书城科普读物动手做实验丛书--化学实验中的思维能力培养
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第15章 中学化学实验中的思维训练(3)

事实1表明:钠的密度比水小。(推理:密度比水小的任何物质都能浮在水面上,钠能浮在水面上,所以钠的密度比水小。)事实2表明:钠受热后熔化成小球,一方面说明钠的熔点较低,还说明钠跟水发生的是放热反应。实验事实4和5表明反应生成物之一是氢气,这是根据对水的组成和对氢气性质的认识所作出的推断。事实6表明该反应的另一种生成物是氢氧化钠,这是根据水的组成和酚酞试剂的性质对事实6做出的推断。最后得到的认识是:钠跟水能发生激烈反应,生成了氢气和氢氧化钠。用化学反应方程式表示:2Na+2H2O=2NaOH+H2↑,这就是处理上的化学用语化。

例如,为了认识硫的密度不妨进行如下的实验观察。先取大小不同的棒状硫3小块,然后用托盘天平称量它们的质量,再用装有水的量筒测量它们的体积。得到实验事实是:3块硫的质量分别为W1克、W2克、W3克,体积为V1毫升、V2毫升和V3毫升。经过对它们采用表格化的处理后,能较容易地发现其规律性,即硫的密度大约是水的二倍,W/V大约等于2。

标号质量(克)-1体积(毫升)-1W/V=d1W1V1W1/V12W2V2W2/V23W3V3W3/V3从讨论中可见,实验结果的处理离不开理论思维,否则它们只不过是一些生动、片断、零散的感性材料。只有运用已有知识,采用分析、比较、抽象、概括、归纳和综合等思维方法,进行合乎逻辑的判断、推理等思维活动,以及应用科学方法对诸多实验结果进行思维加工、科学处理,才能达到对实验对象的综合、整体的感性认识,才能取得初步规律性认识。

(2)实验结果分析处理中运用理论思维应注意的几个问题①对实验事实进行归纳时要持慎重态度归纳是从个别性的前提推出一般性的结论的推理形式。归纳也就是归纳法。归纳法可以使人们从个别的对象中,概括出一般性、规律性的东西。如质量守恒定律、定组成定律等经验规律,就是从对个别的化学实验结果为前提推出的一般性、规律性的结论。归纳法用于认识物质的经验规律是有效的。但是,因为用归纳法推出的结论知识超出了前提范围,它的结论不具有必然性,可能真实(如质量守恒定律等的结论),也可能虚假(如燃素说)。因此,用归纳法对实验事实进行处理应注意以下几点。

首先,每一个个别的化学实验事实必须是正确的。由于每一个个别化学实验事实是归纳的前提或根据,如果前提或根据是错误的,归纳概括得出的结论必然是错误的。所以在进行归纳之前必须确认所得的实验事实(包括现象、数据、过程等)以及对化学实验事实表述所使用的概念和化学术语是确切、可靠的。

其次,要以充分的实验事实作为归纳的基础。通常情况下,我们是从有限的实验事实作出普遍性概括的,因而容易产生以偏概全的错误。例如,锌、铁都能跟盐酸、稀硫酸反应生成氢气。如果以这些有限的实验事实为前提,就认为:铁和锌都是金属,盐酸和硫酸都是酸,铁、锌跟盐酸或硫酸反应都能产生氢气,经归纳推理得出结论:

金属跟酸都能发生反应并能生成氢气,这种归纳得到的结论就犯了以偏概全的错误。事实上并不是所有的金属在通常条件下都能和所有的酸发生反应,即使某种金属与某种酸发生了反应,也不一定产生氢气。这是由于没有穷举各种金属分别与各种酸发生反应产生的每一个化学实验事实,而是仅仅把少数的化学实验事实作了普遍性的概括,以至得到了错误的结论。

为此,在归纳之前必须收集较充分的实验事实。

再次,由实验事实归纳得出的结论必须经过实验检验。由于用归纳法推出的结论是或然性的,是真是假还要用实验来检验。如质量守恒定律用其他任何实验检验,都证明它是正确的。

而燃素说的产生尽管也是以实验事实做为它归纳的前提,但因它“不真”,而被后来的一些实验事实所否定。

②要把实验结果与处理后得到的结论区别开来,把实验结果与对实验结果的解释区别开来。

如前面谈到的钠跟水反应给出各种信息,通过陈述句表述出来各种实验事实,它是实验者或观察者取得的第一手资料,是进行归纳根据的前提或根据。而钠跟水反应的化学用语化是对多种化学实验事实,经过大脑一系列复杂的思维加工处理后得到的结论。又如,“钠浮在水面上”这是化学实验事实(即化学实验结果),这个实验事实产生的原因,是“钠的密度比水小”。“钠的密度比水小”既是钠的一种性质,又是对“钠浮在水面上”这一实验事实的解释。

