從多個角度認(rèn)識化學(xué)物質(zhì)

【關(guān)鍵詞】學(xué)科本質(zhì);認(rèn)識物質(zhì);乙醇;教學(xué)設(shè)計

【中圖分類號】G633.8? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? 【文章編號】1005-6009（2021）54-0115-04

【作者簡介】項(xiàng)佳敏，南京師范大學(xué)附屬中學(xué)（南京，210003）教師。

一、設(shè)計背景

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》中，并未將“有機(jī)化學(xué)”單獨(dú)列為一個主題，而是將其融合在“主題3 化學(xué)與可持續(xù)發(fā)展”之中，只要求學(xué)生了解甲烷、乙烯、苯等的主要性質(zhì)，知道乙醇、乙酸、糖類、油脂、蛋白質(zhì)的組成與主要性質(zhì)，認(rèn)識其在日常生活中的應(yīng)用。此外，在“主題1 物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)”中安排的探究活動“制作簡單有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)模型”也和有機(jī)物教學(xué)有關(guān)。

《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂》（以下簡稱“2017年版課標(biāo)”）[1]在必修模塊里很明顯加重了對有機(jī)物的教學(xué)要求，表現(xiàn)在單獨(dú)開辟“主題4 簡單的有機(jī)化合物及其應(yīng)用”，并下設(shè)四個維度——“有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)”“典型有機(jī)化合物的性質(zhì)”“有機(jī)化學(xué)研究的價值”以及“學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)”。它們分別對應(yīng)于認(rèn)識有機(jī)化合物的四個視角——結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、生活和社會應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)，這是從知識內(nèi)容層面的認(rèn)識視角。此外，2017年版課標(biāo)還更加明確用搭建球棍模型的方法來認(rèn)識有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

2017年版課標(biāo)指出化學(xué)學(xué)科的本質(zhì)特征為“認(rèn)識物質(zhì)和創(chuàng)造物質(zhì)”，并理解作“從微觀層次認(rèn)識物質(zhì)，以符號形式描述物質(zhì)，在不同層面創(chuàng)造物質(zhì)”。[2]認(rèn)識物質(zhì)是創(chuàng)造物質(zhì)的前提和基礎(chǔ)，在2017年版課標(biāo)中有240次提及“認(rèn)識”[3]，由此在化學(xué)學(xué)習(xí)中需要強(qiáng)化認(rèn)識深度、豐富認(rèn)識視角。在此背景下，人教版新教材必修第二冊的“乙醇”的內(nèi)容顯得更為豐富，聯(lián)系初高中不同階段的課程標(biāo)準(zhǔn)中對“乙醇”的學(xué)習(xí)要求，可以發(fā)現(xiàn)學(xué)生在不同階段的認(rèn)知發(fā)展逐步進(jìn)階，從表觀層面（化學(xué)式、俗稱、物理性質(zhì)、可燃性及簡單用途等），升級為“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途”的學(xué)科觀念，最后變成以建構(gòu)“官能團(tuán)”為核心的有機(jī)物認(rèn)識模型。[4]

二、設(shè)計思路

為了基于學(xué)科本質(zhì)認(rèn)識乙醇，筆者在教學(xué)中設(shè)計了三條并行的線索：問題導(dǎo)向線、學(xué)科知識線和科學(xué)方法線（見圖1）。以問題啟發(fā)學(xué)生思維，同時串聯(lián)學(xué)科知識和科學(xué)方法。

三、教學(xué)分析

1.對乙醇認(rèn)識的進(jìn)階。

（1）舊知回顧與應(yīng)用。科學(xué)理性的邏輯建立在學(xué)生的“已知—聯(lián)系—新知—應(yīng)用”的學(xué)習(xí)進(jìn)階基礎(chǔ)上。乙醇對于高一學(xué)生來說并不是新物質(zhì)，所以樸素的導(dǎo)入足矣。筆者布置了“如何快速鑒別水和乙醇”的任務(wù)，讓學(xué)生回顧乙醇的物理性質(zhì)，將具體的問題解決建構(gòu)在已有知識基礎(chǔ)上，通過對舊知的靈活應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)新知建構(gòu)。

（2）教學(xué)過渡中引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)初高中認(rèn)識角度的進(jìn)階。簡單總結(jié)物理性質(zhì)后，自然過渡到對化學(xué)性質(zhì)的討論。對于有機(jī)物，教學(xué)過程要更關(guān)注結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生初步建立“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的觀念。這其中，可以在初中化學(xué)式基礎(chǔ)上進(jìn)階，提出乙醇的結(jié)構(gòu)簡式，讓學(xué)生掌握物質(zhì)表述的另一種方式。

