基于“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的高中化學(xué)教學(xué)實(shí)踐

王飛 梁培培

以“乙烯與有機(jī)高分子材料”第1課時(shí)“乙烯”的教學(xué)設(shè)計(jì)為例，通過(guò)開(kāi)展形式多樣的教學(xué)活動(dòng)、基于“可視化”的教學(xué)設(shè)計(jì)等教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)習(xí)乙烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，從而促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展，形成學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)的一般思路和方法。

一、教學(xué)思路

培養(yǎng)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是以化學(xué)學(xué)科為出發(fā)點(diǎn)，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)學(xué)科知識(shí)，形成運(yùn)用化學(xué)思維和化學(xué)技術(shù)解決生活實(shí)際問(wèn)題的化學(xué)基本能力，形成終身發(fā)展的理念。本節(jié)課將微觀、抽象的有機(jī)化合物和有機(jī)反應(yīng)“可視化”，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理意識(shí)；通過(guò)播放視頻、搭建球棍模型等教學(xué)活動(dòng)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，同時(shí)又可以培養(yǎng)學(xué)生的模型認(rèn)知能力；通過(guò)乙烷與乙烯結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的對(duì)比，幫助學(xué)生梳理烷烴和烯烴性質(zhì)的不同及取代反應(yīng)和加成反應(yīng)的區(qū)別，培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維能力。

乙烯是學(xué)生初次接觸的含有官能團(tuán)的有機(jī)物，從官能團(tuán)和化學(xué)鍵兩個(gè)角度建立與有機(jī)化合物化學(xué)性質(zhì)之間的聯(lián)系，從而培養(yǎng)學(xué)生從微觀視角理解乙烯的特征反應(yīng)，深化學(xué)生對(duì)“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”這一化學(xué)學(xué)科基本概念的理解。

二、教學(xué)目標(biāo)

1.通過(guò)搭建球棍模型，認(rèn)識(shí)乙烯的結(jié)構(gòu)特征。

2.多重表征，探究乙烯的加成反應(yīng)與加聚反應(yīng)。

3.通過(guò)了解乙烯的用途，體會(huì)化學(xué)的學(xué)科價(jià)值。

三、教材與學(xué)情分析

本節(jié)課是研究位于烷烴之后的一類重要的不飽和烴——乙烯的性質(zhì)。乙烯在有機(jī)物的相互轉(zhuǎn)化中處于核心地位，在有機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)主干線中起著橋梁的作用。從宏觀和微觀的角度分析研究乙烯的結(jié)構(gòu)是如何決定乙烯性質(zhì)的，加深學(xué)生對(duì)“乙烯分子中碳碳雙鍵的特殊之處”的理解，從而了解加成反應(yīng)和加聚反應(yīng)中斷鍵和成鍵的位置。

在此之前，學(xué)生已經(jīng)掌握了碳的成鍵特點(diǎn)，尤其在學(xué)習(xí)了最簡(jiǎn)單的烷烴——甲烷的性質(zhì)以后，對(duì)“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的認(rèn)知模型有了初步的認(rèn)識(shí)，但是學(xué)生還沒(méi)有建立對(duì)有機(jī)物官能團(tuán)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的認(rèn)識(shí)，對(duì)有機(jī)反應(yīng)的本質(zhì)理解有一定的認(rèn)知難度，這些對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)都是巨大的挑戰(zhàn)。

四、主要教學(xué)環(huán)節(jié)和設(shè)計(jì)意圖

（一）創(chuàng)設(shè)情境，引入新課

播放視頻：乙烯的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展。

師：通過(guò)視頻可以發(fā)現(xiàn)乙烯有哪些物理性質(zhì)呢？

【展示】觀察乙烯的集氣瓶，并觀察其物理性質(zhì)。

（設(shè)計(jì)意圖：觀看視頻讓學(xué)生感受身邊的乙烯，了解乙烯的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本節(jié)課的興趣。再通過(guò)實(shí)物展示，歸納并總結(jié)其物理性質(zhì)。）

（二）模型認(rèn)知，探究乙烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

1.分析組成，推測(cè)結(jié)構(gòu)

