基于逆向思维创新化学实验的尝试

李德前 魏海 马逸群 朱玉忠

摘要：  利用逆向思维开展化学实验创新活动，从操作方法、装置结构、物质形态、运动状态、缺点错误等五个方面进行反向探索，改进和设计了检查装置气密性、引燃蜡烛熄灭时的白烟、水与酒精混合、铁在氧气中燃烧、铁与硫酸铜溶液反应、有色物质在水中扩散、过氧化氢分解制氧气、防倒吸等实验和操作。所举案例取材方便、操作简约、直观有趣、安全环保、富含思维，使化学实验成为实施素质教育、开展实践活动的有效途径。

关键词：  逆向思维; 创新实验; 反向探索; 实验探究

文章编号：  1005 6629（2022）08 0073 05

中图分类号：  G633.8

文献标识码：  B

所谓逆向思维就是针对某些司空见惯的做法和观点或已成定论的事物进行反向思考， 它包括反转型逆向思维、转换型逆向思维和缺点型逆向思维三种类型[1]。

教科书上编排的一些化学实验难免存在不足需要改进，我们名师工作室对化学实验的创新研究乐此不疲。 在这项创新活动中，当用常规的思维方法（如缺点列举法、希望点列举法、组合法、替换法、模仿法等[2]）难以对实验进行优化设计时，尝试逆向思考常会取得意想不到的效果。因此， 逆向思维是进行化学实验创新的有效途径，是改进实验、优化操作的法宝，也是激发学生求异思维和培养学生辩证唯物主义思想的捷径。

基于逆向思维改进和设计化学实验，主要从操作方法反向、装置结构反向、物质形态反向、运动状态反向、缺点错误反向等五个方面进行思维建模[3]，下面结合具体的案例予以说明。

1 操作方法反向

实验操作方法是进行化学实验的必要途径，是开展实验探究活动的重要手段。反其道而行的操作方法，在实验创新时常能获得出乎意料的效果。

例如，教科书上检查装置气密性采用的往往是增加装置内气压的方法（如手捂加热法、注水法，如图1所示）。反向探求： 如果减小装置内的气压来检查气密性有哪些方法呢？不难想到有冷却法和抽气法，这两种方法与教科书上的方法有异曲同工之妙。

“冷却法”检查装置气密性的主要操作是： 先将导管口浸入常温的水中，再将试管底部浸入冷水中（如图2 a所示），如果有水进入导气管里并逐渐上升，则该装置的气密性良好。

“抽气法”检查装置气密性的主要操作是： 将下端套有乳胶管的细木棍插入长颈漏斗的颈部，以封闭漏斗口。用长约20cm的软胶管，将导管口与注射器吸入口连接起来（如图2 b所示），然后缓慢外拉注射器活塞（抽气）一小段距离，如果软胶管变瘪就说明该装置不漏气。

再如，教科书上引燃蜡烛刚熄灭时的白烟实验，成功率不高，究其原因主要是“蜡烛是在完全开放的空间里被吹灭的”，致使白烟四处分散。逆向思考： 如果“蜡烛是在相对封闭的空间里被吹灭的”，则白烟集中，这样就容易被引燃。据此不难想到吹灭蜡烛的新方法（如图3所示），而且其成功率几乎是百分之百。

该方法的主要操作是： 将长约4cm的短蜡烛放在平稳的桌面上，再把长约10cm 的粗玻璃管罩在蜡烛外面。用燃着的长木条点燃蜡烛，待其正常燃烧后，吹灭蜡烛，观察到白烟在玻璃管内向上飘荡，随即将燃着的长木条靠近玻璃管口，白烟立即被点燃，蜡烛也再次被引燃。

2 装置结构反向

构成化学实验的仪器、装置或实验体系是相对固定的。立足已有仪器的相反结构，围绕已有装置的反向组成，对化学实验进行求异求新，可以使某些疑难问题变得柳暗花明。

像氨气（或氯化氢）溶于水实验、加热高锰酸钾制氧气（排水法收集）实验、木炭还原氧化铜实验等，都容易发生倒吸现象。引发这个事故的主要原因是“流体在导管内来去自由、畅通无阻”。逆向思考： 如果將导管中流体的退路“堵塞”，不就不发生倒吸了吗？ 不难想到具有“止回”作用的单向阀（可以网购），只要在相关的导管中串联一个单向阀，即可阻止倒吸的发生[4]。