（3）從生活到學(xué)科，不斷升級認(rèn)識視角。雖然生活中學(xué)生可能已經(jīng)通過消毒劑的使用或在醫(yī)院就醫(yī)的經(jīng)歷，體驗(yàn)過酒精的揮發(fā)吸熱;雖然學(xué)生在物理的先修過程中對酒精的部分物理性質(zhì)也有了初步的了解;雖然初中階段酒精燈的使用，已經(jīng)讓幾乎所有學(xué)生對酒精的燃燒有印象，但這些并不意味著學(xué)生已經(jīng)對乙醇有了足夠的了解。高中化學(xué)課程就是要在實(shí)驗(yàn)中全面觀察物質(zhì)、挖掘細(xì)節(jié)，聯(lián)系各種化學(xué)變化的宏觀表征，思考現(xiàn)象微觀的解釋，實(shí)現(xiàn)認(rèn)識視角的升華。

（4）教學(xué)小結(jié)中將認(rèn)識有機(jī)物的視角升華。在2017年版課標(biāo)里，乙醇是用來認(rèn)識有機(jī)化合物中官能團(tuán)、認(rèn)識官能團(tuán)與性質(zhì)的關(guān)系的重要案例和載體。學(xué)完本節(jié)課，學(xué)生能夠體會到相似的結(jié)構(gòu)片段會帶來相似的性質(zhì)，而相互連接的基團(tuán)之間也會互相影響，特別是探究了羥基的性質(zhì)，并與水中的羥基類比，反映出乙基對羥基性質(zhì)的影響。教學(xué)中也可以引導(dǎo)學(xué)生猜想，羥基想必也會對乙基的性質(zhì)產(chǎn)生影響。在課堂結(jié)尾，需要從認(rèn)識乙醇的體驗(yàn)提煉出認(rèn)識有機(jī)物的基本思路，為學(xué)習(xí)更復(fù)雜的有機(jī)物打下基礎(chǔ)。

2.基于證據(jù)追尋科學(xué)學(xué)習(xí)理性。

（1）獲取證據(jù)途徑的多元化。自然科學(xué)類學(xué)科的特點(diǎn)是基于證據(jù)的推理，化學(xué)課堂中獲取證據(jù)的途徑是多樣化的。不僅可以源于自學(xué)習(xí)者已有經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)中觀察到的實(shí)事，還可以借助技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)感官的延伸。例如，在區(qū)分水和酒精的活動中，可以用熱成像儀觀察兩者，通過智能手機(jī)用鮮明的顏色對比來表征乙醇揮發(fā)吸熱的特征，水和酒精也就能快速區(qū)分了。再如，當(dāng)用肉眼觀察不清乙醇和鈉的反應(yīng)現(xiàn)象時，可以通過視頻放大反應(yīng)現(xiàn)象，并從多個角度對比拍攝實(shí)物圖和熱成像圖，便于學(xué)生反復(fù)觀察，獲得更加形象的證據(jù)。

（2）證據(jù)的深度挖掘需要探究細(xì)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們并不能只是要求學(xué)生看到教材上敘述的經(jīng)典現(xiàn)象，然后就想當(dāng)然地覺得反應(yīng)發(fā)生了，而是要強(qiáng)調(diào)用實(shí)驗(yàn)途徑來實(shí)現(xiàn)證據(jù)的深度挖掘，讓學(xué)生對實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)進(jìn)行仔細(xì)觀察與探索，讓學(xué)生回答諸如觀察到的現(xiàn)象和教材里講的有什么不一樣，和自己的印象有什么出入，之類的問題。

例如，銅絲在酒精燈上燃燒的實(shí)驗(yàn)中，讓學(xué)生關(guān)注如下細(xì)節(jié)：乙醇在酒精燈火焰上燃燒產(chǎn)生的“異常”現(xiàn)象、銅絲與乙醇溶液的接觸現(xiàn)象、乙醇氧化產(chǎn)物的特點(diǎn)等等。細(xì)節(jié)觀察得越深入越全面，也就越可能獲得對物質(zhì)深度的認(rèn)識。

（3）用理性提問推動基于證據(jù)的思維。基于證據(jù)的科學(xué)學(xué)習(xí)，不能只停留在證據(jù)的獲取層面，只有理性的問題驅(qū)動才能實(shí)現(xiàn)推理推進(jìn)。

在乙醇燃燒實(shí)驗(yàn)中，教師可以提問“乙醇的氧化產(chǎn)物除了CO2還有別的嗎？”引導(dǎo)學(xué)生在酒精燈上在仔細(xì)尋找，發(fā)現(xiàn)炭黑，思考 “異常產(chǎn)物”的由來。