師：用李比希燃燒法獲得下列數(shù)據(jù)：2.8 g乙烯在純氧中完全燃燒，將生成的氣體先通過(guò)裝有濃H2SO4的洗氣瓶，再通過(guò)裝有堿石灰的干燥管，測(cè)得濃H2SO4質(zhì)量增加了3.6 g，堿石灰質(zhì)量增加了8.8 g。請(qǐng)問(wèn)乙烯分子中含有哪些元素？試寫出乙烯的分子式。

生：乙烯中只存在碳、氫兩種元素，其分子式為C2H4。

動(dòng)手時(shí)刻：兩人一組，用給出的教具搭建C2H4可能的分子模型，判斷乙烯的空間構(gòu)型，寫出它的分子式、結(jié)構(gòu)式、電子式和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式，并與乙烷的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比。

生對(duì)比。

（設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)搭建乙烯的球棍模型，確定乙烯的結(jié)構(gòu)，采用模型、符號(hào)對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。在構(gòu)模的過(guò)程中，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)乙烯空間構(gòu)型的認(rèn)識(shí)，宏觀化思考微觀問(wèn)題。通過(guò)與乙烷多角度的對(duì)比，體會(huì)因“碳碳雙鍵”的存在導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上的不同，初建對(duì)“碳碳雙鍵特殊性之處”的認(rèn)識(shí)。）

2.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究乙烯的性質(zhì)

師：乙烯與乙烷組成及結(jié)構(gòu)的差異，會(huì)不會(huì)導(dǎo)致它們化學(xué)性質(zhì)上的差異呢？請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，證明兩者性質(zhì)上的差異。

學(xué)生活動(dòng)：學(xué)生討論出合理的方案，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自己的猜想，并把實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象填于下表中。

交流與討論：

（1）乙烯燃燒的現(xiàn)象為什么與乙烷不同？試分析可能的原因。

（2）乙烯能使酸性高錳酸鉀溶液褪色，那么乙烯可能發(fā)生了怎樣的反應(yīng)呢？體現(xiàn)了乙烯的什么性質(zhì)？

（3）乙烯和Br2可能發(fā)生什么反應(yīng)呢？斷的是什么鍵？請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明你的猜想?？晒┻x擇的試劑有藍(lán)色石蕊試液、酸化的AgNO3溶液。

學(xué)生活動(dòng)：

（1）因?yàn)橐蚁┑暮剂浚s85.7%）比乙烷的含碳量（80%）高，燃燒不充分，所以有黑煙；火焰明亮是碳微粒受灼熱而發(fā)光。

（2）因高錳酸鉀是強(qiáng)氧化劑，乙烯發(fā)生了氧化反應(yīng)。

（3）乙烯和溴可能發(fā)生了取代反應(yīng)。乙烯斷的是C-H鍵，Br2斷的是Br-Br鍵，反應(yīng)方程式如下所示。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：

①取少量反應(yīng)后的溶液于試管中，向試管中加入幾滴酸化的AgNO3溶液，沒(méi)有淡黃色沉淀生成。

②取少量反應(yīng)后的溶液于試管中，向試管中加入幾滴藍(lán)色石蕊試液，溶液不變紅。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：CH2=CH2與Br2沒(méi)有生成HBr，發(fā)生的不是取代反應(yīng)。

（設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)觀察比較乙烯與乙烷組成及結(jié)構(gòu)的差異，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。通過(guò)交流與討論，分析并得出合理的結(jié)論。其中CH2=CH2與Br2的反應(yīng)與學(xué)生的已有認(rèn)知相沖突，激發(fā)學(xué)生的求知欲，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生基于證據(jù)進(jìn)行推理判斷的能力，以及嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。）

3.多重表征，探究乙烯的加成反應(yīng)與加聚反應(yīng)

【補(bǔ)充材料】

（1）乙烯在冷的、稀的高錳酸鉀溶液中被氧化為乙二醇；在濃的酸性高錳酸鉀溶液中最終被氧化成CO2。

（2）在乙烯分子中，碳原子均采取sp2雜化，碳原子與氫原子之間均以單鍵（σ鍵）相連接，碳原子與碳原子之間以雙鍵（一個(gè)σ鍵和一個(gè)π鍵）相連接。（如圖1所示）

