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新课程高中化学必修课程是全体学生的共同基础,其目的是为了进一步提高全体学生的科学素养,并为学生学习其他相关学科课程和化学选修课程提供基础。所以,高中化学必修课程化学知识的逻辑性和系统性有所弱化,联系社会的知识和知识的应用相对较强。而为了提高学生的科学探究能力,对培养学生科学方法的要求则没有放松,在认识化学科学的主题下就有“认识实验、假说、模型、比较、分类等科学方法对化学研究的作用”的明确要求。知识是能力和方法的支架,知识的掌握对能力和方法的形成具有促进作用。为此“知识弱化了,怎样培养能力和方法”的问题摆在了我们面前。本文拟以人教版《化学2(必修)》中《苯》的教学为例,分析新课程高中化学必修教学中实施科学方法教育的策略。

 

教材分析

人教版《化学2(必修)》第三章《有机化合物》的框架为:

显然,教科书按《课程标准》的要求,没有考虑有机化学本身的内在逻辑体系,而是以典型有机物的学习为切入点,介绍其基本的结构、主要性质以及在生产、生活中的应用,较少涉及到有机物的类概念和它们的性质(如烯烃、芳香烃、醇类、羧酸等),让学生在初中有机物常识的基础上,能进一步从结构的角度,加深对有机物和有机化学的整体认识。为了学习同系物和同分异构体的概念,也只简单介绍了烷烃的结构特点和主要性质,没有涉及烷烃的系统命名等内容。

苯是《有机化合物》第二节介绍的第二种有机物,教科书主要介绍了苯的物理性质、分子结构及化学性质中的燃烧、取代和加成等性质,其重点和难点是苯的分子结构和性质。

 

学生分析

2学科知识方面

由于受《课程标准》及教科书的限制,学生在学习苯的有关知识之前,结合甲烷与烷烃及乙烯等基本知识的学习,了解了碳碳单键、碳碳双键的结构特征,以及烷等烷烃的取代反应和乙烯的氧化、加成反应等特征反应,并且以烷烃为例了解了同系物和同分异构体的基本概念,对烷烃同系物物理性质的递变性和化学性质的相似性也有所认识。进行苯的教学时,要以学生已有知识为基础,注意新知识与已有知识之间的联系,引导学生运用已经学习过的知识来推测和学习苯分子的结构和性质。

2科学方法方面

由于化学教育中科学方法教育的目标包括科学认识的一般过程和科学认识过程的方法两个层面。人教版新课程高中化学必修教科书在着力构建化学知识体系的同时,力图从这两个层面构建符合高中学生探究能力发展需要的科学方法体系。一是通过教科书中不同栏目的设计,体现科学认识的一般过程;二是重视科学认识过程方法的渗透。这些科学方法大致可以分为三个层次:第一个层次是化学学科内的特殊方法,如物质的分离和提纯方法、化学性质的试验方法等;第二层次是科学研究的一般方法,包括获取事实材料的观察、实验等方法,加工事实材料的逻辑方法、假说方法、模型方法等;第三层次是哲学方法,如唯物辩证法、系统方法等。《有机化合物》在《化学2(必修)》中列第三章,从章节的数量看,学生已经学完了必修课程的3/4,已经基本达到了“认识实验、假说、模型、比较、分类等科学方法对化学研究的作用”的要求,所以,在《苯》的教学中,要充分挖掘科学方法教育的因素,促进学生在运用科学方法探究苯的知识的过程中,进一步加深对有关科学方法的认识,提高科学探究的能力。

 

3  教学设计

学习任务一:用文献方法了解苯的发现和来源

学习活动1:交流课前就“苯的发现和来源”查阅的有关资料

学习活动2:在教师的带领下,总结苯的发现和主要来源。

设计意图:

