運用求異法和共變法分析中學化學對照實驗

　　摘要：提出使用求異法和共變法分析對照實驗的設計意義與方法，對典型化學試題進行分析，提出培養(yǎng)學生求異法和共變法邏輯思維的教學建議。
　　關(guān)鍵詞：求異法；共變法；對照實驗；控制實驗條件
　　文章編號： 1005–6629(2012)4–0064–04 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B
　　 1 問題的提出
　　在化學實驗中，化學試劑的種類、用量和各種外部條件均會影響化學實驗現(xiàn)象與結(jié)果。人們根據(jù)實驗目的設計和使用對照實驗，有選擇地控制某些實驗條件（變量），人為地排除無關(guān)實驗條件的影響與干擾，確定這些實驗條件和實驗現(xiàn)象與結(jié)果之間是否存在關(guān)系和存在怎樣的關(guān)系。對照實驗之所以能夠帶來有說服力的實驗結(jié)論，是因為它的邏輯基礎是探求現(xiàn)象間因果關(guān)系的邏輯方法，即穆勒五法。穆勒五法包括求同法、求異法、求同求異并用法、共變法和剩余法。
　　對照實驗不僅是人們在科學研究中獲得科學結(jié)論的重要實驗方法，而且是學生認識和建構(gòu)科學知識的重要實驗手段。在中學化學階段，常見的對照實驗分為空白對照實驗和相互對照實驗（對比實驗）兩種。學生需要逐步形成初步的實驗條件控制的意識，了解實驗條件控制的方法，能夠分析和設計簡單的對照實驗方案。初三化學階段常見的空白對照實驗的實驗設計符合求異法，高中化學階段常見的相互對照實驗的實驗設計符合共變法?；瘜W教師有必要在教學實踐中通過典型的對照實驗，分階段滲透求異法和共變法邏輯思維，提高學生有序分析和解決問題的能力。
　　 2 求異法與空白對照實驗
　　2.1 求異法的形式結(jié)構(gòu)
　　求異法是將被研究的對象放在兩個矛盾的場合中進行比較，從而確定被研究的對象是否與某一因素存在因果關(guān)系的歸納推理邏輯方法，其特點是“同中求異”。求異法的形式結(jié)構(gòu)是： a，當無先行情況A則無被研究現(xiàn)象a。因此，可以確定先行情況A與被研究現(xiàn)象a有因果關(guān)系。穆勒認為求異法能夠證明歸納結(jié)論是因果律[1]。
　　2.2 空白對照實驗的設計
　　空白對照實驗通常將相同的實驗對象分為實驗組和對照組（控制組），在實驗組施加某一實驗條件，在對照組不施加該實驗條件，控制實驗組和對照組的無關(guān)實驗條件完全相同。由于無關(guān)實驗條件對實驗組和對照組的影響是相等的，當實驗組和對照組分別出現(xiàn)完全相異的實驗現(xiàn)象與結(jié)果，這必然是施加的某一實驗條件造成的。因此，我們可以確定該實驗條件和實驗現(xiàn)象與結(jié)果之間存在關(guān)系。人教版初三化學教科書出現(xiàn)的空白對照實驗有實驗2-5“過氧化氫溶液的分解”、實驗7-1“燃燒的條件”等實驗。例如，雙氧水在有或無二氧化錳存在時分解反應的形式結(jié)構(gòu)可以表示為：
　　須要達到一定溫度。
　　分析：可燃物、溫度達到著火點、氧氣是燃燒的三個條件。在該題目中，熱水可以讓白磷的溫度達到著火點。第（2）小題要求選擇兩個適當?shù)膶嶒炞C明可燃物燃燒必須要接觸氧氣，這兩個實驗需要組成空白對照實驗，并且符合以下要求：（1）白磷分別接觸、不接觸氧氣；（2）其他實驗條件（白磷、熱水）完全相同；（3）分別出現(xiàn)完全相異（白磷燃燒、不燃燒）的實驗結(jié)果。該空白對照實驗的形式結(jié)構(gòu)是：
　　所以，白磷的燃燒必須要接觸氧氣。
　　符合題意要求的實驗是實驗④和實驗②。本小題滿分是2分，當年平均分是1.36分，難度是0.68，區(qū)分度是0.85，考生的錯誤回答主要有實驗③和實驗④、實驗①和實驗③、實驗①和實驗②等[2]。同理，第（3）小題的空白對照實驗的形式結(jié)構(gòu)是：
　　所以，白磷的燃燒必須要達到一定溫度。
　　符合題意要求的實驗是實驗④和實驗③。該小題滿分是2分，當年平均分是0.76分，難度是0.38，區(qū)分度是0.29，考生的錯誤回答主要有實驗②和實驗④等[2]。
　　例2 （2008年廣州中考化學第29題，有刪節(jié)）長期露置于空氣中的金屬M表面被銹蝕，銹蝕物中含有M、C、H、O四種元素。