在乙醇和氧化銅反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中，用“銅絲由暗變亮了，那乙醇有發(fā)生變化嗎？它的顏色變了嗎？狀態(tài)變了嗎？那它什么都沒變嗎？來，聞一聞……”一連串問題帶著學(xué)生認(rèn)識實(shí)驗(yàn)觀察角度以及思考方向。

在研究乙醇被重鉻酸鉀溶液氧化后的產(chǎn)物時，教師可以應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生驗(yàn)證此時的氧化產(chǎn)物不是乙醛，而是進(jìn)一步氧化后的產(chǎn)物——乙酸。此時的提問內(nèi)容可以涉及溶液變色的現(xiàn)象以及背后的產(chǎn)物檢驗(yàn)，借此推理化合價升降和氧化還原反應(yīng)的可能性。

化學(xué)變化有其復(fù)雜性，需要教師講透、問細(xì)。為了便于學(xué)生理解銅絲在乙醇中的氧化過程，教師在教學(xué)中要將“催化劑”“中間產(chǎn)物”的概念與化學(xué)反應(yīng)的過程表征建立起聯(lián)系，通過化學(xué)方程式的疊加，讓學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識反應(yīng)的本質(zhì)過程。“反應(yīng)前，銅絲是光亮的，反應(yīng)后，銅絲依舊是光亮的，你認(rèn)為它的質(zhì)量有改變嗎？性質(zhì)有改變嗎？像這樣反應(yīng)前后質(zhì)量和性質(zhì)都不改變的物質(zhì)其實(shí)是什么呢？CuO是怎么來的呢？第二個反應(yīng)完后，CuO還在嗎？如果不在，它只是一個中間產(chǎn)物，起到的是過渡作用，那CuO實(shí)際串聯(lián)起來的是哪兩個物質(zhì)之間的反應(yīng)呢？所以實(shí)際上在這樣一個以銅作為催化劑的催化氧化過程中，催化劑和中間產(chǎn)物都不用出現(xiàn)在反應(yīng)物和產(chǎn)物里，你能不能寫出這個總反應(yīng)來呢？”以上問題由實(shí)驗(yàn)證據(jù)出發(fā)，指向化學(xué)學(xué)科本質(zhì)的理解，環(huán)環(huán)相扣，有利于培養(yǎng)學(xué)生的理性思維。

3.應(yīng)用模型。

教學(xué)中，我們不能只停留于利用實(shí)體模型讓學(xué)生了解有機(jī)物分子特點(diǎn)上，還應(yīng)上升到思維模型層面——這里主要強(qiáng)調(diào)用化學(xué)獨(dú)有的思維模式解決問題，用化學(xué)學(xué)科語言描述問題解決的思路。[5]本節(jié)課先應(yīng)用傳統(tǒng)的化合價升降模型。此前的教學(xué)中曾以化合價（其實(shí)應(yīng)為氧化數(shù)）升降作為氧化還原反應(yīng)認(rèn)識模型，這一模型主要應(yīng)用于無機(jī)化學(xué)反應(yīng)體系。雖然在有機(jī)化學(xué)體系里，從技術(shù)上來說這種升降關(guān)系仍然正確，但不易套用，這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)的有機(jī)氧化還原反應(yīng)的機(jī)理中并不涉及電子的直接轉(zhuǎn)移，和無機(jī)化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)差別較大。不過在必修階段基于“平均化合價”的升降進(jìn)行粗略的判斷，卻很適合此時學(xué)生的認(rèn)知水平。在分析乙醇燃燒過程中，乙醇中平均-2價的碳最高可以被氧化到+4價，但當(dāng)不完全氧化時，可以產(chǎn)生中間價態(tài)，比如0價的炭黑。

當(dāng)然，我們不能滿足于化合價升降的分析，要過渡到符合有機(jī)物認(rèn)知特點(diǎn)的氧化還原模型——大多數(shù)氧化反應(yīng)都涉及獲得氧原子和/或失去氫原子，相反的過程就是還原。

例如，探討乙醇氧化成乙醛時，提醒學(xué)生再次關(guān)注“碳的化合價的變化”，厘清該過程里銅與氧化銅各自的角色，將氧元素得失和化合價升降再次在有機(jī)化學(xué)中聯(lián)系起來。并且強(qiáng)調(diào)該思路比計算平均化合價更加方便且更有意義。

