高中化学论文：“假想实验”在化学教学中的应用VIP

“假想实验”在化学教学中的应用摘要：假想实验”是指人们按照真实实验或实物实验的模式，在已有科学知识基础上，在思想中将研究对象置于理想条件或假想的实验仪器设备下加以操作，考察其运动变化特点，发现其规律的研究方法。在教学中，我们要充分挖掘化学教学内容中的“假想实验”，培养学生的非逻辑思维能力和逻辑思维能力，引领学生探求化学世界的真知。关键词：假想实验，逻辑思维，非逻辑思维，化学教学 “假想实验”是指人们按照真实实验或实物实验的模式，在已有科学知识基础上，在思想中将研究对象置于理想条件或假想的实验仪器设备下加以操作，考察其运动变化特点，发现其规律的研究方法，是实验者借助丰富的想象力，应用严密的逻辑推理，在一定的实验基础上做出抽象的假说、分析、判断与推理。中学化学中有不少的实验内容不能在实验室完成，通过“假想实验”的教学方法可以较好地培养学生科学探究思想和探索精神。教学中应用这一方法的关键在于理解“假想实验”,重点在于探究精神和创新意识的培养。1高中化学教材中的“假想实验”高中化学新教材中有着丰富的“假想实验”内容。其之所以被称为“实验”，是因为这种思维活动是按照实验的格式而展开，是可操作的。操作者主要根据自己的认识和思考，使用贮存于头脑中经验表象、语言材料，通过分析、想象、类比和逻辑推理进行想象的操作。现以人教版高中化学必修1和化学必修2为例，把庞杂的“假想实验”内容进行归类，以利于教学。具体分类如下：1.1 时间制约型。由于时间跨度大，经历了几十年甚至上百年的探索，常由多位科学家继往开来共同努力而完成的化学事实和规律。其过程只能在教师引导下通过叙述、想象、联想而进行的“思想操作”。重复科学家经历过的成功或失败的研究途径以及采用的科学方法等，把自己放在科学发现的过程之中，从而受到科学方法教育。例如，原子构成、周期律和周期表的有关知识（必修2 ，16页）；人类利用能源的三个阶段和社会发展与能源利用（必修2，32页）；苯的发现和苯分子结构学说（必修2，62页），先后凝集着化学家法拉第、德国化学家米希尔里希、法国化学家热拉尔、德国化学家凯库勒等著名化学家的心血和智慧。1.2 空间制约型。一些物质的工业制备过程，由于空间体积大，不能在教室或实验室中完成，通过模型、投影、图表、文字描述述等形式引导学生想象出工业生产过程。教材中有关“空间制约型”假想实验内容一般包括两类，一类是含化学工业生产工艺流程和典型设备示意图，以及生产车间图片的内容。例如，海水淡化（必修1，8页），火电站工作原理示意图（必修1，35页），炼铁高炉（必修2，45页），石油的分馏及裂化的产品和用途示意图（必修2，88页）。另一类是涉及生产原理，而不包括生产工艺流程或设备示意图的化学知识应用。例如：酸雨的形成（必修，87页），自然界氮的循环（必修，94页），硫酸的用途（必修，97页），太阳能与煤矿石（必修，31页），海水综合利用（必修，84页）。1.3 技术制约型。由于受技术设备的制约，有些仪器、设备在中学实验室无法配备；或实验过程复杂，耗时长，不便在中学化学实验室里进行实验。这些内容主要借助于教师讲述、影象、动画模拟、示意图表等形式，就被研究的化学现象和规律进行充分的联想，进而揭示化学现象内在的规律。例如，“氯气的发现和确认”（化学必修1，76页），由于氯气是有毒气体，舍勒制氯气法（MnO2和浓盐酸），戴维制取氯气法（KMnO4和浓盐酸）就不能在教室或实验室里进行，硫化氢的制备实验，14C射线测定装置（必修2，10页），铝合金等的冶炼，硅等的制备等，同样都属于技术设备制约型。1.4 推理想象型。象原子结构与示意图、化学式、化学方程式等化学用语，物质的量、化学反应原理、原子结构等有关基本概念的知识，以及化学平衡、化学键、分子结构、晶体结构等有关基础理论知识，都是通过让学生根据已有知识，进行比较与分类、分析与综合，归纳与演绎等“假想实验”操作形式模拟科学探索的历程，逐步理解和掌握。