创造性思维在化学实验设计教学中的应用研究

1、实验教学与教具研制创造性思维在化学实验设计教学中的应用研究*李平(天津师范大学教育学院300387摘要在化学实验教学过程中,教师如能综合运用创造性思维方法进行教学,加强对学生进行创造性思维方法的训练与指导,就有可能培养出具有创新能力的学生;把进行化学实验设计时的思维过程和方法教给学生,使学生能够运用创造性思维方法去寻找完成化学实验设计的最佳途径。这2项教学举措对培养学生的创造能力是大有裨益的。关键词创造性思维方法化学实验教学化学实验创新设计逆向思维喷泉实验化学实验设计中的创造性思维是指伴随着化学实验设计活动而进行的一系列思维活动。笔者通过对天津市参加化学实验创新设计大赛的部分获奖教师在进行化学

2、实验设计时所应用的创造性思维方法进行综合分析、归纳比较后得出:在化学实验设计过程中融合着分析归纳、发散聚合、联想迁移、逆向、类比、组合、直觉、顿悟、跳跃等多种创造性思维方法。现结合有关化学实验方案的设计过程将几种在化学实验设计时常用的思维方法分述如下。1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,“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,找出影响此实验成败的关键是如何防止除去氧化膜的铝不再被氧化。经过不断探究,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。

3、又如,在用向下(或向上排空气法收集氢气、氧气、二氧化碳3种气体的实验中,氧气、二氧化碳均有验满的方法,而氢气没有。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,但不能在氢气中扩散。由此完成了用向下排空气法收集氢气时用“烟”做“指示剂”进行验满的实验设计。这2个事例说明,在进行分析和归纳时可以先从已有的实验入手。从容易突破的地方开始,一般说来,比较小的题目容易研究,在研究过程中可以得到启发。2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。它是以一个目标作为思维的起点,沿着不同方向,提出各种假设,寻找各种途

4、径,从而达到解决具体问题的思维方法。聚合性思维则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、归纳后得出最优化答案的思维。是在追求思维结果数量的基础上寻求质量。通过发散和聚合的综合思考,可以让头脑灵活起来,超越定势思维的障碍,达到创新的终点。例如,在进行“喷泉实验”的教学实践中,首先引导学生分析了氯化氢气体溶于水形成喷泉的原理,然后布置了学生至少再用5种不同的实验方法和原理进行喷泉实验设计的课题。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:(1由物理变化和化学变化使容器内压强减小引起的喷泉物理变

5、化:炭的吸附性(如图1所示、氨气热胀冷缩等 。图1化学变化:磷分别和氯气、氧气的反应;二氧化硫和水的反应;二氧化碳分别和氢氧化钠、过氧化钠的反应等。(2由外界压强增大引起的喷泉向盛满水的容器中充入难溶于水的气体而产生的喷泉(如氢气喷泉。·56·2010年第11期化学教育*天津师范大学教育基金项目(52L J04由势能差引起的喷泉(如图2所示,在此实验中只要高位水槽中有水,喷泉则“永久”进行 。图2(3运用化学与物理知识综合设计的“永久”喷泉(如图3所示 。图3即先利用氨气的溶解性产生喷泉,然后再利用势能差原理使喷泉“永久”进行。通过学生的演示、交流和分析评价,一致认为,虽然

6、不同的实验方案都各有特色,但相比起来,炭的吸附性喷泉、氢氧化钠和二氧化碳反应的喷泉和运用化学与物理知识综合设计的“永久”喷泉等实验方案,更具有知识性、趣味性和创新性。是比较好的实验方案。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、归纳比较、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的配合,这样反复多次,最后的

