基于逆向思維創(chuàng)新化學(xué)實(shí)驗(yàn)的嘗試

李德前 魏海 馬逸群 朱玉忠

摘要： ?利用逆向思維開展化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新活動(dòng)，從操作方法、裝置結(jié)構(gòu)、物質(zhì)形態(tài)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、缺點(diǎn)錯(cuò)誤等五個(gè)方面進(jìn)行反向探索，改進(jìn)和設(shè)計(jì)了檢查裝置氣密性、引燃蠟燭熄滅時(shí)的白煙、水與酒精混合、鐵在氧氣中燃燒、鐵與硫酸銅溶液反應(yīng)、有色物質(zhì)在水中擴(kuò)散、過氧化氫分解制氧氣、防倒吸等實(shí)驗(yàn)和操作。所舉案例取材方便、操作簡(jiǎn)約、直觀有趣、安全環(huán)保、富含思維，使化學(xué)實(shí)驗(yàn)成為實(shí)施素質(zhì)教育、開展實(shí)踐活動(dòng)的有效途徑。

關(guān)鍵詞： ?逆向思維; 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn); 反向探索; 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： ?1005 6629（2022）08 0073 05

中圖分類號(hào)： ?G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： ?B

所謂逆向思維就是針對(duì)某些司空見慣的做法和觀點(diǎn)或已成定論的事物進(jìn)行反向思考， 它包括反轉(zhuǎn)型逆向思維、轉(zhuǎn)換型逆向思維和缺點(diǎn)型逆向思維三種類型[1]。

教科書上編排的一些化學(xué)實(shí)驗(yàn)難免存在不足需要改進(jìn)，我們名師工作室對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新研究樂此不疲。 在這項(xiàng)創(chuàng)新活動(dòng)中，當(dāng)用常規(guī)的思維方法（如缺點(diǎn)列舉法、希望點(diǎn)列舉法、組合法、替換法、模仿法等[2]）難以對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，嘗試逆向思考常會(huì)取得意想不到的效果。因此， 逆向思維是進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的有效途徑，是改進(jìn)實(shí)驗(yàn)、優(yōu)化操作的法寶，也是激發(fā)學(xué)生求異思維和培養(yǎng)學(xué)生辯證唯物主義思想的捷徑。

基于逆向思維改進(jìn)和設(shè)計(jì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，主要從操作方法反向、裝置結(jié)構(gòu)反向、物質(zhì)形態(tài)反向、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)反向、缺點(diǎn)錯(cuò)誤反向等五個(gè)方面進(jìn)行思維建模[3]，下面結(jié)合具體的案例予以說明。

1 操作方法反向

實(shí)驗(yàn)操作方法是進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)的必要途徑，是開展實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)的重要手段。反其道而行的操作方法，在實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新時(shí)常能獲得出乎意料的效果。

例如，教科書上檢查裝置氣密性采用的往往是增加裝置內(nèi)氣壓的方法（如手捂加熱法、注水法，如圖1所示）。反向探求： 如果減小裝置內(nèi)的氣壓來檢查氣密性有哪些方法呢？不難想到有冷卻法和抽氣法，這兩種方法與教科書上的方法有異曲同工之妙。

“冷卻法”檢查裝置氣密性的主要操作是： 先將導(dǎo)管口浸入常溫的水中，再將試管底部浸入冷水中（如圖2 a所示），如果有水進(jìn)入導(dǎo)氣管里并逐漸上升，則該裝置的氣密性良好。

“抽氣法”檢查裝置氣密性的主要操作是： 將下端套有乳膠管的細(xì)木棍插入長(zhǎng)頸漏斗的頸部，以封閉漏斗口。用長(zhǎng)約20cm的軟膠管，將導(dǎo)管口與注射器吸入口連接起來（如圖2 b所示），然后緩慢外拉注射器活塞（抽氣）一小段距離，如果軟膠管變癟就說明該裝置不漏氣。

