在化学实验教学中培养学生的发散思维能力

江苏 印志林

在化学教学中必须培养学生的创造性思维，思维的创造性又以发散性思维为核心。发散思维就是对同一问题从不同角度、不同侧面和不同层次进行分析和探索。化学是一门以实验为基础的学科，从某种程度上说，抓住了实验就抓住了整个考试的核心部分。化学实验在培养学生的发散思维上有独特的优势。在教学中，教师可根据实验进行引导，对实验的原理、现象、装置等进行分析，对实验方案进行设计，从而培养学生的发散思维能力。

一、实验原理的发散

教师可根据课本上已经呈现的知识，引导学生寻找实验原理的相似性和差异性。

【例1】中学化学中能用于实验室制氧气的反应有哪些？

【分析】中学化学中能生成氧气的反应大约有14种，其中能用于实验室制氧气的反应有如下几个：

【例2】实验室可用浓硫酸和食盐共热制备HCl气体，指出制取HF、HBr、HI气体的原理和方法各是什么。

【分析】HF、HBr、HI和HCl有着相似的性质：常温下都是气体，都易溶于水，其水溶液都是挥发性的酸，故这三种气体的制取都可以像HCl一样，用相应的盐和不挥发性酸通过加热制得。用浓硫酸和CaF2共热可制取HF，但HBr、HI有较强的还原性，不能用强氧化性的浓硫酸来制取，应改用浓磷酸来代替浓硫酸。

二、实验现象的发散

1.一个实验多种现象

教师可以把某一实验现象与其他问题有机地结合在一起，成为一个新问题，以此展开发散；也可以对实验现象产生质疑，引导学生分析实验现象的原因。

【例3】用如图1所示的简易装置可以进行气体的发生和收集。

图1

(1)实验前如何检查该装置的气密性？

(2)拔开试管a的橡皮塞，加入10 mL 6 mol·L-1的稀硝酸和1 g薄铜片，立即将带有导管的橡皮塞塞紧试管口。反应开始时速度缓慢，然后逐渐加快。请写出在试管a中发生的所有反应的化学方程式。

(3)从反应开始到反应结束，预期在试管a中可观察到的现象，请依次逐一写出。

(4)在反应开始时，可观察到导管b中的水面先沿导管b慢慢上升到一定高度，此后又回落，然后有气泡从导管口冒出。试说明反应开始时，导管中水面先上升的原因。

(5)试管c收集满气体后，用拇指堵住管口，取出水槽。将管口向上，松开拇指，片刻后，再次堵住管口，将试管再次倒置于水槽中，松开拇指。此时可观察到什么现象？

【分析】要圆满地解答该题，首先要明确实验原理，清楚实验过程中发生的化学反应，在此基础上，按反应前、反应中、反应后的顺序逐一回答有关的实验现象。

【答案】(1)把导管b的下端浸入水中，用手紧握试管a，导管口会有气泡冒出，松开手后，水又会回升到导管b中。

(3)①铜片和稀硝酸反应，有无色气泡产生，产生气泡的速度开始时缓慢，然后逐渐加快；②试管a上部空间由无色变为浅棕色，又变为无色；③试管a中的溶液由无色变为浅蓝色；④反应结束后，铜片全部溶解。

(4)由于反应开始时产生的NO和试管a上部空气中的O2作用生成NO2；NO2易溶于水并与水起反应，使装置内气体的压强暂时减小，所以导管中的水面会先上升到一定高度。

(5)①水进入试管，上升到一定高度；②试管中气体的颜色由红棕色变为无色。

2.一个现象多种原因

在化学实验中，有很多不同的反应经常会出现相同的现象，在复习时引导学生联想归纳，以不变应万变，触类旁通。

例如，溴水是中学化学实验中使用广泛的一种试剂，同样是使溴水褪色，其原因可能是：①含不饱和碳原子的有机物(不饱和烃、不饱和烃的衍生物、石油产品、天然橡胶以及二烯烃的加聚产物等)与溴发生加成反应；②苯酚及其同系物与溴发生取代反应；③含醛基的化合物与溴发生氧化反应；④一些还原性的无机物(含S2-或+4价硫的化合物、亚铁盐、较活泼金属单质等)或碱与溴发生氧化还原反应。

三、实验装置的发散

教学中，教师除了要让学生了解一种仪器的多种用途和用法外，还要让学生了解同一装置的用途往往不止一种，在实验时应多中选优，以达到培养学生发散思维的目的。

1.一种仪器多种用途

采用不同的操作方法，同一实验装置有不同的用途，要重视一种仪器或装置的多种用途。例如，锥形瓶可用作中和滴定的反应装置，又可用作易溶于水的气体吸收装置，还可以用作加热装置、组装制备气体的装置。乙醇、浓硫酸在加热到170℃制乙烯的实验中，经净化后的乙烯与液溴反应，生成1，2-二溴乙烷的实验装置中(如图2所示)，就多次使用了锥形瓶，但其作用是不同的，其中装置b是安全瓶，装置c是乙烯的净化装置，装置e是尾气吸收装置。

