基于真實情境的高分子材料教學(xué)重構(gòu)
———以“應(yīng)用廣泛的高分子材料”教學(xué)為例

◇ 北京 賀 新 何 谷

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》(以下簡稱“課程標(biāo)準(zhǔn)”)明確提出,真實、具體的問題情境是學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要平臺,為學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)提供了真實的表現(xiàn)機會.因此,落實學(xué)科核心素養(yǎng)的課堂教學(xué)要求教師積極創(chuàng)設(shè)真實且富有價值的問題情境,比如以“汽車上廣泛應(yīng)用的高分子材料”為切入點,圍繞“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”,深入學(xué)習(xí)有機物的結(jié)構(gòu)是如何決定其性質(zhì)和用途的,課堂上通過設(shè)置層層遞進的驅(qū)動性問題,促使學(xué)生不斷思考,主動探究,在分析問題和解決問題的過程中提升學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng).

1 問題背景

“有機高分子材料”在課標(biāo)中屬于選擇性必修課程主題3.3“合成高分子”,其要求為：“認(rèn)識塑料、合成橡膠、合成纖維的組成和結(jié)構(gòu)特點,了解新型高分子材料的優(yōu)異性能及其在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用.”塑料、合成橡膠和合成纖維是20世紀(jì)人類的偉大成就,也是高分子化合物發(fā)展的重要成果.以塑料、合成纖維、合成橡膠為代表物的合成高分子材料給社會和人們生活帶來了巨大的變化,但是學(xué)生對于它們的了解卻十分有限.

以往的教學(xué)設(shè)計,通常是聯(lián)系生產(chǎn)生活實際全面介紹三大合成材料在日常生活中的具體應(yīng)用,以教師講解為主,學(xué)生能泛泛地了解它們的很多應(yīng)用,但鑒于學(xué)生的知識水平,很容易上成一節(jié)科普課.這樣的教學(xué)往往導(dǎo)致化學(xué)知識和實際應(yīng)用脫鉤,無法學(xué)以致用,長此以往不僅降低學(xué)生對化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣,無法在化學(xué)學(xué)習(xí)過程中逐步形成正確價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力,不利于落實學(xué)科核心素養(yǎng).如何把課本上的知識和實際生活聯(lián)系在一起,讓學(xué)生切實體會到自己學(xué)習(xí)的知識是“真的有用”,開展“素養(yǎng)為本”的教學(xué)呢?

2 教學(xué)思路與過程

2.1 教學(xué)整體思路設(shè)計

本節(jié)課以汽車為載體,聚焦應(yīng)用于汽車中的塑料和橡膠材料,圍繞“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”的關(guān)系進行教學(xué)設(shè)計,帶領(lǐng)學(xué)生深入學(xué)習(xí)有機物的結(jié)構(gòu)是如何決定其性質(zhì)和用途的.通過教師設(shè)置的層層遞進的問題,即“如何區(qū)分塑料和橡膠? 如何使天然橡膠成為滿足汽車需要的橡膠材料? 如何提高橡膠的抗氧化性能?”等,引導(dǎo)學(xué)生在應(yīng)用化學(xué)知識分析和解決這些實際問題的過程中,深刻感受化學(xué)與生活息息相關(guān),促進學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變,幫助學(xué)生形成未來發(fā)展需要的正確價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力.

2.2 教學(xué)目標(biāo)設(shè)計

1)了解塑料和合成橡膠的結(jié)構(gòu)特點,理解結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和用途之間的關(guān)系.

2)應(yīng)用物質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和用途之間的關(guān)系,分析和解決不同高分子材料在汽車中的實際應(yīng)用問題.

3)感受高分子材料在生產(chǎn)生活中扮演的重要角色,增強將化學(xué)知識應(yīng)用于實際的意識和社會責(zé)任感.

2.3 教學(xué)過程設(shè)計

1)提出問題：如何區(qū)分塑料和橡膠?

[教師]展示圖片(如圖1和圖2),提出問題：塑料和橡膠在汽車中有哪些應(yīng)用? 汽車的哪些零部件用到了這些材料?

圖1 合成橡膠的應(yīng)用

圖2 塑料的應(yīng)用

[教師提問]為什么塑料和橡膠都是聚烯烴材料,但性能卻有很大差別,能否從分子結(jié)構(gòu)的角度進行解釋?

[學(xué)生]思考：通過對比聚乙烯的分子鏈(如圖3)和聚異戊二烯的分子鏈(如圖4),發(fā)現(xiàn)橡膠的分子鏈上有碳碳雙鍵,而塑料的分子鏈上沒有碳碳雙鍵.

