基于推理思维的实验再改进

范玉英

摘要：通过改变药品呈现方式、改进装置结构、改变反应条件等方法，重新设计碳酸氢铵受热分解、双氧水分解制氧气、白磷在水中燃烧、硫在氧气中燃烧、铁生锈等实验。新设计的实验操作简单、现象直观、有益环保。可用于学生分组实验或独立开展有价值的实践活动，有助于提高学生“科学思维”“科学探究与实践”等化学核心素养。

关键词：推理思维；科学思维；实验改进；实验探究

文章编号：10056629（2023）06006705中图分类号：G633.8文献标识码：B

“推理”是逻辑学的重要研究对象，是思维的基本形式之一。所谓“推理”，是指根据已知的判断推导出未知判断的思维形态^［1］，它包含直接推理、间接推理或正向推理、逆向推理等。从科学探究视角看，推理是指在探究过程中所涉及的普适性思维和推理技能，包含实验开展、证据评价、推断和辩论等环节，由此形成、修正关于自然（或社会）的概念和理论^［2］。

推理思维是改进、优化实验的重要途径之一。我们课题组和兴趣小组在系列实验创新再设计时，用常规思维方法（如转化法、例证法等），常陷于“黔驴技穷”的困境；若转换思维路径，巧借推理思维，则有“峰回路转”之效。

查阅文献资料发现，多数教师对教材实验实施某些改进以规避教材实验的局限性，取得较为理想的演示效果。但改进的实验主要指向教师演示，难以突破学生分组或独立开展实验。如何为学生提供探究活动的舞台，我们课题组和兴趣小组运用推理思维从实验微型化设计、改变药品呈现方式、改进装置结构、改变反应条件等方面创设现象直观、操作简单、绿色环保的新实验装置。下面结合具体案例予以说明。

1 微型化的实验

在学习“碳酸氢铵受热分解”时，沪教版（P3）在“观察与思考”栏目设计了如图1所示的实验，现象明显，学生通过感官感知到刺激性气体为氨气。但生成物还有哪些？教材未设计相关探究实验。检验水可用无水硫酸铜，检验氨气用无色酚酞溶液，该知识在沪教版下册“应用广泛的酸、碱、盐”章节，这种前后知识的不连贯性，给学生理解反应的原理造成障碍。为帮助学生体验知识的形成过程，化抽象为形象，意义较大。正向推理：检验氨气、水蒸气、二氧化碳需选择何种试剂？怎么放置？如何改进装置？教师择机展示玻璃管、球形干燥管等仪器，启迪学生思维。兴趣小组在教师启迪下，进一步推理装置设计、试剂摆放顺序等，再交流、评价，设计了如图2所示的实验。教师点评：图2装置看似很完美，但推理欠严密：该药品摆放顺序能逐一证明碳酸氢铵的分解产物吗？反应快的学生领悟了酚酞试液中的水也会被无水硫酸铜吸收变蓝，对碳铵受热分解产物水的检验造成干扰（提示：氨气能使无色酚酞试液变红；无水硫酸铜遇水由白色变为蓝色）。

教师利用信息提示，机智处理“前导知识对后继知识铺垫”和“后继知识与前导知识融合”的关系，实现前后知识衔接“一体化”之效^［3］。助推学生实验设计与活动顺利进行，从而促进对反应原理的深层次理解。

1.1 实验方案

兴趣小组依据信息提示，并借助定制的玻璃管对图2实验再作改进，设计了如下实验，取得了预期的教学效果。

1.1.1 实验用品

橡胶塞、玻璃管（2cm×24cm）、导管、酒精灯、酒精喷灯、酒精、手套、石棉网、火柴、碳酸氢铵、无水硫酸铜、药匙、酚酞试液、脱脂棉、澄清石灰水、气球

1.1.2 实验装置

借助玻璃管设计的实验装置如图3所示（固定、夹持装置略）。

1.1.3 实验步骤

（1） 取一长玻璃管，用酒精喷灯弯制成如图3所示形状，放置于石棉网上，冷却备用；

（2） 向玻璃管内分别放置滴有酚酞溶液的棉团、无水硫酸铜、适量碳酸氢铵，V形玻璃管中倒入适量澄清石灰水，塞紧左右两边橡胶塞，导管另一端系一气球，用酒精灯加热碳酸氢铵固体；