再如，教科书上演示水与酒精混合实验使用的是细玻璃管（如图4所示），实验形成的“空隙”很小，后排的学生“瞪大”眼睛也看不清楚，实验的直观性很不理想。逆向思考： 能否将使用的仪器变大变粗呢？我们尝试用球形干燥管进行该实验（如图5所示），其可视性、趣味性都得到很大的提升。

此改进实验的主要操作是： 取一个25mL的球形干燥管，用橡皮塞封闭粗管口。向干燥管里倒入蒸馏水至球体的最下端，然后借助注射器缓缓注入红色的酒精，直至加满。用食指堵住细管口、大拇指和中指捏住球体部位，上下颠倒干燥管5～6次，立刻发现细玻璃管最上端出现了长约2.5cm的空隙。慢慢松开拇指和中指，观察到球形干燥管的细管口被紧紧地吸在食指上，悬而不落。上述实验现象不仅说明微粒之间有空隙，还进一步说明该空隙接近真空。

3 物质形态反向

化学试剂或化学药品的形态（如形状、状态、颗粒大小、比表面积等）常常决定了反应速率、反应现象、反应产物，甚至影响到实验成败和操作难易。因此，对物质形态进行“大与小”“粗与细”“多与少”的逆向转换，也是追求实验创新的有效途径。

例如，教科书上通常选用1～2颗洁净的铁钉（或绕成螺旋状的铁丝）去演示铁与硫酸铜溶液的反应，由于铁钉（或铁丝）的比表面积不大，充分反应后只能看到铁的表面覆盖有薄薄的一层红色固体，很难观察到溶液呈现浅绿色。逆向思考： 能否选用比表面积非常大的铁丝绒进行实验呢？果不其然， 将铁丝绒浸入硫酸铜溶液中仅仅半分钟左右，蓝色溶液就变为非常明显的浅绿色，铁的表面更是附着大量的红色粉末;如果将铁丝绒做成别致的造型[5]，实验现象更是妙不可言。

再如，教科书中过氧化氢分解制氧气实验，使用的催化剂是粉末状的二氧化锰，回收起来很麻烦，尤其是从溶液中过滤二氧化锰时，其粉末会附着在滤纸表面，很难清理。逆向思考： 如果二氧化锰是较大的颗粒或块状，则方便回收利用。于是研制了二氧化锰球，其制作方法是： 将二氧化锰粉末与快干水泥等质量混合，再加入适量的水混匀，然后将混合物搓成直径1～2cm大小不等的球，凝固、晾干即可使用。有了球状的二氧化锰，用过氧化氢制氧气的反应就可以随时发生随时停止（如图6所示），并且一次装药可以多次使用。

4 运动状态反向

运动是事物的根本属性，运动也是相对的。针对实验过程中物质的“动与静”进行反向设计[6]，好比是剑走偏锋，也可以获得出其不意的效果。

例如，在改进铁在氧气中燃烧实验时，我们曾设计了“在空气中快速甩动燃烧的铁丝绒”的操作方法[7]（如图7所示），该实验现象极为震撼。但其最大的弊端是，溅出的铁花容易灼烧教室内的窗帘、桌面甚至电脑屏幕等。

针对实验过程中铁丝绒的运动状态进行逆向思考： 如果铁丝绒静止而空气运动，从相对运动的角度分析，产生的实验效果应该是一样的，我们据此设计出如图8所示的实验装置，其趣味性与安全性得到完美的兼顾。新实验的主要操作是： 将足量的铁丝绒整理成35cm×7cm×4cm的长条块，并将其一端固定。点燃铁丝绒，然后用鼓风机从一侧对着铁丝绒的着火处吹风，铁丝绒立即剧烈燃烧，火星以扇形向外飞溅，好比不断绽放的铁花，令人难忘。

还有，教科书上编排的有色物质在水中扩散实验，品红（或红墨水、蓝墨水、高锰酸钾）都是从水面开始向下分散的（如图9所示），这不完全是微粒热运动引发的扩散，因为实验设计没有排除重力场的干扰[8]。

