基于證據推理與模型認知的高中化學教學設計*

孫 昊, 張延婷, 楊艷華, 李艷妮, 王建坤

證據推理與模型認知作為《普通高中化學課程標準(2017年版)》提出的五大核心素養之一, 要求學生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[1]。 高中二年級學生已有一定的化學基礎, 但缺乏整合化學知識的能力, 不能很好地運用已有知識進行推理及分析, 同時缺少對模型的理解, 不能形成完整的知識體系。 教師應考慮學生的學習情況及認知能力, 精心設計教學活動, 培養學生的證據推理與模型認知的能力, 才能解決這些問題。 本文以人教版高中化學選擇性必修3 中《第三章 烴的衍生物》 “第二節 醇 酚” 中的乙醇為代表物質, 進行乙醇的教學設計, 乙醇化學性質的知識內容學習進階過程如圖1 所示。 為了幫助學生理解乙醇的物理性質和化學性質, 構建乙醇分子的模型, 分析官能團與乙醇性質的關系, 通過學生現有的認知水平知識進行推理, 結合實驗探究來證明乙醇的性質, 達到在實驗中培養發展學生的證據推理意識的目的。

圖1 乙醇化學性質在教材中呈現的學習進階過程Fig.1 Advanced learning process of chemical properties of ethanol in teaching material

1 證據推理

“證據推理” 是指在化學教學中, 通過有效的證據事實或數據資料, 對假設進行合理的推理論證[2]。 在進行化學教學時, 教師需要提前設計探究性的問題, 引導學生應用已有的知識作為證據推理的前提, 進而激發學生的想象力和推理能力。

證據推理有利于教師開展實驗探究教學, 通過教師進行實驗操作, 學生觀察實驗現象, 同時運用證據推理去發現問題,分析問題, 解決問題。 以乙醇的燃燒為例, 教師根據學生已有的元素守恒觀念, 推理乙醇燃燒后的產物必然由作為可燃物(乙醇)中碳元素和氫元素, 以及助燃物(氧氣)的氧元素組成,以此為基礎進行合理推測, 并通過實驗進行探究, 可以初步推斷出燃燒產物可能為CO、 CO2和H2O。 在初步結論的基礎上,通過實驗進行對結果進行檢驗。 用玻璃片檢測有無色透明液體生成, 根據元素觀和守恒觀, 合理推測此液體為水, 再收集乙醇燃燒后的氣體, 通入澄清的石灰水來檢測二氧化碳, 以此用實驗證據來證明學生的推理是正確的。

2 模型認知

化學課程標準中的“模型認知” 是指化學教育工作者在教學工作中必須具備的一種能力、 思維、 手段, 是在進行一定的教學活動對特定知識點進行的具象化教學[3]。 例如教師在進行乙醇的氧化反應的教學活動時, 乙醇在催化作用下, 氧化生成乙醛, 繼續經過催化氧化生成了乙酸, 教師可以利用結構示意圖(圖2)幫助學生建立化學模型, 幫助學生攻克難點, 使化學知識結構簡單化, 有利于培養學生學習的積極性, 同時增強學生的自信心?！澳Ｐ驼J知” 在化學教學中起到重要的作用, 有利于提高課堂教學的效率, 推進教學過程的開展。 以乙醇的沸點為例,根據數據可知, 乙醇的沸點要高于丙烷的沸點(乙醇相對分子質量為46、 丙烷相對分子質量44, 兩者相對分子質量較為接近), 簡單的性質背后隱藏著一個知識難點(氫鍵), 這時教師可以利用乙烷的分子結構模型和乙醇的分子結構模型, 提醒學生觀察兩個分子結構模型的區別, 進而發現乙醇存在著分子間氫鍵(氫鍵的形成是由于氧原子電負性遠遠大于氫原子電負性造成的), 所以學生就能理解乙醇的沸點要高于丙烷的沸點。利用模型可以培養學生的觀察能力以及理解能力, 模型可以使學生更容易了解微觀物質, 同時提升學生對化學微觀世界的興趣。

