类比:一种有效的教学方法

2014-02-12 23:06陈红俊孙天山
化学教与学 2014年2期
关键词:深化理解类比思维类比

陈红俊+孙天山

摘要:“类比”是一种探究式思维方法。通过类比可以激发学生探索的热情,激活原有知识结构新的生长点,促进知识迁移。从具体实例分析类比在“形成概念、建构知识、深化理解、解决问题、培养能力”等方面所起的作用。

关键词:类比;类比思维;教学方法;建构知识;深化理解

文章编号:1008-0546(2014)02-0012-02 中图分类号:G632.41 文献标识码:B

doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2014.02.004

“类比”是一种探究式思维方法,是根据不同事物在某些特性上的相似,推理出它们在另一些特性上也可能相似的思维形式。应用到化学教学中,就是通过对化学现象、实验模型、反应规律等方面的类比研究,激活知识结构的生长点,搭建新旧知识的思维联系,降低感知的难度,促进知识的有效迁移。从而达到揭示出化学过程或化学现象的本质,调动学生学习的积极性,提高学生分析问题和解决问题的能力。

一、在类比中形成概念

认知心理学认为,任何概念虽然都是相对独立的,但其间也有一定的内在联系和区别。在概念教学中,学生常常把握不住概念的内涵和外延,不能把握其本质属性,对概念的理解不深刻,运用不准确。因此,在概念教学中,教师要运用各种有效的方法策略,帮助学生厘清概念间的关系或联系。

例如,在学习酸性氧化物、碱性氧化物和两性氧化物的概念上,可以运用类比的方法。酸性氧化物是指能够与碱反应生成盐和水的氧化物,如SO2、SO3、CO2、N2O5等;碱性氧化物是指能够与酸反应生成盐和水的氧化物,如Na2O、K2O、CaO等;两性氧化物则综合了二者,是指既能与酸反应,又能与碱反应的氧化物如Al2O3、ZnO等。把三者放在一起来学习,既让学生厘清了三者的概念,又可区分三者不同,加深理解。再在上述基础上作适当延伸,将得出什么是两性氢氧化物,即既能与酸反应生成盐和水,又能与碱反应生成盐和水的氢氧化物,如Al(OH)3、Be(OH)2等。进一步研究还会发现,从宏观上看Al2O3、Al(OH)3都能与酸、碱反应生成盐和水,但从微观上看它们有着显著的区别。Al2O3在水中很难发生电离,而Al(OH)3却存在两种电离方式。

酸式电离:Al(OH)3?葑 AlO2-+H++H2O

碱式电离:Al(OH)3?葑Al3++3OH-

由上述电离得知,Al(OH)3与碱反应时促进了酸式电离,生成偏铝酸盐,Al(OH)3与酸反应时促进了碱式电离,生成了铝盐。

氨基酸是又一类典型的两性化合物,在氨基酸分子中存在着两种性质截然不同的基团,氨基(-NH2)和羧基(-COOH)。在水溶液中氨基与氨气(NH3)相似,结合水电离产生的质子(H+)生成-NH3+,并释放出氢氧根离子(OH-)显示碱性;羧基具有羧酸的通性,在水分子作用下电离出氢离子显示酸性,所以氨基酸既能与酸反应又能与碱反应。那么,既能与酸反应又能与碱反应的化合物就是两性化合物吗(对概念的进一步深化)?显然不是。如许多弱酸的酸式盐既可以与强酸反应,也能与强碱反应,但不属于两性化合物。如NaHCO3、NaHSO3、NaH2PO4等。

从以上事例可看出,教学中如果把相关的概念放在一起,加以类比,全面的分析概念的本质、内涵和外延,有利于学生对化学核心概念的建立。

二、在类比中建构知识

电离平衡常数、溶度积常数都是学生学习的难点,学生往往对这些概念不能深刻理解,导致在解答相关问题时,抓不住要点实质。若运用类比的方法,在化学平衡常数相关知识要点的基础上延伸拓展,教学将起到事半功倍的效果。

