立足問題解決的化學(xué)教學(xué)
——以必修二“烷烴”教學(xué)為例

張金怡

揚(yáng)州大學(xué)吳星教授曾指出：高中生化學(xué)核心素養(yǎng)必須且只能在化學(xué)問題解決的學(xué)習(xí)中形成和發(fā)展。［1］這是因?yàn)榛瘜W(xué)問題解決的學(xué)習(xí)往往需要通過在真實(shí)而復(fù)雜的情境中發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，運(yùn)用化學(xué)學(xué)科的思維方式分析問題，開展學(xué)科探究活動，最終獲得問題解決的方案和結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)化學(xué)學(xué)科知識的習(xí)得，學(xué)科能力的提升，科學(xué)精神和社會責(zé)任感的培養(yǎng)以及正確價(jià)值觀的塑造?，F(xiàn)以新人教版必修二“烷烴”為例，從基于化學(xué)問題解決的途徑開展教學(xué)實(shí)踐，落實(shí)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、教學(xué)分析

1.課標(biāo)分析。

相較于2003年版的高中化學(xué)課標(biāo)，2017年版課標(biāo)在內(nèi)容要求部分將“了解有機(jī)化合物中碳的成鍵特征，舉例說明有機(jī)化合物的同分異構(gòu)現(xiàn)象”調(diào)整到了“簡單的有機(jī)化合物及其應(yīng)用”的主題中，知識體系安排更為合理。同時(shí)降低了對甲烷性質(zhì)的要求，明確了對具體有機(jī)物中碳原子成鍵特點(diǎn)的認(rèn)知。

此外，課程標(biāo)準(zhǔn)還提供了相關(guān)教學(xué)策略、學(xué)習(xí)活動建議和情境素材建議，明確了相關(guān)學(xué)業(yè)要求。課程標(biāo)準(zhǔn)的修訂和完善，為教學(xué)的開展、活動的設(shè)計(jì)和學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)奠定了良好的基礎(chǔ)。

2.教材分析。

人教版和蘇教版兩個(gè)版本的新教材對新課標(biāo)給予了不同的呈現(xiàn)方式。

人教版變化較大。標(biāo)題從“最簡單的有機(jī)化合物”到“認(rèn)識有機(jī)化合物”，內(nèi)容從原來的在認(rèn)識甲烷的基礎(chǔ)上穿插烷烴結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，變?yōu)橄日J(rèn)識有機(jī)物中碳原子的成鍵特點(diǎn)，從甲烷結(jié)構(gòu)到烷烴結(jié)構(gòu)，再基于甲烷及烷烴的用途，系統(tǒng)認(rèn)識烷烴的性質(zhì)，最終建立對有機(jī)物通性的一般認(rèn)識。教材側(cè)重體現(xiàn)了“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途”的化學(xué)學(xué)科核心觀念，隱含了從“一般到個(gè)別，再從個(gè)別到一般”的學(xué)科認(rèn)知方式，對有機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)起到了承前啟后的作用。教材還設(shè)置了“資料卡片”“思考與討論”“數(shù)據(jù)”“實(shí)驗(yàn)”等欄目，為教學(xué)活動開展提供了素材和方向。

蘇教版新教材沿襲了舊版的特色，抓住有機(jī)物中的典型代表物，從獲得這些物質(zhì)的途徑出發(fā)，呈現(xiàn)了相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。促使學(xué)生感受到真實(shí)的、有用的化學(xué)，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。教材中明確將搭建球棍模型作為學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)。

3.學(xué)情分析。

從學(xué)科知識來看，學(xué)生已從化學(xué)鍵的角度理解了甲烷結(jié)構(gòu)和碳原子的成鍵特點(diǎn)；從學(xué)科能力來看，學(xué)生初步具備了模型搭建、分析推理、歸納概括的能力；從學(xué)生的心理狀態(tài)來看，有機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)是全新的一頁，學(xué)生在情緒和心理上都處于興奮狀態(tài)，是教學(xué)的良機(jī)。

二、教學(xué)目標(biāo)