　?。?）長Mbfl3az3Web3ZKhSH8XlCA==期露置于空氣中的金屬M表面會被銹蝕。經(jīng)檢測，銹蝕物中除含有M外，還含有C、H、O三種元素。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，推測與金屬M發(fā)生反應生成銹蝕物的物質(zhì)。
　　推測Ⅰ：銹蝕物中的H來自空氣中的 （填化學式，下同），C來自空氣中的 ，因此這兩種物質(zhì)肯定參加了反應。
　　 3 共變法與相互對照實驗
　　3.1 共變法的形式結(jié)構(gòu)
　　共變法是將被研究的對象放在若干變化的場合中進行比較，從而確定被研究的對象是否與某一因素存在相隨而變的因果關(guān)系的歸納推理邏輯方法。共變法的形式結(jié)構(gòu)是：
　　所以，A與a有因果關(guān)系。
　　在以上場合中，當先行情況A發(fā)生改變，被研究現(xiàn)象a也緊隨發(fā)生改變。因此，可以確定先行情況A與被研究現(xiàn)象a有因果關(guān)系。
　　3.2 相互對照實驗的設計
　　相互對照實驗通常將相同的實驗對象分為2個或以上的實驗組（這些實驗組互為對照組），在這些實驗組分別施加不同的實驗條件或某一實驗條件的不同水平，控制這些實驗組的無關(guān)實驗條件完全相同。在多個實驗組分別施加某一實驗條件的不同水平，由于無關(guān)實驗條件對這些實驗組的影響是相等的，當這些實驗組分別出現(xiàn)具有某種共同的變化趨勢的實驗現(xiàn)象與結(jié)果，這必然是施加的某一實驗條件的不同水平造成的。因此，我們可以確定該實驗條件和實驗現(xiàn)象與結(jié)果之間存在怎樣的關(guān)系。這種相互對照實驗的實驗設計符合共變法。人教版高中《化學反應原理》教科書出現(xiàn)的相互對照實驗有實驗2-2“濃度對反應速率的影響”、實驗2-3“溫度對反應速率的影響”等實驗。例如，雙氧水在不同用量的二氧化錳存在時分解反應的形式結(jié)構(gòu)可以表示為：
　　 4 綜合討論與教學建議
　　盡管對照實驗的問題情境復雜、多變，但是求異法和共變法邏輯思維卻是簡單、固定的。學生熟悉求異法和共變法邏輯思維和形式結(jié)構(gòu)，不僅有助于提高個人思維能力，簡化表面復雜的問題，有序分析對照實驗的實驗設計，而且符合個人發(fā)展需要，能夠為日后的學習奠定必要的基礎。
　　雖然求異法和共變法邏輯思維是一種簡化的思維模型，控制實驗條件卻是一種高水平、綜合的科學過程技能，學生思維能力的發(fā)展無法一蹴而就。例如，初三化學階段不要求學生能夠?qū)ふ页鲇绊懟瘜W實驗現(xiàn)象與結(jié)果的實驗條件，但是要求學生能夠從已給出的實驗條件和實驗現(xiàn)象與結(jié)果，分析出它們之間存在的關(guān)系。從對典型化學試題及其得分率的分析中可知，學生思考和解決這一類問題的能力處于中等或偏下水平。因此，教師需要在日常教學中讓學生通過分析典型的對照實驗來熟悉并掌握控制實驗條件的一般方法、對照實驗的分類和設計，并且要讓學生有足夠的時間體會和理解求異法和共變法邏輯思維。
　　需要注意的是，教師不宜在新課中從求異法和共變法的角度深入分析對照實驗的實驗設計，避免因此而影響新課核心內(nèi)容的教學，適宜在多次復習課中循序漸進地進行該主題的教學，啟發(fā)、引導學生的邏輯思維有序發(fā)展。在教學過程中，學生可能會遇到一些感到疑惑的問題，例如：（1）為什么對照實驗是有效獲得科學實驗結(jié)論的方法？（2）為什么在對照實驗中要控制某些實驗條件，不控制其他實驗條件？（3）如何有效分析對照實驗的實驗設計？此時，教師需要及時與學生結(jié)合對照實驗的目的和設計進行討論，并且精心設計或改編有針對性的練習來進行思維能力訓練，不斷鞏固和提高學生的認識水平。
　　參考文獻：
　　[1]周昌忠.西方科學方法論史[M].上海人民出版社，1986：100.
　　[2]戴光宏，孫力克.2010年廣州市初中畢業(yè)生學業(yè)考試化學科質(zhì)量分析報告[R]. 2010年廣州市初中畢業(yè)生學業(yè)考試年報[C].廣州：廣州市教育局教學研究室，2010.
　　[3]孫力克.2008年廣州市初中畢業(yè)生學業(yè)考試化學科質(zhì)量分析報告[R].2008年廣州市初中畢業(yè)生學業(yè)考試年報[C].廣州：廣州市教育局教學研究室，2008.
　　[4]黃丹青. 2009年高考福建省理綜化學科試題質(zhì)量分析[J].福建基礎教育研究，009，（8）：88~92.