高中化學(xué)探究性實驗的教學(xué)實踐
——以“烴的分子結(jié)構(gòu)”為例

文| 黃壽方

一、背景

化學(xué)教學(xué)中教師不僅需要傳授概念性知識，還應(yīng)通過實驗活動來增強學(xué)生對概念的理解。“烴的分子結(jié)構(gòu)”這一主題在有機化學(xué)中占有重要位置。學(xué)生對這一概念的深刻理解是構(gòu)建整個有機化學(xué)知識體系的基礎(chǔ)。在舊有的教育模式中，學(xué)生往往通過被動接受和觀看圖示來學(xué)習(xí)烴分子結(jié)構(gòu)，這難以調(diào)動學(xué)生的積極性和探索欲?，F(xiàn)代教學(xué)理念倡導(dǎo)通過探究性實驗來提高教學(xué)效果，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中成為主角，并將教師的工作重心轉(zhuǎn)移到引導(dǎo)和支持學(xué)習(xí)過程上。這種方法還凸顯了對學(xué)生關(guān)鍵能力的培養(yǎng)，如批判思維、創(chuàng)新力和實操技術(shù)，通過主動探究來實現(xiàn)這些能力的提升。

具體到烴分子結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，探究性實驗?zāi)軌蛞龑?dǎo)學(xué)生從宏觀和微觀層面全面理解分子構(gòu)造。學(xué)生能通過動手實驗對烴的化學(xué)特性進行觀察，并運用模型建立、分子模擬等方法洞察分子結(jié)構(gòu)和作用力，從而加深對烴類化合物特性的認(rèn)識。

二、案例描述

（一）問題引入與概念澄清

在探究“烴的分子結(jié)構(gòu)”時，教師需巧妙構(gòu)建問題，以激發(fā)學(xué)生興趣，并建立穩(wěn)固的理論框架。該階段注重將實際情境與化學(xué)知識相結(jié)合，目的是讓學(xué)生在具體的應(yīng)用語境中理解化學(xué)的重要性，并萌生探究烴分子結(jié)構(gòu)的興趣。

師：同學(xué)們，我們今天來聊聊日常生活中常見的烴——汽油和煤油。你們知道為什么汽油能成為有效的車輛燃料嗎？煤油與汽油又有何不同呢？

生1：老師，我知道汽油燃燒可以產(chǎn)生能量，所以它能作為車輛燃料，但煤油和汽油的區(qū)別我就不太清楚了。

師：很好。大家在生活中有沒有注意到，汽油主要用于汽車、摩托車等內(nèi)燃機的燃料，亦用于制造一些溶劑。而煤油則通常用于飛機燃料（航空煤油）、照明、取暖和烹飪等，還常用于制作柴油和燈油。不同的用途取決于其分子結(jié)構(gòu)的差異。

師：接下來我們深入探討烴分子的構(gòu)造如何決定其性質(zhì)和功能。大家思考：烴的多樣性來源是什么？分子構(gòu)造如何影響烴的特性？

生2：老師，我認(rèn)為烴的多樣性來源于碳原子可以形成不同的化學(xué)鍵，如單鍵、雙鍵和三鍵。分子構(gòu)造不同，烴的特性也會有所不同。

師：非常好，大家的理解很到位。接下來，我要給大家講解飽和烴與不飽和烴的概念。飽和烴是指分子中只含有單鍵的烴，而不飽和烴則含有雙鍵或三鍵。

生3：老師，您能舉個例子來說明一下嗎？

師：當(dāng)然可以。比如，丁烷和異丁烷就是一對具有相同分子式（C4H10）但結(jié)構(gòu)不同的烴。丁烷是一種飽和烴，分子中只有單鍵；而異丁烷則是一種不飽和烴，分子中含有一個雙鍵。由于分子結(jié)構(gòu)的差異，它們的沸點和反應(yīng)性也各有特點。

