借助科學史素材 用好證據和模型

顧曄

摘要：在分析當前使用的三種版本高中化學教科書對“認識有機化合物”的編寫特征的基礎上，以人教版第二冊“認識有機化合物”的第一課時為例嘗試了突出證據推理和模型認知的教學設計，借助科學史素材幫助學生感知歷史上的科學家如何獲知甲烷的結構，借助球棍模型搭建探究結構紛繁多樣的有機化合物，以期學生通過本節導論課的學習能夠獲知有機化學的學科特征和學習方法，并在此基礎上促進學生對科學本質的理解。

關鍵詞：證據;模型;科學史;甲烷

文章編號：1008-0546（2022）04-0020-04

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.04.004

一、教科書編寫意圖的分析

“認識有機化合物”位于人教版（2019版）普通高中教科書必修第二冊的第七章第一節，是必修模塊有機化合物的起始章節，有著高中學生接觸有機化學基礎的導讀作用，相比于元素組成豐富的無機化合物，有機化合物組成元素簡單但結構多樣，故學習有機化合物更加需要強調方法的介紹，因此“認識有機化合物”的設置顯得非常必要。相比于人教版教科書，另外兩種版本（蘇教版、魯科版）也有類似的編寫設計，但呈現方式略顯不同（表1）。

二、課程標準的研讀

1.內容標準和學業要求

本節課是必修模塊有機化學的引入課，在課程標準中位于必修課程的主題4“簡單的有機化合物及其應用”，內容要求為“知道有機化合物分子是有空間結構的，以甲烷、乙烯、乙炔、苯為例認識碳原子的成鍵特點”;對應的學業要求為“能概括常見有機化合物中碳原子的成鍵類型。能描述甲烷、乙烯、乙炔的分子結構特征，并能搭建甲烷和乙烷的立體模型。”在教學策略上建議教師“通過模型拼插等活動引導學生認識有機化合物中碳原子的成鍵特點、價鍵類型及簡單分子的空間結構。”[4]可見，就面對有機化學幾乎零基礎的學生來說，不同的教科書編寫方式并不影響“認識有機化合物”的教學內容的選擇，而且就教學方法而言三種版本教科書還是有共性的，例如都重視模型搭建在認識有機化合物成鍵特點教學中的作用。

2.學科核心素養的解讀

“認識有機化合物”是必修模塊學生認識有機化合物的入門課，本節課有著緒言的功能，是培育學生“證據推理和模型認知”學科核心素養的良好契機。除了認識有機化合物的模型搭建體現了“模型認知”的素養（知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律）外，“證據推理”的素養在甲烷的發現到確認中也可以達成。

甲烷是最簡單的有機物，不同的教科書均以該有機物作為引入素材，可就是這樣一種簡單的有機化合物，人類從認識到確定它的結構也花費了數百年時間。如何確定甲烷的分子組成及其空間結構？這是絕佳的培養學生證據意識的教學素材。證據推理的學科核心素養是指具有證據意識，能基于證據對物質組成、結構及其變化提出可能的假設，通過分析推理加以證實或證偽;建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系。那么科學家在探求甲烷的結構過程中提出了哪些假設，這些假設如何被證實或證偽？或許這要比記住甲烷的正四面體結構更加重要。

三、教學過程及設計

1.引入

[教師]近200年來，有機化學蓬勃發展，人工合成的有機物應用廣泛。人類的衣、食、住、行一刻都離不開有機化學。有機化合物是生命活動的物質基礎，也是能源開發和新型合成材料研制的基礎物質。

[圖片展示]生活中常見的有機化合物（圖1）。

[板書]第一節認識有機化合物

[教師]與無機化合物相比，有機化合物的組成元素并不復雜，但化合物數量眾多，性質各異。甲烷是最簡單的有機物，結合素材1，談談你對甲烷的發現有哪些新的認識？

[科學史素材1]甲烷的發現我國西周年代寫成的算卦占卜的書《周易》中，在談到一些自然界發生的現象時說：“象曰：‘澤中有火。”這里的“澤”就是沼澤。“火井”是我國古代人們給天然氣井的形象命名。意大利物理學家伏打（A.Volta）在1776年寫給他的友人的信中，敘述了發現甲烷的經過：他在意大利北部科摩（Como）湖的淤泥中收集到一種氣體，他點燃了這一氣體火焰呈青藍色，燃燒較慢，需要10-12倍體積的空氣才會燃燒爆炸，不同于可燃性空氣（氫氣）的燃燒。

提出原子論的英國化學家道爾頓也和伏打一樣收集了沼氣，并進行了研究。

1790年英國醫生奧斯汀發表燃燒甲烷和氫氣的報告。他測定了甲烷比氫氣重，而且氫氣燃燒生成水，甲烷燃燒生成水和二氧化碳。他確定甲烷是碳和氫的化合物。

[教師]甲烷是最簡單的有機化合物，很早就被人類發現，然而化學家為了搞清楚甲烷的結構卻用了上百年的時間。

2.研究一個碳原子的有機化合物

[思考]結合道爾頓的甲烷示意圖（圖2）和下列數據，說說你對甲烷分子組成的認識。已知在標準狀況下甲烷的密度是0.717g·L-1，含碳75%，含氫25%。利用這些數據怎樣確定甲烷中碳、氫原子個數比和分子式？

設計意圖：學生在初中就知道甲烷的分子式是CH4，此處仍引用蘇教版教科書中的“交流討論”讓學生通過計算得出其實驗式和分子式，一方面滲透了研究有機物分子結構的一般方法，另一方面還借此培養學生的證據意識，推翻圖2中當時的權威道爾頓提出的甲烷組成。