再如，教科書上引燃蠟燭剛熄滅時(shí)的白煙實(shí)驗(yàn)，成功率不高，究其原因主要是“蠟燭是在完全開放的空間里被吹滅的”，致使白煙四處分散。逆向思考： 如果“蠟燭是在相對(duì)封閉的空間里被吹滅的”，則白煙集中，這樣就容易被引燃。據(jù)此不難想到吹滅蠟燭的新方法（如圖3所示），而且其成功率幾乎是百分之百。

該方法的主要操作是： 將長(zhǎng)約4cm的短蠟燭放在平穩(wěn)的桌面上，再把長(zhǎng)約10cm 的粗玻璃管罩在蠟燭外面。用燃著的長(zhǎng)木條點(diǎn)燃蠟燭，待其正常燃燒后，吹滅蠟燭，觀察到白煙在玻璃管內(nèi)向上飄蕩，隨即將燃著的長(zhǎng)木條靠近玻璃管口，白煙立即被點(diǎn)燃，蠟燭也再次被引燃。

2 裝置結(jié)構(gòu)反向

構(gòu)成化學(xué)實(shí)驗(yàn)的儀器、裝置或?qū)嶒?yàn)體系是相對(duì)固定的。立足已有儀器的相反結(jié)構(gòu)，圍繞已有裝置的反向組成，對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行求異求新，可以使某些疑難問題變得柳暗花明。

像氨氣（或氯化氫）溶于水實(shí)驗(yàn)、加熱高錳酸鉀制氧氣（排水法收集）實(shí)驗(yàn)、木炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)等，都容易發(fā)生倒吸現(xiàn)象。引發(fā)這個(gè)事故的主要原因是“流體在導(dǎo)管內(nèi)來去自由、暢通無阻”。逆向思考： 如果將導(dǎo)管中流體的退路“堵塞”，不就不發(fā)生倒吸了嗎？ 不難想到具有“止回”作用的單向閥（可以網(wǎng)購），只要在相關(guān)的導(dǎo)管中串聯(lián)一個(gè)單向閥，即可阻止倒吸的發(fā)生[4]。

再如，教科書上演示水與酒精混合實(shí)驗(yàn)使用的是細(xì)玻璃管（如圖4所示），實(shí)驗(yàn)形成的“空隙”很小，后排的學(xué)生“瞪大”眼睛也看不清楚，實(shí)驗(yàn)的直觀性很不理想。逆向思考： 能否將使用的儀器變大變粗呢？我們嘗試用球形干燥管進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)（如圖5所示），其可視性、趣味性都得到很大的提升。

此改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的主要操作是： 取一個(gè)25mL的球形干燥管，用橡皮塞封閉粗管口。向干燥管里倒入蒸餾水至球體的最下端，然后借助注射器緩緩注入紅色的酒精，直至加滿。用食指堵住細(xì)管口、大拇指和中指捏住球體部位，上下顛倒干燥管5～6次，立刻發(fā)現(xiàn)細(xì)玻璃管最上端出現(xiàn)了長(zhǎng)約2.5cm的空隙。慢慢松開拇指和中指，觀察到球形干燥管的細(xì)管口被緊緊地吸在食指上，懸而不落。上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不僅說明微粒之間有空隙，還進(jìn)一步說明該空隙接近真空。

3 物質(zhì)形態(tài)反向

化學(xué)試劑或化學(xué)藥品的形態(tài)（如形狀、狀態(tài)、顆粒大小、比表面積等）常常決定了反應(yīng)速率、反應(yīng)現(xiàn)象、反應(yīng)產(chǎn)物，甚至影響到實(shí)驗(yàn)成敗和操作難易。因此，對(duì)物質(zhì)形態(tài)進(jìn)行“大與小”“粗與細(xì)”“多與少”的逆向轉(zhuǎn)換，也是追求實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的有效途徑。