此外，解決問題的視角和方式不斷發(fā)展和改善，是模型認(rèn)知的必經(jīng)之路。當(dāng)補(bǔ)充強(qiáng)氧化劑重鉻酸鉀的反應(yīng)時，會發(fā)現(xiàn)這種強(qiáng)氧化劑能把乙醇氧化獲得乙酸，于是提問“乙酸中碳的平均價態(tài)是多少？化合物中怎么會出現(xiàn)0價呢？”引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)乙酸分子碳原子化合價源于不同的化學(xué)環(huán)境，提問“乙醇到乙醛，是一個失氫的過程，那乙醛到乙酸還是失氫嗎？”引導(dǎo)他們體會失氫和加氧才是適合有機(jī)物特色的氧化反應(yīng)特征模型。

4.動態(tài)變化和橫向?qū)Ρ取?/p>

為了充分理解化學(xué)變化的復(fù)雜性、動態(tài)性，對化學(xué)變化的認(rèn)識也要突出對比的方式。筆者在教學(xué)設(shè)計中將都具有羥基的乙醇和無機(jī)物水分子對比，理解二者的化學(xué)性質(zhì)相似性;關(guān)注銅絲在火焰不同位置的現(xiàn)象對比，理解酒精燈火焰不同位置的化學(xué)成分差異。此外，對熱銅絲在乙醇中的前后狀態(tài)縱向關(guān)注，還能讓我們發(fā)現(xiàn)更多變化細(xì)節(jié)。

教學(xué)的指引視角和引導(dǎo)提問都需要具有豐富的變化性，有助于避免單一教學(xué)形式給學(xué)生帶來的學(xué)習(xí)疲勞，也通過反復(fù)對比來強(qiáng)化對核心知識的認(rèn)識。

5.科學(xué)風(fēng)險認(rèn)知與決策能力培養(yǎng)。

2017年版課標(biāo)強(qiáng)調(diào)基于科學(xué)風(fēng)險議題認(rèn)識化學(xué)物質(zhì)及反應(yīng)，試圖通過課程培養(yǎng)針對風(fēng)險的決策能力，使學(xué)習(xí)者能運(yùn)用化學(xué)原理和方法對解決生產(chǎn)或生活中的問題提出創(chuàng)造性的建議，并能對應(yīng)用方法和過程進(jìn)行分析和風(fēng)險評估。

人體中的乙醇氧化反應(yīng)涉及健康風(fēng)險，“當(dāng)攝入乙醇后，經(jīng)過消化系統(tǒng)，乙醇會被體內(nèi)的兩種酶——乙醇脫氫酶和乙醛脫氫酶——一步步氧化為乙醛和乙酸，最終轉(zhuǎn)化為水和二氧化碳排出體外。而一個人酒量的大小就取決于體內(nèi)這兩種酶的含量和活性。那這兩種酶來源于哪里呢？來源于我們一個重要的器官——肝臟。所以如果飲酒不適量或者長期酗酒，就會加重肝臟的負(fù)擔(dān)，久而久之就會造成肝損傷甚至肝硬化”。在這樣的教學(xué)過程中學(xué)生認(rèn)識到生命體中乙醇逐步氧化的過程與傳統(tǒng)的燃燒有所不同，這種科學(xué)知識的復(fù)雜性也是科學(xué)風(fēng)險認(rèn)知中不可或缺的途徑。[6]

基于對化學(xué)物質(zhì)的全面認(rèn)識，才能掌控風(fēng)險規(guī)律靈活應(yīng)用。當(dāng)液態(tài)的乙醇運(yùn)輸使用不便可能有風(fēng)險時，需要思考如何在常溫下轉(zhuǎn)化成固態(tài)，以克服原有缺陷。教師在課堂最后提出任務(wù)：“為什么無水乙醇加了飽和醋酸鈣后就在常溫下變成了固態(tài)且依然能燃燒的酒精了呢？感興趣的同學(xué)課后可以查查資料研究一下。”在此過程中學(xué)生能體會到，深化對化學(xué)物質(zhì)的認(rèn)識才能更好地應(yīng)對科學(xué)風(fēng)險。

【參考文獻(xiàn)】

[1]教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]鄭長龍. 2017年版普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的重大變化及解析[J].化學(xué)教育：中英文，2018（9）：41-47.

[3]陳凱，陳悅.《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的文本挖掘[J].化學(xué)教學(xué)，2019（4）：9-14.

[4]陳丹，陳凱，陳燕杰.《生活中常見的乙醇》半開放式教學(xué)設(shè)計[J].中小學(xué)教學(xué)研究， 2014（6）：43-45.

[5]陳凱.促進(jìn)化學(xué)教師專業(yè)發(fā)展的化學(xué)前沿資源例析[J].化學(xué)教育：中英文，2018（3）：25-32.

[6]陳凱，魏冰，陳悅.化學(xué)優(yōu)質(zhì)課的科學(xué)風(fēng)險的內(nèi)容分析[J].化學(xué)教學(xué)，2019（2）：14-19.