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【摘要】本文列举了几种典型的中学化学实验，各种类型实验又举了若干典型例题，通过这些例题的逻辑分析，把隐含的逻辑关系提炼出来进行对比，并归纳出了中学阶段实验中所考查的主要逻辑顺序问题，从而为初、高中阶段一线教师提高学生的实验能力和分析、解决问题的能力提供线索。
【关键词】化学实验；逻辑思维
【中图分类号】G633.8 【文献标识码】B 【文章编号】2095-3089（2017）14-0091-02
逻辑思维是思维的高级形式，是指人们在认知过程中借助于概念、判断、推理反映现实的思维形式。在逻辑思维中，要用到概念、判断、推理等思維形式和比较、分析、综合、抽象、概括等方法，而掌握和运用这些思维形式和方法的程度，也就是逻辑思维的能力，简单的说，就是正确、合理地进行思考的能力。以实验为载体考查学生“分析问题、解决问题的能力”是现阶段高考化学的主要能力考查方式之一、也是学生学习的难点，而其中的逻辑思维能力更是精髓所在。实验设计中的逻辑是以化学实验的设计原则为背景的，是对关键要素的综合分析、合理选择、评价优化的过程。
一、中学化学实验的设计原则
化学实验方案的设计要以实验设计的基本原则为依据。忽略了这一点就失去一个逻辑分析的立足点和理论依据。化学实验设计的基本原则包括：
1.目的性原则 是指在科学实验设计的整个过程中，对实验原理、用品、装置、步骤、方法以及实验结果等方而的设计，都应围绕实验的目的与要求进行；
2.科学性原则 做到实验原理准确无误，实验方案设计科学，实验装置设计合理，实验操作符合要求；
3.直观性原则 要求实验现象明显、感官度高，能通过可见（气体、沉淀）、可感（热、光、气味）、可称（质量变化）、可辨（颜色变化）等现象判断实验的进程；
4.简约性原则 取材容易、装置简单，缩短实验时间，简化实验操作，突出创造性；
5.安全性、绿色化原则 贯彻“安全第一”的思想，减少药品用量，防止易燃、易爆、腐蚀性及有毒物质污染环境，严禁危害人身安全；
6.可行性原则 设计、改进实验应该考虑学生的学情和学校的现有条件。
二、几种典型实验设计中的逻辑分析
1.离子的检验
中学阶段只有极少数几种离子只要用一种试剂或通过焰色反应就可以直接检验出来。多数离子的检验都需要排除干扰因素，或者采用转化的方法才能达到检验目的，在排除干扰的过程中必然会出现试剂的选择及逻辑顺序等问题。
[例1]Fe2+和Fe3+的检验问题
教材上只提供了Fe2+、Fe3+的一些性质，这些性质是设计实验的理论基础，在实际问题中却需要考虑离子所处的环境、考虑设计方案的基本原则，进而才能构思形成检验的逻辑思路，最后用恰当的化学用语表达出来。
[例2]Cl-、SO42-的检验方法比较
为了排除对目标离子的干扰，往往需要用辅助试剂，辅助试剂和主要试剂的加入顺序和用量多少是操作的关键，形成方案的过程本身就是一种逻辑分析。
2.鉴别、鉴定
在物质鉴别问题中有一类特殊方法，即“互滴法”，就是利用两种物质相互反应过程中，用量不同造成的产物不同，现象不同，从而达到鉴别目的的一种方法。这种将原理（少量、过量）、操作（互滴，逐滴）和现象三方面结合的过程就是逻辑分析的过程。例如，高中阶段能用“互滴法”鉴别的常见组合有：HCl（aq）和Na2CO3（aq）、NaOH（aq）和AlCl3（aq）、HCl（aq）和NaAlO2（aq）。对某些混合物成分的鉴定也会牵涉到类似的问题，如例3。
[例3]如何证明木碳和浓硫酸的反应产物中含有CO2、SO2、H2O（g）？
