在全国第九届化学实验教学创新研讨会上展示的“自制半透膜”实验设计就由在日常生活中看到化学胶水干燥后所形成的薄膜，联想迁移并设计出自制半透膜的实验方法。在全国第十届化学实验教学创新研讨会上将展示的“在滤纸上还原Fe3+离子的实验设计”也是在滤纸上还原氧化铜的实验设计的基础上进行迁移而设计出来的。（3）类比联想 是指通过对一种事物与另一种（类）事物对比，而进行创新的方法。 化学实验设计中的类比联想指从装置上相似或相似的两个实验之间进行比较，找出它们的相似和相异之处，从中得到启发的方法。例如，碳还原氧化铜实验，由于对实验操作的要求较高，实验现象不明显，看不到碳还原氧化铜反应时所产生的红热现象及反应后生成的具有金属光泽的铜块。为做好这个实验，天津静海一中的李老师将此实验与铝热剂实验进行了研究对比，找出这两个实验的相同点（都是氧化还原反应且反应物均为固体粉末；反应开始时均需点燃高温；生成物均有金属单质）和不同点（一个是用金属铝的粉末和氧化铁粉末反应，一个是用非金属木炭粉末和氧化铜粉末反应，）通过分析对比后，他们联想到能否将铝热剂的实验方法迁移到碳还原氧化铜实验中去。经过多次实验探索，终于获得成功。这个实验设计成果将在全国第十届化学实验教学创新研讨会中进行展示。（4）因果联想 由于两个实验之间存在因果关系而引起的联想。例如 含碘盐快速定性检验方法就是由一次偶然观察到炒菜中藕片变蓝的现象而产生联想，分析产生这种现象的原因是由于先将含碘盐进行爆炒的“错误”的操作，使含碘盐中的碘酸钾在加热的过程中，发生分解生成了碘化钾，碘化钾又被氧化产生碘单质造成的，由此联想完成了用加热干燥的含碘盐并用湿润的淀粉试纸检验产物的方法，来定性地鉴别含碘盐与无碘盐的实验设计。以上事例说明，在化学实验设计中进行联想思维的前提，就是要树立实验意识，只有时刻想着化学实验设计的课题，才能在一些社会现象、生活现象观察中产生联想，并将有关的内容迁移到化学实验设计中，从而完成化学实验设计的课题。6、组合思维法组合思维法是从某一事物出发，以此为发散点，尽可能多地与另一（或一些）事物联结成具有新价值（或附加价值）的新事物的思维方式。组合思维法运用到化学实验设计中就是把现有单一的若干个实验，再按照新的需要将它们重新组合起来，从而达到实验设计目的的方法。组合设计法是化学实验设计中常用的一种方法。例如 ：天津二中的侯老师和美术教师联手共同设计出用日常生活常见的物质石膏和不同物质在化学反应中产生的各种颜色（若干个实验）来制作京剧脸谱的实验。既体现了化学学科与美术学科的综合，又复习巩固了高中有关离子反应的化学知识；既宏扬了民族文化，又增强了学生学习化学的兴趣，同时也培养了学生的动手能力。故此化学活动课深受学生的欢迎。此实验设计在第六届京津沪渝川化学实验研讨会上进行了交流，并获得一等奖。 7. 弱点寻找法弱点寻找法是找出已有实验设计的不足之处并加以改进，使新的实验设计方案在原有实验方案基础上得到提高。因为是对现有实验加以改进，所以，使用这种方法进行实验设计，精力集中，节省时间，容易取得显著效果，是一条简便的实验创新思路。所谓弱点，未必真的是缺陷，只要是通过改进，能有所提高的实验设计都可认为是弱点。例如，在全国第九届化学实验教学创新研讨会上获得一等奖的“铝在氧气中的燃烧”实验设计就是将在全国第八届化学实验教学创新研讨会上展示的“铝在氧气中的燃烧”实验设计中用点燃燃烧匙中酒精和铝粉混合物的操作（这是弱点）改为将少量铝粉附着在用水（或酒精）浸湿的滤纸条上，干燥后直接点燃的操作。经改进后，实验现象明显，操作简单，仅用30秒钟即可以完成实验。8. 直觉思维法 直觉思维法就是直接领悟的思维。是人的一种心理机能，是认知的一种方式。具体说就是人脑对于突然出现在其面前的新事物、新现象、新问题及其关系的一种迅速的识别，敏锐而深入的洞察，直接的本质的理解和综合的整体判断。直觉凭以往的经验、知识，直接猜到问题的精要。是用敏捷的观察力、迅速的判断力对问题做出试探性的回答，此时结论不一定十分可靠，必须再用经验思维、理论思维进一步证明。化学实验设计中的直觉思维法 就是在无意之中发现某种实验现象后，然后再对产生这种现象的原因进行探究，经分析、归纳后而设计出新的实验方案的方法。例如，在全国第八届化学实验教学创新研讨会上获得一等奖的“在滤纸上还原氧化铜”的实验设计，就是在用酒精灯加热烘干用硫酸铜溶液浸湿的滤纸时偶然发现，烘干后的滤纸在点燃时没有火焰产生，而是出现红热现象，此现象一直延续到反应结束，最后剩余的是红色固体物质，而不是普通滤纸燃烧后的灰烬。对此现象，天津静海一中的张老师凭直觉感到这是一个新的实验事实。于是他又从反应原理、操作方法等方面进行了深入研究，经过多次实验，终于设计出“在滤纸上还原氧化铜”的实验方案。此实验展示后受到与会代表的一致好评。从这个事例可以看出，对于以实验事实为基础的化学实验设计而言，直觉思维所得要具有广博而坚实的基础知识、丰富的生活经验、敏锐的观察、思维能力和强烈的实验意识。要勤于思考、勇于探索、善于总结。要有大量实验事实作后盾。爱因斯坦说过，天才是九十九分的汗水和一分灵感。法国著名生物学家巴斯德有句名言:机遇只偏爱有准备的头脑。这些名言对渴望在化学实验创新设计中获得成功、又过分寄希望于偶然机遇的化学教师来说不无启迪。综上所述，化学实验设计在培养学生的创新思维方面，有其得天独厚的条件，学生在进行实验设计时，首先是通过观察模仿、移植现有的实验