基于逆向思維的化學(xué)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)策略探討

鄭曉松

［摘 要］基于逆向思維的化學(xué)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，有利于將實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單化、易操作化，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新并達(dá)到良好的實(shí)驗(yàn)效果。文章基于理論研究與教學(xué)實(shí)踐，概述逆向思維的定義及特點(diǎn)，提出基于逆向思維的化學(xué)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)策略，即“逆向思考藥品順序，使現(xiàn)象更鮮明”“逆向思考實(shí)驗(yàn)儀器，使判斷更準(zhǔn)確”“逆向思考實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使操作更綠色”“逆向思考實(shí)驗(yàn)結(jié)論，使分析更簡(jiǎn)單”，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的持續(xù)性發(fā)展提供力量。

［關(guān)鍵詞］逆向思維；化學(xué)實(shí)驗(yàn)；改進(jìn)策略

［中圖分類(lèi)號(hào)］ ? ?G633.8 ? ? ? ?［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ ? ?A ? ? ? ?［文章編號(hào)］ ? ?1674-6058（2022）20-0075-03

實(shí)驗(yàn)在化學(xué)中的地位不言而喻。雖然常規(guī)實(shí)驗(yàn)改革在不斷深入，但常規(guī)思維下的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)仍然存在一些問(wèn)題與不足，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或效果往往不盡如人意。逆向思維，是指從常規(guī)思維相反的角度、過(guò)程出發(fā)去思考問(wèn)題的思維方式。基于逆向思維的化學(xué)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，有利于將實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單化、易操作化，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新并達(dá)到良好的實(shí)驗(yàn)效果。本文立足逆向思維，利用逆向思維的“求異”特點(diǎn)，從實(shí)驗(yàn)藥品、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)環(huán)境及實(shí)驗(yàn)結(jié)論四個(gè)方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的持續(xù)性發(fā)展提供力量。

一、逆向思維概述

（一）逆向思維的定義

思維指的是人腦對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性與內(nèi)在規(guī)律的概括的、間接的反映。逆向思維在本質(zhì)上是一種求異思維，是對(duì)人們司空見(jiàn)慣的幾乎成為定論的事物或者觀點(diǎn)反過(guò)來(lái)思考的一種思維方式。在很多情況下，人們往往習(xí)慣于沿著事物發(fā)展的正方向進(jìn)行思考和探索，實(shí)際上，“反其道而思之，反其道而行之”，使思維向著自身的反方向發(fā)展，往往能夠使復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化，收到意想不到的效果。逆向思維是創(chuàng)造性思維的重要維度，它對(duì)思維的流暢性、變通性和獨(dú)特性都提出了更高的要求。

（二）逆向思維的特點(diǎn)

逆向思維具有普遍性。唯物辯證法認(rèn)為，任何事物都有相互對(duì)立統(tǒng)一的兩個(gè)方面。正是由于任何事物都有兩面性，才為人們用正向思維和逆向思維分析事物提供了可能。

逆向思維具有批判性。逆向思維是對(duì)常規(guī)的挑戰(zhàn)，具有明顯的批判性。它能克服思維定式，打破僵化的認(rèn)知模式。

逆向思維具有創(chuàng)造性。正向和逆向是兩個(gè)在邏輯上截然相反的思考方向。正向思維是常規(guī)的、已經(jīng)被普遍接受了的觀點(diǎn)和做法，而逆向思維是獨(dú)特的、擺脫了思維限制的非常規(guī)的觀點(diǎn)和做法。

逆向思維具有新穎性。逆向思維要求人們跳出常規(guī)思維的“舒適區(qū)”，擺脫司空見(jiàn)慣的思考模式和已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的影響，從而得出與眾不同的分析和解決問(wèn)題的方法。

二、基于逆向思維的化學(xué)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)策略

化學(xué)實(shí)驗(yàn)是學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的重要途徑。學(xué)生通過(guò)完成實(shí)驗(yàn)操作、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)論，實(shí)現(xiàn)知識(shí)理解和思維發(fā)展。因此，實(shí)驗(yàn)對(duì)化學(xué)而言，猶如羽翼之于飛鳥(niǎo)，劃槳之于輕舟?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚪o化學(xué)課堂帶來(lái)活力，能夠讓抽象的化學(xué)原理看得見(jiàn)、摸得著，從而為教師的“教”和學(xué)生的“學(xué)”開(kāi)辟?gòu)V闊的新天地。高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)不斷地完善，基本上已經(jīng)形成了大家普遍認(rèn)可的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作方法。但是，在實(shí)踐中仍然有一些化學(xué)實(shí)驗(yàn)存在現(xiàn)象不清晰、操作難度大等問(wèn)題，采用常規(guī)思維進(jìn)行改進(jìn)，其效果卻不盡如人意。而基于逆向思維對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，往往能夠起到意想不到的效果。

