高中化學探究性實驗的教學實踐

黃壽方

一、背景

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

具體到烴分子結構的學習，探究性實驗能夠引導學生從宏觀和微觀層面全面理解分子構造。學生能通過動手實驗對烴的化學特性進行觀察，并運用模型建立、分子模擬等方法洞察分子結構和作用力，從而加深對烴類化合物特性的認識。

二、案例描述

（一）問題引入與概念澄清

在探究“烴的分子結構”時，教師需巧妙構建問題，以激發學生興趣，并建立穩固的理論框架。該階段注重將實際情境與化學知識相結合，目的是讓學生在具體的應用語境中理解化學的重要性，并萌生探究烴分子結構的興趣。

師：同學們，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生能量，所以它能作為車輛燃料，但煤油和汽油的區別我就不太清楚了。

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構的差異。

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

生2：老師，我認為烴的多樣性來源于碳原子可以形成不同的化學鍵，如單鍵、雙鍵和三鍵。分子構造不同，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）但結構不同的烴。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。由于分子結構的差異，它們的沸點和反應性也各有特點。

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

（二）實驗設計與實施

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

師：同學們，我們的下一個任務是制訂實驗計劃，以研究烴分子的結構與其化學和物理性質之間的聯系。首先，我們需要確定實驗目的。

生1：老師，我認為我們可以通過觀察不同烴的沸點、溶解性和化學反應等來研究分子結構與性質之間的關系。

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

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

師：那我們在實驗過程中應該如何記錄實驗觀測結果呢？

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構特點。

師：此外，我們還可以利用分子模擬軟件在虛擬的環境中進行實驗探索。這類軟件能讓我們在無需實際化學物質或實驗室操作的條件下探討復雜的化學現象。

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、反應的動態過程和能量的轉換呢？

師：沒錯，這將有助于加深你們對分子結構和物理、化學性質關系的理解。在實驗操作時，大家要細致記錄實驗結果，以便后續分析。

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構如何影響物理性質。盡管它們具有相同的化學式，但由于分子空間排列的不同，沸點也有所不同。

師：很好，這個實驗能讓大家更好地理解分子結構與物理性質之間的關系。在實驗過程中，大家要積極思考并觀察現象，以便得出結論。

在探索“烷烴分子構造”的實驗環節，學生通過動手操作，既加深了對理論的理解，又提高了實踐操作能力。在教師的引導下和同伴間的互動交流中，學生探索科學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，使得學習過程更加深入和有趣，為學生的綜合化學素質培養打下了堅實的基石。

（三）數據收集與分析

在這個階段，學生需要將之前學習的理論知識運用到實際操作中，深化對烴類分子結構差異及其性質影響的認識。

師：同學們，在進行“烴的分子結構”實驗之前，我們需要準備實驗設備和化學試劑。大家要明確實驗目標和操作流程，確保能精確記錄實驗數據和觀察到的現象。在建立分子模型的環節，要注意模型的結構準確性，并關注分子間的互動。

生1：老師，我們如何準確地判斷分子模型的準確性，并理解其對物理特性的影響呢？

師：你們需要根據已知的化學結構理論，確保模型中的原子數量與類型、鍵的數目和類型都是準確的，同時要學會將模型與烴的實際物理特性聯系起來，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？我們應如何操作？

師：在做科學實驗時，控制變量至關重要，因為它可以幫助你們確定哪些因素會影響實驗結果。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，所以在分析數據時需要綜合考慮這些因素。

生4：老師，實驗結論應該如何基于我們的觀測和數據來確立？

師：在形成結論之前，你們需要歸納、整理收集的數據，并將其與理論知識相結合。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，才能確保結論的科學性和準確性。

（四）結論歸納與知識遷移

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

師：同學們，在得出具體結論之后，我們來討論一下如何將實驗所獲得的理論知識應用于實際情境。你們認為如何運用這些概念來開發石油衍生的產品，如油料和塑料？分子結構又是如何影響這些產品的性質的呢？

生1：老師，我認為我們可以根據不同烴分子的結構特點，研發出具有特定性能的塑料和油料。例如，某些烴分子結構可能導致油料的熱穩定性和流動性更好，從而適用于不同的發動機和氣候條件。

師：非常好，大家可以從分子結構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，以及其分子構造如何影響藥品制造和化學產品的設計。

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品的純度。而分子構造的不同可能導致某些烴類更適用于特定藥品和化學產品的制造。

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

生3：老師，我認為總結與應用所學不僅僅是對實驗結果的歸納，更是一個包含批判性思維、創造性想象和整合技巧的復雜過程。在這個過程中，我們需要將實驗觀察和數據分析與現有的化學理論相結合，從而對化學理念及其原理有更深層次的認識。

師：這種認識能激勵你們發現科學定律在日常生活中的具體應用，提升你們的動手實踐和問題解決能力。經過這一過程，你們將更深入地理解科研的實質，并為今后學術和職業方面的創新和應用打下堅實的基礎。

（五）討論與反思

在探究活動的最后，教師安排學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。此環節不僅能促進知識交流與深入思考，還強化了學生的交流技巧與協作意識。

在討論環節中，學生熱情地呈現了自己的實驗結果，包括記錄和數據的解讀。他們對比各自的成果，互相驗證數據的準確性，并認識到了自身在實驗設計和執行上的缺陷。此外，學生被鼓勵開展自由的對話，讓不同見解和思維相互碰撞，從而產生新的思想和疑問。比如，對于同類烴分子結構導致沸點差異的現象，學生可能會提出各種推論和闡釋。在這一過程中，教師扮演了指導和監督的角色，保證討論沿科學軌跡推進。

此外，教師著重引導學生進行深層次的思考。這種反思超越實驗結果，更多地關注整個實驗流程。學生被激勵去審視他們的實驗設置，考慮是否有更精簡或更高效率的方法，以及哪些環節能夠改善，以降低錯誤率。

三、案例反思

在“烴的分子結構”教學案例中，探究性實驗的應用顯著提高了學生的理解水平，同時在教案的最終階段，通過深入總結與反思環節，進一步確保了教學目標的實現。

在課程的收尾部分，教師對學生的學習成果進行綜合性梳理。學生通過自己設計和實施的實驗，將理論知識與實踐操作相結合，加深了對烴分子結構特性的認識。例如，通過實驗室的觀測和數據分析，如測定沸點和構筑分子模型，學生更深刻地理解了烴類分子結構的多樣性及其對物質性質的影響。這樣的操作實踐不僅加深了學生對知識點的掌握，還培養了他們的實驗技能和數據分析能力。

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

（作者單位：陜西省安康市漢濱區漢濱高級中學）

編輯：趙飛飛