合理的逻辑顺序是：先检验H2O（g）（因为后方须将气体通入溶液）；再检验SO2并将其除去（因为SO2的存在会干扰CO2的检验），确定无SO2后再说明CO2的存在。在这个逻辑关系下再去选择装置、连接装置、优化方案。
3.分离和提纯
多组分的分离和多杂质的提纯，都会牵涉到逻辑顺序问题。
[例4]粗盐提纯
粗盐提纯实验中除杂试剂的选择和过滤操作是基础知识，而试剂的加入顺序和用量的配合具有较高逻辑思维要求，顺序不同试剂的作用是不同的，厘清这种关系，问题的解决可以层层深入下去。
[例5]（2009年福建高考化学理综第24题，节选）铝土矿（主要成分是Al2O3，含SiO2、Fe2O3、MgO等杂质）中提取Al2O3，工艺流程如下：
图1 由铝土矿提取Al2O3工艺流程
流程甲为酸溶法，流程乙为碱溶法，这两种方法是几乎对称，酸碱交替加入，酸碱强弱的选择和用量的不同所包含的逻辑思维完全相同。在此基础上再去解释“滤液Y”到“沉淀Z”为什么只需“通入CO2”就容易被学生接受。（溶液中的硅酸钠与偏铝酸钠反应，能生成硅铝酸盐沉淀，化学反应方程式为：
2Na2SiO3+2NaAlO2+2H2O===Na2Al2Si2O8↓+4NaOH）
4.科学探究实验
探究实验涉及到提出问题、猜想与假设、制定计划、进行实验、收集证据、解释与结论、反思与评价、表达与交流等要素。这本身就是一种分析、探究、创新的逻辑思路。现就其中的两个环节分析如下。
（1）提出问题（或假设）
对实验中可能出现的情况做预测，而这种猜想不是随意的，它是一种逻辑推理，推理的依据是有关的化学原理、化学思想，如守恒思想、氧化还原反应原理、少量、过量的思想等。
[例6]用 0.1 mol·L-1 FeCl3溶液吸收SO2气体后吸收液中除了含有H+、Cl-、SO42-以外，对其它成分（Fe3+、Fe2+、H2SO3）的可能组合提出如下假设：假设1：溶液中存在Fe3+、Fe2+； 假设2：溶液中存在________。 答案可能会出现两种：①Fe3+、H2SO3 ②Fe2+、H2SO3。其中②组合正确，而①不符合氧化还原反应原理。所以假设的提出要符合逻辑，即“合情合理”，符合题情符合化合反应基本原理才行。
[例7]预测Na在CO2中燃烧后的固体残留物
模仿Mg与CO2的反应可以得出2Na+CO2 =Na2O+C，在此基础上，再考虑用量的问题，如下表。
在CO2少量的基礎上，逐渐增加CO2的量，就可以系统地将所有情况考虑到。而不是没有逻辑的胡乱猜想。
（2）实验方案的设计
要求能够以课本知识为基础，“能够通过对实际事物、实验现象、实物、模型、图形、图表的观察”进而“接受、吸收、整合化学信息”进行适当的知识迁移、拓展和延伸。
[例8] 请你设计实验说明Na在CO2中燃烧后的残留固体中是否含有Na2CO3、Na2O和C（试剂任选）
方案：①取样，加水溶解后观察是否有黑色残留物（证明单质C）；
②取少量步骤①所得上层清液加入过量BaCl2溶液观察是否有白色沉淀（证明Na2CO3）
③取步骤②所得清液加入几滴酚酞试液，观察溶液颜色变化（证明Na2O）。
逻辑分析：离子反应必须要先溶解才能反应，而溶解的同时也完成了将Na2O转化为NaOH的过程；先检验出单质碳并以取上层清液的方式将其他成分与单质碳分离开来，以免对后续现象造成影响；用过量BaCl2溶液检验CO32-，原因是BaCl2呈中性，过量是将CO32-检验出来并加以除去，为检验NaOH做准备。本方案的设计过程用到的试剂很少，但逻辑思维能力的要求较高。按照这样的逻辑思维还可以获得更多方案，也就达到了能力的训练和提升。
