作者：李德信,胡元斌
出版社：安徽人民出版社
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学校怎样组织学生开展试验与创造发明试读：
前言
科学是人类进步的第一推动力，而科学知识的普及则是实现这一推动的必由之路。在新的时代，社会的进步、科技的发展、人们生活水平的不断提高，为我们青少年的科普教育提供了新的契机。抓住这个契机，大力普及科学知识，传播科学精神，提高青少年的科学素质，是我们全社会的重要课题。
科学教育，是提高青少年素质的重要因素，是现代教育的核心，这不仅能使青少年获得生活和未来所需的知识与技能，更重要的是能使青少年获得科学思想、科学精神、科学态度及科学方法的熏陶和培养。
科学教育，让广大青少年树立这样一个牢固的信念：科学总是在寻求、发现和了解世界的新现象，研究和掌握新规律，它是创造性的，它又是在不懈地追求真理，需要我们不断地努力奋斗。
在新的世纪，随着高科技领域新技术的不断发展，为我们的科普教育提供了一个广阔的天地。纵观人类文明史的发展，科学技术的每一次重大突破，都会引起生产力的深刻变革和人类社会的巨大进步。随着科学技术日益渗透于经济发展和社会生活的各个领域，成为推动现代社会发展的最活跃因素，并且是现代社会进步的决定性力量。发达国家经济的增长点、现代化的战争、通讯传媒事业的日益发达，处处都体现出高科技的威力，同时也迅速地改变着人们的传统观念，使得人们对于科学知识充满了强烈渴求。
对迅猛发展的高新科学技术知识的普及，不仅可以使青少年了解当今科技发展的现状，而且可以使之从小树立崇高的理想：学好科学知识，长大为人类文明作出自己应有的贡献。
学校科学技术普及是指采用广大学生易于理解、接受和参与的方式，普及自然科学和社会科学知识，传播科学思想，弘扬科学精神，倡导科学方法，推广科学技术应用的活动。目的是使广大青年学生了解科学技术的发展，掌握必要的知识、技能，培养他们对科学技术的兴趣和爱好，增强他们的创新精神和实践能力，引导他们树立科学思想、科学态度，帮助他们逐步形成科学的世界观和方法论。
为此，我们特地编写了这套“学校科普活动设计与组织实施”丛书，包括《学校科技教学的创新指导与实施》、《学校怎样组织学生阅读科学故事》、《学校怎样培养学生科学幻想思维》、《学校怎样培养学生科学兴趣爱好》、《学校怎样培养学生学习发明创造》、《学校怎样培养学生科学发现能力》、《学校怎样组织学生开展试验与创造发明》、《学校怎样组织学生探索科学奥秘》、《学校怎样组织学生体验科技生活》、《学校怎样组织学生参观科普场馆》共十册，具有很强的系统性、实用性、实践性和指导性，不仅是广大师生科学教学指导的最佳读物，也是各级图书馆珍藏的最佳版本。
第一章 学生科学试验制作与发明指导
1.学生科学实验与制作活动的意义
小实验与小制作活动是具有较强的实践性和创造性的科技教育活动，它是学校课堂教学的一个重要补充，在培养学生科学素质方面可以起到课堂教学难以起到的作用。
帮助学生加深理解自然科学知识
无论是在课堂教学还是在课外活动的教学过程中，教师都要引导学生形成一些科学概念，学制基本的科学原理。概念的形成、原理的理解，往往要从揭示事物的属性入手。不少事物的属性，只有借助实验和制作才能显露出来，才能被认识。例如，水是无色、无嗅、无味、透明的液体。这些属性单凭教师的讲述，学生很难理解，如果做一组实验，把水同牛奶、豆浆、洒精等液体作对比研究，学生就很容易认识和掌握水的这些属性。再如，揭示空气是不是一种单纯的气体。让学生做一个实验：把一根小蜡烛点燃，固定在盛有一层水的水槽里，然后将玻璃杯倒扣在蜡烛上，蜡烛点燃了一会儿后就熄灭了，烧杯里的水面上升了一截。这个小实验就说明了空气中至少有两类气体，一类是能够帮助燃烧的，另一类是不能够帮助燃烧的。这样学生就很容易认识空气不是一种单纯的气体。
培养学生的科学志趣
志趣是推动人们成才的起点，也是推动学生进行学习活动的内在动力。一个学生对某一学科有了浓厚的志趣，他们就会产生强烈的求知欲望，就会如饥似渴地学习和钻研。历史上许多有卓越成就的科学家，志趣是成才的动力之一就是对科学的志趣。
心理学认为，志趣是一个人力求接触和认识某种事物的意识倾向。志趣不是天赋的，而是在后天的生活环境和教育的影响下产生和发展起来。小实验和小制作是培养学生科学志趣的极好活动。首先，小实验和小制作能够帮助学生更好地认识自然事物和现象。自然界许多奇妙的现象，许多奥秘都可以通过小实验和小制作来揭示。学生经常进行小实验和小制作活动，不断揭示自然界的奥秘，对自然科学的志趣就可以逐步形成。其次，小实验和小制作都是趣味性较强的活动，符合小学生喜欢动手，喜欢接触新奇有趣的事物的特征，达到以趣激趣的目的。再次，小实验和小制作大都是实用性较强的活动，它和工农业生产、科学研究、日常生活实际具有密切的联系。学生通过这些活动，可以把现实与理性联系起来，这无疑对培养学生的志趣是具有积极作用的。
培养学生的动作技能
技能是指完成一定任务的活动方式。实验和制作技能属于动作技能，其动作主要是由人手的活动来完成的。动作技能有初级和高级两个阶段，前者是初步学会阶段，后者是技能形成阶段。对学生来说，不论是初级阶段还是高级阶段，都必须由学生亲自动手进行操作练习才能形成。这是其他任何教学形式所不能取代的。
小实验和小制作所涉及的实验仪器和制作工具较多，这些仪器和工具对刚刚接触自然科学的小学生来说是很陌生的。在实验和制作过程中，学生通过观察思考和动作操作，将会逐步熟悉仪器和工具的性能和使用方法，初步掌握某些技能。在实验和制作过程中，学生要手脑并用，要在操作的基本功上，技术上由学会过渡到灵活、准确、协调，甚至接近自动化的程度；更要明了该怎样，不该怎样，为什么要这样而不要那样的道理，由操作练习的机械性转变为理解性。这样，实验和制的技能就能逐步形成。
发展学生的创造精神和创造思维
在小实验、小制作活动的初级阶段，学生的操作往往以模仿为主。比如，重复教师做过的实验，复制简单的器具。但是，不要小看这些活动，它们是学生能够独立操作的先期准备，其中包含了技能、经验、思维等方面的因素。
随着活动的深入展开，小实验、小制作必然要求学生的主体的积极投入，小实验必然逐步从一般操作练习过渡到验证性实验，过渡到探索性实验，小制作也逐步由易而难，工艺逐步变得复杂，而且这种劳动逐步着上了有创造意味的色彩。在这个过程中，学生的创造精神得到了陶冶，创造性思维也必然获得很好的锻炼。
锻炼优良的心理品质
小实验和小制作并不是很容易完成的活动，它需要实验和制作者克服许多困难。因此，小实验和小制作能培养学生克服困难、坚忍不拔、百折不挠的毅力；在小实验和小制作过程中，学生都努力争取自己的实验做成功，努力使自己制作的作品美观、好用、受到教师的表扬和奖励，这能激发学生的好胜心和进取精神；小实验和小制作需要学生认真、细致、实事求事、团结协作，这对学生形成良好的学风，促进非智力因素向积极的方面发展具有重要作用。
2.学生科学实验制作活动的原则
小实验小制作活动的指导要依据一定的原则，针对活动过程的各个环节进行。
从乡镇实际情况出发，突出以农为主
我国是一个农业大国，整个国民经济稳定和发展的基础是农业。乡镇小学科技活动中操作性强的小实验小制作活动，除了要着眼于学生科学素质的培养以外，还应该研究当地的种植、养殖等状况，从乡镇实际出发，树立以农为主的思想，围绕科技兴农这一中心，开展丰富多采的小实验、小制作活动。
加强活动室和实验基地建设
小实验小制作活动的顺利开展需要一定的条件，其中尤其要重视利用学校的条件和社会力量从校内和校外两个方面加强活动阵地的建设。校内活动阵地主要是活动室，活动室一般可与自然教室共用，没有自然教室的学校，可利用一些辅助用房，也可借用某些班级的教室，另外还可以利用校园的空地建立植物实验园、动物饲养场等。校外活动阵地除了青少年科技活动中心等场所外，还应该充分利用博物馆、公园、自然保护区、工人、农场等社会力量。
克服困难，因陋就简，土法上马，解决器材问题
我国幅员辽阔，经济文化发展很不平衡。尽管有些乡镇的生活水平已步入小康，但仍有一些地区还没有很好地解决温饱问题，当地的办学条件也很艰苦，在这些学校开展小实验小制作活动，存在着缺少器材的实际困难。而活动器材又是科技活动的物质基础，传播科技知识的媒介。因此，科技辅导员要发动学生一起克服困难，因陋就简，自制简易教具或利用代用品，解决器材问题。
必须着眼于活动的全程，并有相应的方案或计划
为了充分发挥小实验小制作的功能，还必须从活动的全程出发，针对学生的心理特点和年龄特征，并以全面发展学生的科技素质为目的，制定整体活动、阶段活动及每次活动的方案或计划。
3.学生科学实验制作活动的指导
小实验与小制作活动过程的指导，包括制订活动计划，指导实际操作和活动总结等。
制订活动计划
为了加强小实验与小制作活动的计划性，保证实验与制作任务的顺利完成，必须认真周密地制订小实验与小制作活动的计划。有了计划，才能避免活动的盲目性，不致出现吃一节剥一节的状况。在制订计划时要注意以下几点。（1）要深入了解学生。
主要了解学生对参加小实验与小制作活动的态度、基础知识水平、技能、智力等情况，特别要根据小学生的特点，从实验出发，了解他们当前的主要要求是什么，倾听他们的反映，尽量采纳他们的意见。（2）要研究活动计划
教师在深入了解学生的基础上，要结合学校的设备和各方面的条件，根据小实验、小制作活动特点，着眼于小学科技素质的形成，认真研究活动的总体安排和具体的内容。主要包括：本学期小实验与小制作活动的目标；活动的基本情况分析；活动内容及其安排；完成活动任务的条件、困难和主要措施等。（3）把教师的计划变成学生自己的计划
教师有了计划，就应当考虑怎样把计划变成学生自己的计划，才有利于调动学生实验和制作的积极性，才能使计划真正落到实处，变为学生的自觉要求和实际行动。
实际操作的辅导（1）在操作内容的安排上要从简易到复杂。
学生初次操作时，缺乏认识基础，对较复杂的操作掌握比较困难，因此，应当先排简易的小实验与小制作，不妨带点机械模仿，然后逐渐过渡到复杂操作，适当加快速度。例如，分析土壤成分的实验就应先安排在沉淀、过滤、蒸发等实验之后，因为前者的实验包含后者，是复杂的实验。学生只有先学会基本的实验和制作，才能比较顺利地完成较复杂的实验和操作。（2）以知识作基础，指导实际操作。
小实验与小制作虽然属于动作技能的范畴，但是它与基础知识是紧密联系在一起的，学生掌握了与这些活动有关的基础知识，才能比较顺利地进行操作。因此，在指导学生作与制作方法时，不能只讲操作与制作方法，而不介绍有关原理。例如，在制取氧气的实验中，教师除了要介绍操作方法外，还要讲清楚试管口为什么要略向下倾斜，加热时为什么要先预热试管，实验完毕为什么要先把导管从水中拿出来，然后再移开酒精灯，等等。学生明白了这些问题，就能更正确地进行操作。（3）在操作前要使学生明确操作的目的要求。
