磁鐵小人玩具在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

王嬡華

摘要：介紹兩款磁鐵小人玩具在高中化學(xué)“微粒間的相互作用”及“有機(jī)化學(xué)”教學(xué)中的應(yīng)用。磁鐵小人間的相互吸引和排斥可以很好地模擬微粒間的相互作用力，而磁鐵小人的四肢可以很好地模擬碳原子與其它原子間形成的四根共價(jià)鍵，四肢之間的分分合合可以演示反應(yīng)過(guò)程中的斷鍵、成鍵過(guò)程，彌補(bǔ)有機(jī)球棍模型不能自由斷鍵、成鍵的缺點(diǎn)，幫助學(xué)生有效理解有機(jī)反應(yīng)過(guò)程。磁鐵小人玩具可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于復(fù)雜、抽象知識(shí)的理解，提升學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)習(xí)的興趣，消除學(xué)生的畏難心理，是一種很好的教具。

關(guān)鍵詞：磁鐵小人;球棍模型;有機(jī)化學(xué);化學(xué)鍵;教具

文章編號(hào)：1008-0546（2022）04x-0083-03

中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.04x.023

在高中化學(xué)必修的學(xué)習(xí)中，化學(xué)鍵與分子間作用力的區(qū)別、有機(jī)反應(yīng)中的成鍵與斷鍵過(guò)程對(duì)很多學(xué)生來(lái)說(shuō)難以理解，從而對(duì)化學(xué)的學(xué)習(xí)產(chǎn)生畏難心理，直接影響到后面的化學(xué)選科。針對(duì)這類(lèi)需要較強(qiáng)空間想象能力且比較抽象的知識(shí)，在教育部頒布的《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中明確提出：“借助實(shí)物模型、計(jì)算機(jī)軟件模擬、視頻等多種直觀手段，充分發(fā)揮學(xué)生搭建分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)模型等活動(dòng)的作用，降低教學(xué)內(nèi)容的抽象性，促進(jìn)學(xué)生對(duì)相關(guān)內(nèi)容的理解和認(rèn)識(shí)”[1]。在實(shí)際教學(xué)中，教師通常會(huì)使用球棍模型來(lái)進(jìn)行教學(xué)輔助。球棍模型可以體現(xiàn)分子的三維空間分布，在幫助學(xué)生理解有機(jī)物的成鍵特點(diǎn)、立體結(jié)構(gòu)、同分異構(gòu)體、原子共線/共面問(wèn)題、取代反應(yīng)等方面非常方便實(shí)用[2]。但模型中的“棍”無(wú)法斷成兩截，對(duì)演示加成、加聚反應(yīng)的斷鍵、成鍵過(guò)程比較困難，教學(xué)效果較差。為了解決這一問(wèn)題，選取兩款磁鐵小人玩具來(lái)進(jìn)行輔助教學(xué)。磁鐵小人均由軟塑料制成，可以擺出各種造型;手腳頂端裝有小磁鐵，易吸引在一起也容易分開(kāi)，形成的單鍵可以旋轉(zhuǎn)，用來(lái)演示微粒間的相互作用和化學(xué)反應(yīng)中的斷鍵、成鍵過(guò)程，教學(xué)效果非常好。