③要重视意外实验事实的处理。

实验中常会产生一些意外的,事先没有估计到的实验事实。我们把意外的实验事实叫做认识活动中的机遇。机遇是相对于原来化学实验计划和目的而言的,它的最大特点就是意外性。

在科学发展史中,带有机遇性的科学发现的事例是不胜枚举的。意外的发现常成为新的科学理论的起点,具有十分重要的科学价值,如伦琴发现X射线,贝克勒尔发现铀的放射性,都带有机遇的性质。

化学教学中的实验有时也会出现不是实验目的所期望的一些实验事实。如用锌粒与稀硫酸反应制取氢气,有时会嗅到“氢气带有刺激气味”,“锌粒表面由银白色变成了黑色”这样一些实验事实。对那些善于细心观察和喜欢思考的学生,他们不但能观察到这些实验事实,而且还会提出:“氢气是无色、无味、无嗅的气体,这种刺激气味是哪里来的?”,“锌粒表面为什么变成了黑色?这为什么?”等等问题。遇到这种情况应该采取的处理方法有:首先,要有实事求是的科学态度,对意外实验事实给以承认。其次,要引导学生从实验要素方面去找原因,即实验者在实验操作上是否有失误,实验条件的控制是否不当;化学药品的纯度如何,含有什么杂质,杂质对实验结果有什么影响,试剂的用量以及溶液浓度是否合适;实验仪器的精密等等方面去分析。再次,对意外事实要进行分析,如果它跟实验目的的完成有较密切的关系,对它的解释又是学生所能接受的,就要给以简单的说明。

化学教学中的实验与理论思维相结合

实验与理论思维相结合是科学方法论中的基本方法之一,科学家在科学研究中经常应用,学生在学习化学的过程中,学习一种物质的性质,往往也要用到化学实验,研究一些化学现象和化学反应,又要用到化学理论,这就意味着学生的学习同科学家的科学研究一样,有一个从化学现象研究其本质,由化学理论解释化学现象的思维过程,这就要求我们在化学教学中将实验与理论思维相结合进行教学。将化学实验与化学理论相结合进行教学,可以培养学生的思维能力,观察能力;还可增强学生的学习兴趣,培养学生严谨的科学态度和分析问题、解决问题的能力。四川省广汉市教研室李旭东老师分别从以下四个方面分析总结了在化学教学中将实验与理论思维相结合进行教学的做法:

用已知理论来分析、解释实验现象和实验结果在教学过程中,不论是教师做完一个演示实验还是学生完成一个学生实验,只要学生学过能解释这个实验现象和结果的理论,教师就应引导学生分析、思考,用所学的理论来解释实验现象和结果。

教学过程设计为:实验→提问→思考→解答→论证→归纳。

教学过程首先由教师做演示实验或学生自己动手做实验,然后教师提出问题,让学生通过思考,通过分析、推理、探究;教师再让学生解答,可抽较多的学生发表意见,再让学生论证前面的同学解答正确与否,最后教师归纳。

例如在进行高中《化学》上册《卤素》一章关于氯、溴、碘化学活泼性的比较实验:实验把少量的氯水分别注入溴化钠溶液和碘化钠溶液中,把少量的溴水注入碘化钾溶液中。教师做完这两个演示实验后,向学生提出问题:这两个实验现象和实验结果各是什么?你能否用所学理论来解释之,请同学们分析、思考后来解释实验现象和结果。学生通过观察实验现象和实验结果,已具备一定的学习兴趣和学习积极性,经教师提出这个问题,更激发了他们的探究心理、他们会跃跃欲试、积极分析、思考、推理。

经过学生的尝试,他们会用诸如原子结构理论、氧化还原理论来解释实验现象与结果,他们之中也会有学生用错了理论或所阐述的观点不正确,教师这时不要责怪他们,也不要轻易赞同某个学生的观点,让学生来论证、评论哪种理论正确地解释了这个实验,哪些理论不能正确解释这个实验,最后谁是谁非由教师归纳小结,对那些未能正确或准确地解释这个实验的同学鼓励他们下次争取正确、圆满地解释。

有些实验现象与结果还要综合应用几种理论才能解释。例如高中《电解质溶液》“电解与电镀”实验,电解CuCl2溶液,就要用到电离理论:氯化铜在水里电离生成Cu2+、Cl-,水本身电离出H+、OH-,通电前,Cu2+、Cl-、H+、OH-在水里自由移动,通电后,在电场的作用下,根据正负电荷在电场作用下定向移动的原理,推知Cu2+、H+移向阴极,Cl-、OH-移向阳极,在两极上的反应,又要用到氧化还原理论,比较Cu2+、H+得电子的能力,Cl-、OH-失电子的能力。所以在分析、解释较复杂的化学实验时,要让学生全面思考,综合应用所学的各种理论分析、判断、推理,才能解决问题。