通过类比得知:

一是它们的本质相同。都是一种动态平衡体系。即研究一定条件下的可逆反应、弱电解质的电离平衡、难溶电解质的溶解平衡。当改变某些外界条件后,平衡发生移动,最终达到一种新的平衡。

二是它们特点相同。其一,与化学平衡常数一样,化学平衡常数大小除与物质本身的性质有关外,还受温度的影响,而与反应物或生成物的浓度等无关,三大平衡常数都是温度的函数,所以研究平衡常数时都必须指明温度。其二,不同的平衡体系其平衡常数不同。平衡常数越大说明反应(或电离、沉淀)越彻底,生成物浓度(或离子浓度、沉淀的量)越大,反应物浓度(或弱电解质分子浓度、难溶电解质离子浓度)越小。因此,平衡常数的大小可以表示反应(或电离、沉淀)进行的程度,转化率高低。

三是分析解决问题的思路相同。在解决电离平衡和溶解平衡问题时,其思路、步骤与化学平衡一样。按照“始、转、平”三段分析的方法。“始”是指正确计算出各物质的起始量(物质或离子的起始浓度);“转”是在变化过程中各物质的改变量;“平”是指到达平衡时各物质的浓度。准确分析计算“始、转、平”是解决具体问题的关键。

通过上述三大平衡常数相关知识的对比,这就将新知识纳入了学生已有的知识体系中,既复习了旧知识,又建构了新知识。

三、在类比中深化理解

在化学学习中,有很多知识间存在着某些相似或相同点。教学中实时地运用类比,通过类比对象与学习内容之间的某些共性、差异和特殊性的比较,启迪学生的思维,引导学生弄清知识间的内在联系,使知识系统化,深化理解所学知识,实现知识的意义建构。

在有机化学的学习中,通常是先对某一个或一类最具代表性的物质进行研究,对其结构、性质作深入分析,在此基础上通过类比延伸拓展到其它同类型或不同类型的物质。比如,学习烯烃时首先探究乙烯的组成、结构和性质等,通过学习掌握了乙烯的主要化学性质。乙烯可以发生加成反应、加聚反应、氧化反应等,而这些反应的发生是因为乙烯分子中存在一个不饱和价键π键,π键的键能小于碳碳σ键,容易发生断裂而反应。根据烯烃、二烯烃、炔烃等不饱和烃的结构特征不难得出它们与乙烯具有相似的性质。苯也是一种不饱烃,其不饱和程度更高,那么苯是否也能发生加成、氧化等反应呢?这就要对苯结构的特殊性进行分析。在单烯烃中,碳碳π键是相对独立的,容易断裂。而在苯分子中,从碳四价学说看苯具有凯库勒式的结构,即单双键相间,应具有烯烃的通性。事实证明,苯不能使溴水和高锰酸钾酸性溶液褪色,说明它没有表现出像烯烃的不饱和性,性质相对稳定。经研究、测定,人们发现苯分子中6个碳原子之间的键完全相同,是一种介于单键和双键之间的独特的键(离域大π键),虽能体现出不饱和价键的性质,如在一定条件下可以和H2等物质发生加成反应,但不能使溴水和高锰酸钾酸性溶液褪色,体现了苯的特殊性。通过上述物质之间的类比分析,使学生清晰地认识到苯和烯烃的区别与系联,更加全面深刻地理解苯的结构与性质,形成了物质结构决定物质的性质,物质的性质反映了物质结构的学科思想。

四、在类比中解决问题

问题解决是以已有的知识、经验为基础,如果没有相关的先前知识,问题解决则无法进行。即使所谓的“新问题”,也能在贮存的知识系统中或多或少的存在某些“原型”,关键是能否从已有的知识储备中顺利提取到相关的信息。类比能将新问题转化为已有知识经验中相似的问题原型,通过比较在两者之间建立联系,实现知识的有效“迁移”,把当前的情景转换为熟悉的、简单的、清晰的情景,从而使问题得到解决。