例如，教科書上通常選用1～2顆潔凈的鐵釘（或繞成螺旋狀的鐵絲）去演示鐵與硫酸銅溶液的反應(yīng)，由于鐵釘（或鐵絲）的比表面積不大，充分反應(yīng)后只能看到鐵的表面覆蓋有薄薄的一層紅色固體，很難觀察到溶液呈現(xiàn)淺綠色。逆向思考： 能否選用比表面積非常大的鐵絲絨進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)兀抗黄淙唬?將鐵絲絨浸入硫酸銅溶液中僅僅半分鐘左右，藍(lán)色溶液就變?yōu)榉浅Ｃ黠@的淺綠色，鐵的表面更是附著大量的紅色粉末;如果將鐵絲絨做成別致的造型[5]，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更是妙不可言。

再如，教科書中過氧化氫分解制氧氣實(shí)驗(yàn)，使用的催化劑是粉末狀的二氧化錳，回收起來很麻煩，尤其是從溶液中過濾二氧化錳時(shí)，其粉末會(huì)附著在濾紙表面，很難清理。逆向思考： 如果二氧化錳是較大的顆粒或塊狀，則方便回收利用。于是研制了二氧化錳球，其制作方法是： 將二氧化錳粉末與快干水泥等質(zhì)量混合，再加入適量的水混勻，然后將混合物搓成直徑1～2cm大小不等的球，凝固、晾干即可使用。有了球狀的二氧化錳，用過氧化氫制氧氣的反應(yīng)就可以隨時(shí)發(fā)生隨時(shí)停止（如圖6所示），并且一次裝藥可以多次使用。

4 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)反向

運(yùn)動(dòng)是事物的根本屬性，運(yùn)動(dòng)也是相對(duì)的。針對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中物質(zhì)的“動(dòng)與靜”進(jìn)行反向設(shè)計(jì)[6]，好比是劍走偏鋒，也可以獲得出其不意的效果。

例如，在改進(jìn)鐵在氧氣中燃燒實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們?cè)O(shè)計(jì)了“在空氣中快速甩動(dòng)燃燒的鐵絲絨”的操作方法[7]（如圖7所示），該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象極為震撼。但其最大的弊端是，濺出的鐵花容易灼燒教室內(nèi)的窗簾、桌面甚至電腦屏幕等。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中鐵絲絨的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行逆向思考： 如果鐵絲絨靜止而空氣運(yùn)動(dòng)，從相對(duì)運(yùn)動(dòng)的角度分析，產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)效果應(yīng)該是一樣的，我們據(jù)此設(shè)計(jì)出如圖8所示的實(shí)驗(yàn)裝置，其趣味性與安全性得到完美的兼顧。新實(shí)驗(yàn)的主要操作是： 將足量的鐵絲絨整理成35cm×7cm×4cm的長(zhǎng)條塊，并將其一端固定。點(diǎn)燃鐵絲絨，然后用鼓風(fēng)機(jī)從一側(cè)對(duì)著鐵絲絨的著火處吹風(fēng)，鐵絲絨立即劇烈燃燒，火星以扇形向外飛濺，好比不斷綻放的鐵花，令人難忘。

還有，教科書上編排的有色物質(zhì)在水中擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)，品紅（或紅墨水、藍(lán)墨水、高錳酸鉀）都是從水面開始向下分散的（如圖9所示），這不完全是微粒熱運(yùn)動(dòng)引發(fā)的擴(kuò)散，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)沒有排除重力場(chǎng)的干擾[8]。

針對(duì)有色物質(zhì)在水中分散的方向，進(jìn)行反向設(shè)計(jì)： 選用密度大于水的物質(zhì)（如甲基橙、高錳酸鉀、硫酸銅等），使其在水底向上分散，從而有效地回避了原實(shí)驗(yàn)科學(xué)性不足的問題（如圖10所示）。新實(shí)驗(yàn)的主要操作是： 將裝有甲基橙的小型自封塑料袋放入燒杯底部，再向燒杯中倒入約占其容積4/5的水，

然后用注射器針頭將水下的塑料袋扎2～3個(gè)小孔，立即觀察到甲基橙緩慢向上分散，最終整杯水都變?yōu)槌赛S色，充分說明了物質(zhì)的微粒性和運(yùn)動(dòng)性。