在整個互動過程中，教師與學(xué)生共同探討了烴的主題，激發(fā)了學(xué)生對烴在現(xiàn)實生活中應(yīng)用和屬性的思考。這種教學(xué)方式增強了師生之間的交流，提高了學(xué)生的積極性和參與度，使課堂教學(xué)更加生動有趣。同時，這種教學(xué)方式有助于培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力和實踐操作能力。

（二）實驗設(shè)計與實施

在此階段，學(xué)生將基于他們所學(xué)的理論知識進一步深化理解，并將知識應(yīng)用到實驗操作中，從而體驗科學(xué)探究的全過程。

師：同學(xué)們，我們的下一個任務(wù)是制訂實驗計劃，以研究烴分子的結(jié)構(gòu)與其化學(xué)和物理性質(zhì)之間的聯(lián)系。首先，我們需要確定實驗?zāi)康摹?/p>

生1：老師，我認(rèn)為我們可以通過觀察不同烴的沸點、溶解性和化學(xué)反應(yīng)等來研究分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系。

師：很好，接下來我們需要選擇合適的實驗材料和方法。大家認(rèn)為可以使用什么來形象化地展示烴的立體結(jié)構(gòu)呢？

生2：老師，我們可以使用分子模型套件來展示烴的立體結(jié)構(gòu)，這樣能幫助我們更好地理解分子排列和其對性質(zhì)的影響。

師：那我們在實驗過程中應(yīng)該如何記錄實驗觀測結(jié)果呢？

生3：我們可以繪制分子的圖示，這樣能更深入地理解分子的形狀和結(jié)構(gòu)特點。

師：此外，我們還可以利用分子模擬軟件在虛擬的環(huán)境中進行實驗探索。這類軟件能讓我們在無需實際化學(xué)物質(zhì)或?qū)嶒炇也僮鞯臈l件下探討復(fù)雜的化學(xué)現(xiàn)象。

生4：老師，使用計算機模擬會不會讓我們更直觀地看到分子互作、反應(yīng)的動態(tài)過程和能量的轉(zhuǎn)換呢？

師：沒錯，這將有助于加深你們對分子結(jié)構(gòu)和物理、化學(xué)性質(zhì)關(guān)系的理解。在實驗操作時，大家要細(xì)致記錄實驗結(jié)果，以便后續(xù)分析。

生5：老師，我們可以通過研究正丁烷和異丁烷的沸點差異來探討分子結(jié)構(gòu)如何影響物理性質(zhì)。盡管它們具有相同的化學(xué)式，但由于分子空間排列的不同，沸點也有所不同。

師：很好，這個實驗?zāi)茏尨蠹腋玫乩斫夥肿咏Y(jié)構(gòu)與物理性質(zhì)之間的關(guān)系。在實驗過程中，大家要積極思考并觀察現(xiàn)象，以便得出結(jié)論。

在探索“烷烴分子構(gòu)造”的實驗環(huán)節(jié)，學(xué)生通過動手操作，既加深了對理論的理解，又提高了實踐操作能力。在教師的引導(dǎo)下和同伴間的互動交流中，學(xué)生探索科學(xué)的熱情和解決問題的技能得到提高。教師將理論和實踐緊密相連，使得學(xué)習(xí)過程更加深入和有趣，為學(xué)生的綜合化學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)打下了堅實的基石。

（三）數(shù)據(jù)收集與分析

在這個階段，學(xué)生需要將之前學(xué)習(xí)的理論知識運用到實際操作中，深化對烴類分子結(jié)構(gòu)差異及其性質(zhì)影響的認(rèn)識。

師：同學(xué)們，在進行“烴的分子結(jié)構(gòu)”實驗之前，我們需要準(zhǔn)備實驗設(shè)備和化學(xué)試劑。大家要明確實驗?zāi)繕?biāo)和操作流程，確保能精確記錄實驗數(shù)據(jù)和觀察到的現(xiàn)象。在建立分子模型的環(huán)節(jié)，要注意模型的結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確性，并關(guān)注分子間的互動。