（3） 观察现象：碳酸氢铵固体逐渐减少，无水硫酸铜由白变蓝，滴有酚酞溶液的棉花变红，石灰水变浑浊，气球逐渐膨大。

1.1.4 实验优点

（1） 现象明显、直观，促进了学生对碳铵受热分解原理的理解；

（2） 实验将4个反应进行微型一体化探究且操作简单；

（3） 适宜学生分组实验，发展学生推理思维、合作探究等综合实践能力；

（4） 该装置还适用于铜绿受热分解的实验探究。

2 改变药品呈现方式的实验

在学习“双氧水分解制氧气”时，沪教版（P36）在“活动与探究”栏目设置的实验如图4所示。该实验具有易操作、反应速率适中、制取的氧气较纯等优点。但不能控制反应的发生与停止，且二氧化锰的回收较复杂。逆向推理：如果将粉末状的二氧化锰制成小颗粒或块状，既能控制反应的发生与停止，又能回收再利用^［4］，装置见图5（a）。教师试问：该装置有何优点？有无不足？小组学生思考、辨析、评价。学生代表：该装置能控制反应的发生与停止，气流稳定。教师启发学生再思量：不妨从图5（a）催化剂的成分考虑！学生豁然开朗：水泥也能加快双氧水的分解，对二氧化锰的催化作用造成干扰。

学生在图5（a）基础上，能创设更合理的二氧化锰呈现方式吗？学生探究热情被点燃，思维的碰撞产生智慧之花。学生提出：用百得胶（氯丁胶）制成二氧化锰小球，如绿豆般大小，使用后可回收再利用。经师生交流评价，学生设计了圖5（b）装置。经实践，有“异途同归”之妙。

吴俊明教授曾说：“化学物质千差万别，难以用抽象演绎方法做出准确和精细的推定，需逐个研究、认识，它的这种个性决定了化学对实验、实践的强烈依赖。^［5］”

3 改进装置结构的实验

在学习“燃烧的条件”时，人教版（P129）设计的实验装置如图6所示。实际操作中，当通入氧气时，因白磷熔点低，遇热水易熔化，在气流作用下，白磷在水中四处游动，难以与氧气充分接触，实验成功率较低。教师引导学生思考：怎样才能使白磷与氧气充分接触？反其道而行之或有另一番风景！学生联想逆向推理：设计一个有限空间，持续通入氧气至这一空间内，白磷与氧气充分接触，问题可迎刃而解。

3.1 实验方案1

兴趣小组借助硬质玻璃管、不锈钢网等器材优化教材实验装置，取得较好的探究效果。

3.1.1 实验用品

制氧气装置、20%过氧化氢溶液、自制二氧化锰小球100粒、带导管的双孔橡胶塞、硬质玻璃管（3cm×13cm）、过滤豆浆的不锈钢网、白磷、螺母（外径×高：2.7cm×1.3cm）、铜片、剪刀、小刀、烧杯、热水（高于80℃）、广口瓶、氢氧化钠溶液

3.1.2 实验装置

借助硬质玻璃管、不锈钢网等仪器和用品设计的实验装置如图7所示。

3.1.3 实验步骤

（1） 螺母内放一圆形铜片，大小与螺母内径相匹配，铜片中央凹陷，将圆形（比螺母内径稍大）不锈钢网嵌入螺母内；

（2） 硬质玻璃管上端塞紧橡胶塞，长导管下端插入不锈钢网（中间制成与玻璃管匹配的孔），短导管与氢氧化钠溶液相连；

（3） 将2粒绿豆大小的白磷从不锈钢网小孔放入，硬质玻璃管下端套在螺母上；

（4） 向烧杯内倒入200mL热水，通入氧气（发生装置可水浴加热，产生氧气速率更快）；

（5） 观察现象：白磷在水中燃烧，呈现“水火交融”的景象！

3.1.4 实验优点

（1） 操作简便、现象直观，有利于学生深度理解可燃物燃烧需具备的条件；

（2） 解决了白磷燃烧后产生的白烟逸散至空气中造成环境污染问题。本实

验体现激趣、安全、环保、创新等理念，充分发挥了实验的育人价值。

3.2 实验方案2

在学习“氧气的性质”时，人教版（P33）设计了硫在集满氧气的集气瓶中燃烧的实验。该实验现象明显，能有效达成教学目标，但硫燃烧产生的刺激性气体会造成环境污染。教师提问：如何设计一个绿色、环保、又能检验燃烧产物的装置？学生逆向推理：教材实验是半封闭的，若设计成硫在封闭装置内燃烧，再增设检验、除污的装置，方案就水到渠成了。

学生巧借推理思维，用常规仪器及用品将“半封闭型”装置改进为“封闭型”，集趣味性、知识性、综合性于一体，充分体现了可视性与环保性。

3.2.1 实验用品

橡胶塞、导管、锥形瓶（250mL）、15%过氧化氢溶液、用氯丁胶制成的二氧化锰小球、U型管、无水氯化钙、棉团、硬质玻璃管、硫、药匙、酒精灯、火柴、广口瓶、粗玻璃管（1.5cm×12cm）、高锰酸钾溶液、氢氧化钠溶液

3.2.2 实验装置

借助推理思维设计的封闭型实验装置如图8所示。

3.2.3 实验步骤

（1） 按图8装配好仪器，检查装置气密性，向U型管、硬质玻璃管中央部位预先分别加入棉花包裹的无水氯化钙、0.1g硫粉，两广口瓶内分别盛适量的高锰酸钾溶液、氢氧化钠溶液，粗玻璃管伸入高锰酸钾溶液内约0.5cm（防倒吸）；