2如何在化学教学中应用“假想实验”在教学中，我们要充分利用化学教学内容中的“假想实验”，培养学生的非逻辑思维能力和逻辑思维能力，引领学生探求化学世界的真知。2.1 利用“假想实验”培养学生的逻辑思维能力逻辑思想主要包括比较与分类，类比，分析与综合，归纳于演绎等思维形式，而“假想实验”里借助客观现象和过程之间的内在逻辑关系的分析，对结论进行证明与反驳，正是培养学生逻辑思维能力的有效途径。因此，在教学中，通过再现化学史中的一些经典实验和逻辑分析，可以引导学生体验化学知识的形成过程，理解化学有关概念和原理的来龙去脉。这样既掌握了知识，又学习科学家的思维方法，更培养了学生的逻辑思维能力。在化学研究中，由观察、实验获得的大量化学方面的感性材料，必须经过比较与分类、归纳与分析等逻辑思维与科学抽象等“假想实验”操作方法才可形成化学基本概念，发展成化学理论。如在无机化学中，在人们已经发现了多种元素的基础上，自1661年波义尔在怀疑化学家一书中第一次从经验分析的角度给元素下了定义以来，化学家们沿着波义尔元素概念所开辟的思路对物质组成继续进行探索与研究：矿物学家们通过矿物分析，冶金学家通过金属冶炼实践，得出如白磷、铁等单质，气体化学家们通过气体的分析，推翻了空气是元素的观点，拉瓦锡继承并发展了波义尔的化学元素概念，在1789年提出化学元素是“任何方法都不能分解的物质”，同时他发表了第一张化学元素表。19世纪初，道尔顿提出的原子论在化学元素概念和物质原子概念之间架起了桥梁，以原子量的大小这个“量 ”为依据对元素进行分类的方法，开始成为一些有洞察力的化学家的思维视角。 1829年德贝莱尔纳第一个将元素的原子量进行比较，发现当时已知的54种元素中几个性质的元素组三元素组。1862年法国地质学家尚古多（B.de.Chancourtois）首先观察到元素性质有周期性重复的现象，并用形象化的“螺旋图”来表示。1864年，英国化学家欧德林鉴于化学界对原子量的重要性的认识日益深化及其原子量测定的日益精确，修改了以当量为基础的元素表，运用原子量来排列元素次序，并以“原子量和元素符号”为题重新发表文章。1865年，英国化学家纽兰兹按元素以及原子量大小排序，排列了当时已知的元素，并提出了有名的元素“八音律”。元素分类的早期探索，既为元素周期律的发现提供了思维上的启示，又为元素周期律的发现提供了丰富的素材。从“三元素组”到“八音律”，元素的分类在一步一步走向真理。其实，在元素周期律的早期发现的过程中，“多个发现”之间有着内在的逻辑联系。教师要引导学生揭示这种逻辑联系，使其认识到“后人的发现是建立在前人研究的基础上”的。对于此例，我们依次通过提出以下问题来揭示各阶段发现之间的内在联系：能否从空气组成中O2 N2的性质相同相异角度，思考和理解历史上曾认为空气只是一种元素的说法？拉瓦锡时代，人类还不能直接利用电，猜想一下，他怎样分解水而证明水不是一种元素的？元素周期表中原子相对质量变化有何大致的变化规律？元素周期表还有其他形式（投影元素周期表的其他形式），你认为它们的合理之处在哪里？假说是人们在认识过程中，对未知的事物与现象，研究的问题与矛盾，事物的本质与规律所提出的假定性或推测性看法与说明。它是化学研究工作者在运用“假想实验”时重要的思维操作方式。例如：我们现在看来很简单的乙烷，在1860年前后却存在两种异构体的假设。一种是由以电解醋酸盐，或将碘甲烷与锌加热时得到的所谓“二甲基”CH3、CH3，它被看成沼气中一个氢原子被一个甲基取代，因而称为沼气型。另一种是从乙腈中得到的所谓“氢化乙基” -C2H5 H，它被看成氢分子中的一个氢原子被乙基取代，因而称为氢型。