圖2 乙醇氧化過程的兩個階段Fig.2 Two stages of ethanol oxidation

圖3 乙醇分子間可形成分子間氫鍵、 丙烷不能形成分子間氫鍵Fig.3 Intermolecular hydrogen bonds can be formed in ethanol, but not in propane

3 基于證據推理與模型認知的教學設計

3.1 核心目標

(1)證據推理與模型認知

通過教師展示乙醇分子結構模型, 促使學生初步構建知識框架; 通過教師根據已有證據對學生進行引導, 讓學生感受化學的魅力, 發展學生的科學素養。

(2)宏觀辨識與微觀探析

通過教師引導學生從分子的結構與性質進行聯系, 幫助學生形成結構決定性質的觀念, 培養學生的科學思維。

(3)科學精神與社會責任

通過教師進行演示實驗與教師指導學生進行實驗, 激發學生的好奇心, 同時培養學生嚴謹求實的科學態度。

3.2 教學重點

(1)乙醇的物理性質和化學性質。

(2)乙醇發生取代反應、 消去反應、 氧化反應的化學方程式。

3.3 教學難點

乙醇的消去反應和氧化反應。

3.4 教學方法

實驗演示法、 討論法、 講授法。

3.5 教學內容

3.5.1 醇的物理性質

(1)情境導入: 疫情期間要注意防范病毒的感染, 外出回歸后首先要做的就是用75%的酒精進行消毒, 而酒精也就是今天所學的乙醇俗稱, 接下來我們一起學習乙醇的結構以及性質。

設計意圖: 以疫情期間的防護措施為基礎進行導入, 使學生體會到從生活中走進化學。

(2)乙醇的物理性質: 把準備好的乙醇展示給學生觀察,并引導學生從顏色、 狀態、 氣味來描述乙醇的物理性質。

設計意圖: 舉例切合實際生活, 加強學生的生活常識。 通過觀察乙醇溶液, 既直觀的學習乙醇的性質, 又加深學生的理解。

(3)小組討論: 在烷烴部分學習到烷烴的沸點隨碳原子數的增加而升高, 但乙醇的沸點為什么比相對分子質量接近的烷烴或烯烴的沸點高?

圖4 乙醇分子的結構模型Fig.4 Structure model of ethanol molecule

設計意圖: 學生進行小組討論, 有利于培養學生團結的精神。 教師以結構模型進行教學, 幫助學生建構乙醇分子的模型認知, 使學生初步形成基本的有機化學概念體系。

3.5.2 乙醇的取代反應

以乙醇與氫溴酸在加熱的條件下反應為例, 乙醇分子中的什么基團被誰取代? 與Na 的反應有何不同?

圖5 乙醇與氫溴酸發生的取代反應Fig.5 Substitution reaction of ethanol with hydrobromate

圖6 乙醇與鈉發生的取代反應Fig.6 Substitution reaction of ethanol with sodium

設計意圖: 利用已有知識與新知識之間的聯系, 通過引導學生利用證據進行推理, 幫助學生了解乙醇的取代反應過程。

小結: C-O 鍵和O-H 鍵都是極性共價鍵, 且O 的電負性更大, 共用電子對偏向O 原子, 酸中的H+易于O 結合, 削弱了C-O 鍵, 反應中羥基被鹵元素取代, 脫去一分子H2O。 同理, O-H 鍵中共用電子對也偏向O 原子, 使H 帶有部分正電荷, 顯示酸性, 可與活潑金屬Na 反應, O-H 鍵斷裂, 反應中羥基中的H 被取代, 產生H2。

設計意圖: 對乙醇與金屬Na 和HBr 發生的取代反應進行總結, 對兩種不同的取代類型進行比較, 便于學生從共價鍵角度理解乙醇的化學性質, 增強證據推理素養。

過渡與拓展: 乙醇分子除了能與氫溴酸發生取代反應, 還能在濃硫酸作催化劑及加熱的條件下, 一個乙醇分子脫去碳鏈上的-OH, 而另一個乙醇分子脫去-OH 上的氫原子, 最后的到的產物是乙醚和水, 這樣的反應叫做分子間脫水反應。

