正文 第六章 化學教學中思維與能力的培養(三)(2 / 3)

其次,苯分子發生取代反應時,碳、氫鍵斷裂,在苯酚分子中,碳、氫鍵在什麼條件下斷裂呢?苯跟溴發生取代反應時,要求反應物為液溴,反應需要催化劑,反應大約需要5分鍾的時間,得到的產物為溴苯;而苯酚與溴的取代反應相對就比較容易,向苯酚的濁液中滴入濃溴水(無需液溴),也無需催化劑,立刻就有白色沉澱生成,而且生成的產物為三溴苯酚,有3個氫原子被溴原子取代。苯酚與硝酸的取代也是有3個氫原子被硝基取代,生成三硝基苯酚。也就是說,苯酚分子中的碳、氫鍵更容易斷裂,這是由於羥基對苯環上的氫的活化作用。運用類比的方法去進行分解、組合,我們可以發現,有機物中不同的原子團之間的影響是相互的。

根據鈉與乙醇的反應來確定乙醇的結構人們最初認識有機物是遵循這樣的順序:先通過燃燒實驗,根據有機物燃燒後生成的二氧化碳和水的質量確定有機物的分子式。然後根據分子式推測它可能有的結構,提出不同的假設,再設計實驗,分別去驗證。乙醇的結構的確定就是遵循這個程序。首先人們通過燃燒實驗,測定乙醇的分子式;然後,就這個分子式,根據每種元素的不同成鍵要求,最後提出兩種可能的結構,既滿足乙醇的分子式,又滿足碳、氫、氧成鍵的要求:

乙醇的結構到底是哪一種情況呢?這要通過實驗來確定。根據乙醇的性質,知道它可以和鈉反應,於是人們想到可以利用乙醇和鈉反應進行定量的測定。實驗結果是隻產生了05摩爾。由此判定,乙醇的結構為第二種情況。

類比的方法,是化學科學研究、學習中常常要用到的一種科學方法。根據事物間的相似性,在一定條件下運用類比的方法進行邏輯推理,可以從某一類事物的屬性及變化類推到另一類事物。在中學化學教材中,對元素化合物的講授,大都是通過典型元素化合物性質及其變化的學習,然後簡要介紹同族元素及其化合物的性質及變化。

類比的思維方法在中學化學的學習中,都有著非常重要的作用。我們知道無機元素的種類有一百多種,在中學階段的學習中,不可能、也沒有必要把每一種元素的性質、它的重要化合物的性質都認識得很清楚。事實上我們將周期表中的元素分為主族元素和副族元素,在每一個主族中我們選取12個最常見的代表元素來研究,這就是我們在中學階段學習元素化合物知識的主要內容:第一主族我們研究的是氫和鈉;第二主族研究的是鎂;第三主族研究的是鋁;第四主族研究的是碳和矽;第五主族研究的是氮和磷;第六主族研究的是氧和硫;第七主族研究的是氯;整個過渡元素則是以鐵為代表來學習的。

在詳細學習每一族中的代表元素及其化合物知識的同時,我們係統地學習了元素周期律,掌握了同族元素性質上的相似性和遞變性,這樣就可以根據代表物的性質和元素性質的遞變規律去推測同族其他元素的性質。

在有機化學的學習中也是這樣:我們知道有機物的種類已超過1000萬種了,怎樣能夠從這些有機物中抓住最重要的、最基本的內容來認識呢?這裏的方法與無機化學中方法是相似的,我們首先引入同係物的概念,了解到結構相似的物質的物理性質是遞變的,而化學性質是相似的,然後分別以甲烷、乙烯、乙炔和苯為代表學習烴類物質中最重要的幾種——烷烴、烯烴、炔烴和芳香烴;以氯乙烷、乙醇、苯酚、乙醛、乙酸和乙酸乙酯等物質為代表來討論烴的衍生物中最重要的幾類物質——鹵代烴、醇、酚、醛、酸、酯等物質。實際上是將有機物分解為官能團,不同的有機物從官能團出發分析它的性質,有什麼樣的官能團,就有什麼樣的性質(當然,還要考慮到官能團之間的相互影響、這樣,在學習了基礎知識之後,就可以運用規律和類比的方法去進行推測、判斷。當然,化學是實驗科學,所有的推測要經過實驗檢驗,但它在分析問題、解決問題時,仍不失為一種非常重要的方法。