圖3 聚乙烯

圖4 聚異戊二烯

[教師講解]高分子鏈上一般都存在單鍵,單鍵可以繞鍵軸旋轉(zhuǎn)而不影響鍵的強度.在常溫下聚乙烯分子鏈上的碳碳單鍵會發(fā)生旋轉(zhuǎn),使它不可能呈一條直線,只能呈不規(guī)則的卷曲狀態(tài)(如圖5),許許多多的聚乙烯分子糾纏在一起好像一團亂麻.當(dāng)有外力作用時,卷曲的高分子可以被拉直或者被部分拉直,除去外力后,高分子又恢復(fù)到卷曲狀態(tài),因此高分子化合物都具有一定的彈性(柔性).簡單地說,容易被拉直的高分子鏈柔性高;不容易被拉直的高分子鏈柔性低(剛性).高分子主鏈單鍵的鍵長、鍵角對柔性都有重要影響,減少主鏈的取代基會增加分子鏈的柔性.

[學(xué)生]看、傾聽、思考并得出結(jié)論：如果分子鏈上含孤立雙鍵,碳碳鍵鍵角從109°28′變?yōu)榧s120°,鍵角的張大將會促進分子鏈的旋轉(zhuǎn),增加分子鏈的柔性.孤立雙鍵的存在使取代基的數(shù)量減少,使分子鏈的柔性顯著提高.

設(shè)計意圖：從學(xué)生熟悉的汽車出發(fā),讓學(xué)生切實感受到高分子材料在日常生活中的廣泛應(yīng)用.在此基礎(chǔ)上提出“如何區(qū)分塑料和橡膠”這樣的問題.盡管學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了高分子的合成方法,對于塑料和橡膠又是極熟悉的,但學(xué)生利用已有知識依然無法回答,這樣的問題勢必激起學(xué)生的興趣和探究的欲望.教師適時講解教材中的知識內(nèi)容,引入分子剛性和柔性的概念,通過宏微觀結(jié)合,從本質(zhì)上幫助學(xué)生認(rèn)識、理解、應(yīng)用“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)”的關(guān)系,為接下來的問題引申進行鋪墊.

2)解決問題：如何使天然橡膠成為滿足汽車需要的橡膠材料?

圖5 聚乙烯分子鏈卷曲狀態(tài)

[教師提問]天然橡膠的分子鏈柔性過高,導(dǎo)致其并不能直接作為材料應(yīng)用.如何改良天然橡膠,使其滿足汽車對橡膠材料的使用?

[教師]依次通過給數(shù)據(jù)(如圖6)、提示分析體型酚醛樹脂的結(jié)構(gòu)等方式給予學(xué)生信息,引發(fā)學(xué)生思考,促進知識遷移.

圖6 直鏈烷烴的熔點和沸點

[學(xué)生]根據(jù)已有的知識和經(jīng)驗,分析、思考并回答.通過直鏈烷烴的熔點和沸點隨碳原子數(shù)的變化趨勢圖(如圖6),學(xué)生得出結(jié)論：提高相對分子質(zhì)量可以使液態(tài)橡膠變?yōu)楣虘B(tài)橡膠.根據(jù)體型結(jié)構(gòu)的酚醛樹脂,學(xué)生能夠想到橡膠也可以通過交聯(lián)的方法增強其剛性.

[教師]天然橡膠分子鏈上有碳碳雙鍵,可以在硫的作用下發(fā)生交聯(lián)反應(yīng),即硫化橡膠(如圖7),通過交聯(lián)可以提高橡膠的剛性.

圖7 硫化橡膠

[教師]結(jié)合汽車中橡膠的實際應(yīng)用(如圖8),展示相應(yīng)橡膠材料的微觀結(jié)構(gòu),引導(dǎo)學(xué)生進一步思考提高橡膠剛性的方法.

[學(xué)生]觀察、思考、討論并回答：高分子結(jié)構(gòu)中引入側(cè)鏈取代基可以提高橡膠的剛性,并且側(cè)鏈取代基越大,分子鏈的轉(zhuǎn)動越困難,分子鏈的剛性越大(如圖9).

[教師]芳環(huán)等基團在分子鏈上由于體積較大難以轉(zhuǎn)動,所以分子鏈上引入體積較大的基團或極性基團都可以增加高分子的剛性,并且取代基極性越強,剛性越大.