【例9】（2011年北京高考题，节选）甲、乙两同学为探究SO2与可溶性钡的强酸盐能否反应生成白色BaSO3沉淀，用下图所示装置进行实验（夹持装置和A中加热装置已略，气密性已检验）
问题：分析B中不溶于稀盐酸的沉淀产生的原因，甲认为是空气参与反应，乙认为是白雾参与反应。
①为证实各自的观点，在原实验基础上：甲在原有操作之前增加一步操作，该操作是________；乙在A、B间增加洗气瓶D，D中盛放的试剂是_______。②进行实验，B中现象：
逻辑分析：首先，B装置中出现的白色沉淀既有“白雾”原因又有“空气参与”原因，二者是不矛盾的，而不能把它想成非此即彼；其次，甲要证明是“空气参与”，他的操作应该是消除空气的影响，而不是消除“白雾”保留“空气”。这两层逻辑关系与我们所学基础知识关系不大，主要考查学生的逻辑思维能力。同样的问题在2010年安徽高考理综化学第28题中也出现过，探究硝酸铁溶液溶解了单质银的原因，实际上硝酸和Fe3+都参与了氧化，因为二者并不矛盾。但是很多学生都以为是二选一。
三、结束语
实验设计中的逻辑思维主要表现为逻辑顺序，笔者认为逻辑顺序主要体现在以下几个方面：一是整个实验流程中的取样次数，是取一份样品进行一次性操作还是取两份或几份样品进行平行实验。二是操作对象上的先后顺序，如上例中CO2、SO2、H2O（g）的检验。三是通过用量产生的逻辑，比如少量、过量以及由少量到过量，所产生的效果是不同的。一个实际问题的解决，必须放在特定背景和限制条件下来分析，根据具体情况确定基本原理，最终才能确定使用哪种逻辑顺序。
中学阶段学生的逻辑思维能力正处在由经验向理论转型的过渡期，造成逻辑思维障碍的原因有很多，加之学生动手实验的机会又很少，所以在平时的教学中，教师要有针对性的加以训练和引导，实验和能力相结合、理论和实际相结合，循序渐进，逐步提高学生分析问题和解决问题的能力。
作者简介：
许光山，男，汉族，籍贯：安徽寿县 研究方向：化学教学。
【关键词】化学实验；逻辑思维
【中图分类号】G633.8 【文献标识码】B 【文章编号】2095-3089（2017）14-0091-02
逻辑思维是思维的高级形式，是指人们在认知过程中借助于概念、判断、推理反映现实的思维形式。在逻辑思维中，要用到概念、判断、推理等思維形式和比较、分析、综合、抽象、概括等方法，而掌握和运用这些思维形式和方法的程度，也就是逻辑思维的能力，简单的说，就是正确、合理地进行思考的能力。以实验为载体考查学生“分析问题、解决问题的能力”是现阶段高考化学的主要能力考查方式之一、也是学生学习的难点，而其中的逻辑思维能力更是精髓所在。实验设计中的逻辑是以化学实验的设计原则为背景的，是对关键要素的综合分析、合理选择、评价优化的过程。
一、中学化学实验的设计原则
化学实验方案的设计要以实验设计的基本原则为依据。忽略了这一点就失去一个逻辑分析的立足点和理论依据。化学实验设计的基本原则包括：
1.目的性原则 是指在科学实验设计的整个过程中，对实验原理、用品、装置、步骤、方法以及实验结果等方而的设计，都应围绕实验的目的与要求进行；
2.科学性原则 做到实验原理准确无误，实验方案设计科学，实验装置设计合理，实验操作符合要求；
3.直观性原则 要求实验现象明显、感官度高，能通过可见（气体、沉淀）、可感（热、光、气味）、可称（质量变化）、可辨（颜色变化）等现象判断实验的进程；
4.简约性原则 取材容易、装置简单，缩短实验时间，简化实验操作，突出创造性；
