高中化学探究性实验的教学实践——以“烃的分子结构”为例

文| 黄寿方

一、背景

化学教学中教师不仅需要传授概念性知识，还应通过实验活动来增强学生对概念的理解。“烃的分子结构”这一主题在有机化学中占有重要位置。学生对这一概念的深刻理解是构建整个有机化学知识体系的基础。在旧有的教育模式中，学生往往通过被动接受和观看图示来学习烃分子结构，这难以调动学生的积极性和探索欲。现代教学理念倡导通过探究性实验来提高教学效果，使学生在学习中成为主角，并将教师的工作重心转移到引导和支持学习过程上。这种方法还凸显了对学生关键能力的培养，如批判思维、创新力和实操技术，通过主动探究来实现这些能力的提升。

具体到烃分子结构的学习，探究性实验能够引导学生从宏观和微观层面全面理解分子构造。学生能通过动手实验对烃的化学特性进行观察，并运用模型建立、分子模拟等方法洞察分子结构和作用力，从而加深对烃类化合物特性的认识。

二、案例描述

（一）问题引入与概念澄清

在探究“烃的分子结构”时，教师需巧妙构建问题，以激发学生兴趣，并建立稳固的理论框架。该阶段注重将实际情境与化学知识相结合，目的是让学生在具体的应用语境中理解化学的重要性，并萌生探究烃分子结构的兴趣。

师：同学们，我们今天来聊聊日常生活中常见的烃——汽油和煤油。你们知道为什么汽油能成为有效的车辆燃料吗？煤油与汽油又有何不同呢？

生1：老师，我知道汽油燃烧可以产生能量，所以它能作为车辆燃料，但煤油和汽油的区别我就不太清楚了。

师：很好。大家在生活中有没有注意到，汽油主要用于汽车、摩托车等内燃机的燃料，亦用于制造一些溶剂。而煤油则通常用于飞机燃料（航空煤油）、照明、取暖和烹饪等，还常用于制作柴油和灯油。不同的用途取决于其分子结构的差异。

师：接下来我们深入探讨烃分子的构造如何决定其性质和功能。大家思考：烃的多样性来源是什么？分子构造如何影响烃的特性？

生2：老师，我认为烃的多样性来源于碳原子可以形成不同的化学键，如单键、双键和三键。分子构造不同，烃的特性也会有所不同。

师：非常好，大家的理解很到位。接下来，我要给大家讲解饱和烃与不饱和烃的概念。饱和烃是指分子中只含有单键的烃，而不饱和烃则含有双键或三键。

生3：老师，您能举个例子来说明一下吗？

师：当然可以。比如，丁烷和异丁烷就是一对具有相同分子式（C4H10）但结构不同的烃。丁烷是一种饱和烃，分子中只有单键；而异丁烷则是一种不饱和烃，分子中含有一个双键。由于分子结构的差异，它们的沸点和反应性也各有特点。

在整个互动过程中，教师与学生共同探讨了烃的主题，激发了学生对烃在现实生活中应用和属性的思考。这种教学方式增强了师生之间的交流，提高了学生的积极性和参与度，使课堂教学更加生动有趣。同时，这种教学方式有助于培养学生的问题解决能力和实践操作能力。

（二）实验设计与实施

在此阶段，学生将基于他们所学的理论知识进一步深化理解，并将知识应用到实验操作中，从而体验科学探究的全过程。

师：同学们，我们的下一个任务是制订实验计划，以研究烃分子的结构与其化学和物理性质之间的联系。首先，我们需要确定实验目的。

生1：老师，我认为我们可以通过观察不同烃的沸点、溶解性和化学反应等来研究分子结构与性质之间的关系。

师：很好，接下来我们需要选择合适的实验材料和方法。大家认为可以使用什么来形象化地展示烃的立体结构呢？

生2：老师，我们可以使用分子模型套件来展示烃的立体结构，这样能帮助我们更好地理解分子排列和其对性质的影响。

师：那我们在实验过程中应该如何记录实验观测结果呢？

生3：我们可以绘制分子的图示，这样能更深入地理解分子的形状和结构特点。

师：此外，我们还可以利用分子模拟软件在虚拟的环境中进行实验探索。这类软件能让我们在无需实际化学物质或实验室操作的条件下探讨复杂的化学现象。

生4：老师，使用计算机模拟会不会让我们更直观地看到分子互作、反应的动态过程和能量的转换呢？

师：没错，这将有助于加深你们对分子结构和物理、化学性质关系的理解。在实验操作时，大家要细致记录实验结果，以便后续分析。

生5：老师，我们可以通过研究正丁烷和异丁烷的沸点差异来探讨分子结构如何影响物理性质。尽管它们具有相同的化学式，但由于分子空间排列的不同，沸点也有所不同。

师：很好，这个实验能让大家更好地理解分子结构与物理性质之间的关系。在实验过程中，大家要积极思考并观察现象，以便得出结论。

在探索“烷烃分子构造”的实验环节，学生通过动手操作，既加深了对理论的理解，又提高了实践操作能力。在教师的引导下和同伴间的互动交流中，学生探索科学的热情和解决问题的技能得到提高。教师将理论和实践紧密相连，使得学习过程更加深入和有趣，为学生的综合化学素质培养打下了坚实的基石。

（三）数据收集与分析

在这个阶段，学生需要将之前学习的理论知识运用到实际操作中，深化对烃类分子结构差异及其性质影响的认识。

师：同学们，在进行“烃的分子结构”实验之前，我们需要准备实验设备和化学试剂。大家要明确实验目标和操作流程，确保能精确记录实验数据和观察到的现象。在建立分子模型的环节，要注意模型的结构准确性，并关注分子间的互动。