教師除了在講解知識的時候引入類比的方法,還要在進行知識總結的時候幫助學生運用類比的方法,將知識進行歸類整理,以利於學生記憶。很多化學問題之間存在著千絲萬縷的聯係,有些表麵現象相同,但本質不同;有些表麵現象不同,但卻有本質的聯係。教師在教學中應盡量創設情景,鼓勵學生大膽地運用類比的方法。

康德說:每當理智缺乏可靠的論證思路時,類比這個方法往往能指引我們前進。

(四)什麼是聯想

類比是運用事物的相似性比較它們的異同,從而抓住事物的特征和本質屬性的思維方法,聯想是類比的發展。聯想是一種形象思維方法,是事物普遍聯係規律在人的頭腦中的反映。在人類發展史、科學發展史上有很多發明創造與聯想有關。人們通過聯想從事物的種種聯係中去尋找、發現那些本質的、規律性的聯係。

聯想有兩種:一種是自由聯想,自由聯想是使聯想者不受任何外界因素限製,完全自由地按照自己的思維方式、思維習慣進行的隨意的聯想。它的實質是思維的自由探索。另一種是類似聯想,人們往往是看到或想到某一事物,由此引發而想到另一事物,這兩種事物在思考過程中被認為存在著本質上的相似或相對的地方,簡而言之,存在某種聯係。諾貝爾物理學獎獲得者湯川秀樹在回顧自己40年研究工作中的經驗時曾經說過:假設存在一種什麼事物是一個人所不能理解的,他偶爾注意到了這一事物和他理解得很清楚的另一事物的相似性,他通過將兩者比較就可以理解他在此刻之前尚不能理解的事物。

培根說:類似聯想支配發明。

(五)聯想的方法在科學發現中的作用

天然高分子化合物纖維素經過改性後用於製作人造絲,而人工造絲的想法是受了自然界生物的啟示。人們對蜘蛛、蠶等昆蟲吐絲、結網、作繭的奇妙現象產生濃厚的興趣,通過研究它們的生理構造,發現它們體內有許多黏稠的液體,通過小口吐出,遇到空氣便會凝結成絲,於是便試圖用人工方法仿製出類似的黏液,然後通過小孔進行抽絲。怎樣得到這種黏液呢?人們把注意力集中在蠶身上。蠶以桑葉為食,吐出蠶絲,從它們的化學成分看,桑葉的主要成分為纖維素,而蠶絲的主要成分為蛋白質,蛋白質與蠶絲相比,組成元素多了一種氮元素。於是,人們想到能否用含氮的物質與纖維素反應,製得黏液抽絲呢?人們用纖維素與硝酸反應,再將其溶於乙醇、乙醚的混合溶液,得到珂羅酊。1855年,安地瑪爾把珂羅酊通過毛細針管擠到空氣中,溶劑蒸發後就凝固成光亮、柔韌的絲。

在20世紀初,法國的化學家別涅迪克做完實驗正在打掃工作場所,不小心把一隻長頸燒瓶碰落到地上,意外的是,燒瓶沒有跌碎,隻不過是瓶壁上布滿了裂紋。別涅迪克並沒有隨手將它扔進垃圾箱,長期的科學實踐培養了他善於思考的習慣和深邃的洞察力。他從不放過身邊發生的任何意外事情,盡管這時他很忙,來不及仔細研究,但他在燒瓶上貼了張小紙條,上麵寫著:“1903年11月,這燒瓶從3米半高的地方跌下來,拾起來就是這個樣子。”幾年後,報紙上披露了一則車禍消息,車窗的玻璃碎片擊傷了司機和乘客。記者呼籲:應該研製一種碎了也不傷人的車窗玻璃,以免流血事件重演。別涅迪克看了這則消息後,想起了那隻布滿裂紋的燒瓶。經過仔細研究,他終於弄清楚這是一隻裝過硝化纖維素溶液的燒瓶,瓶壁上結了一層膠膜,因此燒瓶沒有跌碎。這個現象給別涅迪克帶來了啟發,他讓膠膜和玻璃“緊密合作”,一種新型的“夾層玻璃”問世了。

目前,隨著現代生活節奏的加快,人們的壓力越來越大,生活越來越緊張,再加上人們的飲食結構不夠合理,患高血壓病症的人越來越多,相應的人們發明了各種各樣的降壓藥品。你知道人們怎樣攻克高血壓的嗎?在幾十年前,人們已經發現了人體內血壓升高的化學機製,並且通過化學技術分離出了兩種密切相關的物質:血管緊張素和血管緊張素。在人體內的化學過程中,血管緊張素是在一種專一的“血管緊張素轉換酶”