7、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。3逆向思维法逆向思维法是指从相反方向思考问题的方法。是运用颠倒过来的思维方式进行实验设计的方法。用逆向思维就可能打破正向思维所形成的思维定势,克服思维的“框框”,从而取得一定的实验设计成果。例如,教材中胶体电泳的实验是在U形管中进行的,通直流电时,带电的氢氧化铁胶体粒子在向上移动时一方面要靠正负电性的相互作用,另一方面还要克服重力的吸引。因此,完成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,用自己设计的倒置U 形管进行实验,电压只需12V,3分钟即可以观

8、察到明显的实验效果(如图4所示。改进后的实验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向上移动的重力转变为促进它向下移动的动力。此实验改进在全国第六届化学实验创新研讨会上进行了交流并获得一等奖 。图4这个事例说明,在化学实验设计中进行逆向思维就要有意识地把思维的重点放在反面。在正向思维碰壁之后,就要试着从反面去思考是否有解决问题的方法。逆向思维不是表面上的逆向,而是要从实际出发,要在认识事物本质和一般规律的基础上进行。这样就有可能解决一些无法用常规方法解决的难题。4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

9、。它是通过人的思维在不同的事物或概念之间建立起一种暂时的联系。对于这种联系,还要利用头脑中过去存贮的知识和经验进行比较和选择。4.1相似联想指从外形或性质上、意义上的相似引起的联·66·化学教育2010年第11期想。例如,用氢气一次吹出多个气泡的起泡器实验设计就是由在日常生活中看到儿童吹皂泡的现象,通过相似联想而设计出来的。天津老师在设计“氢氧连续爆鸣装置”实验中的点火器时,联想到打火机上的点火装置,然后把它应用到氢氧连续爆鸣装置中,收到了很好的效果。4.2接近联想指由某些事物的特性联想到是否可以运用到别的事物上去。例如,天津老师在全国第七届化学实验教学创新研讨会上展示“丁

10、达尔效应实验新光源”的实验设计是由日常生活中看到儿童玩具激光手电,通过接近联想而设计出来的。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”实验设计是由在日常生活中看到化学胶水干燥后所形成的薄膜,进行联想迁移而设计出自制半透膜的实验方案。“在滤纸上还原F e3+离子的实验设计”是在“滤纸上还原氧化铜”的实验设计的基础上进行联想迁移而设计出来的。4.3类比联想指通过对一种事物与另一种(类事物进行对比后进行创新的方法。化学实验设计中的类比联想指从装置上相似或相似的2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,炭还原氧化铜实验,由于对实验操作的要求较高,一般看不到

11、炭还原氧化铜时所产生的红热现象及具有金属光泽的铜块。为做好这个实验,天津的老师将此实验与铝热剂实验进行了研究对比,找出这2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;反应开始时均需高温;生成物均有金属单质和不同点(一个是用铝粉和氧化铁反应,一个是用木炭粉和氧化铜反应,通过分析对比后,设计出炭还原氧化铜实验的新方法。这个实验在全国第十届化学实验教学创新研讨会中进行了展示。4.4因果联想由于2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偶然观察到在炒菜中藕片变蓝的现象而产生联想,经过分析产生这种现象的原因后,设计出快速定性检验含碘盐的实验方案。此实验在全国第六届

12、化学实验创新研讨会上进行了交流并获得一等奖。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中的课题,才能在一些社会现象、生活现象的观察中产生联想,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。5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、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,天津二中的化学教师和美术教师联手共同设计出用日常生活常见

13、的石膏和不同物质在化学反应中产生的各种颜色(即将若干个实验进行组合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,又复习巩固了有关离子反应的知识;既弘扬了民族文化,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。此实验在全国第六届化学实验创新研讨会上进行了交流并获得一等奖。6寻弱思维法寻弱思维法就是通过寻找已有化学实验设计中的弱点或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的一种思维方法。因为是对现有的实验进行分析和改进,所以,在使用这种方法进行实验设计时,精力集中,节省时间,容易取得显著效果。例如,在全国第九届化学实验教学