生1：老師，我們?nèi)绾螠?zhǔn)確地判斷分子模型的準(zhǔn)確性，并理解其對物理特性的影響呢？

師：你們需要根據(jù)已知的化學(xué)結(jié)構(gòu)理論，確保模型中的原子數(shù)量與類型、鍵的數(shù)目和類型都是準(zhǔn)確的，同時要學(xué)會將模型與烴的實際物理特性聯(lián)系起來，如觀察分子的大小、形狀和分子間的相互作用是如何影響沸點和熔點的。

生2：老師，在實驗中控制變量的重要性是什么？我們應(yīng)如何操作？

師：在做科學(xué)實驗時，控制變量至關(guān)重要，因為它可以幫助你們確定哪些因素會影響實驗結(jié)果。如在測定沸點時，要確保除了烴的類型之外，其他條件如溫度、壓力，都保持不變，這樣你們才能準(zhǔn)確地比較不同烴的沸點差異。

生3：老師，在比較不同烴的沸點時，我們是否需要考慮它們的極性或分子間力的類型？

師：非常好的問題。是的，你們應(yīng)該考慮烴的極性和分子間力的類型，如分散力、偶極-偶極相互作用和氫鍵。這些都會影響烴的沸點和熔點，所以在分析數(shù)據(jù)時需要綜合考慮這些因素。

生4：老師，實驗結(jié)論應(yīng)該如何基于我們的觀測和數(shù)據(jù)來確立？

師：在形成結(jié)論之前，你們需要歸納、整理收集的數(shù)據(jù)，并將其與理論知識相結(jié)合。考慮所有可能的因素，排除誤差的干擾，并從邏輯上推理出一個合理的解釋。這個過程可能需要你們多次討論和驗證，但正是這樣，才能確保結(jié)論的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

（四）結(jié)論歸納與知識遷移

在結(jié)束實驗后，學(xué)生會對收集的數(shù)據(jù)進行詳盡分析。這樣的數(shù)據(jù)解析能夠使他們提出烴分子結(jié)構(gòu)特征如何作用于其物理特性的有效推論。具體而言，學(xué)生將探究諸如碳鏈長度、分支數(shù)量以及是否存在環(huán)狀結(jié)構(gòu)這些因素對烴沸點和溶解性的影響。該探究過程不限于數(shù)據(jù)的闡釋，它促進了學(xué)生對化學(xué)基礎(chǔ)知識的深入理解。

師：同學(xué)們，在得出具體結(jié)論之后，我們來討論一下如何將實驗所獲得的理論知識應(yīng)用于實際情境。你們認(rèn)為如何運用這些概念來開發(fā)石油衍生的產(chǎn)品，如油料和塑料？分子結(jié)構(gòu)又是如何影響這些產(chǎn)品的性質(zhì)的呢？

生1：老師，我認(rèn)為我們可以根據(jù)不同烴分子的結(jié)構(gòu)特點，研發(fā)出具有特定性能的塑料和油料。例如，某些烴分子結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致油料的熱穩(wěn)定性和流動性更好，從而適用于不同的發(fā)動機和氣候條件。

師：非常好，大家可以從分子結(jié)構(gòu)的角度來分析這些問題。接下來，我想請大家考慮一下烴沸點在石油提煉中的重要性，以及其分子構(gòu)造如何影響藥品制造和化學(xué)產(chǎn)品的設(shè)計。

生2：老師，我了解到石油提煉過程中不同烴類的沸點決定了提煉溫度和產(chǎn)品的純度。而分子構(gòu)造的不同可能導(dǎo)致某些烴類更適用于特定藥品和化學(xué)產(chǎn)品的制造。