圖8 各種橡膠材料在汽車上的應(yīng)用

圖9 高分子鏈的柔性順序

設(shè)計意圖：自然界中沒有塑料,而有天然橡膠,但天然橡膠太柔軟了,不能拿來就用.如何使天然橡膠成為滿足汽車需要的橡膠材料,這樣的問題自然激發(fā)了學(xué)生的探究欲.在這個環(huán)節(jié)教師不是直接講解,而是通過給烷烴熔沸點數(shù)據(jù)、提示學(xué)生回顧體型酚醛樹脂的結(jié)構(gòu)等方式,促使學(xué)生將已有知識進行遷移;通過展示汽車中實際應(yīng)用橡膠相應(yīng)微觀結(jié)構(gòu)的方式,不斷啟發(fā)并發(fā)展學(xué)生的思維,在學(xué)生分析和解決問題的能力得到提升的同時,使學(xué)生深刻理解“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”之間的關(guān)系.

3)深化問題：如何提高橡膠的抗氧化性能?

[教師提問]為什么橡膠抗氧化性能較差,會老化呢(如圖10)?

圖10 老化的橡膠

[學(xué)生]根據(jù)已有知識思考并回答：聚烯烴橡膠中含有大量雙鍵,使橡膠的抗氧化性能較差,容易老化.

[教師追問]如何提高橡膠的抗氧化性能?

[學(xué)生]根據(jù)已有的認(rèn)識回答：提高橡膠的抗氧化性能要盡可能地消除雙鍵.

[教師提示]完全消除雙鍵又會使得分子鏈的剛性過強,失去橡膠的特性.從結(jié)構(gòu)上講,塑料和橡膠的區(qū)別就是高分子鏈的柔性不同.提高分子鏈的柔性,可以使高分子成為橡膠材料;提高分子鏈的剛性,可以使高分子成為塑料.

[教師]展示汽車上應(yīng)用的丁基橡膠和三元乙丙橡膠(如圖11和圖12)以及丁基橡膠的微觀結(jié)構(gòu)(如圖13),促進學(xué)生宏微結(jié)合,深入思考分析.

圖13 丁基橡膠(聚異丁烯)的微觀結(jié)構(gòu)

[教師]高分子鏈發(fā)生對稱取代時,使分子鏈的旋轉(zhuǎn)會變得相對容易,柔性遠高于相應(yīng)的單取代分子鏈.這樣既消除了雙鍵又保留了一定的柔性.另外,三元乙丙橡膠是乙烯、丙烯和非共軛二烯烴的三元共聚物(如圖14),二烯烴具有特殊的結(jié)構(gòu),只有一個雙鍵可以共聚,聚合物鏈?zhǔn)峭耆柡偷?另一個不飽和鍵不會成為聚合物的主鏈,只會成為側(cè)鏈,用于交聯(lián),這樣的結(jié)構(gòu)使得三元乙丙橡膠可以抵抗熱、光、氧氣,尤其是臭氧的氧化.

圖14 三元乙丙橡膠的微觀結(jié)構(gòu)

[學(xué)生]傾聽、思考并感悟：有機物高分子的結(jié)構(gòu)決定了它的性質(zhì),進而改變了它的用途.

設(shè)計意圖：根據(jù)汽車上塑料和橡膠的應(yīng)用,應(yīng)用“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”的關(guān)系,“剛?cè)嵯酀钡夭粩喔倪M材料的結(jié)構(gòu)以滿足人們的需求,就是化學(xué)服務(wù)于人類社會發(fā)展的一個縮影.讓學(xué)生切實體會化學(xué)價值的同時,不斷將知識轉(zhuǎn)化為能力,把能力逐漸內(nèi)化為學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng),增強社會責(zé)任意識.

3 教學(xué)實施后的反思

3.1 用真實問題情境貫穿整節(jié)課的教學(xué)

整節(jié)課聚焦汽車上的塑料和橡膠等生活中常見的真實材料,帶領(lǐng)學(xué)生從生活走向化學(xué).塑料和橡膠看似離學(xué)生“很近”實則卻“很遠”,“很近”是這些高分子材料在日常生活中應(yīng)用極其廣泛,學(xué)生看得見摸得著,“很遠”是對這些時刻都在使用、每天都在接觸的材料如何區(qū)分,如何防止橡膠的老化等問題又感覺不清楚、束手無策.本節(jié)課正是抓住了學(xué)生的這個認(rèn)知“盲點”進行教學(xué)設(shè)計,通過設(shè)置一系列真實的問題情境,不斷激發(fā)學(xué)生的探究欲望,利用“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”的關(guān)系,在學(xué)生已有知識的基礎(chǔ)上,認(rèn)識到塑料和橡膠的區(qū)別就是高分子鏈的柔性不同,通過改變有機物高分子的結(jié)構(gòu),既可以使高分子成為橡膠材料,也可以成為塑料.讓學(xué)生在這樣真實的問題情境中體會化學(xué)的價值,在應(yīng)用已有知識綜合分析和解決實際問題的過程中,不斷將知識轉(zhuǎn)化為能力,把能力逐漸內(nèi)化為學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng).