并由此而推广认为CnH2n+2烷烃也应有类似的两个系列的异构体。我们今天试想一下，有什么方法证明上述两种类型的乙烷实际是同一种物质？学生讨论、猜想之后老师向学生介绍德国化学家肖勒从不同途径制得乙烷，作了大量对比实验，肯定地指出所谓“二甲基”和“氢化乙基”实为同一物，即乙烷。从而排除了一个假想的烷烃系列，并证明了碳原子四个化合价的等同性。2.2 利用“假想实验”，培养学生非逻辑思维能力利用“假想实验”，可以培养学生形象、直觉、灵感等非逻辑思维能力。形象思维是人们在头脑中对已有事物的表象进行加工，创造新形象的心理过程。物质的客观形象及微观结构形象是化学家及化学研究过程中思维的重要内容，化学家们经过“假想实验”的有关操作创造了许许多多的化学模型。道尔顿与阿伏加德罗结合实验事实，通过丰富的想象，描绘了原子与分子的形象；凯库勒借助“梦中蛇舞”的形象，抽象化为有机分子长链结构与苯分子的环状结构；纵观化学发展史，原子模型的建立与演变过程，更是抽象思维与形象思维相互作用、不断深化的成果。直觉、灵感思维作为一种心理现象贯彻于化学研究和学习过程始终。它是一种不受某种固定的逻辑规则约束而直接领悟事物本质的一种思维方式。美国著名化学家梅里菲尔德在长期进行肽的分离、鉴定、合成和制备工作之中，设计出“一种快速的、定量的，自动化的方法来合成多肽”的想法一直萦绕在他的脑际，成了他一段时期思维的中心。1959年的一天梅里菲尔德与其同事们乘坐电梯，受到电梯的“撞击”，给了梅里菲尔德一种奇特的联想；载人电梯在移动中把各个楼层联系了起来，那么，多肽的合成可否从中受到某种启示呢？经过严密的设想，艰苦的实践，他终于找到一种合适的聚合体载体，提高了肽合成产率和大大缩短了合成所需要的时间。梅里菲尔德的思想与直觉来源与他的长期化学知识和思维的积累。思想模型是“假想实验”中一种重要的形象思维操作方法。化学中思想模型主要包括三种：结构化学中的模型，化学热力学中的模型和化学动力学中的模型。结构化学模型一是反映分子或晶体内的粒子（原子、分子、离子）在空间的分布；二是反映这些粒子之间的相互作用，特别是原子（或离子）之间的强烈的相互作用（如化学键）。化学热力学模型是联系微观结构和宏观性质之间的桥梁，如理想气体，可逆反应，化学平衡常数等。化学动力学模型是研究化学速率和化学反应历程的思维方式，研究物质之间发生化学反应时，都可依靠化学动力学模型的帮助，如研究化学速率的碰撞理论模型，研究反应历程中的过度态理论模型等等。在教学中要充分利用“假想实验”内容，积极主动地培养学生的非逻辑思维能力。鼓励引导学生想象。如在学习“化学键”一节时，一开始就启发学生想象几个问题：你认为氢元素在周期表中还可以放在哪里？（A A族）为什么？氢原子间是通过什么方式结合在一起的？氢气可以和钠化合吗?将冰熔化、汽化然后使之分解，被破坏的作用力有几种？如果不存在化学键，自然界有生命出现吗？由此及彼、举一反三。如回答人教版必修2第21页思考与交流：“离子化合物与共价化合物有什么区别？”时，可列举出各种区别：组成微粒不同，晶体熔化时导电性不同，晶体熔化（或溶解时）克服的作用力不同，熔沸点不同，形成过程中电子转移方式不同等。善于从多种角度想问题。如从多角度理解化学方程式 “2H2+O2=2H2O”：氢气和氧气化合成水；氢气分子分解成氢原子；氧分子分解成氧原子，氢原子和氧原子重新组成水分子（质量守恒）；同温同压时，1体积氧气和2体积氢气化合成水；1molO2和2molH2化合成2molH2O；氢气被氧气氧化成水（或氧气被氢气还原成水）；氢气和氧气分子中化学键断裂，然后氢原子核氧原子重新形成新的化学键；氢分子和氧分子发生碰撞，部分分子发生反应生成水；这样学生就能比较充分地理解化学符号模型 所代表的丰富含义。逆向思考。如在学习“化学能与电能”一节时，在学生已经理解化学能转化