師：對，大家說得很好。在這個過程中，你們不僅掌握了科學(xué)原理，還學(xué)會了如何將知識應(yīng)用于解決實際復(fù)雜問題，完成了從理論到實踐的轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換技能對于你們未來參與科學(xué)探究非常有價值。

生3：老師，我認(rèn)為總結(jié)與應(yīng)用所學(xué)不僅僅是對實驗結(jié)果的歸納，更是一個包含批判性思維、創(chuàng)造性想象和整合技巧的復(fù)雜過程。在這個過程中，我們需要將實驗觀察和數(shù)據(jù)分析與現(xiàn)有的化學(xué)理論相結(jié)合，從而對化學(xué)理念及其原理有更深層次的認(rèn)識。

師：這種認(rèn)識能激勵你們發(fā)現(xiàn)科學(xué)定律在日常生活中的具體應(yīng)用，提升你們的動手實踐和問題解決能力。經(jīng)過這一過程，你們將更深入地理解科研的實質(zhì)，并為今后學(xué)術(shù)和職業(yè)方面的創(chuàng)新和應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)。

（五）討論與反思

在探究活動的最后，教師安排學(xué)生參與小組對話或集體討論，使他們得以展示自身觀點及共享實驗成果。此環(huán)節(jié)不僅能促進知識交流與深入思考，還強化了學(xué)生的交流技巧與協(xié)作意識。

在討論環(huán)節(jié)中，學(xué)生熱情地呈現(xiàn)了自己的實驗結(jié)果，包括記錄和數(shù)據(jù)的解讀。他們對比各自的成果，互相驗證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并認(rèn)識到了自身在實驗設(shè)計和執(zhí)行上的缺陷。此外，學(xué)生被鼓勵開展自由的對話，讓不同見解和思維相互碰撞，從而產(chǎn)生新的思想和疑問。比如，對于同類烴分子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致沸點差異的現(xiàn)象，學(xué)生可能會提出各種推論和闡釋。在這一過程中，教師扮演了指導(dǎo)和監(jiān)督的角色，保證討論沿科學(xué)軌跡推進。

此外，教師著重引導(dǎo)學(xué)生進行深層次的思考。這種反思超越實驗結(jié)果，更多地關(guān)注整個實驗流程。學(xué)生被激勵去審視他們的實驗設(shè)置，考慮是否有更精簡或更高效率的方法，以及哪些環(huán)節(jié)能夠改善，以降低錯誤率。

三、案例反思

在“烴的分子結(jié)構(gòu)”教學(xué)案例中，探究性實驗的應(yīng)用顯著提高了學(xué)生的理解水平，同時在教案的最終階段，通過深入總結(jié)與反思環(huán)節(jié)，進一步確保了教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)。

在課程的收尾部分，教師對學(xué)生的學(xué)習(xí)成果進行綜合性梳理。學(xué)生通過自己設(shè)計和實施的實驗，將理論知識與實踐操作相結(jié)合，加深了對烴分子結(jié)構(gòu)特性的認(rèn)識。例如，通過實驗室的觀測和數(shù)據(jù)分析，如測定沸點和構(gòu)筑分子模型，學(xué)生更深刻地理解了烴類分子結(jié)構(gòu)的多樣性及其對物質(zhì)性質(zhì)的影響。這樣的操作實踐不僅加深了學(xué)生對知識點的掌握，還培養(yǎng)了他們的實驗技能和數(shù)據(jù)分析能力。

同時，教師也對自己的教學(xué)方法進行了反思，思考如何更有效地組織和指導(dǎo)學(xué)生進行探究性學(xué)習(xí)，并審視了自身教學(xué)方法的優(yōu)勢與不足，如理論教學(xué)與實踐活動的銜接、教學(xué)資源的合理利用等。同時，教師也考慮了如何顧及學(xué)生個體差異，設(shè)計分層次的實驗任務(wù)，以及如何通過有效的問題引導(dǎo)和反饋機制來加強學(xué)生的理解和記憶。