教师在指导学生实验和操作前，要向学生讲清楚为什么要进行这个实验和制作，应达到什么要求，应该注意什么问题，基本过程是怎样的等等。这样学生就会在教师指导下朝着既定目标发挥自己的主动性和积极性，避免操作中的错误，避免盲目行动，并且在操作过程中，能比较自觉地根据活动的要求，随时对自己的行为作出比较恰如其分的评价。（4）教师要进行必要的示范。
小学生的理解力比较差，而模仿力较强。他们进行小实验与小制作，在初级阶段，主要靠模仿掌握其方法。因此，每进行一个小实验或小制作，教师都应把操作中所用仪器、工具的标准名称、用途、使方法、操作步骤、注意事项交待清楚；边交待边示范。这样，才能让学生在实验或制作前头脑里形成一个动作映像，为顺利地进行操作奠定良好的基础。
学生不仅模仿力强，先入为主的识记性也很强。他们喜欢以教师为榜样，处处模仿效法。他们第一次接触到的知识，一旦掌握了，就不容易忘掉。因此，教师要特别注意示范的正确性。如果在操作示范时动作不规范，会给学生留下一个错误的印象，当这个错误的印象成为学生头脑中记忆表象后，进而形成习惯，纠正起来，将是十分困难的。（5）安全问题。
在小实验小操作的实际操作过程中，常要用到有毒、有腐蚀性或易燃易爆的化学药品，容易破碎的玻璃仪器，还有酒精灯、电源以及一些物理器械。对这些客观条件掌握不当都可能发生事故。如果在实验中发生事故，将可能给学生身心带来无法估量的损害，同时也不利于学生志趣、情感、意志等非智力因素的发展。因此，教师在辅导过程中，要树立“安全第一”的思想，明确不安全因素的所在，一方面要尽可能选择没有危险的内容，或对不安全因素采取积极有效的措施，另一方面通过演示等形式使学生掌握规范化操作的要领，确保实际操作的安全可靠。
实验制作活动总结
每进行一次实验或制作活动，教师都要组织学生认真总结。因为学生在活动中所获得的知识和技能，多是零星的、片断的、局部的、通过总结，可以帮助他们将所获得的知识和技能进行整理，归类并加以巩固。在一个学期内也要集中进行几次总结，进一步调动学生进行实验和制作的积极性。常用的几种总结方式有：（1）实验表演。
邀请学校领导、家长和其他学生参加，让小组的学生向他们作实验表演。（2）作品展览。
把小组学生自己制作的作品集中起来，放在陈列室，请教师、家长和社会各界人士来参观。（3）竞赛。
在小组学生中进行实验操作和制作作品竞赛活动，对优胜者给予奖励。（4）献礼和赠礼。
在有关的节日之前，安排小组学生制作一些作品，以这些作品作为礼品，献与或赠给有关人员。如在“六一”儿童节时制作一些玩具，赠给低年级的小弟弟、小妹妹；在校庆日时制作一些作品献给学校；在“教师节”时制作一些作品献给教师等。
这些总结方式符合小学生的心理特点，能充分调动小学生进行实验和制作的积极性，同时对全年有以至全校又有推广普及作用。
4.学生科学发明活动的意义
人类的进步与文明，是建立在无数发明的基础之上的。人类能不断发展，离不开发明创造。文字、纸张和印刷术的发明，使人类能够记载下自己，的历史，使历史事件和知识经验流传于世，教育和启发着后人；电灯的发明，使漫长的黑夜呈现光明，人们可以夜以继日地工作、学习和娱乐；火箭的发明，使嫦娥奔月这个神话终于变成了现实，开辟了人类探索宇宙奥秘的新纪元；电子计算机的发明，特别是微电子技术的发展和普遍应用，使人的脑力劳动获得解放，使整个社会生活发生了巨大变革，引起了新的技术革命。
在当前科学技术高速发展的时代，社会的发展、经济建设更离不开发明。发明能使人们认识世界、改造世界的能力上升到新水平，把人类社会推向更高层次的文明。创造学家奥斯本在《创造性想象》一书中指出：“一个国家的经济增长和经济实力与其人民的发明创造能力和把这些发明转化为有用产品的能力紧密相关。”美国学者伊顿指出：“在不久的将来，我们国家的最高经济利益，将主要取决于我们同胞的创造才智，而不取决于我们的自然资源。”由此可见，发明创造在经济建设中处于何等重要的地位。
中小学生是祖国的未来，科学的希望。现在的中小学生是21世纪的主人，他们将承担着使我国经济达到世界中等发达国家水平，基本实现现代化的重任。所以，我们要从小学生抓起，努力培养他们发明的创造意识、创造精神和创造能力，使他们成为建设社会主义现代化国家的后备力量。
中小学生参加发明活动，是培养他们的发明创造意识。创造精神和创造能力的较好途径。
发明活动是一项群众性活动，所有小学生都可以参加。在活动中，小学生能够明确什么是发明创造，深刻认识发明创造的意义，从而树立发明创造的意识。
发明活动是开放型活动，它不受教学大纲和教材的束缚，也不受时间、场地、设备等的限制，并且每一次活动都没有固定的答案，中小学生可以在这个广阔天地里纵横驰骋，这样有利于培养他们的创造精神。
发明活动是一项创造性活动。在发明活动过程中，需要中小学生具有多种能力，特别是创造和想象的能力。因此，通过发明活动，可以培养学生的创造能力。
发明活动还可以培养学生热爱科学技术的兴趣，克服困难、战胜困难的坚强意志，树立建设社会主义祖国的信念，养成小学生良好的科学态度，并能使学生受到审美教育、劳动教育以及团结协作、遵守纪律等方面的教育。
5.学生科学发明活动的指导
启发
启发就是通过讲清发明活动的意义，激发学生发明创造的兴趣，使他们乐意参加发明活动，自觉接受创造思维和发明技法的启蒙教育，增强创造精神和创造意识。学生的心理具体表现在：他们思想单纯、活泼、好动。幼稚、富于想象、善于联想和缺乏独立活动的能力；好表现自己，对老师和家长布置的任务总是想办法完成；对参加集体活动的热情较高。但他们的兴趣和爱好不稳定，当获得一种满足之后，会立即被其他兴趣所代替。因此，他们喜欢参加发明活动，但不能维持较长时间。
根据学生的心理特点，在组织每次发明活动时，教师都要注意启发，除了使他们明确每次活动的目的和意义之外，还要适时布置一些具体任务，尽量使一些个人活动转化为集体活动；对他们在活动中所取得的成绩，及时进行总结和表扬，使他们还不稳定的发明兴趣和爱好逐步稳定。
示范
示范就是运用发明成果作为学生学习的典范，使他们从中得到教益。
榜样的力量是无穷的。学生的好胜心较强，而且善于模仿，因此，在活动中运用一些发明成果和讲一些发明家的故事作为他们学习的典范，会对他们有很大的帮助。
发明成果最好是学生自己发明的，故事最好也是学生的发明故事。因为同是学生，年龄相仿，知识水平相当，他们容易接受，对他们的启发帮助也最大。如果用本校、本班的学生的发明成果作示范，效果更佳。
在示范过程中，教师所选用的典范最好能对本次活动有一定的指导价值。比如，这次活动主要是让学生学习“缺点列举法”，那么，作典范的发明成果最好是用“缺点列举法”所完成的。对每一件作示范的发明成果，教师都要讲清发明人是怎样想到搞这个发明的，运用了哪些发明技法，他在发明过程中遇到了哪些困难，他是如何克服这些困难的，等等。
选题引导
学生通过启发和示范，会产生发明的兴趣和动机，这时，教师就要引导他们寻找发明的课题。
在学生中开展的发明主要是指：学生在日常学习、生活和劳动中针对那些感到不称心、不顺手及不方便的事物和方法，运用学过的科学技术知识，创造性地设计和制作出目前没有的产品或生产方法，或对现有的产品和生产方法进行房进与革新，从而为人们的生活、工作、学习带来方便。因此，他们发明的课题种类不多，范围也较狭窄。但是，学生的想象力比较丰富，他们发现的问题，提出的发明课题却是五彩缤纷。在这众多的课题中应选择哪一个呢？一般要注意以下几点。（1）是引导学生从日常生活和学习中寻找课题。对目前人们使用的用具、文具等，想一想怎样能提高效率？质量怎样能更好？怎样减少故障？怎样可以更安全？怎样可以使价格更便宜？怎样用起来更方便？等等。选择身边的课题，便于学生观察、分析、构思和设计。（2）是学生发明最后的成果是能在实践中使用的实物。这不仅需要学生的构思和设计，还要小学生自己动手去制作和实验。因此，在选择课题时，要让学生充分考虑，凭自己的科学文化知识水平，能不能完成这项发明课题，能不能把这项发明的构思制作出来，以免白白浪费时间和精力。（3）是选择发明讲题要专一。学生的发明是在科技活动课或课余时间进行的，精力和时间都很有限。因此，在一段时间里选择发明课题要专一，从一事一物去构思，从一点一滴做起。这样才容易成功。
构思引导
选准了发明课题之后，要引导学生对发明课题进行构思。构思不是一下子就能形成的，一般要经过几个步骤。第一步列出明确的发明目标，包括这个目标的具体要求。第二步剖析目标。对已确定的目标进行分解，分解成J些小目标，然后逐个解决为实现各小目标所必须解决的每一个小问题。第三步形成构思。为实现每个小目标和解决每一个小问题寻找可行的途径和办法。把可行的途径和办法进行组合，构思、制定出这项发明的总体实施计划。第四步对总体构思进行补充的修正。
例如，上海市和田路小学学生方黎，在上体育课时看到全班40几个同学只有一个篮球架练习投篮动作，这样练习投篮就需排长队。她想，如果能有一个可供几个同学一起练习投篮的球架多好啊！于是，她决定以改革篮球架为发明课题，一心想设计一个可供多人同时使用并适合各年级同学使用的篮球架。
她找到了这一发明课题，并明确了发明目标及这个目标的具体要求之后，就把总目标分解成了以下两个小目标：
①怎样才能使多人同时投篮；
②篮球架的高度是多少才适合各年级同学。
她先思考第一个问题。
有一天，她和3个同学一起去吃早点，4个人各坐方桌的一方。突然，她灵机一动，想到，如果做一个东、南、西、北4个方向都有篮球筐的球架，练习投篮不就可以提高效率4倍吗？方黎同学运用联想的方法，将围方桌吃饭和她要解决的发明目标联系起来思考，将实现第一个小目标的困难解决了。
接着，她思考第二个问题。
篮球架的高度如果按照高年级同学的身高设计，低年级同学练球就不方便；如果按低年级同学的身高设计，对高年级同学又不合适。她在家里冥思苦想的时候，忽然看到了落地灯杆。她想落地灯杆可以调节高低，如果球架也能像灯杆一样可升可降，不就可以适应不同年级同学的身高了吗？正如是，她运用移植的方法，将落地灯杆的升降技术移植到篮球架上，使第二个小目标中的问题迎刃而解。
就这样，一张多用升降篮球架设计图在她的笔下绘好了。这项发明参加了全国首届青少年科学创造发明比赛，荣获了二等奖，还受到了国家体委领导的赞扬。
在小学生构思的过程中，教师要注意以下几个问题。（1）是注意传授发明技法。要向他们传授构思过程中可能要用到的发明技法，如联想法、组合法等，以便小学生灵活运用。（2）是注意讲解有关的科学知识。要向他们讲解有关的科学知识。因为小学生所拥有的科学知识毕竟有限，发明过程中的许多问题是他们现有的知识解决不了的，因此，教师要预计他们突破这一发明课题需要运用哪些科学知识，对他们还未学过的科学知识，事先必须向他们传授。（3）是善于启发思考。教师要善于启发，引起他们思考，向发明目标一步步迈进。（4）是及时出主意战胜困难。当小学生在活动中遇到困难时，要给他们出主意、指方向，给予他们精神上的支持，使他们增强战胜困难的勇气。