5.安全性、绿色化原则 贯彻“安全第一”的思想，减少药品用量，防止易燃、易爆、腐蚀性及有毒物质污染环境，严禁危害人身安全；
6.可行性原则 设计、改进实验应该考虑学生的学情和学校的现有条件。
二、几种典型实验设计中的逻辑分析
1.离子的检验
中学阶段只有极少数几种离子只要用一种试剂或通过焰色反应就可以直接检验出来。多数离子的检验都需要排除干扰因素，或者采用转化的方法才能达到检验目的，在排除干扰的过程中必然会出现试剂的选择及逻辑顺序等问题。
[例1]Fe2+和Fe3+的检验问题
教材上只提供了Fe2+、Fe3+的一些性质，这些性质是设计实验的理论基础，在实际问题中却需要考虑离子所处的环境、考虑设计方案的基本原则，进而才能构思形成检验的逻辑思路，最后用恰当的化学用语表达出来。
[例2]Cl-、SO42-的检验方法比较
为了排除对目标离子的干扰，往往需要用辅助试剂，辅助试剂和主要试剂的加入顺序和用量多少是操作的关键，形成方案的过程本身就是一种逻辑分析。
2.鉴别、鉴定
在物质鉴别问题中有一类特殊方法，即“互滴法”，就是利用两种物质相互反应过程中，用量不同造成的产物不同，现象不同，从而达到鉴别目的的一种方法。这种将原理（少量、过量）、操作（互滴，逐滴）和现象三方面结合的过程就是逻辑分析的过程。例如，高中阶段能用“互滴法”鉴别的常见组合有：HCl（aq）和Na2CO3（aq）、NaOH（aq）和AlCl3（aq）、HCl（aq）和NaAlO2（aq）。对某些混合物成分的鉴定也会牵涉到类似的问题，如例3。
[例3]如何证明木碳和浓硫酸的反应产物中含有CO2、SO2、H2O（g）？
合理的逻辑顺序是：先检验H2O（g）（因为后方须将气体通入溶液）；再检验SO2并将其除去（因为SO2的存在会干扰CO2的检验），确定无SO2后再说明CO2的存在。在这个逻辑关系下再去选择装置、连接装置、优化方案。
3.分离和提纯
多组分的分离和多杂质的提纯，都会牵涉到逻辑顺序问题。
[例4]粗盐提纯
粗盐提纯实验中除杂试剂的选择和过滤操作是基础知识，而试剂的加入顺序和用量的配合具有较高逻辑思维要求，顺序不同试剂的作用是不同的，厘清这种关系，问题的解决可以层层深入下去。
[例5]（2009年福建高考化学理综第24题，节选）铝土矿（主要成分是Al2O3，含SiO2、Fe2O3、MgO等杂质）中提取Al2O3，工艺流程如下：
图1 由铝土矿提取Al2O3工艺流程
流程甲为酸溶法，流程乙为碱溶法，这两种方法是几乎对称，酸碱交替加入，酸碱强弱的选择和用量的不同所包含的逻辑思维完全相同。在此基础上再去解释“滤液Y”到“沉淀Z”为什么只需“通入CO2”就容易被学生接受。（溶液中的硅酸钠与偏铝酸钠反应，能生成硅铝酸盐沉淀，化学反应方程式为：
2Na2SiO3+2NaAlO2+2H2O===Na2Al2Si2O8↓+4NaOH）
4.科学探究实验
探究实验涉及到提出问题、猜想与假设、制定计划、进行实验、收集证据、解释与结论、反思与评价、表达与交流等要素。这本身就是一种分析、探究、创新的逻辑思路。现就其中的两个环节分析如下。
（1）提出问题（或假设）
对实验中可能出现的情况做预测，而这种猜想不是随意的，它是一种逻辑推理，推理的依据是有关的化学原理、化学思想，如守恒思想、氧化还原反应原理、少量、过量的思想等。
[例6]用 0.1 mol·L-1 FeCl3溶液吸收SO2气体后吸收液中除了含有H+、Cl-、SO42-以外，对其它成分（Fe3+、Fe2+、H2SO3）的可能组合提出如下假设：假设1：溶液中存在Fe3+、Fe2+； 假设2：溶液中存在________。 答案可能会出现两种：①Fe3+、H2SO3 ②Fe2+、H2SO3。其中②组合正确，而①不符合氧化还原反应原理。所以假设的提出要符合逻辑，即“合情合理”，符合题情符合化合反应基本原理才行。
