摘要：介绍两款磁铁小人玩具在高中化学“微粒间的相互作用”及“有机化学”教学中的应用。磁铁小人间的相互吸引和排斥可以很好地模拟微粒间的相互作用力，而磁铁小人的四肢可以很好地模拟碳原子与其它原子间形成的四根共价键，四肢之间的分分合合可以演示反应过程中的断键、成键过程，弥补有机球棍模型不能自由断键、成键的缺点，帮助学生有效理解有机反应过程。磁铁小人玩具可以增强学生对于复杂、抽象知识的理解，提升学生对化学学习的兴趣，消除学生的畏难心理，是一种很好的教具。

关键词：磁铁小人；球棍模型；有机化学；化学键；教具

在高中化学必修的学习中，化学键与分子间作用力的区别、有机反应中的成键与断键过程对很多学生来说难以理解，从而对化学的学习产生畏难心理，直接影响到后面的化学选科。针对这类需要较强空间想象能力且比较抽象的知识，在教育部颁布的《普通高中化学课程标准（2017 年版 2020 年修订）》中明确提出：“借助实物模型、计算机软件模拟、视频等多种直观手段，充分发挥学生搭建分子结构、晶体结构模型等活动的作用，降低教学内容的抽象性，促进学生对相关内容的理解和认识”［1］。在实际教学中，教师通常会使用球棍模型来进行教学辅助。球棍模型可以体现分子的三维空间分布，在帮助学生理解有机物的成键特点、立体结构、同分异构体、原子共线/共面问题、取代反应等方面非常方便实用［2］。但模型中的“棍”无法断成两截，对演示加成、加聚反应的断键、成键过程比较困难，教学效果较差。为了解决这一问题，选取两款磁铁小人玩具来进行辅助教学。磁铁小人均由软塑料制成，可以摆出各种造型；手脚顶端装有小磁铁，易吸引在一起也容易分开，形成的单键可以旋转，用来演示微粒间的相互作用和化学反应中的断键、成键过程，教学效果非常好。

一、磁铁小人在教学中的应用

1. 化学键与分子间作用力

在化学键与分子间作用力的学习中，学生较难理解分子的概念、共价键与分子间作用力的区别。在教学中，用磁铁小人扮演分子，表示每个分子都是一个独立的个体。当两个磁铁小人相距较远时，两者之间感受不到相互作用力；两者之间距离逐渐缩短时，吸引力或斥力逐渐增强，表示分子间作用力的强弱与分子间的距离有关（图1-a、图1-b）。两个磁铁小人相连后很容易被拆开，表示分子间作用力小，很容易被破坏，因此熔沸点比较低（图1-b）。磁铁小人身上的四肢很难与身体分离，表示分子内部原子间的共价键比分子间作用力要强，较难被破坏（图1-c）。通过形象演示，学生当场就能理解相关的概念，并且看着磁铁小人摆出的各种造型，课堂的气氛也比较活跃。

2.有机物种类繁多的原因

在科普视频BBC《化学史》第3集“元素的力量——门捷列夫很忙”，第五集“改变世界的元素”以及一些高中化学的教学PPT里，都会用人或玩具熊来扮演碳原子，用人或熊的四肢模拟碳原子最外层四个电子，用人或熊的排列方式多样来解释有机物种类繁多的原因。在课堂上，放视频视觉冲击力不够，现场让学生来扮演又显混乱，这时派出可爱的磁铁小人扮演碳原子，学生的注意力一下子就被吸引住了。如图2所示：（1）成键数目多，可以形成四个共价键（图2）；（2）成键方式多，可以形成碳碳单键、碳碳双键、碳碳叁键等（图2-a）；（3）骨架形式多，可以形成碳链、碳环，碳链和碳环上还可以有支链（图2中b1~b4）；（4）碳原子排列方式多、连接顺序多，导致有机物存在大量的同分异构体（图2中b1和b2、b3和b4、图2-c）。

3.有机物中氢原子数目计算

在刚开始接触有机物分子式书写时，很多学生是在图上数氢原子数目，由于给的图一般是键线式，学生很容易漏掉氢原子。虽然教过学生不饱和度的计算方法，但每隔一段时间，学生就会忘记为什么要这样计算。如果在讲解不饱和度计算方法时，用磁铁小人来演示一遍过程，学生更容易理解并记忆。在这里，用磁铁小人扮演碳原子，用长尾夹扮演氢原子（图3）：两个碳原子之间，每多一次牵手/脚，就少了两次与氢原子连结的机会，所以成一个环会少两个氢（图3-e），多一根不饱和键（π键）也会少两个氢（图 3-b，图3-c，图3-d）

4. 加成、加聚、缩聚反应

在初次讲解乙烯的加成反应时，学生很难理解反应中的断键、成键过程，而教学中使用的球棍模型又很难模拟断键、成键过程，仅仅只是在黑板上画一画或视频放一放，印象不深。在写产物时，学生记得要加上去两个原子或原子团，却总忘记将双键变为单键。让学生用磁铁小人比划一下，学生常有顿悟的感觉。例如：乙烯与溴化氢加成（图4），用小长尾夹扮演氢原子，大长尾夹扮演溴原子，只有各自松开一只手，才能去牵手溴原子和氢原子，即只有打开双键，才能发生加成反应。在加聚反应中，对于单烯烃的加聚，学生比较难理解的是：双键打开后，主链上其它的碳原子就变成了支链。这个用磁铁小人演示特别容易理解，只要将焦点放在双键上就可以（图5），将双键打开，其它的碳原子自然就成了支链。在1，3-丁二烯的加聚反应中，学生对于中间重新形成双键也难以理解，可以用磁铁小人来演示一下中间过程（图6）。在讲解缩聚反应时，学生很容易理解 n 个同种氨基酸脱掉（n-1）个水分子，形成（n-1）个酰胺基（开链），却很难理解 n 个 A 氨基酸和 n 个 B 氨基酸脱掉（2n-1）个水分子，形成（2n-1）个酰胺基（开链），认为还是脱掉（n-1）个水分子。这时，用一个磁铁小人来代表一个氨基酸，一只手举着氢原子（长尾夹），另一只手举着羟基（球和磁力棒），来进行对比说明（图7）。从图上可以很直观地看到，脱水的数量与参与反应的总氨基酸数量有关，而不是某一种氨基酸的数量。

二、小结

将磁铁小人引入高中化学课堂，可以辅助教师在微粒间相互作用、有机化学知识方面的教学，也可以分给学生自己探究，有效弥补有机球棍模型不能自由断键、成键的缺陷，与球棍模型互为补充。利用磁铁小人演示的过程，将看不见摸不着的化学键具象化，不仅加深了学生对于抽象知识的理解，而且能消除学生对于化学学习的畏惧心理，提升学生对化学学习的兴趣。现有的化学模型有其不可替代的优势，但也不可避免存在一些缺陷［2-4］，一方面要鼓励教师和学生从生活中寻找模型素材帮助理解，例如：粘土球、牙签、水果、气球［2，4］；另一方面也要认识到使用模型的目的是帮助学生顺利入门，适用于初期教学，待学生对物质结构有一定认识后，要帮助学生脱离模型进行深入学习，不可被实物模型限制思维。

作者：王嫒华 单位：常州市第一中学