（2） 在锥形瓶内放约100粒自制二氧化锰小球，并倒入85mL 15%的过氧化氢溶液，塞紧橡胶塞；

（3） 当广口瓶内玻璃管下端有气泡连续冒出时，将燃着的酒精灯对准硬质玻璃管中央部位加热；

（4） 观察现象：硫由固态变为液态，燃烧，产生明亮的蓝紫色火焰，高锰酸钾溶液褪色，现象十分明显、直观！

3.2.4 实验优点

（1） 自制二氧化锰小球作催化剂，效果好，且能回收再利用；

（2） 实验中，硬质玻璃管管径粗、空间大，硫与氧气充分反应产生蓝紫色火焰，生成的气体能使高锰酸钾溶液褪色（检验二氧化硫气体），剩余的有害气体被氢氧化钠溶液吸收，避免了对空气造成污染，体现了绿色化设计。

不过实验时应注意以下2点：

（1）自制二氧化锰小球数目不能太少，双氧水浓度不能太低，否则生成的氧气量不足，硫不能燃烧；（2）发生装置产生的氧气需经干燥处理。

4 改变反应条件的实验

沪教版教材安排的铁生锈实验（第127页）如图9所示。实际教学中需提前准备实验，才能观察到现象。该实验反应时间长，无法在课堂内演示或分组实验。正向推理：怎样才能加速铁的锈蚀？化学反应速率与哪些因素有关？受教师启发，学生推理：增加氧气浓度；提高反应温度；增大反应物

接触面积；加入氯化钠等。如何设计实验呢？学生自主思考，组内交流，然后派代表表述见解，开展师生评价。

兴趣小组从控制变量角度改进、优化实验，取得显著的实验效果。

4.1 实验用品

锥形瓶（250mL），6%、 10%、 15%过氧化氢溶液，单孔橡胶塞、自制二氧化锰小球、药匙、细导管、T型管、胶皮管、剪刀、来回折叠2次的铁丝（长约6cm）、砂纸、4支试管（1.5cm×14.5cm）、蒸馏水、植物油、棉花、无水氯化钙、氯化钠、大烧杯、计时器、热水（80℃以上）

4.2 实验装置

利用自制二氧化锰小球作催化剂，并從控制变量视角设计氧气的制取、铁生锈一体化装置，如图10所示。

4.3 实验步骤

（1） 按图10所示连接装置，检查装置气密性。

（2） 1号试管内盛有6cm铁丝

和6mL水；2号试管盛6cm铁丝、6mL水和

植物油；3号试管先放入6cm铁丝，再收

集满氧气，试管口放一团包裹无水氯化钙的棉

花，塞紧橡胶塞；4号试管内盛6cm铁丝和6mL氯化钠溶液；向大烧杯中倒入热水。

（3） 设三组实验，向锥形瓶内各加100粒自制二氧化锰小球，分别倒入6%、 10%、 15%的过氧化氢溶液85mL，塞紧橡胶塞（同时水浴加热）、水浴温度控制在80℃以上，观察、记录实验现象。教师择优展示成果，见表1。

4.4 实验现象与结论

学生通过实践发现：过氧化氢溶液浓度越大，水温高于80℃时，在盐溶液中，铁的锈蚀速率最快。可见，利用变量控制思想可以把多种因素相互交错、共同作用的复杂问题，简化成研究对象与各个单一因素发生联系的简单问题，从而降低了学习难度^［6］，更加契合学生的认知能力。

5 结语

本课题主要运用推理思维对教材的部分实验作再改进和再设计。新设计的实验操作简单、实验时间短、现象明显，较适合小组学生独立完成实验。学生通过实验设计，学会运用推理思维解决问题，发展了化学思维与创新能力。通过实践活动，学生增强了对化学反应原理的本原性认知，并由此体验推理思维的创造性、正向或逆向探求的奇妙性^［7］。

参考文献：

［1］黃士平. 简明逻辑学［M］. 武汉： 湖北教育出版社，2005： 201.

［2］Zimmerman C.. The development of scientific reasoning skills ［J］.  Developmentai Review，2000，20（1）： 99～149.

［3］陆军. 重构课程内容： 培养学科核心素养的重要路径［J］. 化学教学，2022，（7）： 3～7.

［4］［7］李德前，魏海，马逸群，朱玉忠. 基于逆向思维创新化学实验的尝试［J］. 化学教学，2022，（8）： 73～76.

［5］吴俊明. 初中化学的育人功能与观念渗透［J］. 化学教学，2017，（2）： 12.

［6］董俊，王瑛，吴俊明. 基于“变量控制”策略的初中化学实验探究教学［J］. 化学教学，2022，（4）： 67～70，78.