设计引导
设计就是按照总体构思，制定这个课题的整体图形和各部分的图形。
由于中小学生没有学过机械制图，不要求他们绘制规范的机械图，但是可以要求他们画出示意性的草图，包括整体的形状、大小、外观和色彩等，使这项发明有一个比较完整的雏形。为了使总体设计更加完善、合理，还可以利用纸片、木材、铁丝、泡沫塑料和胶水等材料做出一个模型，再对模型进行改进，并进一步考虑先做什么，后做什么，如何按各部分尺寸、形状进行装配，使发明的总体设计更加完善。
制作引导
按照总体设计制作出样品。样品不是模型，而是一件能够实验使用的实物。样品的各部分功能应符合总体设计。学生在制作样品时。教师要在技术、材料等方面给予支持。对于制作比较困难的样品，教师或家长还要协助，使他们能顺利地将样品制作出来。但是，千万不能包办代替。
评估引导
任何一件发明，只有经过实践的检验，才能判断它是不是合格。因此，教师要指导学生对发明进行评估，看这件发明是不是合格。
如何指导学生对发明进行评估呢？首先，看这项发明是不是前所未有的。即从时间上看，提出这项发明以前是不是出现过同样技术内容的东西或方法；从公开方式看，在国内是否公开使用过或在商店销售过，在国内外的报纸、杂志。书籍、广播、电视、电影和展览会上是否公开发表过、展示过。其次，把这项发明与其他性能类似、用途相同的东西相比较，看是不是在原有的基础上增加了功能、改进了方法和工艺。再次，看这项发明能不能解决生产、工作和生活当中的实际问题，产生良好的社会效益。最后，看这项表明的性能、原理构造和方法等是否符合公认的科学道理，有没有违反科学的错误，对环境是否会增加污染，对人的身心健康有没有影响等。
对发明的评价贯穿于整个发明活动之中，并不是整个发明活动的最后一步。例如，在选择好发明课题之后，就需要考虑所研究的这个课题是否有新颖性，如果失去了新颖性，就应当放弃这个课题，重新选择新的课题。
6.学生科学发明素质的培养
小发明活动没有什么固定的模式，但是发明创造的知识可以学习，发明创造的方法可以传授。只要抓住规律，开拓思路，是能够有所成就的。中、小学生首先应加强对自己创造素质的培养和锻炼。主要办法是：
要破除迷信，树立信念
发明创造既然别人能够搞成，自己也就有可能搞成，不要把它看得神秘莫测，以为只是那些少数天才发明家才能做到的事。这样树立一个立志发明创造的信念是非常重要的精神因素。
目标明确，有较强的好奇心
干什么事情，都要有个明确的目标，搞发明创造也是这样，你要搞一项什么创造，你想解决什么问题，首先应哈中有个大概的轮廓。然后根据自己确定的目标去想问题，找窍门儿，就容易成功。目标又从何处去寻呢？应该在自己的生活中去寻，从自己身边和所接触的事物中去寻。同时还要从小培养自己对事物的好奇心理，这样就可以帮助你选中目标。
善于观察，勤做记录
在第一章观察和实验活动中我们已经谈到了勤观察勤记录的重要性。在发明创造中，观察和记录也是一个重要的法则。勤观察，不仅能够认识事物，而且能够了解事物的优缺点，激发发明创造的动机。做记录，主要是指当你有了什么好的想法，好的构思时，就应该及时把它记下来，这样可以帮助你成功。“猛然想起的好主意很容易被忘掉，所以一定要随时做记录。”这是一位心理学家的教导，请你记住它。
善于联想，善于借鉴
人的生活中常常有这样的事：甲事物与乙事物看上去好像不存在什么联系，但人们可以通过借鉴甲事物的长处去改变乙事物的不足。如果你平时经常注意把耳闻目睹的事物同你确定的目标联系起来思考，进行多侧面的比较，把事物的“长处”接收过来，说不定就能解决你的疑难。
综合思考，反复讨论
搞发明创造要养成时时处处都勤于动脑子的好习惯。不仅要多一些设想，还要勤奋学习，掌握较多的知识，以便对事物进行多角度的综合思考，综合研究。当然，还要记住一句俗话：“三个臭皮匠凑成一个诸葛亮”，搞发明创造不能把自己关在小房子里冥思苦想，还要借助众人的智慧，大家的力量。你不妨把自己的某些想法、某些疑难讲给大家听，让众人反复讨论，提出意见，这样会更好些。
敢于突破，克服惰性
发明创造要敢于突破一些旧思想、旧习惯和旧势力的阻碍。人们在生活中往往有一种情性，对周围的事物和所使用的东西用惯了，看惯了，习惯了，不易发现缺点；另外也有一些人对什么都要求不高，满足现状，缺乏改革热情，这对发明创造是很不利的。因此，要想搞发明创造就得克服这些惰性。
勤于实践，亲自动手
实践出真知，发明创造离不开实践，很难设想，一个不动手脚、脱离实践的人，会搞出什么发明来。要想成功，就得勤实践，勤动手。勤动手包括勤收集情报、资料，勤试验，勤制作。
尊重科学，量力而行
发明创造本身就是科学，还要抱有科学的态度，既不能脱离实际去空想或抱侥幸心理，也不能好高骛远看不起生活中的小事。同时还要根据自己的实际能力去努力，否则是不会有什么成效的。
小发明活动的特点是新颖、合理、实用。关键在于合理。一切不尊重科学规律的“发明”设计，都是不会成功的。小学和少先队组织的任务是要通过一定的组织形式，努力启发队员们的思路，让队员们充分讨论和总结出一些摸索规律的办法，在组织这类活动时，应抓住四个环节：（1）是要向队员们普及一些如何进行发明创造、革新的方法，启发思路，启发队员明确什么是发明创造；介绍有关样品和资料，引导大家评议和剖析，从中得到借鉴和启发。（2）是倡导队员们深人生活，提高观察能力和发现新异现象的能力；鼓励队员们对周围的事物、日常的生活进行观察，遇到不顺手、不方便、不满意的事情，就想方设法去改革，去发明创造，而不要将就对付，得过且过。（3）是鼓励队员们质疑问难，发现矛盾，寻找发明创造的目标，提出设想方案。四是指导设计，修改制作并注意培养队员不怕失败的毅力和顽强的意士。
小发明和大发明是联在一起的，今天热心于小发明的少年儿童，将来就有可能成长为真正的大发明家。
7.对小学生的发明指导方法
根据儿童的心理特点和知识水平，有关专家在进行了大量研究和实验的基础上，提出了12种儿童发明技法。这些技法比较小学生在发明创造中运用，特分别介绍。
加一加
思考方法：可在这件东西上添加些什么吗？需要加上更多时间或次数吗？把它加高一些，加厚一些，行不行？把这件东西跟其他东西组合在一起，会有什么结果？
减一减
思考方法：可在这件东西上减去些什么吗？可以减少些时间或次数吗？把它降低一些、减轻一些，行不行？可省略、取消什么吗？
扩一扩
思考方法：使这件东西放大，或使这件东西的某一部分或几部分扩展，会怎么样呢？
缩一缩
思考方法：使这件东西压缩、缩小；或使这件东西的某部分缩小，会怎么样呢？
变一变
思考方法：改变一下形状、颜色、音响、味道、气味，会怎么样？改变一下次序会怎么样？
改一改
思考方法：这件东西还存在什么缺点？还有什么不足之处，需要加以改进吗？它在使用时，是不是给人们带来不便和麻烦？有解决这些问题的办法吗？
联一联
思考方法：某个事物（某件东西或事情）的结果，跟它的起因有什么联系，能从中找到解决问题的办法吗？把某些东西或事情联系起来，能帮助我们达到什么目的吗？
学一学
思考方法：有什么事物可以让自己模仿、学习一下吗？模仿它的形状、结构，会有什么结果？学习它的原理、技术，又会有什么结果？
代一代
思考方法：有什么东西能代替另一样东西吗？如果用别的材料、零件、方法等，代替另一种材料、零件、方法等，行不行？
搬一搬
思考方法：把这件东西搬到别的地方，还能有别的用处吗？这个想法、道理、技术，搬到别的地方，也能用得上吗？
反一反
思考方法：如果把一件东西、一个事物的正反、上下。左右、前后、横竖、里外、颠倒一下，会有什么结果？
定一定
思考方法：为了解决某一个问题或改进某一件东西，为了提高学习、工作效率和防止可能发生的事故或疏漏，需要规定些什么吗？
教师在传授辅导发明技法时，不要照本宣科，花大力气去讲理论，要多例举小学生成功的发明项目用的思维方法，参考一些有关的书刊，运用小学生喜闻乐见的语言和方式以提高辅导的效果。例如，把一些发明的完成过程编成小故事，通过讲故事让小学生掌握一些发明技法。鲁班发明锯子的故事就是一例。小学生听了这个故事以后，就能懂得模仿法的基本常识。再如，组织小学生开展以某一种发明技法为主的小发明活动，使小学生在活动中自觉掌握这一种发明技法。如实不通过故事、活动等小学生喜闻乐见的方式去传授辅导发明技法，小学生就很难接受。
8.对中学生的发明指导方法
探索需要法
需要和希望是发明之母。了解社会的需求和人们的希望，是寻找发明课题的重要途径。在仔细观察和充分调查的基础上，从生活、工作及学习的需要出发，根据人们的某种希望，下功夫去探索、研究，就会创造出成功的发明来。
探索人们的需要，除了要善于观察生活中的各种问题，积极了解人们对所使用物品的意见，主动调查产品在实际中应用情况以外，还可以召开“需要、希望陈述会”，请到会人员围绕一定的主题，陈述、列举自己的需要和希望，然后收集起来进行综合分析，这些希望和要求就成为发明创造的基础。
缺点列举法
在我们日常的生活中，所使用的东西不可能都是十全十美的。即使是工厂里正在生产的各种产品或是市场上正在销售的各种商品，也并不是完美无缺的，它们或多或少地存着这样或那样的缺点。可是，由于人们身上潜在的惰性的影响，对于这些东西逐渐习惯了，不以为然，很少去研究它们有什么缺点和不足。如果人们对经常使用而又十分熟悉的物品采取“吹毛求疵”的态度，并且深究它们的缺点，分析这些物品在使用时不尽合理的地方，开动脑筋，找出它们的缺点，并对这些物品存在的缺点加以改革，就会成功地搞出一项发明来。这种发明的方法就叫做缺点列举法。
用缺点列举法搞发明，关键是发现物品的缺点，如果能够围绕一种物品发现它的缺点，把所有的缺点列出来，再针对列出的缺点，提出改革设想，这项发明就容易成功了。
怎样指导学生去发现缺点呢？可以从以下四个方面入手。（1）利用课外时间或假日到市场上去搞商品调查，然后进行分析，在调查分析的基础上，发现某些商品存在的缺点和不足。（2）要随时留意自己日常使用的物品，它们存在哪些不足或不便之处，也应该随时留意自己周围的人们对使用某种物品的反映，以发现缺点。（3）要敢于质疑，善于质疑。善于从物品的形态、材料、加工与使用等不同角度提出问题，发现缺点。（4）要对物品的结构、功能等进行仔细分析，通过分析发现缺点和产生缺点的原因，并进一步寻找出改正缺点的方法。
此外，使用好缺点列举法，还要克服安于现状、得过且过的惰性心理。
组合法
把分散的、已有的物品，进行巧妙地调节，并重新恰当地进行组织合成的方法，叫做组合法。组合有以下几种方式。（1）主体附加。在原有的物品上增加一个新附件。如在自行车上增加一个计程表，成为能计程的自行车。（2）异类组合。把两种或两种以上不同功能的物品组合在一起。如收录机就是收音机和录音机组合而成的。（3）同物组合。把若干个相同的物品组合起来。如把许多毛笔组合在一起成为排笔；把两个订书机组织在一起成为双排订书机。（4）重组。分解事物原来的组织，再以新的意图重新组合起来。
