摘要：针对浙教版科学教材中6个化学实验中装置、方案的不足，运用发明创造技法中的缺点列举法、逆向发明法、组合发明法、变化发明法、联想发明法等改进实验教学，使实验操作简单明了、实验现象直观明显、实验结论易于揭示化学本质，同时能消除教材经典实验的神秘感，激发一线教师改进实验的兴趣。
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关键词：化学实验改进；创造发明法；化学实验教学
文章编号：1005–6629（2014）1–0055–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
我国著名化学家戴安邦先生曾说：“化学实验教学是实施全面化学教育的一种最有效的形式。”可见实验是化学的灵魂，是体现化学魅力和激发学生学习兴趣的主要源泉；实验教学更是培养和发展学生思维能力和创新能力的重要方法和手段。然而课堂教学中个别演示实验由于受实验器材、方法、步骤、季节等因素的制约，导致实验操作复杂、现象不明显等。改进实验目的是使实验操作简单明了、实验现象直观明显、实验结论易于揭示化学本质。一线教师认为教材中的经典实验改进特别困难，是高不可攀的，然而笔者经过多年在发明创造方面的尝试和研究，发现改进实验与发明创造存在许多共性特点，可以运用发明创造技法中的缺点列举法、逆向发明法、组合发明法、变化发明法、联想发明法等方法改进实验装置，优化实验方案，合理设计实验教学。不仅能提高实验教学的有效性，也能摆脱一线教师对改进实验的神秘感，激发改进实验的兴趣。
1 运用缺点列举法改进实验
缺点列举法是针对一个产品（部件）进行的，任何产品无论它设计得多么合理，制造得如何精致，一旦它交付生产或使用就会显露出某些方面的不足，这是一个客观的规律。缺点列举法的一般操作步骤是先确定主题，然后列举该主题的缺点，再根据缺点来考虑改善方法[1]。对于改进实验，首先通过实验操作和失败的原因分析，尽快地寻找它的不足之处，并予以罗列，然后根据这些不足，寻找合适的器材、方法或步骤等方面加以代替，从而形成新的改进实验。
案例1 借用指星笔点燃白磷，测定空气中氧气的体积分数
1.1 教材实验的缺陷
如图1所示的装置是测定空气中的氧气含量的实验装置[2]。在实验中发现存在如下的缺陷：①经常会出现各装置间连接处的气密性、将点燃后的红磷快速伸入到集气瓶时的气密性等原因出现漏气而导致失败。②该装置由于要将红磷先取出点燃，点燃后又要将红磷伸入集气瓶并塞紧橡皮塞，这一过程会让氧气进入，从而使测量值偏离真实值。③将红磷移出到集气瓶外点燃，后又移入瓶内，会造成教室内空气污染。
1.2 实验改进方法
实验原理：白磷的着火点低，同时指星笔的激光功率大，采用指星笔的强激光可直接透过集气瓶的玻璃对准白磷，从而引燃白磷。
1.2.1 改进点：用指星笔直接点燃白磷，无需打开装置。
实验步骤及现象：
（1）根据图2搭好装置，并检查气密性。
（2）取少量的白磷放于燃烧匙内，塞紧橡皮塞。
（3）打开指星笔，将激光的焦点对准白磷，片刻间可使白磷燃烧。
（4）待冷却后，打开止水夹，测定进入集气瓶内的水位。
1.2.2 实验优点
（1）操作简便且节省时间。白磷着火点低，易点燃，可有效缩短演示时间。
（2）能有效避免因燃烧匙取出、放入带来的气密性问题，有效保证实验成功，有利于提高测定数据的准确性。
（3）这种点燃方式体现化学的生活化与趣味性，材料源于生活，知识又能运用于生活，有利于激发学生的兴趣。
（4）指星笔价廉、易得，可重复利用；还可以用于物理的光学实验中。
（5）由于装置一直处于密封状态，生成的五氧化二磷不会泄漏到空气中，能有效保障学生的安全，具有保护学生的作用。