一、磁鐵小人在教學(xué)中的應(yīng)用

1.化學(xué)鍵與分子間作用力

在化學(xué)鍵與分子間作用力的學(xué)習(xí)中，學(xué)生較難理解分子的概念、共價(jià)鍵與分子間作用力的區(qū)別。在教學(xué)中，用磁鐵小人扮演分子，表示每個(gè)分子都是一個(gè)獨(dú)立的個(gè)體。當(dāng)兩個(gè)磁鐵小人相距較遠(yuǎn)時(shí)，兩者之間感受不到相互作用力;兩者之間距離逐漸縮短時(shí)，吸引力或斥力逐漸增強(qiáng)，表示分子間作用力的強(qiáng)弱與分子間的距離有關(guān)（圖1-a、圖1-b）。兩個(gè)磁鐵小人相連后很容易被拆開(kāi)，表示分子間作用力小，很容易被破壞，因此熔沸點(diǎn)比較低（圖1-b）。磁鐵小人身上的四肢很難與身體分離，表示分子內(nèi)部原子間的共價(jià)鍵比分子間作用力要強(qiáng)，較難被破壞（圖1-c）。通過(guò)形象演示，學(xué)生當(dāng)場(chǎng)就能理解相關(guān)的概念，并且看著磁鐵小人擺出的各種造型，課堂的氣氛也比較活躍。

2.有機(jī)物種類(lèi)繁多的原因

在科普視頻BBC《化學(xué)史》第3集“元素的力量——門(mén)捷列夫很忙”，第五集“改變世界的元素”以及一些高中化學(xué)的教學(xué)PPT里，都會(huì)用人或玩具熊來(lái)扮演碳原子，用人或熊的四肢模擬碳原子最外層四個(gè)電子，用人或熊的排列方式多樣來(lái)解釋有機(jī)物種類(lèi)繁多的原因。在課堂上，放視頻視覺(jué)沖擊力不夠，現(xiàn)場(chǎng)讓學(xué)生來(lái)扮演又顯混亂，這時(shí)派出可愛(ài)的磁鐵小人扮演碳原子，學(xué)生的注意力一下子就被吸引住了。如圖2所示：（1）成鍵數(shù)目多，可以形成四個(gè)共價(jià)鍵（圖2）;（2）成鍵方式多，可以形成碳碳單鍵、碳碳雙鍵、碳碳叁鍵等（圖2-a）;（3）骨架形式多，可以形成碳鏈、碳環(huán)，碳鏈和碳環(huán)上還可以有支鏈

（圖2中b1～b4）;（4）碳原子排列方式多、連接順序多，導(dǎo)致有機(jī)物存在大量的同分異構(gòu)體（圖2中b1和b2、b3和b4、圖2-c）。

3.有機(jī)物中氫原子數(shù)目計(jì)算

在剛開(kāi)始接觸有機(jī)物分子式書(shū)寫(xiě)時(shí)，很多學(xué)生是在圖上數(shù)氫原子數(shù)目，由于給的圖一般是鍵線式，學(xué)生很容易漏掉氫原子。雖然教過(guò)學(xué)生不飽和度的計(jì)算方法，但每隔一段時(shí)間，學(xué)生就會(huì)忘記為什么要這樣計(jì)算。如果在講解不飽和度計(jì)算方法時(shí)，用磁鐵小人來(lái)演示一遍過(guò)程，學(xué)生更容易理解并記憶。在這里，用磁鐵小人扮演碳原子，用長(zhǎng)尾夾扮演氫原子（圖3）：兩個(gè)碳原子之間，每多一次牽手/腳，就少了兩次與氫原子連結(jié)的機(jī)會(huì)，所以成一個(gè)環(huán)會(huì)少兩個(gè)氫（圖3-e），多一根不飽和鍵（π鍵）也會(huì)少兩個(gè)氫（圖3-b，圖3-c，圖3-d）。

4.加成、加聚、縮聚反應(yīng)

在初次講解乙烯的加成反應(yīng)時(shí)，學(xué)生很難理解反應(yīng)中的斷鍵、成鍵過(guò)程，而教學(xué)中使用的球棍模型又很難模擬斷鍵、成鍵過(guò)程，僅僅只是在黑板上畫(huà)一畫(huà)或視頻放一放，印象不深。在寫(xiě)產(chǎn)物時(shí)，學(xué)生記得要加上去兩個(gè)原子或原子團(tuán)，卻總忘記將雙鍵變?yōu)閱捂I。讓學(xué)生用磁鐵小人比劃一下，學(xué)生常有頓悟的感覺(jué)。例如：乙烯與溴化氫加成（圖4），用小長(zhǎng)尾夾扮演氫原子，大長(zhǎng)尾夾扮演溴原子，只有各自松開(kāi)一只手，才能去牽手溴原子和氫原子，即只有打開(kāi)雙鍵，才能發(fā)生加成反應(yīng)。