[问题1]根据卤代烃的性质完成下列方程式:

(1)溴乙烷跟NaHS的反应;

(2)由碘甲烷、无水乙醇和金属钠合成甲乙醚。

问题解决:卤代烃与氢氧化钠溶液的反应,是一个典型的取代反应。其实质是带负电的原子或原子团(例如OH-阴离子)取代了卤代烃中的卤原子。CH3CH2CH2Br+OH-→CH3CH2CH2OH+Br-由此可以推出:R—X+Y-→R—Y+X-,根据与OH-的相似点,可写出化学方程式:

(1)C2H5Br+HS-→C2H5SH+Br-

(2)2C2H5OH+2Na→2C2H5O-+2Na++H2↑

C2H5O-+CH3I→CH3—O—C2H5+I-

[问题2]已知液体SO2和纯水的导电性相近,实验测得两者的导电率分别为8×10-8Ω-1·cm-1和6×10-8 Ω-1·cm-1。请用化学方程式说明为什么在液体SO2中,用可Cs2SO3去滴定SOCl2?

问题解决:用Cs2SO3去滴定SOCl2,对于学生来讲是一个全新的问题,但酸碱中和反应(问题原型)学生并不陌生。由SO2和纯水的导电性相近,说明两者的电离能力相当,相反有反应:H3O++OH-=2H2O(中和反应实质)极易发生。则反应SO32-+SO2+=2SO2容易进行,与上述离子反应对应的化学方程式分别为:

Ⅰ:CsOH+HCl=CsCl+H2O

Ⅱ:Cs2SO3+SOCl2=2CsCl+2SO2

因此,可用Cs2SO3滴定SOCl2。

五、在类比中培养能力

科学史上很多重大发现、发明,往往发端于类比,类比被誉为科学活动中的“伟大的引路人”。数学家、天文学家开普勒曾说:“我们珍视类比胜于任何别的东西,它是我最可信赖的老师,它能揭示自然界的秘密。”教学中运用类比使学生能体会到知识之间的联系,在先前知识的“引领”下,起到举一反三、触类旁通的效果,能够系统地掌握学科概念,有助于培养学生分析、比较的能力,最终达到发展智力,培养学生的思维能力。

如在学习Pb3O4结构和性质时,学生常常把它和Fe3O4进行类比。从表面上看两种物质组成完全一样,如果不深入分析推敲极易误入歧途。物质的组成结构与元素的价态有密切的联系。在Fe3O4中铁为+2和+3价,而Pb3O4中铅为+2和+4价,所以以氧化物的形式表示分别为:FeO·Fe2O3;PbO·PbO2。若用盐的形式表示则依次为:Fe[FeO2]2和Pb2[PbO4],正是由于它们结构上的差异导致了其化学性质的不同,如与浓盐酸的反应分别为:

Fe3O4+8HCl=FeCl2+2FeCl3+4H2O

Pb3O4+8HCl=3PbCl2+Cl2↑+4H2O

再如,在分析HClO分子的结构式时,学生时常将其写成H-Cl-O。出现这种错误的根本原因没有真正理解含氧酸的特征。若从含氧酸都是羟基酸这一特征进行类比,则不难得出其正确结构为H-O-Cl。那么分子中所有原子在一条直线上吗?对于这一问题的研究可类比熟悉的水分子,水分子是“角形”结构,由此可推出HClO分子的空间构型。

参考文献

[1] 李伟. 类比思维在中学化学教学中的应用研究[D]. 东北师范大学,2009

[2] 张文广,王祖浩. 化学中的类比思维[J]. 化学世界,2007,(7)