[例7]预测Na在CO2中燃烧后的固体残留物
模仿Mg与CO2的反应可以得出2Na+CO2 =Na2O+C，在此基础上，再考虑用量的问题，如下表。
在CO2少量的基礎上，逐渐增加CO2的量，就可以系统地将所有情况考虑到。而不是没有逻辑的胡乱猜想。
（2）实验方案的设计
要求能够以课本知识为基础，“能够通过对实际事物、实验现象、实物、模型、图形、图表的观察”进而“接受、吸收、整合化学信息”进行适当的知识迁移、拓展和延伸。
[例8] 请你设计实验说明Na在CO2中燃烧后的残留固体中是否含有Na2CO3、Na2O和C（试剂任选）
方案：①取样，加水溶解后观察是否有黑色残留物（证明单质C）；
②取少量步骤①所得上层清液加入过量BaCl2溶液观察是否有白色沉淀（证明Na2CO3）
③取步骤②所得清液加入几滴酚酞试液，观察溶液颜色变化（证明Na2O）。
逻辑分析：离子反应必须要先溶解才能反应，而溶解的同时也完成了将Na2O转化为NaOH的过程；先检验出单质碳并以取上层清液的方式将其他成分与单质碳分离开来，以免对后续现象造成影响；用过量BaCl2溶液检验CO32-，原因是BaCl2呈中性，过量是将CO32-检验出来并加以除去，为检验NaOH做准备。本方案的设计过程用到的试剂很少，但逻辑思维能力的要求较高。按照这样的逻辑思维还可以获得更多方案，也就达到了能力的训练和提升。
【例9】（2011年北京高考题，节选）甲、乙两同学为探究SO2与可溶性钡的强酸盐能否反应生成白色BaSO3沉淀，用下图所示装置进行实验（夹持装置和A中加热装置已略，气密性已检验）
问题：分析B中不溶于稀盐酸的沉淀产生的原因，甲认为是空气参与反应，乙认为是白雾参与反应。
①为证实各自的观点，在原实验基础上：甲在原有操作之前增加一步操作，该操作是________；乙在A、B间增加洗气瓶D，D中盛放的试剂是_______。②进行实验，B中现象：
逻辑分析：首先，B装置中出现的白色沉淀既有“白雾”原因又有“空气参与”原因，二者是不矛盾的，而不能把它想成非此即彼；其次，甲要证明是“空气参与”，他的操作应该是消除空气的影响，而不是消除“白雾”保留“空气”。这两层逻辑关系与我们所学基础知识关系不大，主要考查学生的逻辑思维能力。同样的问题在2010年安徽高考理综化学第28题中也出现过，探究硝酸铁溶液溶解了单质银的原因，实际上硝酸和Fe3+都参与了氧化，因为二者并不矛盾。但是很多学生都以为是二选一。
三、结束语
实验设计中的逻辑思维主要表现为逻辑顺序，笔者认为逻辑顺序主要体现在以下几个方面：一是整个实验流程中的取样次数，是取一份样品进行一次性操作还是取两份或几份样品进行平行实验。二是操作对象上的先后顺序，如上例中CO2、SO2、H2O（g）的检验。三是通过用量产生的逻辑，比如少量、过量以及由少量到过量，所产生的效果是不同的。一个实际问题的解决，必须放在特定背景和限制条件下来分析，根据具体情况确定基本原理，最终才能确定使用哪种逻辑顺序。
中学阶段学生的逻辑思维能力正处在由经验向理论转型的过渡期，造成逻辑思维障碍的原因有很多，加之学生动手实验的机会又很少，所以在平时的教学中，教师要有针对性的加以训练和引导，实验和能力相结合、理论和实际相结合，循序渐进，逐步提高学生分析问题和解决问题的能力。
作者简介：
许光山，男，汉族，籍贯：安徽寿县 研究方向：化学教学。