（一）逆向思考藥品順序，使現(xiàn)象更鮮明

在高中化學(xué)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中，藥品的順序往往是給定的，需要學(xué)生去嚴(yán)格執(zhí)行，這導(dǎo)致了學(xué)生逆向思維的缺失。教學(xué)中，教師不妨讓學(xué)生思考其中的原因，分析藥品順序倒置會(huì)如何等問(wèn)題。這不僅能夠讓學(xué)生明白其中的順序邏輯，還會(huì)有意外收獲，如使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加鮮明等。

例如，在“制取氫氧化亞鐵［Fe（OH）2］白色沉淀”的實(shí)驗(yàn)中，白色沉淀呈現(xiàn)的時(shí)間往往很短，往往還沒(méi)來(lái)得及仔細(xì)觀察就已經(jīng)變成了灰綠色。為了解決這一問(wèn)題，教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)。

常規(guī)改進(jìn)：（1）煮沸，減少氫氧化鈉溶液中的氧氣含量；（2）改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備；（3）上層加苯或植物油以隔絕空氣。

常規(guī)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，旨在避免體系與氧氣接觸，實(shí)驗(yàn)效果并不明顯。為此，教師帶領(lǐng)學(xué)生通過(guò)查閱資料、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方式來(lái)探究白色沉淀變成灰綠色的主要原因，找到變色的癥結(jié)所在。

原因分析：結(jié)合對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，白色沉淀變成灰綠色的主要原因與[SO2-4]、Fe（OH）3及結(jié)晶水無(wú)關(guān)，而是形成的Fe（OH）2分子聚集成Fe（OH）2膠核，若溶液中Fe2+的濃度較大，聚集的Fe（OH）2會(huì)吸附較多的Fe2+，使得白色沉淀很快變?yōu)榛揖G色。查閱資料可知，升高溫度，F(xiàn)e（OH）2膠核的吸附能力會(huì)下降，利用水浴加熱實(shí)驗(yàn)可以證實(shí)這一點(diǎn)。

改進(jìn)重點(diǎn)：避免Fe（OH）2膠核吸附Fe2+。（這樣就可以長(zhǎng)時(shí)間看到Fe（OH）2白色沉淀）

學(xué)生討論：實(shí)驗(yàn)中要減小Fe2+的濃度，以減少Fe（OH）2膠核對(duì)Fe2+的吸附量，同時(shí)還要考慮常規(guī)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)中“避免與氧氣接觸”這一點(diǎn)。

逆向改進(jìn)：取一支試管，先向其中注入適量的[8 mol/L]的NaOH溶液，然后再慢慢注入[0.1 mol/L]的新制FeSO4溶液?？梢杂^察到有白色懸濁液生成，固體顆粒慢慢沉入底部，并沒(méi)有灰綠色沉淀產(chǎn)生。

關(guān)鍵操作：（1）NaOH溶液濃度大且無(wú)溶解氧；（2）FeSO4溶液濃度小且要緩慢注入。

立足逆向思維，將實(shí)驗(yàn)藥品的加入順序進(jìn)行了倒置，同時(shí)融合了常規(guī)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)，既保證了[Fe（OH）2]白色沉淀的生成，又延長(zhǎng)了其呈現(xiàn)時(shí)間，達(dá)到了良好的實(shí)驗(yàn)效果。

又如，在進(jìn)行“苯酚與溴水反應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，常規(guī)做法是向稀苯酚溶液中加入濃溴水。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，苯酚的濃度過(guò)高或者溴水濃度過(guò)低，都會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)生成的三溴苯酚溶解在過(guò)量的苯酚中，難以觀察到清晰的白色沉淀。

實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵：防止生成的三溴苯酚溶解在過(guò)量的苯酚中。

逆向改進(jìn)：向濃溴水中滴加少量的稀苯酚溶液。

三溴苯酚不能溶于溴水，在溴水中加入苯酚會(huì)立即生成白色沉淀，這樣就能夠大大提高實(shí)驗(yàn)的成功率，使得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加鮮明。此外，還能夠通過(guò)觀察溶液的渾濁程度來(lái)調(diào)節(jié)苯酚的滴入量，使實(shí)驗(yàn)操作變得更加容易控制。