5 缺點(diǎn)錯(cuò)誤反向

很多化學(xué)物質(zhì)具有與生俱來的缺點(diǎn)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)中也難免出現(xiàn)錯(cuò)誤操作，在實(shí)驗(yàn)改進(jìn)中對(duì)缺點(diǎn)反向思維、對(duì)錯(cuò)誤逆勢(shì)而行，那么缺點(diǎn)也會(huì)轉(zhuǎn)化為優(yōu)點(diǎn)，錯(cuò)誤也會(huì)產(chǎn)生價(jià)值。

鋼鐵銹蝕具有很大的危害性，鐵生銹會(huì)消耗氧氣（同時(shí)生成固體）。逆向思考： 如果利用鐵生銹原理測(cè)量空氣中氧氣的體積含量，不就能變“有害”為“有用”嗎？于是設(shè)計(jì)出如圖11所示的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，其主要操作是： 取一片濕巾，在濕巾表面均勻撒上一層暖寶寶發(fā)熱劑（含有食鹽、鐵粉、活性炭等），再將濕巾粘附在廣口瓶?jī)?nèi)壁上，然后連接好實(shí)驗(yàn)裝置。4～5min后打開止水夾，觀察到量筒里的水快速流入廣口瓶中，最終流入廣口瓶中水的體積約是64mL，即空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)約是64/320×100%=19.7%。

再如，不驗(yàn)純就點(diǎn)燃可燃性氣體、稀釋濃硫酸時(shí)把水加入濃硫酸中、氫氣還原氧化銅（或一氧化碳還原氧化鐵）時(shí)先加熱固體再通氣等錯(cuò)誤操作，極易釀成事故。從其反方向分析，就可以把錯(cuò)誤操作看成是一種實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，設(shè)計(jì)成示錯(cuò)實(shí)驗(yàn)，從而對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)起到警示作用。

作為示錯(cuò)實(shí)驗(yàn)，可以做成虛擬實(shí)驗(yàn)（在教學(xué)中適時(shí)播放），也可以在確保安全的前提下現(xiàn)場(chǎng)演示。如我們?cè)O(shè)計(jì)的稀釋濃硫酸的示錯(cuò)實(shí)驗(yàn)， 其主要操作是： 按圖12連接好裝置，然后將水注入濃硫酸中，濃硫酸接觸到水立即放出大量的熱，使小氣球迅速膨脹，同時(shí)溶液沸騰，引起酸液向上飛濺，并濺到pH試紙上，試紙立即由黃色變?yōu)榧t色。顯然，該實(shí)驗(yàn)較好地呈現(xiàn)了錯(cuò)誤操作的后果。

6 結(jié)語

開展實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新活動(dòng)要在“開齊開足開好” 課本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，充分利用“課后延時(shí)服務(wù)”有序推進(jìn)（每學(xué)期可以安排4～5次）。 不要將實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新活動(dòng)完全視為教師行為，要吸引更多的學(xué)生參與這項(xiàng)研究性、任務(wù)型、項(xiàng)目化的活動(dòng)[9]。學(xué)生由此體驗(yàn)了逆向思維的創(chuàng)造性、反向探求的奇妙性，乃至獲得峰回路轉(zhuǎn)的驚喜與枯木逢春的愉悅。

總之，在化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新活動(dòng)中，如果注意從問題的相反方向深入探索，通過逆向思維，就能優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方法，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)裝置，從而開發(fā)出更多操作簡(jiǎn)單、裝置簡(jiǎn)約、現(xiàn)象直觀、原理正確、結(jié)論可靠的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，提升教師的專業(yè)素質(zhì)。

參考文獻(xiàn)：

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[ 8 ] 李德前， 魏海. 有色物質(zhì)在水中擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2016， （3）： 60～64.

[ 9 ] 李德前， 趙紅. 指導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2006， （5）： 1～3.