圖7 乙醇分子間的脫水反應Fig.7 Dehydration reaction between ethanol molecules

3.5.3 乙醇的消去反應

乙醇發生分子間脫水反應生成乙醚, 若將上面反應的溫度迅速升高至170 ℃后, 就可脫水生成乙烯。 在該反應中, 濃硫酸的作用是催化劑和脫水劑。 乙醇在酸性條件下加熱, 羥基與酸的氫離子作用生成水離去, 此時與羥基相連的碳原子變成C+, 與它相鄰的碳上失去氫質子, 電子轉移到C+中和正電荷,形成雙鍵, 從而生成不飽和有機化合物的反應, 叫做消去反應[4]。

圖8 乙醇發生消去反應的機理圖Fig.8 Mechanism diagram of ethanol elimination reaction

設計意圖: 通過教師的引導, 利用已知證據, 幫助學生學會知識的遷移, 并加強學生的證據推理能力, 同時達成豐富化學知識體系的目的。

小結: 乙醇在濃硫酸及加熱的條件下, 不同溫度下所發生的反應和得到的產物是不同的。 在140 ℃的條件下發生取代反應, 產物是乙醚和水; 在170 ℃的條件下發生消去反應, 產物是乙烯和水, 二者反應容易混淆, 要學會辨別。

設計意圖: 對取代反應和消去反應的內容進行小結, 既鞏固了所學知識, 又對新知識進行了區分, 一舉兩得。

3.5.4 乙醇的氧化反應

乙醇在銅作催化劑的條件下, 能與氧氣發生氧化反應, 除了這個方法, 請同學們大膽猜測, 乙醇還能被其他氧化劑氧化嗎?

演示實驗: 乙醇與酸性K2Cr2O7溶液反應, 可觀察到溶液由橙色變為綠色。

圖9 乙醇的催化氧化反應Fig.9 Catalytic oxidation of ethanol

設計意圖: 教師通過引導學生描述實驗現象, 培養學生的語言表達能力和邏輯思維能力。 由于醇羥基的影響, 使得COH 中與C 相連的H 較為活潑, 容易被氧化或脫氫。

教師講解: 在反應中, 酸性的K2Cr2O7為氧化劑, 氧化反應過程總顏色變化較為明顯, 且不用加熱, 根據此原理設計呼吸分析儀, 可用于檢測司機是否酒駕[5]。

設計意圖: 理論聯系實際, 充分理解學以致用, 增加學生對知識點的理解, 增強專業自豪感。

小結: 本章我們學習了乙醇的取代反應、 消去反應和氧化反應。 其中取代反應是由乙醇與氫鹵酸在加熱的條件下進行反應, 而且乙醇在濃硫酸加熱(140 ℃)的條件下發生分子間脫水反應, 生成乙醚; 消去反應是由乙醇在濃硫酸加熱(170 ℃)的條件下發生分子內脫水反應, 生成乙烯; 氧化反應是乙醇與酸性重鉻酸鉀進行反應, 直接氧化成乙酸。

圖10 乙醇的化學反應斷鍵模型Fig.10 Chemical reaction bond breaking model of ethanol

設計意圖: 將乙醇的所有反應利用模型進行總結, 加深學生的理解, 同時歸納本節課時的所有知識點, 完善學生的知識體系。

4 結 語

在本次的教學設計中, 通過精心設置教學環節, 引導學生對學過的知識點進行回顧, 從而達到加強學生證據推理能力的目的, 形成完整的知識體系。 在學習有機化學的過程中, 需要加強學生對有機化合物分子的認知, 采用模型的形式進行教學, 通過教師講解模型, 加強學生對模型的認知, 從而提高學生對化學學科的理解能力, 激發學生學習化學的興趣, 從而達到培養學生發展證據推理和模型認知的目標。