组合法是一种简便易行的发明技法，小学生容易掌握和运用。但是，小学生的盲目性比较大，世界上的事物有千千万万，如果把它们一样一样地不加选择地加以组合，那是极不科学的。因此，小学生在运用组合法搞发明的时候，教师一定要指导学生明确组合的目的。通过组合要提高效率，充分利用空间；通过组合使事物互相补充，和谐一致；要注意物品之间相互的适应性，应以提高事物原有的品格为前提：通过组合，还要达到扩大用途，增加功能，增加效益和节约的目的。
特性分析法
特性分析法是选定某一种物品，对其进行特性分析，并将所有特性一一列举出来，再探讨改革方法，最后形成一项有显著进步的发明的发明技法。
一般事物的特性，按词性来分包括以下三大类。
名词特性：如全体、部分、材料和制造方法等。
形容词特性：如性质、状态等。
动词特性：如功能等。
指导小学生用特性分析法进行发明，首先要使他们掌握分析事物特性的方法。怎样分析事物的特性呢？下面以一浊水壶为例为说明。（1）名词特性。
全体：水壶
部分：壶身、壶盖、壶嘴、壶柄
材料；铝、铜、铁、不锈钢
制造方法：冲压焊接、吹胀（2）形容词特性。
性质：轻、重、结实、变形
状态：美观、清洁（3）动词特性。
功能：烧水、装水、倒水、贮水
其次，要组织学生围绕特性进行改革。如该物品还存在什么缺点，怎样改正这些缺点；在该物品上还增加一点什么，可以增加该物品的功能等等。
最后，要对这些改革建议进行综合，使原物品的缺点得以改正，或有新的功能增加。
检核表法
根据需要解决的问题，或者需要发明创造的对象，列出有关问题，然后一个一个来核对讨论，从中获得解决问题的方法和发明设想的技法，叫做检核表法。（1）检核表法的使用程序是：
①对一件产品或某一个事物，从多个方面加以提问，根据不同情况得到一系列新设想；
②对所有设想逐一加以分析，产生最终解决问题的综合方案。（2）检核内容有：
①现有的发明有无其他用途？
②现有的发明能否引人其他的创造设想，或借用、或替代？
③现有的发明是否可以改动一下？
④现有的发明能否扩大用途，延长寿命？
⑤现有的发明可否缩小、减轻、分割？
⑥现有的发明有无代用品？
⑦现有的发明能否更换一下型号和顺序？
⑧现有的发明可否颠倒过来用？
⑨现有的几种发明是否可以组合在一起？
检核表法几乎适用于任何类型与场合的发明活动，享有“创造技法之母”的美称。
智力激励法
在进行发明时，设想越多越容易成功。怎样才能获得大量的创造性设想呢？美国创造学家奥斯本首先提出了智力激励法。后来，人们又对这种方法进行补充修改，产生了一些改良式的智力激励法。
无论是正统的还是改良的智力激励法，通常都是通过一个人数不多的会议来实现。在会上，人们自由地发表看法，互相启发，从而能提出许多的设想。其具体做法有如下几种形式。（1）奥斯本式。
参加会议的人不多于10人，以利于充分发表意见。会议的时间一般在1小时以内。会议的内容要明确。到会人员可围绕课题任意发表观点，无上下级之分，不分多数人的意见和少数人的意见。由于到会人员能够受到别人的设想的启发，并发表新产生的设想，因而会议结束时，可以得到数十个或数百个设想。（2）默写式。
每次会议由6个人参加，每个人在5分钟之内要提3个设想。开会时，首先提出发明的题目，在对发明题目解释完毕后，让到会的人填写卡片。每张卡片上有3个编号。在第一个5分钟之内，每人在卡片上填3个设想，然后将卡片传给下边的人。在第Th个5分钟内，每个人从3个设想中得。帕发，再填上3个新设想，并把卡片传给下渡的人。依此类推，半小时一共可产生108个设想。
以卡片式。此种形式又可分为CBS法和NBS法两种。
CBS法的做法是：每次会议由3～8人组成，每人持50张小卡片，会议大约持续回小时。会议的议题明确后，最初10分钟内，到会者独立填写卡片（每张卡片一个设想）。接下来的30分钟，到会者轮流发表自己的设想，每次读一张卡片，然后由其他人提出疑问，并填写由于启发而产生的新设想。最后的20分钟，让到会者自由交流设想，并将新设想记下。
NBS法的做法是：会前明确主题。每次会议由5－8人组成，每人需将5个设想填在5张卡片上。会议开始后，每人对自己的卡片进行说明。当别人受启示而产生新设想时，应立即填在备用卡片上。全部发言结束后，将所有卡片集中分类，放在桌子上，每类卡片加一个大标题。最后讨论一次，选出可实施方案。（4）三菱式。
在宣布了会议的议题后，花费10分钟让到会人员分别在纸上填写设想。接着，每人轮流讲述自己的1～5个设想。别人在受到启发后也可以将新设想填在卡片上。然后，每个人将自己的提案汇总，写成正式提案。正式提案写成后，到会人员可以互相提问，进一步修改提案。最后，会议主持人将每个人的提案用图解方式写在黑板上，让大家充分讨论，以便确定最佳方案。
智力激励法的会议一般按如下步骤进行：
第一步，由会议主持人提出研究题目，明确目的要求。
第二步，参加会议的人围绕研究课题进行独立思考，将自己的设想记在笔记本上准备发言或写在卡片上。
第三步，依次发表自己的发明设想。与此同时，会议主持人和其余的人都将每个人的发明设想记录下来。
第四步，对每个人发表的发明设想大家分析、补充。与此同时，参加会议的人都根据别人的设想触发自己的灵感，记在笔记本上，准备提出更新的设想或补充。
第五步，就自己最感兴趣的设想，互相咨询，详细了解设想内容。
第六步，沉思5分钟后，再进一步依次提出新的设想和补充意见。
第七步，主持人将全部设想进行整理、归纳、拟出方案，再公布。
第八步，全体参加者对所提方案进行分析、比较，最后集中大家意见，确定最佳方案。
要使与会者全神贯注，集中注意力，充分发挥各人的智慧，必须要求他们遵守以下规则：
①参加人数以5～8人为好，最多不超过10人；
②开会时间以半小时到1小时为限度；
③主持人在召集开会前，必须向参加者明确研究的课题；参加人如有不清楚、不明白的地方，主持人应负责解释清楚，使参加者心中有数；
④参加人在明确研究目标的基础上，必须围绕议题进行广泛的联想，通过独立思考之后，尽可能多地发表自己的创造设想；
⑤在会上，任何人不许批评或指责别人提出的设想，更不要讥笑和嘲讽；
⑥鼓励任意思考，打消顾虑，大胆设想，想法越多、越新奇越好；
⑦在会上，对任何人提出的设想，都不作判断性结论，待会议结束。后，再进行整理和评论；
⑧在会上，不准私下交谈，干扰别问人的思路，发表意见的人，必须针对研究问题，集中注意力，把思路表达清楚，使参加者都明白；
⑨参加者应注意听取每个人的发言，利用别人的想法来激发自己的灵感，或结合几个人的想法，综合考虑，另提出自己创新的更好的设想；
⑩每个人提出的设想，不分好坏，一律记下来。
设问法
设问法是围绕现有的事物，以书面或口头形式提出各种问题，通过提问，发现现有事物存在的问题和令人感到不足的地方，从而找到要革新的方面，发明出新的事物来。设问法有很多，比较著名的有以下四种：（1）5W2H法：
就是从7个方面去设问，这7个方面的英文第一个字母恰好是5个W和2个H。
①为什么需要革新（WHY）？
②什么是革新对象（WHAT）？
③从什么地方着手（WHERE）？
④什么人来承担革新任务（WHO）？
⑤什么时候完成（WHEN）？
⑥怎样实施（HOW）？
⑦达到怎样的水平（HOWMUCH）？（2）七步法：
第一步，确定革新的方针；
第二步，收集有关资料数据，作革新的准备；
第三步，将收集的资料数据进行分析；
第四步，将自由思考产生出来的各种各样的创造性设想一一记录下来，并构思出革新方案；
第五步，提出实现革新方案的各种创造性设想；
第六步，综合所有有用的资料和数据；
第七步，对实现革新方案的各种创造性设想进行评价，筛选出切实可行的设想。（3）行停法：
行停法是通过“行——扩散思维（提出创造性设想）”与“停——集中思维（对创造性设想进行冷静的分析）”的反复交叉进行的设问方法。其具体步骤如下。
行——想出与所需要解决的问题相关连的地方。
停——对比进行详细的分析和比较。
行——对解决问题有哪些可能用得上的资料。
停——如何方便地得到这些资料。
行——提出解决问题的所有关键处。
停——决定最佳解决方法。
行——尽量找出试验的方法。
停——选择最佳试验方法。
……直至发明成功。（4）八步法：
①认清环境；
②设定问题范围与定义；
③收集解决问题的创造性设想；
④评价比较；
⑤选择最佳方案；
⑥初步设计；
⑦实地试验；
⑧追踪研究。
信息交合法
信息交合法就是一个由多维信息标组成全方位信息反应场，在这个反应场中，信息和信息交合产生新信息的发明方法。具体实施步骤如下：（1）定中心。
将新研究的事物、物体或产品圈起来，确定它的位置。如：研究笔，则将笔圈起来，并把它作为一个多维坐标的中心。（2）划标线。
根据中心信息的需要，通过坐标的中心，划几条坐标线，准备串起有关信息序列。如：构造、功能。材料等等。（3）注标点。
就是在信息标上注明有关信息点，如笔杆、笔帽、装饰、赠品……（4）相交合。
以一条线上的信息为母本信息，以另一条标线上的信息为父本信息，相交可产生子信息。即新信息、新产品、新品种。如塑料与装饰交合为塑料装饰笔，再与温度交合，则为表示温度的塑料笔。
利用信息交合地进行发散思维时，要注意如下三个基本要求：
①整体分解原则。即把系统整体按一定程序进行分解。首先根据目标的要求划分出不同的层次，按层次得到要素，一直分到需要的层次为止。
②信息交合原则。先要重视本体交合，即事物本身要素的交合；其次是打破原有功能的框框，引人不同类知识的信息标，进行大范围的“边缘交合”。
③结晶筛选原则。对组合中出现的千万个新品种，应根据评价的结果进行筛选。筛选时要注意新品种的实用性、经济性、易生产性和审美价值。
移植法
在发明创造中，将某个领域内原理、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，就是移植法。
移植法有两条途径，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。这两条途径的思考程度是不一样的。（1）是将原理、方法应用于具体事物，思考方法如下：
①已知的原理或方法；
②列出这个已知原理或方法能产生的具体功能；
③列出现实生活中需要这些功能的事物；
④提出各种应用原理或方法的设想；
⑤检验这些设想。（2）是为解决问题寻求原理、方法，思考步骤如下：
①提出对未来发明品的要求；
②明确需要解决的关键问题；
③列出在现实生活中能解决这个问题的各种装置；
④提出各种移植设想；
⑤检验这些设想。
扩展用途法
扩展用途法就是把一个现有事物的用途扩展到多方面用途，使其发挥更大作用的发明技法。