图2

【例4】利用如图3所示装置收集以下8种气体(用序号填空)：①H2②Cl2③CH4④HCl ⑤NH3⑥NO ⑦H2S ⑧SO2。

图3

(1)若广口瓶是干燥的，则由a口进气可收集的气体是________；

(2)若广口瓶充满水，可收集的气体有________，这时气体由________口进入；

(3)若广口瓶是干燥的，则由b口进气，可收集的气体有________；

(4)若在广口瓶中装入浓硫酸进行干燥，则可用此装置来干燥的气体是________，这时气体由________口进入。

【分析】本题考查了洗气瓶的多种用途，该装置可用于排空气法收集气体，尤其适用于收集污染性的气体；也可用于排水法收集难溶性气体或用排水法测定气体的体积；还可以在广口瓶中装入液体干燥剂(或净化剂)，用于对气体的干燥(或净化)；若将该装置串联于综合实验的高温反应装置与低温反应装置之间，则可用作安全装置。

【答案】(1)②④⑦⑧ (2)①③⑥ b (3)①③⑤ (4)①②③④⑧ a

2.一种用途多种装置

在掌握了化学基础知识和实验技能、技巧的基础上，教师可引导学生根据化学实验原理，选择合适的仪器，设计出更加优化的实验装置，解决实验中的具体问题。

【例5】请参照实验室吸收HCl的实验装置，在下列实验仪器中选择合适的仪器，设计一些等效的防倒吸的装置。

【分析】在理解了防止HCl气体溶于水时产生倒吸的装置的原理后，研究课本中吸收HCl的装置，大部分学生会设计出如图4中甲、乙两个装置：

甲

乙

但仅仅能设计出这两个装置还是远远不够的，分析已有仪器的用途和用法，经过深入思考，还可以设计出如图5中的丙、丁、戊、己等效防倒吸装置：

丙

丁

戊

己

尤其需要指出的是，甲装置虽然可以防止倒吸，但有大量的HCl逸散到空气中，会造成空气污染，其他装置显然比该装置更科学、更合理。

四、实验方案的设计

在化学教学中，教师提出实验问题，引导学生多角度设计实验方案或改进原有的实验方案，是训练发散思维的有效途径。

【例6】在分液漏斗中用一种有机溶剂提取水溶液里的某物质时，静置分层后，如果不知道哪一层液体是“水层”，试设计出一种简便判断方法。

【分析】这是一道开放性的试题，标准答案是取一只小试管，打开分液漏斗的活塞，慢慢放出少量液体，往其中加入少量水，如果加入水后，试管中的液体不分层，说明分液漏斗中下层是“水层”，反之上层是水层。

题目要求设计简便的判断方法，利用水和与水互不相溶的有机溶剂在物理、化学性质上差异的多样性可得出不同的开放性答案。除标准答案外，至少还应有以下几种可能的答案：

①取下层液体于试管中，往试管中加入少量苯或CCl4，若试管中液体不分层，说明上层是“水层”，反之下层是水层。

②分别取分液漏斗上层液体少量于试管中，分别加入少量水或与水互不相溶的有机溶剂，又可得出两种答案。

③取下层溶液于试管中，向试管中投入一小粒金属钠，若剧烈反应放出气体，则下层是“水层”，反之则上层是水层。

【例7】针对课本中制取溴苯的实验装置提出以下问题，请对装置进行演变。

(1)如何排除挥发出的溴蒸气对溴化氢检验的干扰?

(2)长导管冷凝回流不够理想，若要进一步防止苯与溴的挥发，应作如何改正?

(3)能否设计一个实验，边实验边制得无色的溴苯，且实验过程中能避免溴引起的环境污染，使整个实验更加完善。

【分析】(1)在课本实验装置的基础上，设计图甲所示装置，中间连接一个盛有苯或四氯化碳的洗气瓶，就能将溴化氢中的溴除去，使取代反应的证明更加严密。

甲

乙

(2)图乙所示装置中以冷凝管来代替长导管回流效果更好，让学生认识到冷凝管不但可用于蒸馏过程中的冷却，在许多有机合成实验中也常用冷凝管来冷凝回流。

(3)制溴苯实验最后把烧瓶里的液体倒出时，有大量未反应的溴逸出污染环境，然而设计一个封闭式的实验难度较大，所以可以在教师的引导下和学生一起逐步筛选，选出几种最佳的装置进行组合，确定出几种实验方案，例如图7。

图7

从上面的分析中可以看出，化学实验中无不渗透着新的知识，在所有的自然科学中，化学涉及的实验面之大、内容之广博是其他学科所无法比拟的。只要教师在备课时能充分挖掘教学内容，优化教学方法，就一定能达到培养学生发散思维能力的目的。