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分子模型的科学探究

编辑: 路逍遥 关键词: 高中化学 来源: 记忆方法网
探究学习即从学科领域或现实社会生活中选择和确定研究主题,在教学中创设一种类似于学术(或科学)研究的情境,学生通过自主、独立地发现问题、实验、操作、调查、信息搜集与处理、表达与交流等探索活动,获得知识与技能、发展情感与态度,特别是探索精神和创新能力的学习方式和学习过程。经历探究过程以获得理智和情感体验、建构知识、掌握解决问题的方法,是探究学习要达到的三个目标。开展探究学习十分有利于学生的思维发展,学生作为学习者主动地参与课堂活动,积极性更容易被激发,也能很有效的掌握所学的知识。探究活动的主题很多,模型便是其中一个方面。

  

  一、分子模型探究模式

  

  事物的模型是对事物的简化模拟,人类认识知识可以借助模型加深对事物的理解。布鲁纳认为,在人类认知过程中,有三种表征系统在起作用,那就是“动作表征、肖像或映象表征和符号表征——即通过动作或行动、肖像或映象,以及各种符号来认识事物。这三种表征系统的相互作用,是认识生长或智慧生长的核心”(Bruner,1973)。这三种表征,具有抽象程度之别,一般由行动—形象—符号表征这样一个认知过程发展,但并不是无严格意义上的先后顺序之分。它们是相互作用的,科学合理的抽象符号表征,可以更真实形象地表征事物的特征,使动作表征的方向更明确,动作更符合实际而有成效。比如我们探讨分子模型,它是认识化学宏观物质组成与微观构成的中介,人们可以通过情景创设,观察宏观物质组成的具体模型,运用一定方法,展开心理运作表征,关注其某种外观特征入手,提出“为什么具有这种特征?”探究的问题,在探究者已有知识基础上,展开从宏观物质到微观构成的分析推演运作,形成科学猜想或假设,然后,在目标明确、方案具体情境下,进行实证性的操作表征,这种宏观与微观相结合的思考,可以更本质的探究和理解知识,建构物质概念和原理。

  

  二、探究活动过程

  

  以C60分子结构模型为例说明图1分子模型的探究过程模式。

  

  1探究情景创设

  

  向学生展示富勒烯C60分子结构模型,引导学生仔细观察模型表观特征,用言语来描述感知现象,并自主联系已有相关知识,如C的同素异形体——金刚石、石墨等的联系。比较异同。

  

  2以分子模型切入,寻找相关信息

  

  以C60分子结构模型为基点,辅以一个实物——足球作参照物,引导学生通过各种手段(如教材、科普读物、教育电视节目、网络资源等)寻找相关的信息。让学生交流感受,在原有知识基础上提出自己的疑问、想法或问题。

  

  3对模型的探究

  

  (1)观察模型:引导学生从“整体—部分—整体”的方式来观察模型有那些特点,首先认识事物整体结构框架,形似足球,但又不是足球的替代物,有哪些直接信息,是否有隐藏信息?其次分析模型的组成结构,从方法上引导学生,将C60分子结构分解为各个小单元来认识,如点、线、面的认识,它们之间是如何联结的?了解这些单元,然后整合回归到分子模型整体,以理解C60等原子团簇分子,何以具有特有的物理和化学性质。

  

  (2)提出问题:通过观察、分析C60分子结构模型,引导学生探讨分子模型的变量参数,如碳原子最外层有四个电子,它是如何成键的?,模型中顶点意味着什么?有多少个面?多少单键和双键?C60分子何以稳定?等相关问题。

  

  (3)分析推论:引导学生联系原有知识,分析①碳原子是如何成键的?②每个碳原子拥有多少条C—C单键和多少条C=C双键才能满足碳原子的成键方式?画出碳原子的成键方式图。③每个碳C—C单键为几个原子所拥有?计算C60分子中共有多少条C—C单键?同理计算每个碳C=C双键为几个原子所拥有?计算C60分子中共有多少条C=C双键?④基于C60分子中只含有五边形、六边形的事实,依据多面体的顶点数、面数、和棱边数的关系遵循欧拉定理:顶点数+面数-棱边数=2;则C60分子中有多少个五边形、六边形?

  

  C

  

  图3C60成键方式

  

  (4)形成假设:依据上述理论分析,得出C60分子的成键方式如图3。每个碳原子占有1条C-C单键,共60条C-C单键,每个碳原子占有1/2条C=C双键,共有30条C=C双键;总键数即棱边数为90;C60分子由12个五边形和20个六边形组成的球体。假设这个结论为真,则依此制作的模型与真实结构图形是否一致。

  

  4制作验证

  

  教师准备制作材料,组织学生自己动手制作模型:验证自己的推论是否正确,自己的假设是否成立?

  

  C60模型制作的材料很简单,用牙签、泡末、粘合剂或者软铁丝。这些都是生活中常见的材料,学生很容易获得。这两种材料的制作方法类似,但由于细铁丝本身有良好的延展性,能很好地固定骨架。我们以使用软铁丝的制作为例,简要介绍其制作步骤:

  

  (1)确定一个五元环,用一根钢尺作为五元环各边确定的模板,将事先准备的铁丝在上面缠绕几周,然后取出,这样就有了等长的几条边,然后将铁丝弯曲成五元环的形状;

  

  (2)在第一个五元环的周围依次连接5个六元环;

  

  (3)在其中两个六元环之间确定第二个五元环,然后在它周围接3个六元环。这一过程中的重点是充分调动学生的空间想象,正确地连接;

  

  (4)按照同样的原理确定另外10个五元环,以及另外12个六元环。在制作过程中,要记着一点:每一个五元环周围有5个六元环。必要的时候可以用一足球作为参照。

  

  5表达与交流

  

  组织学生进行交流,将自己的作品展示。对本次活动的收获及一些问题的理解用自己的语言表达出来,同时鼓励学生对相关科学前沿的问题提出大胆的猜想与预测。

  

  6概括化

  

  把自己的活动及其结果概括到更大的背景中。同理,学生可以建构C70模型。在此基础上,教师展示不同形态富勒烯的结构模型,如单层碳纳米管、布基洋葱、两端封密的碳纳米管等,并介绍一些碳原子簇的相关知识与应用,也可以让学生展示一些自己搜集的资料图片。不仅丰富自己的原有知识,更是对科学前沿的一次了解,增强学生的学习兴趣以及科学探究欲望。

  

  三、结论

  

  从布鲁纳上述人类认知过程“三种表征”的观点出发,以科学探究七个基本构成要素为依据,我们构建了分子模型的探究模式,并分别探讨了模型的各个相关环节,通过一些个案实践,可以得出:在相关教学中引导学生对分子模型的科学探究活动,不仅能强化师生的科学探究意识;而且能加深学生宏观与微观相结合的认识和思考;更重要的是有利于学生形成“整体—部分—整体”的认识方法,体验宏观入手,微观分析化学物质这一科学过程;同时可以增强化学学习兴趣,逐步建立起认识世界、改造世界的自信。我们开展这一探究活动的目的与课程标准提出的目标要求是一致的,并且能符合学生的认知心理发展逻辑与学生学习的需要。

  

本文来自:逍遥右脑记忆 /gaozhong/556970.html

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