扩展用途法在发明的实际运用中，没有一种固定的思考程序，其思维方式是扩散型的，应该把握的重点是针对某一事物为了扩展用途而进行发散思维，引发出大量的创造性构想、评价，找出可行性最大的构想，努力使之实现。（1）事物用途的扩展，常有以下几种方式：
①直接将某种东西运用到另一类事物中去，作用不变；
②在某种东西为主体的情况下，增添附加装置，用途不变，达到功能增加的目的；
③把某种东西同其他东西进行巧妙地组合，功能互相渗透。（2）运用扩展用途法去发明要注意以下几点：
①经常思考一种物品在不同的场合下会有什么新的用途，是产生新发明的简便方法。
②从一种物品所具有的用途，去扩展它的新用途，也可能会有新的发明产生。
③经常注意研究废弃物品的新用途，也是取得发明成功的有效方法。
④对原有物品的性能稍加改变，扩展这种物品的新用途，也可产生新的发明。
第二章 学生科学试验制作与发明启迪
1.燃烧实验的启迪
人类对各种自然现象的认识，都有一部曲折发展的历史。拿我们日常生活中经常用到的火来说，人们对它的认识，从北京猿人使用野火到今天，已经有5000万年以上的历史。在认识火和燃烧现象的漫长征途上，充满了许许多多的风浪和波折。回顾这个历史，我们可以看到，人类对事物的认识是怎样在错综复杂的矛盾和斗争中辩证地发展的。
千古之谜
火是一种常见的自然现象。我们都见过枯槁的野草和树枝着火的情景，可是在自然界里会着火的又岂止草木。火山爆发时，熔岩滚滚；鼓风炉里，烈焰翻腾，这些都是坚硬无比的石头在燃烧。就是钢筋铁骨，也不免会被猛火烧成灰渣。就连太空中炎炎的烈日，又何尝不是一个燃烧着的大火球。
关于火，古代流传着许多神话和传说。在古希腊的神话中，据说人间的火是天神普罗米修斯冒着触犯天规的危险从天上偷到人间来的。在我国古代，人们则传说，火是一个叫燧人氏的人发明的。古代劳动人民通过对幻想中的驯火英雄的崇敬来表达他们要求征服自然的美好愿望。同时，这些神话和传说也十分自然地留下了我们先辈对自然界缺乏认识的痕迹。他们虽然已经通过用火感受到了火的光明和温暖。但在他们看来，火还是那么不可理解，是一种神秘莫测的东西。所以，在他们心目中，能驯服火的只有神仙或圣人。
当然，在古代，由于生产力水平低下，人们的认识还很难正确地反映自然界，火终究不是神，也没有什么赐火予人的神仙或圣人。
什么是火，当火成为人们生活和生产不可缺少的东西的时候，人们就十分自然地把火看成是宇宙万物的来源。我国古代“五行”说的金木水火土中有火；古代印度“四大”说的地水火风中有火；古希腊“四元”说的水土火气中也有火；古希腊的赫拉克利特甚至把整个世界都看成是“一团永恒的活火”。
在古代人看来，火是一切事物中最积极、最活跃、最容易变化的东西。它能促成事物的转化，整个世界就在烈火中永恒不息地变化着。要问火本身是什么，人们还只能依托于感觉，在古代哲学家的眼中，火就被看成是干和热两种原始性质的化身。人们从崇尚火到感觉火，从不会用火到学会用火，从只会用野火，到发现钻木取火。这都是人类同大自然长期斗争的结果。
用火，是人们认识火的真正起点。用了火，就能把石头炼成金属，把砂粒和灰碱烧成了玻璃。于是，人们开始认识到，火除了发光、发热之外，还能使物质发生变化。这样，火就不仅仅是光和热的化身，而成了变革物质的强大力量。
火山爆发、雷电轰击、陨石落地和长期干旱都可能产生火。人类在实践中不仅感觉到了黑暗中火带来的光明，寒冷中火的温暖，而且还发现了经过火烧过的食物更为可口，在熊熊的大火面前，动物相望而逃，火还能够驱赶猛兽，保护人们的生命安全。于是人们从野火中引来了火种，使火为人类服务。这是人类支配自然的伟大开端。
人类掌握了火，可以用火来烧烤野兽的肉和植物的根茎，从而结束了原始人类那茹毛饮血的野蛮而落后的时代。吃熟食不但减少了疾病的发生，缩短了消化过程，同时也为脑髓的发育提供了丰富的营养，使人类大脑的发育一代比一代完善起来。摩擦生火是人类在生产实践中发明的，在打制石器的过程中，往往发现某些石头相击会产生火星。人们在使用木制工具时，发现枯木被猛力相摩擦就会发热，摩擦出的木屑热到一定程度也会生成火星，火星由于周围有较高的温度，燃烧时间相对较长，若再遇到易燃的干草之类的纤维，就能燃起火焰。于是人们由此发明了钻木取火等方法。人们尝试着用火去烧烂泥、石头之类的东西时，马上就在改造自然的斗争中取得了一系列的重大成果。制陶术的出现，就是用火烧烂泥的直接结果。后来，人们又从石头里烧出了金属。自然界里含锡的铜矿石，经过粗糙的烧炼，就能得到自然的青铜。又过了许多年，人们才学会了炼铁，制造铁器。
烧陶要善于掌握火候，烧青铜需要更高的温度，至于炼铁，对用火技术的要求就更高了。所以，从发明摩擦取火，经过陶器时期，青铜时代，一直到铁器时代，这里的每一个进步，都同火有着密切的联系，都反映着人类利用火、控制火的能力和水平的提高和进步。随着火的利用不断扩大，煮盐、酿酒、烧玻璃等生产技术陆续出现。从此，人类要发展生产，再也离不开火了。火成了人类改造自然的重要武器，成了“人类新的解放手段”。
火既然能使事物千变万化，那么使粪土化为黄金又何尝不可能呢？
公元1世纪，在古希腊的亚历山大里亚城就流传着一种制造“黄金”的工艺，人们用锡、铅、铜、铁等金属熔制成一种黑色熔块，随后加些水银或砒霜使它变白，最后涂上一层硫磺石灰液或媒染剂，使它呈现金黄色的光泽，“黄金”就制成了。
炼金术起源于炼制金属的实践。古代随着冶金技术的发展，人们已经学会用混合各种矿石或在现成的金属里添加各种成分的方法来炼制各种金属。当时，人们只能根据颜色和光泽来分辨金属的“贵贱”，看到金黄、银白就以为黄的是金，白的是银。人们偶然制得一些光泽和色彩都很像金银的合金，便以为是真的黄金和白银。少年朋友们，今天，当你们听到这些无知的人们的所作所为时，你们一定会觉得很荒唐可笑吧。可是，他们有自己的一套自圆其说的理论，每日津津乐道地陶醉在自己的梦想之中。他们认为，之所以能把黑铁化为黄金是因为一切金属在本质上是一样的，都是阳性、火性、燃烧性的“硫”和阴性、水性、挥发性的“汞”相结合的产物。这里所说的硫和汞还不是我们今天所指的化学元素，而是某些神秘的本原。金属的“贵贱”决定于这两种本原在量上的差异。汞多就“贵”，硫多就“贱”。而火在他们的手里就更加神秘了，他们认为，火能烧去其中的硫，留下贵重的汞。所以贱金属愈烧愈精，最后变成宝贵的黄金。
炼金术从我国起源，最后传入欧洲，先后在我国、阿拉伯国家和欧洲的封建社会里盛传了一千七百多年。长期以来，烧金术士脱离劳动人民的实践，关在与世隔绝的幽暗的丹房里，沉醉于点石成金、发现“人造黄金”的梦想之中。虽然他们也长期用火，但是方向错了，指导思想也错了。他们始终没有把人类对火的认识，对燃烧现象本质的认识推进一步。在炼金术支配着火的漫长时期内，关于火和燃烧现象的学说，本质上是唯心主义的，他们把火看成是构成万物的元素和本原，认为物体燃烧则有火分解出来，而留下的是像土或盐那样的灰烬。炼金术士的神话根本无法解答与燃烧现象有关的各种问题。
火微粒与火燃素
大规模用火的实践，把人对火的认识大大地推进了一步。火，在炼金术士的手里，几乎没有结出多少有益的果实。但一旦从炼金术士的丹房里解放出来，却产生了巨大的成果。生产的发展，需要通过化学实验来了解火和燃烧现象的本质。但是，炼金术关于燃烧的神话，严重地阻碍着人们对火的认识的发展。要进步，就必须扫除横在前进道路上的这些障碍和绊脚石。于是，一场近代化学反对经院哲学和炼金术的斗争，就不可避免地爆发了。站在这一斗争前列的是英国资产阶级的早期活动家罗伯特·波义耳。波义耳，这个曾经访问过罗马，被意大利文艺复兴运动和伽利略反对经院哲学的斗争深深激动着的年轻人，在1644年——英国资产阶级革命的高潮中，返回祖国，开始从事自然科学的研究。
如果只看现象，许多物体经过燃烧后确确实实都化为灰烬。特别是植物燃烧，在燃烧后只留下了不多的一点灰，似乎它们在燃烧时真有大量的火分解出来似的。但是，波义耳却注意到，金属在燃烧以后，剩下来的灰渣往往比金属本身重，金属的灰渣比金属本身还要复杂。可见，炼金术关于物质构成和火的观念是根本错误的。他们的理论像孔雀的羽毛，虽然好看，但却没有什么用处。
波义耳收集了大量的材料，并亲自做实验来研究这一问题。1603年，他开始了对火的燃烧现象的定量实验。他在密闭的容器内煅烧金属铜、铁、铅、锡等，他发现，燃烧后的这些金属都无例外地增加了重量。这个重量是从哪里来的呢？是不是某种有重量的东西，穿过容器壁上的微孔，跑进容器，同里面的金属结合起来了？如果是，这种东西又是什么呢？经过反复思考，波义耳认为，这种东西就是火。火应当是一种实实在在，由具有重量的“火微粒”所构成的物质元素。从这个观念出发，他认为，植物燃料在燃烧时，物体的极大部分都变成火焰散失到空气中去，只留下了同物体本身的重量相比是微不足道的灰。而金属燃烧时，从燃料中散发出来的火微粒钻进了金属，并与它结合而形成了比金属本身要重的煅灰。所以，他对金属经煅烧而加重的解释可以用一个式子表达出来，那就是：金属＋火微粒＝煅灰。他把煅灰看成是金属的化合物，这比起炼金术的说法要前进了一步，而且也似乎有一定的科学性，因为它毕竟是经过一定的实验而得出的结论，并非背离事实的主观臆想。但是，波义耳的实验太片面了，他在实验中只注意到密闭容器里的金属重量增加的一面，而没有同时考察和金属密切地接触着的空气是否也发生了变化的一面。
火微粒为什么只会钻进结构紧密的金属，使它增加重量，而不能钻进木头、石头等这些结构比较松散的东西，使它们的重量也有所增加呢？这些复杂而又矛盾的现象又怎能用机械的“火微粒”来解释呢？波义耳的火微粒显然不能被人们所接受，它很快就被新的理论所取代，这也是历史的必然。
为了统一对燃烧现象的认识，18世纪初，普鲁士王的御医施塔尔，在概括已有观念和综合各种事实的基础上，把炼金术的燃烧性“硫”和波义耳的“火微粒”结合在一起，提出了一种折中的学说——燃素说。
燃素说把火看成是由无数细小而活泼的微粒构成的物质实体。这种火的微粒既能同其他物质元素结合而形成化合物；也能以游离方式存在，所谓的游离就是单独存在的形式。游离的火微粒大量地聚集在一起，能形成明显的火焰，弥散于大气之中，给人以热的感觉。由这种火微粒构成的火的元素，就叫做“燃素”。
按照燃素说，燃素充塞于天地之间，流动于雷电风云之中。在地球上，动物、植物、矿物都含有燃素。大气中含有燃素，因而会在空气中引起闪电，而使大气动荡不已；生物中含有燃素，所以才生机勃勃；无生命物质含有燃素，就会燃烧起来。燃素不仅具有各种机械性质，而且又像灵魂一样，本身就是一种动因，是“火之动力”。物体失去燃素，变成死的灰烬。灰烬获得燃素，物体又会复活。