1)虽然文献法不是化学教学活动中获得事实材料的主流方法,但适当安排文献方法的运用,能使学生体验获得事实材料的多种途径。

2创设学生感兴趣的情境,使他们从一个轻松的话题——“苯的发现和来源”入手,愉快地进入新的学习任务之中。

学习任务二:运用观察方法认识苯的主要物理性质

学习活动1:通过对苯的观察,感知苯的颜色、状态、气味等物理性质,并从记忆中搜寻嗅到苯的气味的生活情景。

学习活动2:通过观察苯与水(为了便于观察,可在水中加一滴墨水)的混合实验,感知苯的密度和水溶性等物理性质,并讨论分离苯与水的方法。

学习活动3:在教师的带领下,总结苯的主要物理性质,知道苯是一种重要的有机溶剂

设计意图:

观察是获取事实材料的主要方法,在科学研究中居于十分重要的地位。对苯的颜色、状态、气味的直接感知属于自然观察,通过与水的混合实验感知苯的密度和水溶性属于实验观察。这些观察活动教科书都没有安排,但它们能使学生对苯的相关物理性质留下深刻印象,值得教师的重视和研究

学习任务三:用假说方法确定苯分子的组成

学习活动1:根据通常情况下烷烃的状态与分子中碳原子数的关系,估计苯分子中碳原子数的取值范围。

学习活2:阅读教师提供的信息,推测苯分子的组成。

[信息]法国化学家热拉尔等人首先确定苯的相对分子质量为78

学习活动3:通过比较C6H6与乙烯分子中碳的质量分数,预测苯在空气中燃烧时的现象。

学习活动4:通过观察演示实验(用玻棒蘸取苯在酒精灯上点燃),进一步确认苯分子的组成。

设计意图:

1假说是人们根据已有的知识对于所研究的事物或现象所做的初步解释,它是在人们对于该事物或现象的原因没有全面认识的情况下作出的推测,所以假说需要验证真伪。假说属于认识创新方法,是科学探究的核心要素。学生对假说方法的认识,需要在科学教育活动中多次的体验和不断的深化。

2)本节学习任务是在改造教科书呈现方式的基础上设计的,目的是给学生增加体验假说方法的机会

发现问题——苯分子的组成是怎样的?

提出假说——苯常温下是液体,分子中的碳原子数应该大于5;如果碳原子数为5,则氢原子数为7812×518,超过饱和时所需的2×5212,所以苯的分子式只能是C6H6C6H6分子中碳的质量分数远大于乙烯,乙烯在空气中燃烧时火焰明亮伴有黑烟,苯在空气中燃烧时黑烟应该更浓。

实验检验——苯燃烧时产生明亮的带有浓烟的火焰(因燃烧时的黑烟会污染环境,不宜分组实验)。

得出结论——苯的分子式C6H6

学习任务四:认识苯的凯库勒式,感悟直觉思维的意义

学习活动1:阅读教师提供的信息和图片,认识凯库勒提出的苯的单双键交替的环状结构。

[信息]德国化学家凯库勒为了苯分子的结构,苦思冥想不得其解。1865年的一天夜晚,凯库勒在书房里打起了瞌睡,梦见一个个原子跳跃而出,并且像蛇一样盘绕卷曲。一会儿眼前的蛇衔住了自己的尾巴,并旋转不停。凯库勒从梦中惊醒,绘制出了苯分子中碳原子呈环状排列的结构。为了保持碳的4价,凯库勒又在环内加了3个双键,得到了苯的凯库勒式。

    或简写成

德国化学家凯库勒                       苯的凯库勒式

学习活动2:从教师提供的上述信息中,感悟直觉思维对科学研究的意义。

设计意图:

1)由于学生只有甲烷与烷烃及乙烯等基本知识,对碳碳之间化学键的多样性缺乏足够的认识,他们难以猜想苯分子的可能结构,为此选择了直接给出苯的凯库勒式的策略。

2直觉思维是非逻辑性的,它能打破常规思维定势和逻辑规则的束缚,因而是创造性思维的重要形式。一个人的直觉是无法训练出来的,它是研究者长期孜孜以求的结果。凯库勒之所以能够从梦中得到启发,是由于他一直致力于分子结构的研究,才会梦其所思;同时他又懂得化合价的真正含义,才捕捉到了直觉形象。近年来,有文献表明,苯的环状结构是奥地利中学教师劳斯密特在1861年提出的,比凯库勒的梦早了4年。这一学习活动的设计,并不是要为谁论功,而是为了给出苯的环状结构,同时引导学生感悟直觉思维的意义。

