磁鐵小人玩具在高中化學教學中的應用

王嬡華

摘要：介紹兩款磁鐵小人玩具在高中化學“微粒間的相互作用”及“有機化學”教學中的應用。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鍵，四肢之間的分分合合可以演示反應過程中的斷鍵、成鍵過程，彌補有機球棍模型不能自由斷鍵、成鍵的缺點，幫助學生有效理解有機反應過程。磁鐵小人玩具可以增強學生對于復雜、抽象知識的理解，提升學生對化學學習的興趣，消除學生的畏難心理，是一種很好的教具。

關鍵詞：磁鐵小人;球棍模型;有機化學;化學鍵;教具

文章編號：1008-0546（2022）04x-0083-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

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

在高中化學必修的學習中，化學鍵與分子間作用力的區別、有機反應中的成鍵與斷鍵過程對很多學生來說難以理解，從而對化學的學習產生畏難心理，直接影響到后面的化學選科。針對這類需要較強空間想象能力且比較抽象的知識，在教育部頒布的《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》中明確提出：“借助實物模型、計算機軟件模擬、視頻等多種直觀手段，充分發揮學生搭建分子結構、晶體結構模型等活動的作用，降低教學內容的抽象性，促進學生對相關內容的理解和認識”[1]。在實際教學中，教師通常會使用球棍模型來進行教學輔助。球棍模型可以體現分子的三維空間分布，在幫助學生理解有機物的成鍵特點、立體結構、同分異構體、原子共線/共面問題、取代反應等方面非常方便實用[2]。但模型中的“棍”無法斷成兩截，對演示加成、加聚反應的斷鍵、成鍵過程比較困難，教學效果較差。為了解決這一問題，選取兩款磁鐵小人玩具來進行輔助教學。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，形成的單鍵可以旋轉，用來演示微粒間的相互作用和化學反應中的斷鍵、成鍵過程，教學效果非常好。

一、磁鐵小人在教學中的應用

1.化學鍵與分子間作用力

在化學鍵與分子間作用力的學習中，學生較難理解分子的概念、共價鍵與分子間作用力的區別。在教學中，用磁鐵小人扮演分子，表示每個分子都是一個獨立的個體。當兩個磁鐵小人相距較遠時，兩者之間感受不到相互作用力;兩者之間距離逐漸縮短時，吸引力或斥力逐漸增強，表示分子間作用力的強弱與分子間的距離有關（圖1-a、圖1-b）。兩個磁鐵小人相連后很容易被拆開，表示分子間作用力小，很容易被破壞，因此熔沸點比較低（圖1-b）。磁鐵小人身上的四肢很難與身體分離，表示分子內部原子間的共價鍵比分子間作用力要強，較難被破壞（圖1-c）。通過形象演示，學生當場就能理解相關的概念，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.有機物種類繁多的原因

在科普視頻BBC《化學史》第3集“元素的力量——門捷列夫很忙”，第五集“改變世界的元素”以及一些高中化學的教學PPT里，都會用人或玩具熊來扮演碳原子，用人或熊的四肢模擬碳原子最外層四個電子，用人或熊的排列方式多樣來解釋有機物種類繁多的原因。在課堂上，放視頻視覺沖擊力不夠，現場讓學生來扮演又顯混亂，這時派出可愛的磁鐵小人扮演碳原子，學生的注意力一下子就被吸引住了。如圖2所示：（1）成鍵數目多，可以形成四個共價鍵（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，碳鏈和碳環上還可以有支鏈

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

3.有機物中氫原子數目計算

在剛開始接觸有機物分子式書寫時，很多學生是在圖上數氫原子數目，由于給的圖一般是鍵線式，學生很容易漏掉氫原子。雖然教過學生不飽和度的計算方法，但每隔一段時間，學生就會忘記為什么要這樣計算。如果在講解不飽和度計算方法時，用磁鐵小人來演示一遍過程，學生更容易理解并記憶。在這里，用磁鐵小人扮演碳原子，用長尾夾扮演氫原子（圖3）：兩個碳原子之間，每多一次牽手/腳，就少了兩次與氫原子連結的機會，所以成一個環會少兩個氫（圖3-e），多一根不飽和鍵（π鍵）也會少兩個氫（圖3-b，圖3-c，圖3-d）。

4.加成、加聚、縮聚反應

在初次講解乙烯的加成反應時，學生很難理解反應中的斷鍵、成鍵過程，而教學中使用的球棍模型又很難模擬斷鍵、成鍵過程，僅僅只是在黑板上畫一畫或視頻放一放，印象不深。在寫產物時，學生記得要加上去兩個原子或原子團，卻總忘記將雙鍵變為單鍵。讓學生用磁鐵小人比劃一下，學生常有頓悟的感覺。例如：乙烯與溴化氫加成（圖4），用小長尾夾扮演氫原子，大長尾夾扮演溴原子，只有各自松開一只手，才能去牽手溴原子和氫原子，即只有打開雙鍵，才能發生加成反應。

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

在1，3-丁二烯的加聚反應中，學生對于中間重新形成雙鍵也難以理解，可以用磁鐵小人來演示一下中間過程（圖6）。

在講解縮聚反應時，學生很容易理解n個同種氨基酸脫掉（n-1）個水分子，形成（n-1）個酰胺基（開鏈），卻很難理解n個A氨基酸和n個B氨基酸脫掉（2n-1）個水分子，形成（2n-1）個酰胺基（開鏈），認為還是脫掉（n-1）個水分子。這時，用一個磁鐵小人來代表一個氨基酸，一只手舉著氫原子（長尾夾），另一只手舉著羥基（球和磁力棒），來進行對比說明（圖7）。從圖上可以很直觀地看到，脫水的數量與參與反應的總氨基酸數量有關，而不是某一種氨基酸的數量。

二、小結

將磁鐵小人引入高中化學課堂，可以輔助教師在微粒間相互作用、有機化學知識方面的教學，也可以分給學生自己探究，有效彌補有機球棍模型不能自由斷鍵、成鍵的缺陷，與球棍模型互為補充。利用磁鐵小人演示的過程，將看不見摸不著的化學鍵具象化，不僅加深了學生對于抽象知識的理解，而且能消除學生對于化學學習的畏懼心理，提升學生對化學學習的興趣。

現有的化學模型有其不可替代的優勢，但也不可避免存在一些缺陷[2-4]，一方面要鼓勵教師和學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];另一方面也要認識到使用模型的目的是幫助學生順利入門，適用于初期教學，待學生對物質結構有一定認識后，要幫助學生脫離模型進行深入學習，不可被實物模型限制思維。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（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.核心素養下的高中化學實物模型探究教學的實踐和研究——以“自主搭建球棍模型”理解有機物的結構特點為例[J].中學化學，2017（8）：6-8.

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

[4]陳寧，杜洪光，許家喜.氣球結合球棍模型在化學結構理論教學中的應用[J].化學教育，2021，42（4）：46-50.