[過渡]知道了甲烷的元素組成，其分子中的碳氫原子是如何結合的？圖3是幾位科學家提出的甲烷模型。

1875年，范特霍夫提出四價碳原子的正四面體模型，并用此模型解釋對映異構體。

[板書]一、甲烷的結構

[討論]結合圖3和素材2的文字材料，說說你如何看待科學家逐步認識甲烷立體結構的過程？

[學生活動1]通過球棍模型的搭建，你能發現甲烷的幾氯代物（n=1～4）只有一種結構能夠支持范特霍夫提出的四面體模型？

[教師]展示二氯代物的結構式和立體構型（圖4）。

設計意圖：甲烷的分子式是CH4確定之后，科學家確定其空間結構又花費了很長時間，范特霍夫在平面形分子大行其道的時代如何確定自己的結論？這讓學生知道科學的發展不是一蹴而就的，不同時代科學家需要根據事實不斷去完善相關理論或模型，相比于直接告知其空間構型這樣的設計更加有助于學生理解科學的本質。

3.研究兩個碳原子的有機化合物

[學生活動2]搭建兩個碳原子的碳氫化合物的模型。

（1）用手邊的模型材料搭建2個碳原子可能形成的碳氫化合物模型。

（2）小結你們搭出模型的結構特點。

設計意圖：由于碳最外層四個電子，給學生提供的模型包括黑色的四孔球和白色的一孔球，短棍若干。在搭建過程中，學生會發現碳原子和碳原子之間除了可以形成碳碳單鍵（即一根短棍相連接），還可以形成雙鍵或者三鍵。

[板書]二、有機物種類繁多的原因有機化合物中碳原子不僅可以與其他原子形成4個共價鍵，而且碳原子與碳原子之間也能形成共價鍵，可以形成單鍵、雙鍵或者三鍵。

4.研究四個碳原子的有機化合物

[學生活動2]搭建四個碳原子的碳氫化合物的模型（圖5）。

（1）用手邊的模型材料搭建4個碳原子可能形成的碳氫化合物的模型。

（2）嘗試對小組搭出的不同模型分類，指出分類依據。

設計意圖：有機化合物種類繁多的原因除了成鍵方式的多樣性還有碳骨架是鏈狀還是環狀還是二者均包含，這在三個及以上碳氫化合物中可以發現，選擇四個碳原子一方面是人教版教科書的安排（經典再現），另一方面考慮到學生搭建時成環的便捷，學生在搭建時能夠明顯感受到三元環較大的“環張力”。

[課堂總結]通過模型的搭建，我們發現對有機化合物的研究，需要在了解碳原子成鍵規律的基礎上，認識有機化合物的分子結構，在此基礎上，面對更多的有機化合物我們還要對它們進行分類，并認識決定它們性質的特征基團。

四、對本節課的兩點思考

1.認識有機化合物的教學內容選擇

在介紹具體有機化合物（如甲烷、乙烯等）之前是不是需要安排一節類似緒言一樣的課程，這一點從三個版本教科書的編寫來說是仁者見仁智者見智的，教科書的編寫有自身的邏輯體系，而教學除了要考慮知識的邏輯起點還有兼顧到學生的學情現狀。近年的教學發現，部分學生（還要考慮學生的生源情況）反映有機化學不太好學，筆者認為很大程度上這部分學生沒有掌握有機化學較為獨特的學習方法（研究方法），而在大量涌現的有機化合物出現之前，講一講研究有機化合物的一般方法是非常必要的，不僅要介紹，還要從不同版本教科書和網絡資源中尋找資源，幫助學生邁好學習有機化學的第一步。

2.認識有機化合物的教學期望

學科核心素養的落實是教學的落腳點，對于“認識有機化合物”這一新授課，課程標準中“素養4證據推理和模型認知”尤其值得在教學過程中好好落實。本節課是我應邀給南京曉莊學院師范生上的一節觀摩課，上課過程中，他們扮演高中學生的角色參與聽課、模型搭建、課堂互動。在課后的互動交流中，他們紛紛感受到“證據推理和模型認知”在這節課中的落實，甚至還有學生提出“為了與道爾頓的化學史素材對應，計算題的情境設置能否具有歷史感？”可見，證據推理不是依靠簡單的講授就能實現的，需要創造真實的情境，學生認為當時的研究條件還不足以得出“甲烷的密度是0.717g·L-1，含碳75%，含氫25%”這樣的數據，那么在素材的加工上還有必要繼續查閱資料，找出同時代有機物元素組成的測定方法。再如，在“模型認知”素養的達成過程中，師范生們的模型搭建并沒有“照方抓藥”，甚至搭建出一些意想不到的的模型，表面看會影響教學進程，其實好好引導可以更大程度實現模型的教學功能，例如有學生在活動3中搭出教科書中沒有的C4H4，教師是否可以就此提問：

（1）這樣的有機物存在嗎？（2）結合搭建模型的感受，預測該有機物是否穩定，為什么？......畢竟，有機化合物的合成日新月異，誰也不敢保證明天又有怎樣的新物質被合成出來，沒有過多限制的模型搭建除了可以幫助學生理解有機物的成鍵方式，還能促進他們的科學創新意識，何樂而不為呢？

參考文獻

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心.普通高中教科書·化學·必修·第二冊[M].北京：人民教育出版社，2019.

[2]王祖浩.普通高中教科書化學·必修·下冊[M].南京：江蘇鳳凰教育出版社，2019.

[3]王磊.普通高中教科書·化學·必修·第二冊[M].濟南：山東科學技術出版社，2019.

[4]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017版）[S].北京：人民教育出版社，2018.