总之，缺点列举法是一种易理解、易操作、易见效的改善方法。它的优点是只要找出原有事物的一个缺点，就能加以改进，从而取得令人满意的效果。因此教师在演示实验失败时要及时分析原因，寻找实验的不足之处进行改进。
2 运用逆向发明法改进实验
逆向发明法是一种运用逆向思维的发明方法，即人们通常所说的“反过来想”、“反其道而行之”。由于人们习惯于常规的正向思维，往往需要用智慧来突破常规思维，从而达到出其不意的效果。在实验中，有时会遇到难题，绞尽脑汁也想不出好办法来，这时不妨从问题的相反方向倒过来去思考，即运用“逆向思维法”，或许会使你顿开茅塞。
案例2 质量守恒定律的实验改进
2.1 教材中的实验思路及缺陷
教材的设计思路是让学生先通过观察红磷与氧气的燃烧实验，然后去分析哪些物质参加了反应、生成了哪些物质，最后通过分析推理得出各反应物与生成物之间的质量关系，从而得出质量守恒定律。然后又通过硫酸铜与氢氧化钠、盐酸与碳酸钠这两个学生较陌生的化学反应加以验证规律的合理性。在这种思路下学生的思维是被动的。若我们把教材的实验处理逆向思考，效果却完全不同。
2.2 质量守恒定律实验逆向改进
实验原理：用电子天平称量反应前后的质量。
2.2.1 改进点一：开放体系下，反应后物质的质量增加的实验
实验一：镁条燃烧实验
（1）取一段20厘米长的镁条，把它卷起来形成椭圆形的镁盘。
（2）在电子天平上放一个烧杯、一张石棉网，并将镁条放于上面，称出质量。 （3）取下石棉网，用钳锅钳夹取镁条，用酒精灯引燃镁条并立即放到石棉网上，罩上大烧杯，避免生成的氧化镁粉末扩散引起质量减少，同时防止空气污染。
（4）等镁条熄灭后，把石棉网放到电子天平上称量，并对比反应前后的质量变化。
思考与讨论：镁条在空气中燃烧，燃烧后的质量为什么会增加？
2.2.2 改进点二：开放体系下，反应后物质的质量减少的实验
实验二：蜡烛燃烧实验
将一支小蜡烛点燃后放到烧杯中燃烧，将整个烧杯置于电子天平上，观察电子天平示数的变化。
思考与讨论：蜡烛点燃后，为什么质量会减少？
追问：如果反应中气体不跑到空气中，那么化学反应前后各物质的质量总和会发生怎样的变化，你如何设计这个实验？
2.2.3 改进点三：密闭体系的质量变化实验
思考与讨论：如果我们让它们都处于密闭的体系中，那么反应前后的质量会发生怎样的变化？
实验三：用电子天平替代托盘天平进行红磷燃烧前后的质量变化实验
思考与讨论：其他的化学反应是不是也符合这样的规律？
2.3 改进实验优点
（1）利用电子天平替代托盘天平，使用方便、测量准确，同时节省大量的时间。
（2）通过让学生体验开放体系（烧杯、试管等）中反应后质量增加或减少了，能有利于学生思考造成变化的原因可能是反应物或生成物的种类发生了变化。这种思考能有效地引发学生对反应前后质量变化的质疑，从而引导学生对实验的深入分析。同时通过逆向思维深入引导，让学生设计实验，探究在一个比较合理的封闭体系中进行的反应的质量是否发生变化，从而形成对“定律”的有力支持，同时为了使规律更具普遍性，通过多次实验进行规律验证，让学生进一步认识规律。
总之，逆向改进实验是相对运动的动静逆向转换、同物相反性能的逆向转变、事物正反面的逆向转化、过程顺序的逆向转换、事物过程的反向转换、空间位置逆向转换、时间反演和从有到无的逆向转变。改进者要从多方面去思考问题，充分运用逆向求解的方法。
3 运用组合发明法改进实验
组合发明法是将相同或不相同的事和物，经适当的组合而创造出另一种新事物，并且会产生难以预料的作用。在一些实验中，教师可根据需要，把不同的器材或方法有机地结合，就能改进出新实验。组合方法并不是简单的相加或叠加，它需要把现有的知识、技术、工艺和智慧进行合理的综合开发，从而在原有实验的基础上，创造出新的实验，这才算是实现了组合方法的真谛。