結(jié)合對教材及學(xué)情的分析，確立本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)。

基于球棍模型的搭建，認(rèn)識烷烴分子的結(jié)構(gòu)特征，知道同系物以及烷烴中的同分異構(gòu)現(xiàn)象，從宏觀和微觀相結(jié)合的視角分析問題；圍繞三個(gè)核心問題的深入探討，體會問題解決過程中的證據(jù)推理，建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系；基于烷烴的應(yīng)用，感受化學(xué)對改善人類生活的價(jià)值，體會科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任。

三、教學(xué)設(shè)計(jì)思路與主要環(huán)節(jié)

如圖1所示，基于課標(biāo)的要求，本節(jié)課的設(shè)計(jì)對兩個(gè)版本的教材內(nèi)容進(jìn)行了重組整合，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，并圍繞三個(gè)問題逐步推進(jìn)教學(xué)的展開，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造性地使用教材。

圖1 設(shè)計(jì)思路

通過組織搭建烷烴球棍模型的學(xué)生探究活動，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)有機(jī)物中的同分異構(gòu)現(xiàn)象，進(jìn)而總結(jié)同分異構(gòu)的有關(guān)概念，經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題、尋找證據(jù)、解決問題的過程；并從烷烴的微觀分子結(jié)構(gòu)走向烷烴的宏觀物理和化學(xué)性質(zhì)，體會化學(xué)對人類生活和社會進(jìn)步的巨大作用，感受化學(xué)工作者在其中發(fā)揮的重要作用。

1.祥云火炬為什么能在環(huán)境惡劣的珠峰頂端持續(xù)燃燒？——情境創(chuàng)設(shè)

回望2008年，北京奧運(yùn)祥云火炬登頂珠穆朗瑪峰。它以大氣的外表、良好的性能，被廣泛贊譽(yù)，是中國留給世界的寶貴遺產(chǎn)。祥云火炬的神奇究竟在何處，為何能在空氣稀薄、環(huán)境惡劣的珠峰持續(xù)燃燒，通過今天的學(xué)習(xí)將共同揭開和“祥云”有關(guān)的化學(xué)秘密。

【設(shè)計(jì)意圖】2008年北京奧運(yùn)是舉世矚目的大事，也是鐫刻在全國各族人民腦海中值得驕傲和自豪的永恒記憶。通過視頻播放“祥云”火炬登頂珠峰這一激動人心的場面，激發(fā)學(xué)生的愛國主義情懷，以飽滿的情緒開啟一節(jié)課的學(xué)習(xí)。同時(shí)提出了圍繞該真實(shí)情境的核心問題：“祥云火炬為什么能在環(huán)境惡劣的珠峰持續(xù)燃燒？”從而引發(fā)學(xué)生的思考，并產(chǎn)生迫切的愿望去解決問題。以此提升學(xué)生科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任的學(xué)科核心素養(yǎng)。

2.祥云火炬中使用了什么燃料？——認(rèn)識烷烴的組成和與結(jié)構(gòu)。

【投影】祥云火炬構(gòu)造圖：燃料是火炬設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注祥云火炬所使用的燃料——丙烷。展示丙烷分子的比例模型，確定丙烷的分子組成，再與甲烷的組成進(jìn)行對比，找到名稱中的“甲”“丙”和碳原子數(shù)之間的關(guān)系。

【小結(jié)1】烷烴的簡單命名。

【分組實(shí)驗(yàn)】以四人一小組為單位，搭建甲烷、乙烷和丙烷的球棍模型。仔細(xì)觀察甲烷、乙烷、丙烷的球棍模型，對比：隨著碳原子數(shù)的增大，氫原子數(shù)有何變化規(guī)律？三種物質(zhì)的原子連接方式有何相似之處？

【小結(jié)2】①烷烴通式；②烷烴（飽和烴）概念；③同系物概念。

【設(shè)計(jì)意圖】將烷烴、飽和烴、同系物這樣原本零散的化學(xué)概念，通過丙烷建立了彼此的聯(lián)系，且環(huán)環(huán)相扣、層層遞進(jìn)。從觀察搭建好的模型開始，建立學(xué)生對球棍模型的初步了解，從微觀層面探析物質(zhì)分子的組成和結(jié)構(gòu)，并對物質(zhì)進(jìn)行分類，找到同類物質(zhì)的相關(guān)性和各異性，促進(jìn)對化學(xué)概念的理解。