学习任务五:用假说方法确定苯分子中没有与乙烯类似的双键

学习活动1:根据乙烯的性质和苯的凯库勒式,推测苯的性质。

学习活动2:进行苯与溴水、酸性高锰酸钾溶液的混合实验,得出苯分子中没有与乙烯类似的双键的结论(注意引导学生分析苯对溴水的萃取现象)

设计意图:

这一节的学习任务教科书原本就是按假说的模式编排的,这不仅能揭示苯的凯库勒式存在的问题,而且能激发学生深入学习苯的结构和性质的兴趣

发现问题——苯的凯库勒式是单双键交替的环状构,其中的双键与乙烯中的双键类似吗?

提出假设——如果苯分子中有与乙烯类似的双键,则苯也能使溴水或酸性高锰酸钾溶液褪色。

实验检验——苯不能使溴水或酸性高锰酸钾溶液褪色。

得出结论——苯分子中没有与乙烯类似的双键。

学习任务六:用模型方法认识苯分子的平面正六边形结构

学习活动1:观察苯分子结构的比例模型,认识苯分子的独特结构。

学习活动2:根据教师提供的信息,进一步纠正凯库勒式中的单双键交替的环状结构。

[信息]苯的邻位二氯取代物只有一种结构。

设计意图:

1)受《课程标准》要求的限制,必修教科书中没有介绍共价键的键参数,所以用键参数等分析苯分子结构的特殊性宜留在《选修5(有机化学基础)》中进行

2化学科学对微观粒子结构及其变化的研究离不开模型方法。苯分子的比例模型属于物理模型,它能为学生直观地展示苯分子的独特结构。而苯的邻位二氯取代物只有一种结构的信息,又能使学生加深对苯环结构特殊性的认识。

学习任务七:用演绎方法完成苯的有关反应的化学方程式

学习活动1:根据教师提供的信息,运用已有知识完成苯的取代和加成反应的化学方程式。

[信息1在一定条件下,苯能与溴、硝酸等物质发生取代反应,苯环上的氢原子分别被溴原子和硝基(-NO2)取代后,生成溴苯()和硝基苯()。

[信息2在一定条件下,苯能与氢气发生加成反应,生成环己烷()。

学习活动2:由苯的取代和加成等性质,体会其在化工生产中的应用。

设计意图:

1)受《课程标准》要求的限制,苯与溴、硝酸等取代反应的实验操作暂不宜介绍,因此无法通过实验现象抽象出相关的化学方程式。

2演绎是从一般原理推论个别事物的推理方法。学生在前面的学习中,已经了解了甲烷的取代反应和乙烯的加成反应,从取代反应和加成反应的定义出发,用演绎方法完成苯的有关反应方程式既符合科学思维的规律,又能使学生进一步加深对取代反应和加成反应本质的认识。

学习任务用综合方法对苯的结构和性质形成整体认识

学习活动1:阅读教科书中关于苯的全部内容。

学习活动2:在教师的带领下,总结苯的性质及其与结构的关系。

设计意图:

综合是把研究对象的各个部分或各个方面联系起来考察,从整体上去认识和把握研究对象的思维方法。在对苯的结构、性质、用途等逐一研究以后,再进行全面的总结和归纳,能使学生对苯的有关知识形成一个整体的认识。

                                  

 

(刊于《化学教学》2007年第11期)

 

 

 

作者介绍:

  军(1964-),江苏省首批教授级中学高级教师,江苏省“333高层次人才培养工程”首批中青年科学技术带头人。

 

    
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