当用燃素说解释燃烧现象时，则可以认为一切与燃烧有关的化学变化都可以归结为物体吸收燃素和释放燃素的过程。煅烧金属，燃素逸去，变成煅渣；煅渣和木炭共燃时，煅渣又从木炭中取得燃素，金属重生。燃烧硫磺，燃素逸去，变成硫酸；硫酸和松节油共煮时，又从松节油里夺回燃素，硫酸又被还原成硫磺。在燃素说看来，物体中含有燃素越多，燃烧起来就越旺，比如说：油脂、炭黑、硫、磷就是极富有燃素的物质。“燃素”的含义似乎与火微粒相像，但要知道，他们两方对金属煅烧过程的解释却恰恰相反，按照燃素说，其过程可以表示为：金属－燃素＝煅灰。
燃素说虽然比炼金术能解释更多定性的化学现象，但是它同炼金术一样不能解释金属煅烧增重的事实。既然金属在煅烧时要逸出燃素，为什么煅渣的重量反倒增加了呢？为了说明这一点，人们不得不加给燃素一些神秘莫测的性质。有人说，燃素是和地心相排斥的，具有负重量，因此金属失去燃素时，重量反而增加了。有人说，金属失去燃素，就好像活着的人失去灵魂，死了的尸体比活着的躯体要重，死的灰渣自然就比活的金属重。
机械论者看不到燃烧现象的本质，任意杜撰了一个由莫须有的“火微粒”所造成的燃素。然而，用燃素又不能解释全部燃烧现象。怎么办？在科学还深深禁锢在神学之中的历史情况下，形而上学的机械论只好转向传统的神秘论求救，以为只要给燃素这个“臆想出来的”物质再加上一些臆想出来的神秘特性，就可以把它变得像灵魂一样神通广大。所以，在燃素说中还深深地遗留着“万物有灵论”的痕迹。这样，它当然经不起实践的考验。经过人们多方探索，结果谁也没能拿到燃素，特别是人们对化学反应更多地进行了定量研究后，越来越使燃素说陷入了无法克服的困境。
燃烧和空气
中国有句俗语叫“火仗风势”，意思是说空气流通越好，火着得越旺，沙土能够熄灭熊熊燃烧的火，就是因为沙土将空气和火分离开了，从而使火熄灭的缘故。火和空气往往是不可分的，要燃烧总要有空气。所以要对燃烧现象有比较深入的了解，就要知道燃烧和空气的关系，揭示火与气的内在联系。
实际上，远在古代，人们早就在日常生活和生产实践中，掌握了鼓风助燃的道理。鼓风就是鼓空气，空气鼓得越足，火焰也越旺盛。但是，在整个古代，人们对自然现象还缺乏细致的分析。火和空气到底有没有关系呢？有许多人看来，还是个谜。直到后来有一次，波义耳把一个玻璃瓶中的空气抽成真空状态，再在这个抽成真空的瓶中点燃蜡烛、焦炭、硫磺等可燃物体，结果发现它们都不能燃烧，完全失去了燃烧能力。他发现，火焰不能在这个抽成真空的瓶中存在。这样，人们才意识到火和空气之间原来是有着必然联系的。
火和空气有联系，那么是什么样的联系呢？在17世纪下半叶，英国的物理学家和化学家胡克曾对此问题有过研究。在他看来，空气好比一种溶剂，燃烧就是可燃性硫在空气中溶解的过程。当可燃性物体中的硫大量地溶解到空气中去的时候，产生了许多热，这就是火。在燃素说发展起来以后，空气就十分自然地变成了燃素的溶剂。有空气，燃素就能溶解出来；没有空气，燃素自己不会从物体中跑出来。所以，直到18世纪上半叶，人们对空气的认识还相当笼统和模糊。空气是“空气”，其他气体也是“空气”。一说起“空气”就是一种包罗万象，笼统称之为“气”元素。面对这样的混乱局面，总有些人设法去改变它。
1755年，英国的化学家布拉克做了一个实验，通过这个实验他发现了“固定空气”即二氧化碳（也叫碳酸气），这才把笼统的“气”元素打碎了。布拉克把石灰石放在容器中煅烧，煅烧前后分别称其重量，结果发现，煅烧后石灰石的重量减少了44%，他断定这是因为有气体放出的缘故。石灰石是烧石灰的原料，他又将石灰石放入酸中，发现石灰石遇到酸还会“吱吱”冒气，为什么石灰石遇酸会冒气呢？这种气体是什么？布拉克用集气瓶把这种气体收集起来，并用石灰水吸收它，结果澄清的石灰水由于吸收了这种气体却变得混浊起来。再把点燃的蜡烛放在盛有该气体的集气瓶中，蜡烛马上熄灭。这种气体果真厉害！于是布拉克想，它既然有这么大的威力，看看它对有生命的东西会怎样？他把麻雀和老鼠等小动物拿来，然后把它们一一放到盛有这种气体的集气瓶中，结果，麻雀也好，老鼠也好，没有一个可以幸免于死，它们先是痛苦地挣扎着，随后便慢慢地倒在瓶里，再也不能动弹了。布拉克觉得这种气体实在是值得研究，于是想把它收集起来，当他用一瓶盛有石灰水的瓶子来收集这种气体时，他又发现，这种气体的重量与煅烧时放出来的气体重量相等。很显然，这种气体与寻常的空气不一样。由于这种气体是固定在石灰石中，当时布拉克就叫它“固定空气”。以后，布拉克又以碳酸镁做了类似的实验，发现镁石中也存在“固定空气”。这样，在布拉克实验的启迪下，人们不久就发现，“固定空气”不仅存在于石中，动物呼吸中也有，而且木炭燃烧时也有“固定空气”生成，在大气中也常常包含着“固定空气”的成分。“固定空气”既固定又不固定。
在燃素说看来，石灰石煅烧失重，变成碱性的石灰，完全是石灰石在煅烧时吸收了燃素的结果。然而，联系到石灰石遇酸冒气的事实，在对石灰石的煅烧过程进行了大量的研究以后，布拉克断言，石灰石的失重，石灰的碱性，都是由于失去了酸性的“固定空气”所引起的，而与吸收不吸收燃素没有丝毫的关系。这一发现无疑是对燃素说的一个沉重的打击。
但是由于“固定空气”易溶于水，因此布拉克等始终未能收集到纯净的这种气体。直到1766年，英国人卡文迪许才用汞槽法收集这种气体并取得成功。卡文迪许测定了“固定空气”的比重和溶解度，并用确凿的实验证明了它和动物呼出的气体，以及木炭燃烧后产生的气体相同。这种气体后来人们称它为二氧化碳。就这样，人们在大量的科学实验的基础上，发现了二氧化碳气体，从此人们对火和燃烧现象的认识也便走向科学的轨道上来。
二氧化碳的发现，揭开了气体化学的序幕。从此，一系列的气体陆续从空气中分离出来了。
卡文迪许在测定了二氧化碳的一些性质以后，又开始继续他的定量的实验研究。他用铁和锌等作用于盐酸及稀硫酸制得了氢气，并用排水集气法收集了起来。他在实验中发现，用一定量的某种金属与足量的各种酸作用，所产生的氢气其量总是固定的，与所作用的酸的种类无关，也与酸的浓度无关。有一次，他将收集到的不纯的（混有空气）氢气用火点燃，结果，“轰”的一声爆鸣声吓了他一跳，这可是以前没有发现的现象。于是卡文迪许认识到这种气体和其他已知的各种气体都不同，它既不像空气那样有利于燃烧，也不像“固定空气”那样能被碱吸收，它本身却能在空气中燃烧，且发出轻轻的爆鸣声，他把这种新发现的气体——氢气，叫做“可燃空气”。
这种气体是从哪里来的呢？从制作方法上看，它不是从酸中而来，就是从金属中而来，卡文迪许认为这种气体不是酸中产生的，而是由金属中分解出来的。由于卡文迪许是燃素说的虔诚信徒，他认为金属中含有燃素，金属在酸中溶解的时候，他们的燃素便释放了出来，形成了“可燃空气”——氢气。他甚至误认为氢气就是燃素。
二氧化碳的发现，否定了燃素说对石灰石煅烧失重的解释，而氢气的发现却又成了论述燃素存在的新证据。燃素到底有没有？氢气真的是燃素吗？燃烧的原因到底是什么？这一连串的问题成了当时的大问题，它迫使化学家们继续不断地向前探索。
18世纪70年代，法国已经进入了资产阶级革命的前夜，在英国，一个大规模的工业革命高涨时期已经到来。社会的进步有力地促进了工业生产的新高潮，工业机械化的需要对冶金工业，特别是钢铁工业，在数量和质量上都提出了新要求。而要提高金属的质量，第一步就必须弄清楚在鼓风炉里发生着的化学过程的全部细节。
一般说来，鼓风炉里，不外总是矿砂和焦炭在燃烧。但谁都知道，不鼓风，没有空气的帮助，矿砂、焦炭本身是烧不起来的。在各种物质中间燃烧关系最大的还是空气。这样，人们再也不能忽视空气的作用了。正如有些科学家所断言的那样：“要作出有关火的现象的任何真实的判断，没有空气的知识是不行的。”为了了解燃烧的本质，人们的注意力就愈来愈多地集中到空气上来了。
对空气的深入剖析，首先是从考察二氧化碳即“固定空气”的来历入手的。为什么木炭在空气中燃烧会生成二氧化碳，二氧化碳本身又是什么？1772年，英国的卢瑟福对空气进行了初步的剖析，进行了一系列的实验研究。
有一天，卢瑟福将一只小老鼠放进了一个密封的容器里，然后观察老鼠的反应。起初的时候，小老鼠艰难地喘息着，渐渐地呼吸越来越困难，最后可怜的小老鼠就闷死在器皿中。等这一切都发生过了，卢瑟福发现容器内空气的体积比以前减少了，容器内剩余气体再用碱溶液来吸收，气体还会继续减少。这说明容器中的空气含量中，有一部分是氧气，小老鼠吸收完这些氧气后，就再也得不到生命所必需的气体——氧气而一命呜呼了。还有一部分就是能被碱液吸收的碳酸气，也就是二氧化碳。
卢瑟福就是用这种方法除去空气中的氧和二氧化碳，并且对剩余气体作进一步的实验研究。他在老鼠不能生存的空气里点起一支蜡烛，蜡烛仍然可以隐隐发光；等到蜡烛熄灭后，往其中投入一小块磷，磷还会发光燃烧。通过这些实验现象，他觉得要从空气中除净这些助燃烧和助呼吸的气体是很困难的。以后，他又在密闭的器皿中，利用燃烧磷来除去这种助燃烧和助呼吸的气体，发现效果很好。卢瑟福并没有因找到了除净空气中的氧的办法而终止他的实验。他又继续做了大量的实验研究，发现器皿中的剩余气体不但能灭火，而且还不能维持动物的生命，他给这种剩余气体起名叫“浊气”。他所说的“浊气”其实就是氮气。“浊气”为什么能灭火呢？卢瑟福有自己的理论，他认为“浊气”是给燃素饱和了的空气，意思是说，因为它已吸足了燃素，因此失去了助燃能力。
当然，18世纪的任何发明与发现，都是很难属于某一个人的。当时在研究空气和燃烧关系的科学家还有瑞士的舍勒，英国的普利斯特里和卡文迪许，法国的拉瓦锡等。他们所用的实验方法几乎相同，并且都发现了空气中主要含有两种成分——有助于燃烧和呼吸的气体（氧气）和对燃烧和呼吸不利的气体（氮气）。但是，这两种气体是什么，当时还没有人对它们达成统一的认识，在这个问题的认识上，由于每个人的指导思想不同，因此他们只好分道扬镳了。
百年实验
出身贫寒的瑞士药剂师舍勒，为了谋求生活，一直在药房打工，他经常利用工作之余做一些实验来研究身边所发生的各种问题。燃烧现象的研究兴起以后，他便利用药房的一些方便条件，做了一系列的实验。他能用两种方法来制取氧气，这在当时是很了不起的事情。他总结了自己所做的各种实验结果，最后得出结论。他认为，空气能够助燃是因为空气中含有一种特殊的成分“火气”，它特别容易吸收燃素，“火气”吸收了物体中的燃素后变成了热，通过容器壁上的细孔跑掉了，结果就留下了完全不会吸收燃素的“浊气”。“浊气”是一种同燃素没有任何关系的气体。其实，舍勒所说的“火气”和“浊气”就是我们今天所说的氧气和氮气。尽管他关于“火气”吸收燃素变成热的见解近乎荒唐，但他却是第一个确认空气中包含两种成分的人。
1774年，普利斯特里利用一个直径为0.3048米的聚光镜来进行物质加热实验，看一看物体加热后会不会放出气体，并用汞槽来收集产生的气体，以便研究它们的性质。