针对有色物质在水中分散的方向，进行反向设计： 选用密度大于水的物质（如甲基橙、高锰酸钾、硫酸铜等），使其在水底向上分散，从而有效地回避了原实验科学性不足的问题（如图10所示）。新实验的主要操作是： 将装有甲基橙的小型自封塑料袋放入烧杯底部，再向烧杯中倒入约占其容积4/5的水，

然后用注射器针头将水下的塑料袋扎2～3个小孔，立即观察到甲基橙缓慢向上分散，最终整杯水都变为橙黄色，充分说明了物质的微粒性和运动性。

5 缺点错误反向

很多化学物质具有与生俱来的缺点，化学实验中也难免出现错误操作，在实验改进中对缺点反向思维、对错误逆势而行，那么缺点也会转化为优点，错误也会产生价值。

钢铁锈蚀具有很大的危害性，铁生锈会消耗氧气（同时生成固体）。逆向思考： 如果利用铁生锈原理测量空气中氧气的体积含量，不就能变“有害”为“有用”吗？于是设计出如图11所示的创新实验，其主要操作是： 取一片湿巾，在湿巾表面均匀撒上一层暖宝宝发热剂（含有食盐、铁粉、活性炭等），再将湿巾粘附在广口瓶内壁上，然后连接好实验装置。4～5min后打开止水夹，观察到量筒里的水快速流入广口瓶中，最终流入广口瓶中水的体积约是64mL，即空气中氧气的体积分数约是64/320×100%=19.7%。

再如，不验纯就点燃可燃性气体、稀释浓硫酸时把水加入浓硫酸中、氢气还原氧化铜（或一氧化碳还原氧化铁）时先加热固体再通气等错误操作，极易酿成事故。从其反方向分析，就可以把错误操作看成是一种实验教学资源，设计成示错实验，从而对学生实验起到警示作用。

作为示错实验，可以做成虚拟实验（在教学中适时播放），也可以在确保安全的前提下现场演示。如我们设计的稀释浓硫酸的示错实验， 其主要操作是： 按图12连接好装置，然后将水注入浓硫酸中，浓硫酸接触到水立即放出大量的热，使小气球迅速膨胀，同时溶液沸腾，引起酸液向上飞溅，并溅到pH试纸上，试纸立即由黄色变为红色。显然，该实验较好地呈现了错误操作的后果。

6 结语

開展实验创新活动要在“开齐开足开好” 课本实验的基础上，充分利用“课后延时服务”有序推进（每学期可以安排4～5次）。 不要将实验创新活动完全视为教师行为，要吸引更多的学生参与这项研究性、任务型、项目化的活动[9]。学生由此体验了逆向思维的创造性、反向探求的奇妙性，乃至获得峰回路转的惊喜与枯木逢春的愉悦。

总之，在化学实验创新活动中，如果注意从问题的相反方向深入探索，通过逆向思维，就能优化实验方法，简化实验装置，从而开发出更多操作简单、装置简约、现象直观、原理正确、结论可靠的化学实验，同时发展学生的核心素养，提升教师的专业素质。

参考文献：

[ 1 ] 德姆·巴雷特. 逆向思维： 释放你潜在的创造力[M]. 上海： 上海人民出版社， 1999： 8～15.

[ 2 ] 李德前. 例谈初中化学实验创新的思维方法[J]. 化学教学， 2013， （3）： 65～68.

[ 3 ] 张兴涛， 王澍. 基于逆向思维的化学实验创新研究[J]. 化学教育， 2018， （23）： 62～64.

[ 4 ] 李德前， 龚皓， 魏海. 氢气爆炸实验的一体化设计[J]. 化学教学， 2022， （6）： 72～75.

[ 5 ] 李德前， 魏海， 张羿. 用铁丝绒做Fe与CuSO4溶液反应的实验[J]. 化学教学， 2018， （11）： 78～80.

[ 6 ] 钱再， 瞿兵. 化学实验创新技法[J]. 化学教学， 2000， （9）： 5～9.

[ 7 ] 周良， 魏海， 王会， 李德前. 以超细钢丝棉替代铁改进两个化学实验[J]. 化学教学， 2018， （6）： 76～79.

[ 8 ] 李德前， 魏海. 有色物质在水中扩散实验的新设计[J]. 化学教学， 2016， （3）： 60～64.

[ 9 ] 李德前， 赵红. 指导学生改进化学实验装置[J]. 化学教学， 2006， （5）： 1～3.