基于逆向思維，將實(shí)驗(yàn)藥品的加入順序進(jìn)行倒置，不僅使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加鮮明，提升了實(shí)驗(yàn)效果，還打開(kāi)了學(xué)生的思維空間度，激活了學(xué)生的思維靈活性，為學(xué)生創(chuàng)造性思維的發(fā)展做好了蘊(yùn)伏。

（二）逆向思考實(shí)驗(yàn)儀器，使判斷更準(zhǔn)確

在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作中，實(shí)驗(yàn)儀器往往是給定的，只需要學(xué)生學(xué)會(huì)規(guī)范操作即可，這就使得學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中模仿大于創(chuàng)新，無(wú)形中削弱了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在教學(xué)中，教師應(yīng)提供多樣化的實(shí)驗(yàn)儀器供學(xué)生選擇，營(yíng)造開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)氛圍，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維，使學(xué)生能夠在深入理解原理的基礎(chǔ)上融會(huì)貫通、舉一反三。

例如，在教學(xué)如何判斷原電池正負(fù)極時(shí)，教師往往引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)來(lái)判斷正負(fù)極，進(jìn)而判斷電流（或電子）的流動(dòng)方向。在相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作中，對(duì)于那些電流比較弱的原電池實(shí)驗(yàn)，雖然能夠清晰地看到LED發(fā)光二極管發(fā)光，但電流表的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象不是很明顯，使正負(fù)極的判斷失去說(shuō)服力。面對(duì)這一情況，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行了分析討論，逆向設(shè)計(jì)出了更便捷的實(shí)驗(yàn)方案。

資料查閱：LED發(fā)光二極管具有單向?qū)щ娦?，且工作電壓比較小（只有1.7 V），電流在[2 mA]以下。當(dāng)LED發(fā)光二極管的正極連接電源的正極時(shí)，LED發(fā)光二極管就會(huì)發(fā)光。若反向連接，LED發(fā)光二極管就會(huì)處于截止?fàn)顟B(tài)，不會(huì)發(fā)光。

利用LED發(fā)光二極管的這一特點(diǎn)，就可以逆向進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，放棄原來(lái)判斷正負(fù)極的方法，采用新的思路和改進(jìn)方法——正反接法。

逆向改進(jìn)：用金屬鎂條、石墨棒和2 mol/L的稀硫酸組成原電池，用導(dǎo)線(xiàn)連接LED發(fā)光二極管，觀察LED發(fā)光二極管是否發(fā)光。然后，再進(jìn)行反向連接，觀察LED發(fā)光二極管是否發(fā)光。

基于逆向思維，在判斷原電池正負(fù)極時(shí)進(jìn)行反向連接，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯且操作更方便，可以非常直觀地得出結(jié)論，為相關(guān)的理論學(xué)習(xí)提供了證據(jù)事實(shí)。由于原電池產(chǎn)生的電壓、電流都比較小，不用擔(dān)心在反向連接時(shí)LED發(fā)光二極管會(huì)被擊穿，實(shí)驗(yàn)安全、高效。另外，實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新點(diǎn)燃了學(xué)生的探索熱情，打開(kāi)了學(xué)生的思維空間，將學(xué)生置于一個(gè)積極活躍的課堂中，真正構(gòu)建了高效實(shí)驗(yàn)課堂。

（三）逆向思考實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使操作更綠色

在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)環(huán)境也是影響實(shí)驗(yàn)的重要因素。在對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，應(yīng)基于“幫忙不添亂”的原則對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化。在教學(xué)中，教師可以利用逆向思維來(lái)排除實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的清晰呈現(xiàn)提供合適的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

例如，在“焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)中，教師在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象呈現(xiàn)上雖然做了改進(jìn)，但大多都是以放大反應(yīng)現(xiàn)象為突破口，并沒(méi)有從根本上實(shí)現(xiàn)火焰顏色的長(zhǎng)時(shí)間呈現(xiàn)。對(duì)此，教師不妨帶領(lǐng)學(xué)生探索焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中焰色呈現(xiàn)時(shí)間短的原因，開(kāi)發(fā)學(xué)生思維，同時(shí)為學(xué)生創(chuàng)建更為合適的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