（3）已知：破壞1mol化學(xué)鍵時(shí)所需要的能量：碳碳單鍵：3484 kJ，碳碳雙鍵：615 kJ，C－H：414 kJ。

師：根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，結(jié)合補(bǔ)充資料，可以看出，斷開(kāi)1 mol C－H鍵所需要的能量較大，不易斷裂。請(qǐng)同學(xué)們思考CH2=CH2與Br2反應(yīng)過(guò)程中可能斷什么鍵呢？

學(xué)生活動(dòng)：碳碳雙鍵中的兩個(gè)鍵的能量不相同，能量較小的共價(jià)鍵容易斷裂。所以CH2=CH2與Br2反應(yīng)過(guò)程中可能斷的是碳碳雙鍵中的一個(gè)鍵。

學(xué)生活動(dòng)：觀看CH2=CH2與Br2反應(yīng)機(jī)理的動(dòng)畫，了解反應(yīng)過(guò)程中的斷鍵與成鍵，從微觀的角度探究該反應(yīng)的本質(zhì)。

師：從動(dòng)畫中可以看出，CH2=CH2中C－H鍵未斷裂，斷裂的是C=C的一個(gè)鍵，雙鍵兩側(cè)的碳原子分別結(jié)合一個(gè)溴原子，這種反應(yīng)類型叫加成反應(yīng)。

師：兩個(gè)CH2=CH2分子間能否發(fā)生類似的加成反應(yīng)呢？

學(xué)生活動(dòng)：利用前面搭建的乙烯球棍模型，六人一組，利用模型進(jìn)行乙烯分子間的加成反應(yīng)。

師：在反應(yīng)過(guò)程中，碳碳雙鍵中的一個(gè)鍵斷裂，兩個(gè)碳原子形成一個(gè)新的碳碳單鍵。每組得到的球棍模型還可以組合在一起，得到相對(duì)分子質(zhì)量更大的聚合物。

展示：播放乙烯加聚的微觀模擬動(dòng)畫。

師：像乙烯這樣由低分子量的有機(jī)化合物轉(zhuǎn)化成高分子量的聚合物的反應(yīng)叫作聚合反應(yīng)。乙烯的聚合反應(yīng)同時(shí)也是加成反應(yīng)，所以這樣的聚合反應(yīng)又叫加成聚合反應(yīng)，簡(jiǎn)稱加聚反應(yīng)。展示乙烯加聚的反應(yīng)方程式：

學(xué)生活動(dòng)：閱讀課本，了解鏈節(jié)、單體、聚合度等高分子基本概念。

（設(shè)計(jì)意圖：以補(bǔ)充材料為載體，結(jié)合動(dòng)畫演示及球棍模型的搭建，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)“乙烯分子中碳碳雙鍵的特殊之處”的理解，逐步建構(gòu)加成反應(yīng)的機(jī)理及模型。通過(guò)對(duì)乙烯的加成反應(yīng)和加聚反應(yīng)進(jìn)行多重表征，發(fā)展學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的學(xué)科核心素養(yǎng)。）

（三）回歸應(yīng)用，了解乙烯的用途

師：通過(guò)本節(jié)課的學(xué)習(xí)，思考乙烯有哪些用途。

學(xué)生活動(dòng)：交流討論，歸納總結(jié)乙烯的用途。

學(xué)生活動(dòng)：觀看“催熟劑對(duì)人體有什么危害？”的視頻，樹(shù)立合理正確使用有機(jī)化學(xué)品的價(jià)值觀。

（設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)豐富了學(xué)生對(duì)乙烯用途的認(rèn)識(shí)，滲透“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”這一主線；通過(guò)播放視頻，感受生活與化學(xué)的密切聯(lián)系，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立正確的價(jià)值觀。）

五、實(shí)踐感悟

在整個(gè)課堂教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)中，始終貫徹“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”這一化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，通過(guò)搭建乙烯分子的球棍模型、對(duì)比乙烷與乙烯結(jié)構(gòu)及性質(zhì)上的差異、了解“乙烯分子中鍵的信息”、利用搭建的模型模擬乙烯的加聚反應(yīng)等一系列活動(dòng)，將微觀、抽象的有機(jī)化合物分子和有機(jī)反應(yīng)“可視化”，把微觀問(wèn)題進(jìn)行宏觀化思考，發(fā)展學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的學(xué)科核心素養(yǎng)。

（作者單位：浙江省衢州第二中學(xué)）

編輯：趙飛飛