用已知理论来预测实验现象和结果在教学过程中,教师在做一个演示实验或学生自己在做一个实验前,教师提出问题,同学们能否用已经学过的理论来分析、判断、预测这个实验的现象和结果,并让学生之间开展讨论,教师对各种预测结论不作正确与否的判断,让实验结果来说明。这样,学生一般都很认真地观察教师的演示实验或自己所做的实验现象与结果,并与自己所作的预测相对比,学生处于一种积极地思维状态。当实验现象和结果与自己所预测的一致时,学生是非常欣喜的,当实验现象与结果与自己所预测的不一致时,他们会重新分析、思考,找自己预测结果错误的原因。

例如在进行高中《化学》上册讲硫的化学性质时,在做实验前,让学生根据已学过的氧气的化学性质,再结合原子结构理论,硫原子与氧原子最外层电子结构相似,硫原子比氧原子多一个电子层,综合这两点,可以预测硫与氧气一样也能跟铜、铁等金属反应,但反应的程度不同,可以预料硫与金属反应不如氧气与金属反应那样剧烈,从而预测了现象,而硫原子夺电子能力没有氧原子强,所以金属原子被夺电子数可能少些,从而预测产物可能是低价金属硫化物。

根据化学实验推导化学理论在教学中,教师设计演示实验或学生探索性实验,通过实验现象和实验结果,再经过分析推理、逻辑判断、归纳概括得出化学理论,通过学生自己推理得出的化学理论,学生知道这个理论的来龙去脉,理解更深刻,便于记忆和应用。

由化学理论思维,通过设计实验,研究实际课题化学理论思维与实验相结合的更高一个层次就是通过化学理论思维,让学生设计实验,研究实际课题。在教学中,教师提出一个课题,让学生应用所学理论,设计实验方案,然后让学生发表自己的设计方案与思路,学生之间进行讨论,评价其可行性,最后教师应尽量让学生进行尝试性试验,除了会产生危险的以外,即使方案不可行,让他实验,失败后叫他按原因,重新设计,虽然这种教学方式比较费事,但是可以培养学生的创造思维能力和学习兴趣。

况且,一学期教师安排一、两次也是可以办到的,有的还可安排在课外活动时间或化学课外活动小组进行。

例如:学生学习了元素周期律理论和元素周期表知识后(高一知识),可以让学生设计实验、研究铝的性质(高二知识),教师可引导学生应用元素周期律理论和周期表的知识,推知铝位于同周期金属与非金属的交界处,可能同时具有金属和非金属的性质(两性)设计实验来研究之。又如学生学过有机化合物之间反应规律和化学平衡理论,教师可让学生设计有机合成实验,并由化学平衡原理,设计出最佳反应条件。如由乙醇和乙酸合成乙酸乙酯。

综上所述,不难看出,在化学教学过程中,将实验与理论思维相结合来进行教学,使教学过程由教师单纯讲授知识过程变成在教师的设计引导下学生的学习探究过程,在教学过程中,学生应用理论、分析现象、思维判断、逻辑推理、概括结论、充分调动了学生学习积极性和思维活动。在教学中采用这种方法对于提高教学质量和培养学生的思维能力都是大有益处的。

化学实验教学与思维能力的培养(一)

国家教委颁发的新大纲中明确指出:中学化学应“注意培养学生的创新精神”。所谓“培养创新精神”,即是对学生创造力的开发。而任何层次的创造力,都是以创造思维为核心的。

在中学化学教学中,如何利用丰富多彩的化学实验,去培养学生的思维能力呢?辽宁师大附中刘世斌老师介绍了在化学实验及实验习题的教学中的做法:

〔颜色实验〕把内盛红色液体的锥形瓶放在讲台上,要求学生课后观察。几天后的一堂课上问:这锥形瓶内装的可能是什么物质?学生根据已学过的知识,抢着回答:

可能是滴加了酚酞试剂的碱溶液,可能是滴加了石蕊试剂的酸溶液等等。最后说:你们这些猜想都有道理,但实际上这红色液体是在自来水里加了几滴红墨水。学生听后哈哈大笑,他们原以为化学教师只会与化学试剂打交道,而这是稀释的红墨水实在出人意料。

这一实验在开始时,如果锥形瓶内盛的是无色液体,几乎所有的学生都会认为瓶内装的是水,也就不会有人再注意它了。而一旦滴入几滴红墨水,就引起了学生的注意,并使他们怀着一种好奇心去猜测这是什么物质,由此产生了一系列的联想。这种猜测和联想是为创造性思维作积极的准备。

〔气味实验〕桌面上摆着两个未贴标签的盛有无色液体的试剂瓶、一个烧杯和一瓶蒸馏水。

先将两个试剂瓶中的液体先后倒入同一烧杯,搅拌均匀并闻过“混和液”的气味后,再向烧杯中加入蒸馏水,搅拌,闻味;再加水,再搅拌,再闻味,重复几次之后满意地向学生点点头。接着给每个学生发一张纸条,并让他们轮流闻过“混和液”的气味后独立填写所闻到的气味。在宣读过学生纸条上写的苦味、酸味、海鲜味……之后,公布了正确答案:无味,告诉学生原来未贴标签的两个试剂瓶内盛的都是蒸馏水。那些称答错了的同学都感到很不好意思。