简谈进行实验改进的思维策略——以蜡烛燃烧为例，本文主要内容关键词为：为例论文,蜡烛论文,思维论文,策略论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
蜡烛燃烧是学生非常熟悉的话题，承载了许多物理、化学知识，是初中化学课程中一个核心的探究活动。为了使实验现象更加鲜明、有趣，许多教师对蜡烛燃烧的相关实验进行改进，取得了更好的教学效果。本文将就笔者自己所做的实验设计，并综合已有的改进方法，反思进行实验改进的通用性思维策略。
一、溯因思维
在探索自然奥秘的科学思维中，溯因推理是一种不可或缺的思维形式，溯因推理是根据已观察现象去猜测其内在机理的思维形式。[1]在实验设计中，运用溯因推理的思维形式推测产生实验现象或者达到预期目的的内在机理，然后从其内在机理出发进行实验改进。抓住了内在机理，会使实验改进的方向更加具有针对性和目的性，思维过程更加有序化，实验改进会更加有效。以下举两例说明。
1.引出白烟并点燃
【现有方案】用玻璃管将白烟从火焰引出点燃（如图1）。[2]
【改进目的】引出更多的白烟，使引出的白烟更容易被点燃。
【溯因1】从火焰的哪个部位能引出更多的白烟？对于这个问题的追问，不难回答：焰心处烛芯的顶部是火焰中白烟最多的部位。在引出白烟时，玻璃管的一端应保持在这个位置。尽管这一溯因并没有引发实验的改进，却可以使我们明确了一个实验演示的注意事项。
【溯因2】如何引出更多的自烟？需要玻璃管伸入火焰一端的直径较大，从而产生改进实验的思路：可以检验将玻璃管一端扩大后能否起到更好的效果。
【溯因3】如何使白烟更容易被点燃？由这一问题出发可以猜想：若玻璃管点燃白烟的一端变细，则白烟被聚集，从而更容易被点燃。
将“溯因2”与“溯因3”的改进思路结合起来，即玻璃管的一端变粗，另一端变细，最简单的用品是直径较粗的尖嘴玻璃管。当然尖嘴不可太细，这样可能会阻碍白烟的流出。笔者选用直径为7mm、9mm，尖嘴处直径约为3mm，长度为5cm、8cm的尖嘴玻璃管进行实验，均取得很好的实验效果。
【溯因4】若对该实验的过程继续追问：白烟是如何出来的？是用玻璃管导出的，是一种自动的流动。由这种“自动”的方式出发进行思考：是否有比“自动”更为高效的措施？那就是采用“被动”的方式。换句话说，若用一个装置把白烟抽取出来，不是会更有效吗？我们身边唾手可得的用品就是胶头滴管，将胶头滴管的尖嘴伸入焰心的烛芯上端，挤压胶头后缓缓松开，就可以看见白烟被吸入滴管中（如图2）。
将滴管移出，尖嘴靠近蜡烛火焰，挤压胶头，可观察到白烟燃烧。这一改进方案可以实现观察白烟和点燃白烟的双重功能。
类似的，将尖嘴处于火焰中的不同部位，抽取烟气，会发现烟气的状态与点燃的效果均不同。例如，在火焰最为明亮的部位抽出的烟气较稀薄，颜色发黑。如果在胶头滴管后衬一张白纸，并挤出烟气，可观察到明显的黑烟。
2.灭烛复燃
【现有方案】吹灭蜡烛，用燃着的火柴接触白烟便可复燃蜡烛。[3]
【改进目的】使火柴能在距离烛芯更远的位置点燃蜡烛，增强实验的趣味性。
【溯因1】蜡烛熄灭后上升的白烟越聚集，越容易引燃，而吹灭蜡烛容易使白烟飘散。如何减少白烟的飘散呢？答案是要减少熄灭蜡烛时对火焰的扰动。接着再追问：还有什么方法可以熄灭蜡烛？进而可以追溯燃烧的条件和灭火的途径，撤去可燃物自然不可行，降低温度不易行，隔绝空气最容易实现。北京市石景山区特级教师白福秦老师用铜片制作成锥形“灭烛罩”，用它把蜡烛罩灭，可使白烟上升得更为稳定。用金属制作的原因在于其容易加工，导热性好，兼具隔绝空气和降低温度的双重作用。若我们用简便易得的小容器，例如青霉素小瓶、酒精灯帽、半截试管等进行实验，也可以取得类似的效果。
【溯因2】若期望增大复燃时火柴与烛芯的距离，白烟越多越浓重，效果越好。那么，如何使白烟更浓呢？通过加粗蜡烛和烛芯就可以实现。
顺便说明的是，笔者在做这个实验的时候发现有的品牌的蜡烛熄灭后有白烟，有的蜡烛则没有。后经查证文献[4]，可能是由于石蜡的型号不同其熔点不同所致：熔点偏高的蜡烛，烛体偏硬，燃烧速度慢而充分，燃烧中和熄灭后烟少味小，但火焰小。熔点偏低的蜡烛，烛体软易变性，燃烧速度快而不充分，燃烧中和熄灭后烟大味浓。看来在购买蜡烛的时候，可选取质软的品种，这样实验效果较好。