在加聚反應(yīng)中，對(duì)于單烯烴的加聚，學(xué)生比較難理解的是：雙鍵打開(kāi)后，主鏈上其它的碳原子就變成了支鏈。這個(gè)用磁鐵小人演示特別容易理解，只要將焦點(diǎn)放在雙鍵上就可以（圖5），將雙鍵打開(kāi)，其它的碳原子自然就成了支鏈。

在1，3-丁二烯的加聚反應(yīng)中，學(xué)生對(duì)于中間重新形成雙鍵也難以理解，可以用磁鐵小人來(lái)演示一下中間過(guò)程（圖6）。

在講解縮聚反應(yīng)時(shí)，學(xué)生很容易理解n個(gè)同種氨基酸脫掉（n-1）個(gè)水分子，形成（n-1）個(gè)酰胺基（開(kāi)鏈），卻很難理解n個(gè)A氨基酸和n個(gè)B氨基酸脫掉（2n-1）個(gè)水分子，形成（2n-1）個(gè)酰胺基（開(kāi)鏈），認(rèn)為還是脫掉（n-1）個(gè)水分子。這時(shí)，用一個(gè)磁鐵小人來(lái)代表一個(gè)氨基酸，一只手舉著氫原子（長(zhǎng)尾夾），另一只手舉著羥基（球和磁力棒），來(lái)進(jìn)行對(duì)比說(shuō)明（圖7）。從圖上可以很直觀地看到，脫水的數(shù)量與參與反應(yīng)的總氨基酸數(shù)量有關(guān)，而不是某一種氨基酸的數(shù)量。

二、小結(jié)

將磁鐵小人引入高中化學(xué)課堂，可以輔助教師在微粒間相互作用、有機(jī)化學(xué)知識(shí)方面的教學(xué)，也可以分給學(xué)生自己探究，有效彌補(bǔ)有機(jī)球棍模型不能自由斷鍵、成鍵的缺陷，與球棍模型互為補(bǔ)充。利用磁鐵小人演示的過(guò)程，將看不見(jiàn)摸不著的化學(xué)鍵具象化，不僅加深了學(xué)生對(duì)于抽象知識(shí)的理解，而且能消除學(xué)生對(duì)于化學(xué)學(xué)習(xí)的畏懼心理，提升學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)習(xí)的興趣。

現(xiàn)有的化學(xué)模型有其不可替代的優(yōu)勢(shì)，但也不可避免存在一些缺陷[2-4]，一方面要鼓勵(lì)教師和學(xué)生從生活中尋找模型素材幫助理解，例如：粘土球、牙簽、水果、氣球[2，4];另一方面也要認(rèn)識(shí)到使用模型的目的是幫助學(xué)生順利入門(mén)，適用于初期教學(xué)，待學(xué)生對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)有一定認(rèn)識(shí)后，要幫助學(xué)生脫離模型進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，不可被實(shí)物模型限制思維。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[S].北京人民教育出版社，2020.

[2]于乃佳，陳振芳，何媛媛.核心素養(yǎng)下的高中化學(xué)實(shí)物模型探究教學(xué)的實(shí)踐和研究——以“自主搭建球棍模型”理解有機(jī)物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為例[J].中學(xué)化學(xué)，2017（8）：6-8.

[3]孫紅梅，孫賓賓.關(guān)于有機(jī)化學(xué)課程中乙烯、乙炔球棍模型的一點(diǎn)探討[J].廣州化工，2013，41（11）：303-304.

[4]陳寧，杜洪光，許家喜.氣球結(jié)合球棍模型在化學(xué)結(jié)構(gòu)理論教學(xué)中的應(yīng)用[J].化學(xué)教育，2021，42（4）：46-50.