生1：老师，我们如何准确地判断分子模型的准确性，并理解其对物理特性的影响呢？

师：你们需要根据已知的化学结构理论，确保模型中的原子数量与类型、键的数目和类型都是准确的，同时要学会将模型与烃的实际物理特性联系起来，如观察分子的大小、形状和分子间的相互作用是如何影响沸点和熔点的。

生2：老师，在实验中控制变量的重要性是什么？我们应如何操作？

师：在做科学实验时，控制变量至关重要，因为它可以帮助你们确定哪些因素会影响实验结果。如在测定沸点时，要确保除了烃的类型之外，其他条件如温度、压力，都保持不变，这样你们才能准确地比较不同烃的沸点差异。

生3：老师，在比较不同烃的沸点时，我们是否需要考虑它们的极性或分子间力的类型？

师：非常好的问题。是的，你们应该考虑烃的极性和分子间力的类型，如分散力、偶极-偶极相互作用和氢键。这些都会影响烃的沸点和熔点，所以在分析数据时需要综合考虑这些因素。

生4：老师，实验结论应该如何基于我们的观测和数据来确立？

师：在形成结论之前，你们需要归纳、整理收集的数据，并将其与理论知识相结合。考虑所有可能的因素，排除误差的干扰，并从逻辑上推理出一个合理的解释。这个过程可能需要你们多次讨论和验证，但正是这样，才能确保结论的科学性和准确性。

（四）结论归纳与知识迁移

在结束实验后，学生会对收集的数据进行详尽分析。这样的数据解析能够使他们提出烃分子结构特征如何作用于其物理特性的有效推论。具体而言，学生将探究诸如碳链长度、分支数量以及是否存在环状结构这些因素对烃沸点和溶解性的影响。该探究过程不限于数据的阐释，它促进了学生对化学基础知识的深入理解。

师：同学们，在得出具体结论之后，我们来讨论一下如何将实验所获得的理论知识应用于实际情境。你们认为如何运用这些概念来开发石油衍生的产品，如油料和塑料？分子结构又是如何影响这些产品的性质的呢？

生1：老师，我认为我们可以根据不同烃分子的结构特点，研发出具有特定性能的塑料和油料。例如，某些烃分子结构可能导致油料的热稳定性和流动性更好，从而适用于不同的发动机和气候条件。

师：非常好，大家可以从分子结构的角度来分析这些问题。接下来，我想请大家考虑一下烃沸点在石油提炼中的重要性，以及其分子构造如何影响药品制造和化学产品的设计。

生2：老师，我了解到石油提炼过程中不同烃类的沸点决定了提炼温度和产品的纯度。而分子构造的不同可能导致某些烃类更适用于特定药品和化学产品的制造。

师：对，大家说得很好。在这个过程中，你们不仅掌握了科学原理，还学会了如何将知识应用于解决实际复杂问题，完成了从理论到实践的转换。这种转换技能对于你们未来参与科学探究非常有价值。

生3：老师，我认为总结与应用所学不仅仅是对实验结果的归纳，更是一个包含批判性思维、创造性想象和整合技巧的复杂过程。在这个过程中，我们需要将实验观察和数据分析与现有的化学理论相结合，从而对化学理念及其原理有更深层次的认识。

师：这种认识能激励你们发现科学定律在日常生活中的具体应用，提升你们的动手实践和问题解决能力。经过这一过程，你们将更深入地理解科研的实质，并为今后学术和职业方面的创新和应用打下坚实的基础。

（五）讨论与反思

在探究活动的最后，教师安排学生参与小组对话或集体讨论，使他们得以展示自身观点及共享实验成果。此环节不仅能促进知识交流与深入思考，还强化了学生的交流技巧与协作意识。

在讨论环节中，学生热情地呈现了自己的实验结果，包括记录和数据的解读。他们对比各自的成果，互相验证数据的准确性，并认识到了自身在实验设计和执行上的缺陷。此外，学生被鼓励开展自由的对话，让不同见解和思维相互碰撞，从而产生新的思想和疑问。比如，对于同类烃分子结构导致沸点差异的现象，学生可能会提出各种推论和阐释。在这一过程中，教师扮演了指导和监督的角色，保证讨论沿科学轨迹推进。

此外，教师着重引导学生进行深层次的思考。这种反思超越实验结果，更多地关注整个实验流程。学生被激励去审视他们的实验设置，考虑是否有更精简或更高效率的方法，以及哪些环节能够改善，以降低错误率。

三、案例反思

在“烃的分子结构”教学案例中，探究性实验的应用显著提高了学生的理解水平，同时在教案的最终阶段，通过深入总结与反思环节，进一步确保了教学目标的实现。

在课程的收尾部分，教师对学生的学习成果进行综合性梳理。学生通过自己设计和实施的实验，将理论知识与实践操作相结合，加深了对烃分子结构特性的认识。例如，通过实验室的观测和数据分析，如测定沸点和构筑分子模型，学生更深刻地理解了烃类分子结构的多样性及其对物质性质的影响。这样的操作实践不仅加深了学生对知识点的掌握，还培养了他们的实验技能和数据分析能力。

同时，教师也对自己的教学方法进行了反思，思考如何更有效地组织和指导学生进行探究性学习，并审视了自身教学方法的优势与不足，如理论教学与实践活动的衔接、教学资源的合理利用等。同时，教师也考虑了如何顾及学生个体差异，设计分层次的实验任务，以及如何通过有效的问题引导和反馈机制来加强学生的理解和记忆。