【應(yīng)用與實(shí)踐】①基于對烷烴的認(rèn)識，推斷含4個(gè)碳原子的烷烴分子式；②結(jié)合預(yù)測，搭建含4個(gè)碳原子的烷烴的球棍模型；③比較所搭球棍模型，是否完全相同？

【對比觀察】出現(xiàn)了兩種結(jié)構(gòu)：一種是有支鏈的，一種沒有。

【小結(jié)3】①同分異構(gòu)現(xiàn)象；②同分異構(gòu)體。

學(xué)生結(jié)合自己搭建的球棍模型，寫出正丁烷和異丁烷的結(jié)構(gòu)式。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著碳原子數(shù)的增加，烷烴的結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，用結(jié)構(gòu)式來表示有機(jī)物的組成和結(jié)構(gòu)不夠方便，所以需要一種更為簡潔的表達(dá)方式——結(jié)構(gòu)簡式。

【設(shè)計(jì)意圖】在明晰烷烴、同系物等相關(guān)概念的基礎(chǔ)上，將其應(yīng)用于實(shí)踐，由烷烴的通式推導(dǎo)出四個(gè)碳原子的烷烴的分子式。學(xué)生通過對不同小組搭建模型的比較，自主發(fā)現(xiàn)有機(jī)物中同分異構(gòu)的現(xiàn)象?；谏鲜鲎C據(jù)，建立對化學(xué)概念模型的認(rèn)知。而正、異丁烷結(jié)構(gòu)式的書寫，既是對舊知的鞏固，更感受到了結(jié)構(gòu)式表達(dá)復(fù)雜有機(jī)物組成和結(jié)構(gòu)的繁瑣，為結(jié)構(gòu)簡式的引入做好自然的鋪墊，強(qiáng)化了學(xué)生知識獲得的體驗(yàn)過程。

3.為什么選擇丙烷作為祥云火炬的燃料？——理解烷烴的性質(zhì)。

作為祥云火炬的燃料，丙烷必然可以燃燒。書寫化學(xué)方程式后，發(fā)現(xiàn)燃燒產(chǎn)物和甲烷相同。這就帶來新的問題，同樣可以燃燒，且燃燒產(chǎn)物也相同，為什么選擇了丙烷作為祥云火炬的燃料？學(xué)生通過交流討論提出了可能的因素，并做相互評價(jià)。

在此基礎(chǔ)上，教師從三方面進(jìn)行歸納整理：首先，價(jià)格因素；其次，基于丙烷的物理性質(zhì)——甲烷沸點(diǎn)很低，不易液化，丙烷則相對容易，便于貯存在火炬中；丙烷還能適應(yīng)比較寬的溫度范圍，在零下40℃時(shí)仍能產(chǎn)生1個(gè)以上飽和蒸氣壓，高于外界大氣壓，形成燃燒；最后，應(yīng)用場景，丙烷含碳量高，燃燒的火焰呈明亮的黃色，有良好的可視性，便于識別和電視轉(zhuǎn)播、新聞攝影的需要。

【小結(jié)4】由此可見，丙烷作為祥云火炬的燃料是綜合了其化學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)和實(shí)際需求的結(jié)果。這也是我們將化學(xué)物質(zhì)應(yīng)用于實(shí)際時(shí)常常需要考慮的因素。

【設(shè)計(jì)意圖】基于物質(zhì)分類的結(jié)果，從甲烷的化學(xué)性質(zhì)推知丙烷及烷烴的化學(xué)性質(zhì)，體現(xiàn)有機(jī)物研究從個(gè)別到一般的研究思路。引導(dǎo)學(xué)生從不同的角度探尋“祥云”火炬選擇丙烷作為燃料的原因，著力科學(xué)探究意識的養(yǎng)成，也為選修有機(jī)化學(xué)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