案例3 揭示与体验原子内部结构的实验
3.1 教材中的原子结构模型建立思路及缺陷
卢瑟福做α粒子散射实验探索原子的内部结构，建立原子核式模型。但是由于学生认知水平不足和缺乏对微观世界的体验，所以对该实验方法的认可和实验结论的认同都达不到理想的效果。
3.2 教学过程的改进
3.2.1 改进点一：在方法上体验——敲碎核桃取核桃肉进行模拟实验
提问：核桃内部的果肉营养丰富，美味可口，但外壳坚硬无比，你会用什么办法判断核桃内部的核桃仁的形状？
模拟实验一：教师给每一位学生发一颗核桃，让学生体验击碎核桃外壳观察核桃仁。
提问：原子很小，那有什么办法了解原子内部的结构呢？
3.2.2 改进点二：在实验效果上体验——撞击的效果模拟实验
实验原理：原子内部的结构实际是一个化学的黑箱问题，为了揭示其内在的结构，需借助一定的方法和工具打开原子。你认为可以通过什么方法打开原子？
模拟实验二：
（1）当我们用铅球直接去撞击小钢球，观察实验现象？
（2）当我们用小钢球直接去撞击铅球，观察实验现象？
思考与讨论：若用带正电的α粒子撞击金属箔，发现有极少数的α粒子发生了较大角度的偏转。则说明了原子内部的原子核具有怎样的特点？
模拟实验三：
如图3装置，用小钢球直接撞击旁边用纸做的圆，观察实验现象。
学生小组讨论：若用带正电的α粒子撞击金属箔，发现多数的α粒子穿过金属箔后仍保持原来的运动方向，说明了原子核外有一“很大”空间。原子内存在一些电子，这些核外的电子围绕着原子核做圆周运动。
3.2.3 改进点三：视频还原真实实验——卢瑟福实验
多媒体播放α粒子轰击原子实验。
思考与讨论：请根据图4的原子模型原子的内部结构是怎样的？请说明你的依据？
3.2.4 改进点四：请你来谈谈你对认识原子结构的感受
小结：让学生知道建立模型是一个不断完善、不断修正的过程。使学生体验、学习化学家提出问题、建立假设、修正模型的研究方法。
3.3 实验优点
（1）有利于让学生学会方法的迁移。
撞击坚硬核桃的方法与卢瑟福用α粒子轰击原子的方法，以及后来玻尔的研究方法，现代科学家用更高的能量来轰击原子发现夸克的方法具有相似性，让学生真正体验了科学家研究方法的巧妙之处。复杂的科学方法与生活中的打击核桃取果肉的方法一致，从而使课堂生活化，通俗易懂，从而使课堂教学生动、活泼，同时打破科学研究的神秘感。
（2）有意识地增加实验的力度，让学生主动地参与，并积极体验实验的乐趣。
用金属球分别撞击铅球和白纸模拟实验，不但令学生眼前一亮，而且有助于学生对知识的理解和对问题的解答，很大程度上提高了学生的学习兴趣，充分调动起学生的质疑热情，也体验了科学研究方法的趣味性、科学性、巧妙性。 4 运用移植发明法改进实验
移植发明法是将某个领域内的原理、技术、方法、材料和结构引用到另一个领域内进行研究的方法。移植发明法一般有两条途径：一条是将原理、方法应用于具体事物；另一条是为解决正在研究的问题，寻求可以移植的原理、方法。在实验改进中，我们可以将原理或方法相同的器材相互取代，从而简便有效地改进实验。
案例4 利用打气筒定性判定空气中二氧化碳的体积分数
4.1 教材中实验的缺陷
在教材中要粗略测定空气中二氧化碳的体积分数（如5）时，为了能让空气直接进入集气瓶，教材是利用针筒把空吸入到澄清石灰水中，针筒抽气一次后，又要拆下，重新连接能再抽一下，这种操作非常麻烦且效果极不理想。
4.2 改进点：利用双用打气筒可重复打气，改进实验
为了减小拆装气筒的麻烦，可移植双用打气筒（可连续性打气）进行多次重复打气（如图6），直到澄清石灰水变浑浊。
4.3 实验优点
移植双用打气筒，这种操作简便且利用生活中常见的物品（常见用于给气球充气的工具），这不仅拉近学生与生活的距离，有利于学生的切身体验，更重要的是增加了学生的学习兴趣；并且通过让学生不断地往复抽气才能使澄清的石灰水变浑浊，从而让学生真正体验到空气中二氧化碳的体积分数是非常小的。