3.2 創(chuàng)設(shè)驅(qū)動性問題情境,提升學(xué)生解決實際問題的能力

本節(jié)課設(shè)計了“如何區(qū)分塑料和橡膠”“如何使天然橡膠成為滿足汽車需要的橡膠材料”“如何提高橡膠的抗氧化性能”等驅(qū)動性問題,不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,促進學(xué)生的思維發(fā)展,更重要的是可以讓學(xué)生學(xué)會如何學(xué)習(xí)、如何思考,變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí).在有機化學(xué)的學(xué)習(xí)中,學(xué)生已經(jīng)知道了它們都是聚烯烴材料,性能不同,但未必關(guān)注到這是由于分子結(jié)構(gòu)的差異造成的,由此提出問題1：“如何區(qū)分塑料和橡膠?”引發(fā)學(xué)生關(guān)注到性能的差異是由微觀分子結(jié)構(gòu)決定的.自然界有天然橡膠,但天然橡膠太柔了不能拿來就用,自然會提出問題2：“如何使天然橡膠成為滿足汽車需要的橡膠材料?”以此問題激發(fā)學(xué)生的興趣和探究欲望,在教師的幫助下,學(xué)生不斷調(diào)動已有的知識和經(jīng)驗去分析和解決這個真實問題.在學(xué)生思維處于活躍狀態(tài)時,教師又設(shè)置了深化問題3：“如何提高橡膠的抗氧化性能?”讓學(xué)生躍躍欲試?yán)^續(xù)應(yīng)用“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”的關(guān)系分析、思考并解決問題.本節(jié)課的問題都是建立在學(xué)生已有知識的基礎(chǔ)上,讓學(xué)生深刻感受化學(xué)與生活息息相關(guān),利用層層遞進的問題,促進學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變,幫助學(xué)生形成未來發(fā)展需要的正確價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力,提升化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng).

3.3 緊扣“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”的關(guān)系,落實核心素養(yǎng)

本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計緊扣“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”的關(guān)系展開,將“宏觀辨識與微觀探析”這一化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)貫穿在整個教學(xué)內(nèi)容中.通過區(qū)分塑料和橡膠是利用高分子鏈的結(jié)構(gòu),讓學(xué)生認(rèn)識到“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”的關(guān)系.通過增加相對分子質(zhì)量、高分子鏈上增加側(cè)鏈取代基、側(cè)鏈取代基增強極性、將分子鏈交聯(lián)等方式均可以使天然橡膠剛性增大,滿足汽車不同部件對橡膠材料的需要,使學(xué)生理解“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”的關(guān)系.最后以汽車上實際應(yīng)用的三元乙丙橡膠為例,讓學(xué)生去應(yīng)用“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”的關(guān)系.三元乙丙橡膠是乙烯、丙烯和非共軛二烯烴的三元共聚物,側(cè)鏈的雙鍵部分進行交聯(lián),通過這樣“剛?cè)嵯酀钡姆绞綇奈⒂^改進材料的結(jié)構(gòu),使高分子性質(zhì)發(fā)生了變化,進而改變了性能和用途,由此解決了橡膠易老化提高抗氧化性能的問題.學(xué)生通過宏微結(jié)合進行層層遞進的分析,從認(rèn)識、理解和應(yīng)用不同層面深刻感受“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”的關(guān)系,在這一過程中能真正體會化學(xué)的社會價值,增強學(xué)好化學(xué)造福人類的信念,將“素養(yǎng)為本”的教學(xué)落到實處.

4 結(jié)語

本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計,改變了以往選擇塑料和橡膠作為高分子材料的典型代表進行介紹和合成的教學(xué)方式,在課堂教學(xué)實施時將塑料和橡膠嵌入汽車中創(chuàng)設(shè)真實的情境,設(shè)置問題,讓學(xué)生在分析和解決問題的過程中,轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式,不斷促進學(xué)生的思維發(fā)展,切實提高了課堂教學(xué)效率,落實了化學(xué)核心素養(yǎng).