8月的一天，他像以往做其他物质的分解实验一样把汞煅灰（氧化汞）放在玻璃器皿中用聚光镜加热，不一会儿，器皿中的物质就分解了并放出气体。他想，这种气体一定是空气。他用上水集气法收集了放出的气体，然后把点燃的蜡烛放在集气瓶中，结果蜡烛燃烧得更旺了，火焰也更加明亮起来。这使普利斯特里非常兴奋，他心里想，再用老鼠试试看，于是他把老鼠放在集气瓶中，同时，他把另一只放在盛有空气的同样瓶中，结果，在盛有空气的集气瓶中的老鼠早早地就死去了，而另一只老鼠则比它活的时间长了很多。这只“幸运”的老鼠为什么能多活了这么长时间呢？一定是这种气体有助于动物的生存，不妨自己试试看。普利斯特里大胆地试着吸入这种气体，呀！真奇怪，他顿时觉得呼吸轻快了许多，使他感到格外舒畅。
其实，这些实验结果已雄辩地说明了空气中含有一种能够助燃烧和助呼吸的成分——氧气。但是，普利斯特里是个极顽固的燃素说的信徒，即使有了以上这样的实验依据，他还仍然认为空气是一种单一的气体，助燃能力所以不同，是因为燃素的含量不同。从汞煅灰里分解出来的是新鲜的、一点燃素都没有的空气，所以吸收燃素能力特别强，助燃能力也就格外大，他把这样的空气叫做“无燃素空气”；平常的大气，由于经过动物的呼吸，植物的燃烧和腐烂，已经吸收了不少燃素，所以助燃能力就比较差了。一旦空气被燃素所饱和，就不会再继续助燃，变成了“被燃素饱和了的空气”，也就是卢瑟福所说的“浊气”。
总之，在普利斯特里看来，氧气和氮气的差别仅仅在于氧气是一点儿也不含燃素的空气，氮气是吸足了燃素的空气，平常的空气就是在燃素的含量上近乎两者之间。
法国的拉瓦锡是燃素说的根本反对者，当他了解到了普利斯特里有关氧气的实验后，他花费了大量时间，把大量的精确实验材料联系起来，用天平作为研究的基本工具，对前人做过的许多实验进行了定量分析，终于揭露了燃素说的内在矛盾。
1774年，他用锡和铅做了著名的金属煅烧实验。他在实验仪器是一个曲颈瓶和一架天平。他把事先准备好的锡和铅精确地称量好，分别放入曲颈瓶中，用塞子把瓶口密封，再用天平精确地称量金属与瓶的总重量，然后加热，直到铅和锡全部变为灰烬，再用天平进行称量，结果他发现，加热前后，总重量没有变化。另一方面，当他把曲颈瓶子打开时，发现有空气冲了进去，这时再进行称量，瓶和金属煅灰的总重量却增加了，而且所增加的量和金属经煅烧后增加的重量恰好相等。在事实面前，拉瓦锡对燃素发生了极大的怀疑，金属的煅灰会不会是金属和空气的化合物？为了证明这个想法，他又用煅灰反复做了许多实验，结果意外地发现，把煅灰与焦炭一起加热时有大量二氧化碳释放出来，同时，煅灰又变成为金属铅。这使他感到不仅是简单地从焦炭中吸取一点燃素的问题了。否则那么多的二氧化碳从哪里来？再联想到焦炭在空气中燃烧也生成二氧化碳的事实，使拉瓦锡更确信煅灰是金属和空气相结合的产物，而且，煅灰在和焦炭共热时所放出的二氧化碳一定是从煅灰中释放出来的空气与焦炭相结合的结果。
要想证明这个结论，最有说服力的当然就是想办法从金属煅灰中直接分解出空气来。于是他又设计了一个实验，加热铁煅灰。但是实验的最后结果并没有得到空气，实验没有成功。正当拉瓦锡遇到困难的时候，当时在巴黎访问的普利斯特里把从汞煅灰中分解得到“无燃素空气”的实验事实告诉了拉瓦锡，拉瓦锡马上用聚光镜重复了普利斯特里的实验。从汞煅灰中分解出了比普通空气更加助燃、助呼吸的气体。
接着而来的问题是，为什么汞煅灰里分解出来的“空气”助燃能力比平常的空气要来得大？为了解决这个问题，拉瓦锡从1772～1777年的5年时间里，又做了大量的燃烧试验。他用磷、硫磺、木炭、钻石燃烧；将氧化铅、红色氧化汞和硝酸钾加强热使之分解等等，从大量的实验结果的分析中，拉瓦锡断言，从汞煅灰里分解出来的气体，决不是什么“无燃素空气”，而是一种新的物质元素，他把它命名为：oxygene，也就是氧，物质只有在氧气中才会燃烧。空气之所以能助燃，是因为其中含有氧。物质在空气中燃烧不如在氧气中燃烧得旺盛是因为空气中只有一部分是氧，而很大一部分是不助燃的“浊气”。所谓“浊气”也不是什么“燃素化空气”，它是一种物质元素：氮气。物质的燃烧和金属煅烧变为煅灰并不是分解反应，而是与氧气的化合反应。根本不存在燃素说的信奉者们长期坚持的：金属－燃素＝煅灰，而应该是：金属＋氧＝煅灰（某种氧化物）。
这样，拉瓦锡在普利斯特里制出的氧气中发现了幻想的燃素的真实对立物，找到了燃素说的错误根源，揭示了燃烧和空气的真实联系。氧和氮的真正发现，把过去一直以为杂然一团的空气最终分开，解开了迷惑人们达数千年之久的燃素说之谜。
水中有火
俗话说，水火不相容，然而水里却蕴藏着大量的火。如果说，氧的发现解开了燃烧之谜，沉重地打击了燃素说，那么水中取火的实现，就进一步加速了燃素说的崩溃。
生产的发展总是不断地推动着人类对自然界认识的发展。随着蒸汽机的发明和蒸汽动力的广泛使用，从来被人们看成是十分单纯的水，它的内在矛盾也就暴露出来了。水化为蒸汽，它所能迸发出来的力量足以推动各种机械的运转，但水蒸气却又对用来制造机器的金属有很大的腐蚀作用，水能腐蚀金属，这是什么道理？这个问题又不能不引起人们的重视。
1871年，普利斯特里研究了水蒸气对灼热铁屑的作用，发现水蒸气不仅可以使铁屑变成煅灰，同时还有大量“可燃空气”（氢气）释放出来，他把这种“可燃空气”同普通空气混合后，放在容器里点燃，结果容器爆炸了，在破裂的容器壁上凝结着露珠般的东西。普利斯特里没有对这些露珠多加注意，他想，这一定是容器事先没有烘干。这一事实却引起了卡文迪许的注意，他和他的助手反复多次地进行这种实验，无论容器烘得怎么干，事后都有露珠生成。在一次次的实验中，他都注意着发生的现象，总结规律。最后卡文迪许认为，容器壁的露珠是氢气和空气中的氧气的化合物。进一步对露珠进行分析，发现这种液体无臭无味，蒸干后不留任何残渣，蒸发时也没有刺鼻的气味产生，这露珠似乎就是纯净的水。
水真的是“可燃空气”同“无燃素空气”的化合物吗？为了证实它，卡文迪许直接把氢气和氧气混和在一起燃烧，结果确实有水生成。
同一时期，拉瓦锡也在研究氢和氧的作用，但他却在另一个错误观念的束缚下，陷入了严重的困难之中。在他看来，氧是一种酸素，凡是非金属与氧作用都应当生成酸，因此他一心想通过氢和氧的作用合成出一种尚未知道的酸来。这一幻想迷住了他的心窍，使他对反应中残留在器壁上的水视而不见。直到1783年5月的一天，他从卡文迪许的助手卜拉格那里得知卡文迪许的发现后，他才恍然大悟。从此，他改变方向，对水、氧和氢之间的关系做了大量实验和定量分析研究，最后也终于发现，“可燃空气”根本不是什么从金属中释放出来的燃素，而是从水中分解出来的一种物质元素，叫氢。它是水的一个组成部分。水不过是氧化了的氢，或者说水是氢气和氧气直接化合的产物。
统一的水分解了，原来的水“一分为二”，水是氢和氧的矛盾对立物。把水分解成氢和氧，从“水中取火”也就有了可能。水的分解显示了氢的真实面目，粉碎了燃素论的最后一张王牌。
燃素说之所以能被推翻，并不是说拉瓦锡是那种了不起的天才。他之所以能够推翻燃素说，是因为“燃素说经过百年的实验工作提供了这样一些材料”，而他对这些材料的真实联系作出了切实和毫不虚假的分析，要是没有实验材料，要是离开了前人和同时代的许多人的实验，燃素说的推翻也是不可能的。
人类对自然界的认识，总是不断发展的，在科学发展的历史上，燃烧的氧化理论代替了燃素说，这是个不可否认的进步。但是氧化理论绝不是对火和燃烧现象认识的终结。
当我们看到盐酸工业中，合成氯化氢反应炉里熊熊燃着的只是氢气和氯气的混合物，连一点儿氧气都没有，这就早已超越了氧化理论的范畴。原子弹的爆炸，产生出更为炽烈的燃烧现象，在那里，连一般的化学运动范畴也突破了。所以我们对火和燃烧现象的认识，也还在继续尝试，继续实验，继续发展。
2.光的色散实验的启迪
我们生活的这个世界色彩斑斓，但五颜六色是从哪里来的？自古以来人们就一直在思索这个问题。古希腊大学者亚里士多德认为，各种不同的颜色是由于照射到物体上的亮光和暗光按不同比例混合所造成的。中世纪时，随着显微镜的发明，掀起了一个“玩光”的热潮。人们利用各种光学元件观察五花八门的光学现象。你看，凸透镜能将小字放大；凹透镜能使大字缩小；三棱镜更是好玩，一束太阳光经过它折射后，会形成一条色带，按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的顺序排列。奇怪！白色的光通过三棱镜后为什么会变成七彩色带了？英国年轻的科学家牛顿亲手制作了两个光学质量很好的三棱镜，并设计了一个“判决性实验”，来判定太阳光谱的形成原因。
光的自然色散
关于颜色，很早以前人们就已经发现并开始研究它了。古希腊的亚里士多德认为它是人们的主观感觉所造成的，所有颜色都是光明与黑暗、白与黑按比例混合的结果。17世纪前的欧洲，一直流行着这种看法。人们有了颜色的初步概念以后，又发现颜色不仅一种，不同的颜色引起人的视觉感应也不同。那个时期，人们对多种复杂颜色的最初感性认识是从虹开始的。在田间从事生产劳动的人们常常发现，每当雨过天晴的时候，在太阳和云雾共存的天空中，背着太阳的云气中呈现出一道绚丽多彩的光环，这光环是由五种颜色组成的。这一美丽的自然景观引起了人们的极大关注和兴趣，人们开始研究这一有趣而又奇妙的现象。把这美丽多彩的光环叫做虹。
虹到底是什么？它是怎样形成的呢？劳动人民在长期的生产劳动中进行了大量的观察研究，最后，人们发现，虹不是在任何时候，天空中的任何位置都能出现，它总是出现在和太阳相对方向的云气中，没有云就不会见到虹，在没有太阳的阴沉天气中也不会见到虹。这是人们早期对虹的出现条件，以及虹所出现的位置规律的初步认识和掌握。到了唐代，对虹这一自然现象的成因有了比较科学的解释。人们通过对虹的观察看到了五颜六色的现象，这是最早的颜色感观。
中国古代劳动人民不仅大体上认识了虹的成因，而且在长期的生产实践中，他们发现用实验的方法能产生霓虹现象，这就是人工造虹。公元8世纪中叶，那时候民间有一位名叫张志和的读书人，他善于开动脑筋，遇事总要琢磨个究竟，对一切新奇的现象都很感兴趣。最早一次人工造虹的成功是在一个大雨过后的晴朗的天气中，他站在院中望着天边的彩虹，他想，既然太阳照射雨滴就能产生虹，那么用水滴代替雨滴也应该能产生相同的现象。他在这突发奇想的驱使下，进行了一个人工造虹的实验。他对着阳光喷射水滴，起初，他迎着阳光做这种试验，结果没有发现产生光环。于是他调整自己的观察角度，经过多次多角度的调整，最后发现，如果背着阳光喷水就能看到空气中所出现的五颜六色的光环，当他看到这一和阳光照射雨滴后产生的光环一样的景观时，他高兴极了，马上回房提笔做了记录，记下了这一景观产生的过程。这是史料记载的我国古代劳动人民第一次用实验的方法研究虹。
人们认识了虹的成因，又有了人工造虹的经验，于是就把它推而广之，当人们看到瀑布下泄水珠四溅，他们就仔细观察，结果发现，瀑布下溅出的水滴经日光照射后，也能形成七彩的霓虹。唐代诗人张九龄《湖口望庐山瀑布》中就有“日照霓虹似”的诗句。这样，人们就把日光照射云气中的水滴群，同飞泉周围的水滴群所产生的色散现象联系起来了。