4.烷烴在生活中還有哪些應(yīng)用？——了解烷烴的用途。

【投影】丙烷的用途不僅僅局限在火炬燃料，還可用作發(fā)動機(jī)、家用取暖系統(tǒng)的燃料。其他烷烴也被廣泛應(yīng)用在生活生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，打火機(jī)中的液體是液化的丁烷，汽油中含有多種碳原子數(shù)不同的烷烴。

【總結(jié)】祥云火炬的神奇也不僅僅在于它選擇了丙烷作為燃料，還在于設(shè)計(jì)師將飛機(jī)發(fā)動機(jī)和火箭燃燒技術(shù)也應(yīng)用其中，這就涉及了更多學(xué)科的知識。2022年冬奧火炬“飛揚(yáng)”也已誕生，這又是一次技術(shù)的飛躍和突破，而化學(xué)學(xué)科又在其中發(fā)揮了怎樣的作用呢？有興趣的同學(xué)不妨做進(jìn)一步的深入了解。

【設(shè)計(jì)意圖】緊扣主題、回歸情境，讓學(xué)生了解烷烴在日常生活生產(chǎn)中的更多應(yīng)用，體會化學(xué)對于改善人類生活和促進(jìn)社會發(fā)展的積極意義。也讓學(xué)生看到化學(xué)工作者在各個(gè)領(lǐng)域所發(fā)揮的重要作用，感受國家科技的進(jìn)步與騰飛，再次喚醒學(xué)生心中的民族自豪感。

四、教學(xué)反思

1.基于問題探究的情境創(chuàng)設(shè)。

情境搭建了連接現(xiàn)實(shí)生活和學(xué)科領(lǐng)域的橋梁，為培育學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)提供了載體。而合適的情境一般總是跟實(shí)際問題的解決聯(lián)系在一起。2020年東京奧運(yùn)會火炬?zhèn)鬟f過程中火炬熄滅的新聞，一度引發(fā)了大家的關(guān)注。在這個(gè)節(jié)點(diǎn)上回顧2008奧運(yùn)火炬?zhèn)鬟f這一學(xué)生熟悉的社會性事件作為提煉問題的情境，有效降低了探究的起點(diǎn)，消除了學(xué)生思想上的抗拒感，由淺入深、由表及里的層層推進(jìn)，展示了化學(xué)學(xué)科在社會活動參與中的責(zé)任擔(dān)當(dāng)，加深不同民族的國家認(rèn)同感，增強(qiáng)學(xué)生民族自信心，是培育學(xué)生科學(xué)精神和社會責(zé)任這一化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的體現(xiàn)。

2.基于學(xué)生主動學(xué)習(xí)的活動設(shè)計(jì)。

化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，需要引導(dǎo)并組織學(xué)生參與多樣化的學(xué)習(xí)活動。本節(jié)課，學(xué)生在觀察對比、交流討論、搭建分子球棍模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建了烷烴、同系物、同分異構(gòu)等化學(xué)概念，由被動接受轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃犹骄?，取得了良好的效果。在搭建模型的過程中，學(xué)生更是表現(xiàn)得饒有興趣，他們視自己搭建的分子模型為藝術(shù)品，搭出異丁烷結(jié)構(gòu)的組別更是珍惜自己的作品。正如教育家蘇霍姆林斯基所說，在人的心靈深處，都有一種根深蒂固的需要，這就是希望自己是一個(gè)發(fā)現(xiàn)者、研究者、探索者。因此，教師需要精心構(gòu)思、大膽創(chuàng)新，設(shè)計(jì)出適合學(xué)生認(rèn)知水平的活動，讓學(xué)生在自主探究的過程中，感受知識獲取的快樂，提升自主學(xué)習(xí)的能力。

當(dāng)然，基于“問題解決”模式的課堂教學(xué)并不是發(fā)展高中學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的唯一途徑。作為化學(xué)教師，應(yīng)基于多元化的視角和多樣化的方式，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)；使學(xué)生深刻體會，化學(xué)科學(xué)帶給世界的不只是知識的進(jìn)化和思維的啟發(fā)，更是一種力量的支撐、精神的鞭策和創(chuàng)造的信念。［2］