原因分析：（1）酒精燈的火焰顏色為黃色，存在顏色干擾；（2）利用鐵絲蘸取金屬鹽溶液時(shí)，蘸取的金屬鹽溶液比較少；（3）使用噴壺向火焰噴灑金屬鹽溶液時(shí)，金屬鹽溶液與火焰接觸的時(shí)間較短。

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，上述問(wèn)題多是由實(shí)驗(yàn)環(huán)境引發(fā)的。教師可立足逆向思維，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，為學(xué)生創(chuàng)建合適的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

逆向改進(jìn)：將金屬鹽的粉末撤在瓊脂固體酒精上，然后點(diǎn)燃酒精，觀察火焰顏色。

實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)：（1）用瓊脂固體酒精來(lái)代替液體酒精，火焰與金屬鹽可以長(zhǎng)時(shí)間接觸，延長(zhǎng)了焰色的呈現(xiàn)時(shí)間；（2）用金屬鹽粉末來(lái)代替金屬鹽溶液，濃度大，顏色深；（3）消除了火焰本身顏色的干擾；（4）在操作完焰色反應(yīng)之后，金屬鹽仍然呈塊狀，可以循環(huán)使用。

基于逆向思維大膽改進(jìn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使得實(shí)驗(yàn)在操作、現(xiàn)象上達(dá)到了一個(gè)新的高度，也使得學(xué)生更積極主動(dòng)地參與實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，這一實(shí)驗(yàn)還符合綠色化學(xué)思想，在學(xué)生的心中種下綠色的種子，為學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)提供了平臺(tái)。

（四）逆向思考實(shí)驗(yàn)結(jié)論的，使分析更簡(jiǎn)單

高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)往往會(huì)采用正向探究法，即根據(jù)實(shí)驗(yàn)探究的主題進(jìn)行正向的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象（或數(shù)據(jù)）記錄，進(jìn)而推導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師不妨利用逆向思維，引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)結(jié)論出發(fā)，開(kāi)放性探索實(shí)驗(yàn)方法，以簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程，順利得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

例如，在探究水的組成時(shí)，往往采用電解的方法來(lái)證明。

常規(guī)方法：利用直流電源電解水，收集陰陽(yáng)兩極產(chǎn)生的氣體。（1）將帶火星的木條伸入盛有陽(yáng)極產(chǎn)生的氣體的集氣瓶中，如果帶火星的木條復(fù)燃，則證明有氧氣生成，說(shuō)明水中含有氧元素；（2）將盛有陰極產(chǎn)生的氣體的試管靠近點(diǎn)燃的酒精燈，點(diǎn)燃?xì)怏w，如果聽(tīng)到爆鳴聲，則證明有氫氣生成，說(shuō)明水中含有氫元素。結(jié)合（1）（2）可得，水是由氫元素和氧元素組成的。

不難看出，這樣的實(shí)驗(yàn)比較復(fù)雜、難度較大，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置和反應(yīng)條件要求較高，且具有一定的危險(xiǎn)性。采用逆向思維，從氫氣、氧氣入手進(jìn)行考慮，可以設(shè)計(jì)出更為簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，順利得出想要的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

逆向改進(jìn)：將純凈的氫氣放置在純凈的氧氣中燃燒，并在上方罩一個(gè)冷而干燥的小燒杯，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

小燒杯中的小水珠讓學(xué)生明白了氫氣與氧氣在燃燒條件下反應(yīng)會(huì)生成水，從而逆向推導(dǎo)出“水是由氫元素和氧元素組成的”這一結(jié)論?？梢?jiàn)，逆向思維為學(xué)生找到了解決問(wèn)題的簡(jiǎn)單途徑，使實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、儀器和操作步驟得到了極大的簡(jiǎn)化，切實(shí)提高了實(shí)驗(yàn)的效果。

總之，基于逆向思維的化學(xué)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，打破了原有的常規(guī)思維，“反其道而思之”，通過(guò)對(duì)藥品順序和操作順序的倒置、實(shí)驗(yàn)環(huán)境的逆向優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)結(jié)論的逆推等，開(kāi)創(chuàng)了實(shí)驗(yàn)改進(jìn)新模式。站在正向思維的對(duì)立面進(jìn)行思考，大膽地對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，不僅使實(shí)驗(yàn)變得鮮明、簡(jiǎn)化和綠色化，還使思維具有了變通性、獨(dú)特性與流暢性，為化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新提供了新方向，注入了新活力。

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（責(zé)任編輯 羅 艷）