14、创新研讨会上天津老师展示的“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浸湿的滤纸条上,干燥后直接点燃的操作。经改进后,不仅实验现象明显,而且操作更简单,仅用30秒钟即可以完成实验。此实验在第九届化学实验教学创新研讨会上展示并获得一等奖。又如,“关于熵的实验”也是将原实验中的用电灯加热(这是弱点改为用水蒸气加热,将观察一重物与天平接触后指针的变化(这是弱点改为用有刻度线的标尺指示重物的上下移动5。改进后不仅增大了可见度,而且还降低了实验成本。7直觉思维法直觉思维法就

15、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识别,直接本质的理解和综合的整体判断。化学实验设计中的直觉思维就是在无意之中发现某种实验现象后,再对产生这种现象的原因进行探究,经分析、归纳后而设计出新实验方案的方法。例如,“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被硫酸铜溶液浸湿的滤(下转第75页过程中每隔1h取样,用气相色谱进行定量分析。随着反应时间的进行,己内酯的产率不断增加,当反应到7h,己内酯的产率最高为75.12%,反应继续进行时,己内酯的产率不断减少,而己二酸的量不断增加,这是由于己内酯氧化生成己二酸的速度远大于环己酮氧化生成己内酯的速度导致的。3

16、.3实验教学的收获与不足将环己酮催化氧化合成-己内酯开设成一个绿色化探索的设计性实验,取得了很好的教学效果。学生在实验前都查阅相关的文献资料,认真完成实验设计方案,实验的成功率较高,90%以上的学生都能顺利完成实验。实验内容涉及有机、无机、分析、仪器分析等知识,既加强了一些基本操作的训练,又有效地发挥了学生的主观能动性,使学生接触了学科前沿,受到了科学思维的训练5。选择H2O2作为氧化剂,选择高效的环保型催化剂,采用微型化实验等等,从实验的设计思路到设计方案都渗透了绿色化学的理念和思想。实验结果让学生深刻感受到催化剂在有机化学反应中的重要作用。同一个有机化学反应,选用不同的催化剂就有明显不同的

17、催化活性;相同的催化剂,不同的制备条件也有不同的催化活性。通过考察反应条件对-己内酯产率的影响,让学生体会到了他们之前所做的经典的有机综合实验中,反应条件的选择蕴含了科学家严谨的科学态度,包含了他们许许多多辛勤工作的成果,对反应条件对有机化学反应的影响有了深刻的认识。由于实验学时及实验条件所限,对催化剂及目标产物结构表征工作未能进行,对目标产物产率的测定方法也比较繁琐,误差较大;另外,学生以小论文的形式提交的实验报告的水平还有待进一步提高。参考文献2007:56-572程东恩,张光旭,陈应澈.武汉化工学院学报,2006,28(4:31-343李静霞,黄靓,戴维林等.化学学报,2008,66(1

18、:5-94张敏,魏俊发,史真.西北大学学报(自然科学版,2006,36(3:403-4055李秋莲,冯炎飞,聂进等.实验室研究与探索,2008,27(9:23-26(上接第67页檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹纸时偶然发现烘干后的滤纸在点燃时不但没有火焰产生,而且出现红热现象,此红热现象一直延续到反应结束,最后剩余的不是普通滤纸燃烧后的灰烬,而是红色固体物质。对此现象,天津静海一中的老师凭直觉感到这是一个新的实验事实。于是他们又从反应原理、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。此实验在全国第八届化学实验创新研讨会上进行展示并获得一等奖。从这个事例可以看出,用直觉思维法进行化学实验设计时,首先设计者要具有坚实的基础知识、敏锐的观察、思维能力和强烈的实验意识。同时还要勤于思考、勇于探索、善于总结,要有大量实验事实作后盾。综上所述,化学实验设计教学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、移植现有的实验方案,然后再通过独立思考、联想迁移、刻苦探索逐渐在实验设计中体现自己的个性,从而具有一定的创造性。因此,教师在组织学生