四、在类比中解决问题

问题解决是以已有的知识、经验为基础,如果没有相关的先前知识,问题解决则无法进行。即使所谓的“新问题”,也能在贮存的知识系统中或多或少的存在某些“原型”,关键是能否从已有的知识储备中顺利提取到相关的信息。类比能将新问题转化为已有知识经验中相似的问题原型,通过比较在两者之间建立联系,实现知识的有效“迁移”,把当前的情景转换为熟悉的、简单的、清晰的情景,从而使问题得到解决。

[问题1]根据卤代烃的性质完成下列方程式:

(1)溴乙烷跟NaHS的反应;

(2)由碘甲烷、无水乙醇和金属钠合成甲乙醚。

问题解决:卤代烃与氢氧化钠溶液的反应,是一个典型的取代反应。其实质是带负电的原子或原子团(例如OH-阴离子)取代了卤代烃中的卤原子。CH3CH2CH2Br+OH-→CH3CH2CH2OH+Br-由此可以推出:R—X+Y-→R—Y+X-,根据与OH-的相似点,可写出化学方程式:

(1)C2H5Br+HS-→C2H5SH+Br-

(2)2C2H5OH+2Na→2C2H5O-+2Na++H2↑

C2H5O-+CH3I→CH3—O—C2H5+I-

[问题2]已知液体SO2和纯水的导电性相近,实验测得两者的导电率分别为8×10-8Ω-1·cm-1和6×10-8 Ω-1·cm-1。请用化学方程式说明为什么在液体SO2中,用可Cs2SO3去滴定SOCl2?

问题解决:用Cs2SO3去滴定SOCl2,对于学生来讲是一个全新的问题,但酸碱中和反应(问题原型)学生并不陌生。由SO2和纯水的导电性相近,说明两者的电离能力相当,相反有反应:H3O++OH-=2H2O(中和反应实质)极易发生。则反应SO32-+SO2+=2SO2容易进行,与上述离子反应对应的化学方程式分别为:

Ⅰ:CsOH+HCl=CsCl+H2O

Ⅱ:Cs2SO3+SOCl2=2CsCl+2SO2

因此,可用Cs2SO3滴定SOCl2。

五、在类比中培养能力

科学史上很多重大发现、发明,往往发端于类比,类比被誉为科学活动中的“伟大的引路人”。数学家、天文学家开普勒曾说:“我们珍视类比胜于任何别的东西,它是我最可信赖的老师,它能揭示自然界的秘密。”教学中运用类比使学生能体会到知识之间的联系,在先前知识的“引领”下,起到举一反三、触类旁通的效果,能够系统地掌握学科概念,有助于培养学生分析、比较的能力,最终达到发展智力,培养学生的思维能力。

如在学习Pb3O4结构和性质时,学生常常把它和Fe3O4进行类比。从表面上看两种物质组成完全一样,如果不深入分析推敲极易误入歧途。物质的组成结构与元素的价态有密切的联系。在Fe3O4中铁为+2和+3价,而Pb3O4中铅为+2和+4价,所以以氧化物的形式表示分别为:FeO·Fe2O3;PbO·PbO2。若用盐的形式表示则依次为:Fe[FeO2]2和Pb2[PbO4],正是由于它们结构上的差异导致了其化学性质的不同,如与浓盐酸的反应分别为:

Fe3O4+8HCl=FeCl2+2FeCl3+4H2O

Pb3O4+8HCl=3PbCl2+Cl2↑+4H2O

再如,在分析HClO分子的结构式时,学生时常将其写成H-Cl-O。出现这种错误的根本原因没有真正理解含氧酸的特征。若从含氧酸都是羟基酸这一特征进行类比,则不难得出其正确结构为H-O-Cl。那么分子中所有原子在一条直线上吗?对于这一问题的研究可类比熟悉的水分子,水分子是“角形”结构,由此可推出HClO分子的空间构型。

参考文献

[1] 李伟. 类比思维在中学化学教学中的应用研究[D]. 东北师范大学,2009

[2] 张文广,王祖浩. 化学中的类比思维[J]. 化学世界,2007,(7)