总之，如果使用移植发明法进行改进实验，对于教师来说，关键是要扩大知识面，做生活中的有心人。不断用新的知识来充实自己，从而能使自己的思路豁然开朗，很快就能找到解决关键问题的办法。
5 运用变化发明法改进实验
变化发明法是改变原有事物的器材药品材料、颜色、气味、形状、声音、体积、重量、用途，从而产生新的思维，形成新的实验效果。在化学实验中，个别实验现象不明显的，可以采用一些新的实验加以替代或寻求器材、方法上的变化，从而达到理想的实验效果。
案例5 验证二氧化碳能灭火的阶梯实验
5.1 教材中实验的缺陷
如图7，在验证二氧化碳灭火的实验中，教材中采用向盛有高低两层燃着的蜡烛的烧杯中倾倒二氧化碳的方法，观察到底层的蜡烛先熄灭，上层的蜡烛后熄灭，从而说明二氧化碳不燃烧，也不支持燃烧，密度比空气的密度大。但在进行该实验时，有时因倾倒角度选择不好或倾倒时不小心经常会使上层蜡烛先熄灭，从而导致实验失败。
5.2 改进方法
（1）变化一：如图7，在集气瓶口处放一玻璃片，阻止流出的二氧化碳直接倒向上方那支蜡烛。
（2）变化二：如图7，在烧杯内放一漏斗，直接将二氧化碳倒入到漏斗中。
（3）变化三：如图7，取两只烧杯进行对比实验。把二氧化碳从集气瓶中倒入其中的一个烧杯中，然后用两支燃着的蜡烛分别伸入两个烧杯中，其中倒入二氧化碳的烧杯中蜡烛立即熄灭，没倒二氧化碳的烧杯中蜡烛继续燃烧，对比效果非常明显。这既说明二氧化碳密度比空气的密度大，又说明二氧化碳不燃烧，也不支持燃烧。
总之，变化发明法，为创造者提供了施展才华的广阔天地，变化的思路和方法给各个课堂带来效益，给学生带来欢乐和愉快，也带来方便和享受。
6 运用联想发明法改进实验
联想发明法就是由某种事物联想起和它有关的事物。通常联想有三种方法，即在空间或时间上接近的事物形成接近联想；有相似特点的事物形成类似联想；有对立关系的事物形成对比联想。在实验改进中，若个别实验的成功率较低，实验可见度较低，我们可联想到与该器材、方法、功能十分相似的事物，最终加以取代。
案例6 还原性铁粉在空气中燃烧
6.1 教材中实验的缺陷
铁丝在氧气中燃烧是初中化学的经典实验，但是该实验对铁丝选择要求较高，且需要在纯氧中燃烧。由于物质反应的快慢跟颗粒的大小有关，颗粒越小，反应越快。通过联想，能否直接将铁丝用还原性铁粉来代替呢？
6.2 改进点
将滤纸用手撕成0.5厘米宽的纸条，用酒精灯点燃一张滤纸；用镊子夹住另一张滤纸条的一端，伸入还原铁粉中均匀搅拌，使滤纸条上粘满细铁粉，取出后，用酒精灯点燃滤纸。
实验现象：对比两张滤纸的燃烧现象，滤纸条上的铁粉在空气中剧烈燃烧，燃烧产生的火星纷纷掉落，犹如天女散花。
6.3 实验优点
该实验操作简单、现象明显，不仅能帮助学生理解氧气的化学性质，而且能给学生产生强烈的视觉冲击，增强学生学习的兴趣和热情。若把该实验与铁丝在氧气中燃烧条件、现象作对比分析，可以加深对化学反应本质的理解。
正如数学家华罗庚所说：科学的灵感，决不是坐等可以等来的。如果说，化学上的发现有什么偶然机遇的话，那么这种“偶然机遇”只能给那些有科学素养的人，给那些善于独立思考的人，给那些具有锲而不舍精神的人。一线教师只要细心洞察，合理迁移，勤思考，多动手，大胆尝试，积极探索，定能以新颖独创的方式创造出更直观、形象、可见度高的实验，让教材中的经典实验始终闪烁着理性思维的亮光，焕发出新的生命活力。
参考文献：
[1]吴剑平.发明创造方法概论[M].北京：首都师范大学出版社，2006：235.
[2]朱清时.义务教育课程标准实验教科书·科学八年级下[M].杭州：浙江教育出版社，2005：35.