二、放大思维
放大思维是顺承溯因思维的思维策略。通过溯因思维找到实验改进的思路和切入点，对这些切入点的特征进行放大甚至是夸张处理，使其特征更加突出，能够有效增强实验的效果。
1.引出白烟并点燃
根据溯因思维，采用一端为细尖嘴的粗玻璃管能够使更多的白烟引出、聚集，从而容易点燃。其实这其中已经使用了放大思维的思维策略。如果进一步放大，继续加粗收集端的直径，收集的效果不是会更好吗？
有文献[5]称将漏斗倾斜45度，罩在火焰上并靠近焰心，从漏斗颈引出的白烟容易被点燃（如图3）。但经笔者实验，发现该方法无法成功。因将漏斗一侧压在火焰上时，由于空气对流，另一侧可有大量的空气补充进来，这样即使有白烟引出也会与空气混合并被蜡烛火焰引燃。于是，引出的只是浓重的黑烟。这个实验带给我们的启示是，化学是一门实验学科，一个好的想法必须付诸实践检验是否可行；另外，放大思维的放大过程也是有限的，超出一定的限度则适得其反。
2.抽出白烟并点燃
如前文所述，用胶头滴管可以抽出白烟，但胶头体积较小，抽取白烟并不高效。借助放大思维，如果增大胶头的容积就能够提高抽出白烟的效率。若要把胶头放大，洗耳球与胶头材质和形状都相似，最容易想到。注射器也是可以实现抽出白烟功能的大容器，取一支10mL的塑料注射器，把胶头滴管的胶头取下，将注射器与滴管连接（挑选合适的滴管，可使注射器前段细颈恰好能伸入滴管大口端，如图4所示）。若将注射器直接连接针头，便是这个装置的简化版。但由于针头太细，冷凝的白烟容易堵塞针头，故使用胶头滴管与注射器配合效果更好。
3.灭烛复燃
根据溯因思维，加粗蜡烛和烛芯可以使灭烛复燃的效果更加明显。白福秦老师制作的蜡烛直径约2.5cm，烛芯直径约6mm，配合“灭烛罩”使用，熄灭后可在烛芯上方10cm以上的地方引燃蜡烛。顺着这一思路还可以进一步放大，将酒精灯的灯芯放在熔化的石蜡中浸透，团成一团放在石棉网上点燃，用漏斗罩灭，点燃漏斗颈口处的白烟，轻轻向上提起漏斗，则看到漏斗颈口处的火焰顺着漏斗颈向下移动，迅速引燃棉线。[6]
三、反向思维
人类的思维具有方向性，存在着正向与反向的差异。正向思维是指沿着人们的习惯性思考路线去思考，而反向思维则反之。目前中学化学教学中的核心实验，绝大多数都已经形成稳定的实验方案，对于优化实验的方向也都有了习惯性的预期，若反其道而行之，也许会有意想不到的收获。
1.引出白烟并点燃
若对该实验进行改进，我们的习惯性预期一般为：白烟在引出过程中路径越短、阻力越小，引出就越顺畅，燃烧的效果应越好。于是，正向思维的路线是采用直的、尽可能短的玻璃管。若进行尝试会发现，玻璃管越短，用镊子夹取就越不方便，且并未发现更明显的燃烧现象。
采用反向思维，与“直”和“短”相反的特征是“长”和“弯”。若可制作不同长度，不同夹角，不同弯折次数的弯管，比较用它们做实验的效果是否存在差异。已有研究[7]表明，用N形弯管（图5a）或水平部分长度超出10cm的直角弯管（图5b），能取得更好的实验效果。
若对长、弯的玻璃管所能起到的作用进行溯因，由于它们“能延长白烟的滞留时间，在一定程度上起到聚集作用”，因此改善了实验效果。接下来还可以进一步采用放大思维，即如何让聚集的效果更加明显？文献[7]还设计了玻璃管连接干燥管、玻璃管连接试管的装置，引出的白烟可持续燃烧。
2.灭烛复燃
若使灭烛复燃的现象更明显，习惯性的思考路线是加粗蜡烛和烛芯。反向思维，细的蜡烛就不行吗？笔者使用市售直径约9mm的小蜡烛，用约5cm长的半截试管罩灭，也可以在火柴距离烛芯5cm以上的地方将蜡烛引燃。大蜡烛可使演示实验更直观，小蜡烛可用于学生分组实验，在教学中各取所长。
进行实验改进的思维方法和策略有很多，溯因、放大和反向是其中常用的三种。这三种策略为实验设计提供了方法指导，同时也为阅读实验改进类的文献提供了一个分析框架。我们在阅读他人的文章时，不是简单地把优秀的实验设计直接嫁接到自己的教学中，而是需要反思他人在设计实验过程中的思维方法是什么，是如何想到创新方案的，对我们设计实验有哪些方法论层面的启示。总之，不断学习、反思、实践、创造，便能够促进自身的专业发展。