四、在类比中解决问题

问题解决是以已有的知识、经验为基础,如果没有相关的先前知识,问题解决则无法进行。即使所谓的“新问题”,也能在贮存的知识系统中或多或少的存在某些“原型”,关键是能否从已有的知识储备中顺利提取到相关的信息。类比能将新问题转化为已有知识经验中相似的问题原型,通过比较在两者之间建立联系,实现知识的有效“迁移”,把当前的情景转换为熟悉的、简单的、清晰的情景,从而使问题得到解决。

[问题1]根据卤代烃的性质完成下列方程式:

(1)溴乙烷跟NaHS的反应;

(2)由碘甲烷、无水乙醇和金属钠合成甲乙醚。

问题解决:卤代烃与氢氧化钠溶液的反应,是一个典型的取代反应。其实质是带负电的原子或原子团(例如OH-阴离子)取代了卤代烃中的卤原子。CH3CH2CH2Br+OH-→CH3CH2CH2OH+Br-由此可以推出:R—X+Y-→R—Y+X-,根据与OH-的相似点,可写出化学方程式:

(1)C2H5Br+HS-→C2H5SH+Br-

(2)2C2H5OH+2Na→2C2H5O-+2Na++H2↑

C2H5O-+CH3I→CH3—O—C2H5+I-

[问题2]已知液体SO2和纯水的导电性相近,实验测得两者的导电率分别为8×10-8Ω-1·cm-1和6×10-8 Ω-1·cm-1。请用化学方程式说明为什么在液体SO2中,用可Cs2SO3去滴定SOCl2?

问题解决:用Cs2SO3去滴定SOCl2,对于学生来讲是一个全新的问题,但酸碱中和反应(问题原型)学生并不陌生。由SO2和纯水的导电性相近,说明两者的电离能力相当,相反有反应:H3O++OH-=2H2O(中和反应实质)极易发生。则反应SO32-+SO2+=2SO2容易进行,与上述离子反应对应的化学方程式分别为:

Ⅰ:CsOH+HCl=CsCl+H2O

Ⅱ:Cs2SO3+SOCl2=2CsCl+2SO2

因此,可用Cs2SO3滴定SOCl2。

五、在类比中培养能力

科学史上很多重大发现、发明,往往发端于类比,类比被誉为科学活动中的“伟大的引路人”。数学家、天文学家开普勒曾说:“我们珍视类比胜于任何别的东西,它是我最可信赖的老师,它能揭示自然界的秘密。”教学中运用类比使学生能体会到知识之间的联系,在先前知识的“引领”下,起到举一反三、触类旁通的效果,能够系统地掌握学科概念,有助于培养学生分析、比较的能力,最终达到发展智力,培养学生的思维能力。

如在学习Pb3O4结构和性质时,学生常常把它和Fe3O4进行类比。从表面上看两种物质组成完全一样,如果不深入分析推敲极易误入歧途。物质的组成结构与元素的价态有密切的联系。在Fe3O4中铁为+2和+3价,而Pb3O4中铅为+2和+4价,所以以氧化物的形式表示分别为:FeO·Fe2O3;PbO·PbO2。若用盐的形式表示则依次为:Fe[FeO2]2和Pb2[PbO4],正是由于它们结构上的差异导致了其化学性质的不同,如与浓盐酸的反应分别为:

Fe3O4+8HCl=FeCl2+2FeCl3+4H2O

Pb3O4+8HCl=3PbCl2+Cl2↑+4H2O

再如,在分析HClO分子的结构式时,学生时常将其写成H-Cl-O。出现这种错误的根本原因没有真正理解含氧酸的特征。若从含氧酸都是羟基酸这一特征进行类比,则不难得出其正确结构为H-O-Cl。那么分子中所有原子在一条直线上吗?对于这一问题的研究可类比熟悉的水分子,水分子是“角形”结构,由此可推出HClO分子的空间构型。

参考文献

[1] 李伟. 类比思维在中学化学教学中的应用研究[D]. 东北师范大学,2009

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