除了对雨虹及其他色散现象的记述和模拟实验外，人们还发现了晶体分光和羽毛的衍射色彩。公元684～706年，传说安乐公主用百鸟的羽毛编织出两条裙子，这种美丽的裙子从正面看是一种颜色，从旁边看又是一种颜色，在日光中看和在镜子中看都能形成不同的颜色。这种用百鸟的羽毛编织出的美丽的裙子也是一种光的色散作用的应用。
到了宋代，人们就能对单个水滴的色散现象进行研究了。雨过天晴的时候，落在树叶花草之上的露珠还没有蒸发，在树叶草木的末端水珠欲落未落都聚成圆形，晶莹欲滴，非常惹人喜欢，经日照射后，便呈现五彩的霓虹，其颜色斑斓闪烁，用手挡住阳光，颜色便消失。人们通过长期观察已经意识到，这些颜色不是水珠本身所具有，而是日光中含有多种颜色，经过水珠的作用可以显示出来。可以说，宋代人们的观察分析，已经接触到了色散的本质问题。
除此之外，我国古代人民还发现了天然晶体的色散现象。他们发现，日光经过晶体折射后，光似琥珀，琥珀呈红、黄、褐各种颜色。以上这些所有的色散现象都是自然界自身展示给人们的景观，人们对色散现象的研究也只停留在现象本身。在欧洲，有意识地研究色散现象是从16世纪开始的，人们借助于棱镜这种光学仪器，开始进行了大量的色散实验，以解释色散现象的本质。在这大规模的色散现象的研究中，进行得最深入而且最早做出科学解释的是牛顿。
与众不同的牛顿
在物理学史中，最有名的所度之一便是公元1642年。这一年，意大利物理学家伽利略溘然长逝，而在英格兰东部的一个小村落里，伊萨克·牛顿呱呱降生。牛顿的诞生之日——12月25日，虽然恰好是圣诞节，可是英王查理一世与国会开仗的炮声却震撼着整个英伦三岛，英国革命进入了国内战争的阶段。
随着资产阶级登上历史舞台和资本主义生产的兴起，科学也以神奇的速度发展起来。17世纪初，望远镜、显微镜相继发明，光学折射定律，人体血液循环的发现，都表明当时自然科学取得了新的进展。自然科学的力量开始受到重视，英国的哲学家弗兰西斯·培根提出了“知识就是力量”这一名言。随之而来的是在英国出现了有利的学术环境。热心自然科学的人数迅速增加，学会、学院相继成立。学会的问世及其科学刊物的发行，都成了当时科学家交流学术，启发思想，共同提高的极好形式，有力地促进了当时自然科学的迅速发展。
牛顿正是处于这样一个自然科学和学术环境发生重大变革的时代，他很快顺应了时代的潮流，受到这个时期的各方面熏陶，因而显得与众不同。
牛顿的父亲是一个普通的并不富裕的农民，靠着祖传下来的地产，以耕种谋生。婚后不久，他在一场急性肺炎的袭击下于牛顿出生前便去世了，牛顿成了不足月的遗腹子。他是那样的脆弱瘦小，他母亲说，1夸特（约1升）的杯子就装得下他。微微的气息，嘤嘤的啼声，牛顿的幼小生命是那么弱不禁风，他的母亲无论如何也想不到，就是这个可怜的孩子——伊萨克·牛顿竟活到85岁的高龄，而且是世界上与众不同的出类拔萃的科学家。
牛顿在小学读书时，他的资质一般，学习成绩较差，常被列入劣等。但是与众不同的是，他喜欢沉思默想，对许多事物都感到新鲜好奇，乐于去观察体验。有一天，牛顿突然注意到，早晨上学时，他自己的影子在左边，晚上放学回家时，他的影子却转移到另一边去了，太阳光下的人影会随着时间的改变而移动，这可太有意思了。这一现象启发了牛顿去做了一个日晷——一种利用测日影来确定时刻的器具。这个日晷的圆盘边缘有刻度，中间竖一根小棍，从小棍的影子所指的刻度，就可以知道几点几分钟。沉思默想的牛顿把这个日晷做好后，安放在村子中央，给村民们指示着时间。后来村民们怀着敬意称它为“牛顿钟”。
不仅如此，牛顿在小学的时候，还自己琢磨着造出一架“计时水钟”。这是一个灌满水的小木桶，木桶的底下有一个小孔，用塞子紧紧塞住，打开小孔的塞子，让水一滴一滴地缓缓滴下。木桶里的水面逐渐下降，水面的浮标也随着慢慢下降，并带着指针在均匀的刻度盘上一点点的移动，从而指示着各个时刻。当桶里的水滴尽的时候，恰恰就是中午的时刻。牛顿创造的这个装置虽然被看做是孩童的小玩意，但它却体现了牛顿的好奇心和灵巧的制作。人们对小牛顿的善于开动脑筋的好奇心都称赞不已。
牛顿在12岁那年，进了格兰瑟姆中学。到中学后，牛顿依然保持自己的兴趣不变，他继续发展了对手工制作和机械方面的爱好。他经常独自一人钻在自己的小屋子里，制作各种各样的小玩艺。最成功的制作是风筝，他给班级的同学每人做了一个风筝，他做的风筝，不仅外形美观好看，而且在拉线的力点和尾巴的重量上都很有讲究，因而他做的风筝起飞得特别快而且飞得也高。这体现了牛顿在力学方面的天才素质。有一次，他把一只纸灯笼点着火，系在他的风筝尾巴上，夜里把它放到高高的天空，就好像一颗巨星升在空中。村民们竞相观看，都很惊奇和恐惧，他们认为这是一颗新出现的扫帚星。这时牛顿跑过来告诉他们，这不是什么扫帚星，是他的风筝！人们才放下心来。当人们得知这是牛顿搞的名堂后，又禁不住交口称赞这孩子的发明创造本领。
在格兰瑟姆镇上有一座高大的风车，人们安装它是为了利用风力来磨面粉。牛顿从学校放学回来路过这里，当他看到这东西的时候，就禁不住地仰着脖子用心地观察风车的转动。边看边琢磨，最后他终于弄懂了风车的工作原理。回家后他也照葫芦画瓢地做了一架小风车，风一吹，叶片转动，加一点儿麦粒进去就能像大风车一样磨出面粉来。可是，风车没有风就不能转动，这不好，太不方便了，于是牛顿又想出了新招，他用铁丝做了一个圆笼子，里面关着一只老鼠，当老鼠踩动轮子时，磨就飞快地转动，居然也能磨出面粉来。
有一天，牛顿把自己的小风车拿到学校去给同学们看，一下子吸引了好多学生。正当同学们议论纷纷的时候，一个学习成绩一向很好但十分骄傲的学生跑过来，他一边盛气凌人地夺过小风车摔在地上，一边又用语言加以讥讽，带头起哄。这使牛顿气愤到了极点，与那个同学厮打了起来，这个平日里沉默寡言的牛顿，把那个优等生打得落花流水。从此，牛顿暗暗下定决心，发愤图强，不久，牛顿的学习成绩就在全班名列前茅。
1661年6月，牛顿以优异的成绩考入了剑桥大学三一学院。格兰瑟姆中学的校长斯托克斯先生深知，牛顿是一个难得的天才，他向剑桥大学输送了一名很有希望、很有前途的学生。为此，斯托克斯先生特别召开全体学生大会表彰牛顿，他以父亲般的骄傲把他心爱的学生列为学校的高材生，他眼中闪动着泪水，赞扬牛顿的性格和特殊的才华。
揭开光谱的秘密
光与人们的生活和生产极为密切，它能引起人们的视觉，人们就是借助光来观察世界，从事各种各样的重要工作的，而光又是人们通常用到的一种最普遍的自然现象，因此光的作用是非常大的。光既然这么重要，那么少年朋友们，你们知道光是怎样产生的，它又有哪些性质呢？
我们知道有许多物体，像太阳、电灯、火炬、萤火虫等，它们都能自己发出光来，在物理学上，我们把这种自己能发光的物体称为光源。生活在远古的人类祖先，是以太阳为光源的，到了黑夜就无能为力了。黑暗给人以可怕可恶的感觉。经过漫长的岁月，人们发现火也能提供光和热，开始时，人们使用天然火，后来，人们学会了利用竹、松脂等制成火炬来作为人造光源。用油灯作为光源的历史在中国也是很悠久的。蜡烛作为光源是后来中国人发明的，战国时期，人们已经知道用纤维或竹心外裹着层层蜜蜡制成了一种叫“蜜烛”的蜡烛。据分析，墨家做光学实验时，用的就是这种蜜烛。直到近代光源——电灯发明以前，在很长时间里，以不同形式出现的火，一直是人们惟一可用的人工光源。通过对光的长期观察，人们发现，只有借助光源发出的光才能引起人们的视觉。
有了光源，就能产生光，光是一种奇特而又重要的物质，它有很重要的性质。远在公元前4世纪，墨翟和他的弟子们做了世界上最早的针孔成像实验，这个实验的结果告诉我们：光照在人身上就像射来的箭一样，是沿直线进行的，而不走曲线。从人体下部射出来的光线，射到屏幕的高处；从人体上部射出来的光线，射到屏幕的低处。从脚部射向低处的光线被针孔所在的屏壁遮蔽，因此脚部成像于屏幕的高部位；从头部射向高处的光线，被屏壁遮蔽了，因此头部成像于屏幕的低部位。人所在的位置离小孔由远而近，则屏幕上的像由小变大。由于从人体射出并穿过小孔投到屏幕上的一切光线都在小孔处交于一点，所以屏幕上的像是倒立的。这是光的直线传播的最早的科学解释，也是世界上对小孔成倒像的第一次实验验证。远在公元前4世纪，墨家就知道用小孔成像的实验来验证光的直线传播特性，实在是一种惊人的科学创举。
光是沿直线传播的，但是在前进的方向上遇到不透明的物体时，就会改变路径被反弹回来，这种现象就叫光的反射，这种不透明的物体叫镜子。光线不能穿透镜子，镜面成像就是光线反射的结果。我们知道，只要对着光滑的平面就可以照见自己的形象，人们最初是利用静止的水面作为光的反射面，当做镜子使用，从水中看到自己的形象，进行整理梳洗，这些都是光的反射作用给人们带来的方便。那么，光的路径的改变是不是就这一种方法呢？不是的，光还有一种改变传播路径的方法，叫折射。
光在某种物质中能被弯曲，可见光能穿透它们，这种物质我们统一叫做透明物质。关于光能穿过透明体的折射现象，中国古代人民早有所知，有史料记载说“削冰令圆，向日取火”，历代都被人们所怀疑。冰在太阳光下，遇热会融化，怎么可能将光线聚集起来进行点火取暖呢？清代科学家郑光复曾经做过实验进行验证。他用一底部微凹的锅壶，里面装上沸水，将壶放在冰上转动，制成一块表面光滑的凸透镜。把它放在强烈的阳光下，果然能把放在冰透镜后面焦点处的纸煤点燃。这个实验实际上是很难成功的，但是，2000年前的中国古代人们就已成功地做出这样的实验，真可以说是巧夺天工的发明创造。据说17世纪著名英国科学家胡克也曾经做过这个实验，当时的科学家们对他赞叹不已，可是，他们哪里知道，早在一千多年前中国人就成功地做过这样的实验。由于用冰做成的透镜不会长久，所以就没有什么使用价值。这个实验是光的折射现象的很好说明，当光线照射到冰（透明物体）上时，就要改变传播路线，发生折射，折射后的光线要通过焦点，所有的光线经冰折射后都会聚集到焦点上，所以这点的温度迅速升高，以致可以点燃物质。
有了这些基本的光学知识，人们就可以对光进行深入的研究了。伟大的科学家牛顿，就是光学领域中的伟大的研究者，单凭他在光学方面的贡献，就完全可以成为科学史上的伟大人物，他在光学方面的主要贡献是对颜色的研究。在牛顿所处的时代，由于实验科学的发展，推动了人们对光的研究。
有一天，牛顿取来一块长纸板，一半涂成鲜红色，另一半涂成蓝色，然后把它放在窗户边，通过一块玻璃三棱镜来观察纸板。他发现，如果把玻璃棱镜的棱角朝上，使纸板由于折射看起来像是被抬高了，那么折射的结果将使蓝色半边比红色半边抬得更高。他把棱镜反倒过来，让折射棱角朝下，使纸板由于折射看起来被放低时，蓝的半边就比红的半边降得更低了。因此，牛顿断定蓝光折射比红光厉害些，也就是说不同的颜色具有不同的折射率。
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