基于化學學科理解的單元整體教學

葉秋耀 熊均

摘要：基于化學學科理解，選取“認識有機化合物”為主題，設計本原問題，立足學習進階，使學生的知識與認識思路結構化，發(fā)展學生的化學觀念與思維方法。

關鍵詞：學科理解;價鍵特點;有機物;教學建議

文章編號：1008-0546（2022）10x-0031-03中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

一、問題的提出

1.研究背景

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）指出，教師應開展“素養(yǎng)為本”的課堂教學，以學科大概念為核心，增進化學學科理解。[1]化學學科理解是教師對化學學科知識及其思維方式和方法的一種本原性、結構化的認識。本原性要求教師應多從學生認知情況、本學科與跨學科的視角進行設計思考;結構化則需要理清大概念、核心概念與基本概念的關系。

目前，我國關于化學學科理解的研究仍處于前期階段，產生的研究成果雖然質量較高，但數(shù)量有限，且不成系統(tǒng)，內容形式大多是深入解讀，或者一個課時的教學設計，幾乎沒有以單元整體教學形式呈現(xiàn)的研究文章。[2-4]

2.本原問題的選取

基于學科理解，“認識有機化合物”主題主要立足于兩大本原問題：

（1）為什么碳元素會成為種類繁多的有機物的“主角”？

（2）我們應該用什么樣的視角去認識這些“性質各異”的有機物？

以核心知識為載體，從宏觀與微觀視角，構建認識視角的思路（見表1）：

綜上分析，本主題為2個課時：

第1課時如何理解碳元素是有機物的主角

第2課時如何認識最簡單的有機物的性質二、教與學分析

1.教材對比分析

對比人教版和魯科版新教材《化學必修第二冊》，在大單元的設計上，人教版以“認識有機物→有機物與社會→有機物與生活→有機物與生命”為線，從宏觀的社會應用到微觀的生命個體，逐層深入;魯科版則以“認識有機物→獲取有機物→有機物的價值”為線，凸顯學科的育人價值?？梢钥闯觯瑑蓚€版本的新教材都將建構有機物的認知模型放在首節(jié)，體現(xiàn)了課程標準“素養(yǎng)為本，大概念為核心，增進學科理解”的要求。但在“認識有機物”的細節(jié)呈現(xiàn)上，兩者的側重點又有所區(qū)別。

人教版以“碳原子的成鍵特點→烷烴的結構→烷烴的性質”為線，通過碳原子的成鍵特點探究，展示有機物分子的價鍵多樣性;通過烷烴的結構探究，展示有機物分子立體構的型多樣性;通過對甲烷的性質探究，建構研究有機物性質的認知模型。魯科版以“有機物的一般性質→碳原子的成鍵特點→有機物的分子結構”為線，在例證選擇上，并不局限于烴類，而是基于社會與生活，引入更多新型的重要有機物，如聚苯板分子器件等。對比可知，魯科版教材更注重學科價值引領，素養(yǎng)導向，但對學生的學習能力要求更高;人教版教材則需師生共同挖掘其中的價值線，在培養(yǎng)學生學科思維的過程中，也注重必備知識的選取及呈現(xiàn)次序，學生在學習的過程中能夠有山可依，有跡可循。

2.學情分析

學生已有認知：在初中階段，基于生活經驗認識了有機物的多樣性及用途，并了解簡單的有機物，如甲烷、乙醇等。經過常見無機物性質及其轉化等主題的學習后，學生已初步認識“結構決定性質，性質決定用途”的學科大概念，能夠從原子結構、原子半徑、鍵能數(shù)據(jù)、物質分類等角度預測新物質的化學性質及用途。

學生認知障礙點：碳元素能成為種類繁多的有機物骨架元素的本質原因;基于CH4的分子結構，類比無機物的性質，預測CH4的性質。

學生認知發(fā)展點：有機物多樣性及其性質的結構化認識視角。

3.素養(yǎng)功能定位（見表2）

三、學習目標與評價目標

1.通過與硼、氮和硅原子的比較，診斷并發(fā)展學生對碳原子成鍵的價鍵特征的認識水平（視角水平、系統(tǒng)水平）。

2.通過化學史和實驗事實，發(fā)展學生對碳的四面體學說及其價值的認識水平（學科價值視角、社會價值視角）。

3.通過對碳原子連接方式的探究，診斷并發(fā)展學生對有機物分子的骨架特征的認識水平（孤立水平、系統(tǒng)水平）。

4.通過對甲烷性質的實驗探究，診斷并發(fā)展學生對甲烷穩(wěn)定性和取代反應特征的結構化水平（視角水平、內涵水平）。

四、教學實施

第1課時：如何理解碳元素是有機物的主角

環(huán)節(jié)一：如何認識碳原子成鍵的價鍵特征？

[情境]元素周期表中目前發(fā)現(xiàn)了118種元素，它們形成了上億種化合物，且90%以上都是有機化合物。

[問題]1.為何C原子比同周期的B、N原子能形成更多的化合物？

2.為何C原子比同主族的Si原子能形成更多的化合物？

[教師]提供化學鍵的鍵能數(shù)據(jù)（見表3），引導學生從宏觀的鍵能數(shù)據(jù)視角，以及微觀的原子價鍵結構視角，進行分析。

[學生]分析B、C、N的原子結構，并對比C-C鍵、C-H鍵、Si-Si鍵、Si-H鍵的鍵能大小，歸納結論。

環(huán)節(jié)二：如何認識碳原子的空間特征？

[情境]對于CH4的分子結構，歷史上凱庫勒曾認為是平面分子，而他的學生范特霍夫卻認為是正四面體形。

[問題]電子衍射儀測得CH4分子中的4個C-H鍵鍵長、鍵角、鍵能完全相等，且CH2Cl2分子只有一種結構，請分析CH4的分子構型？

[學生]基于化學史實以及CH2Cl2的結構情況，分別從平面分子，以及四面體分子的視角搭建CH2Cl2的球棍模型，分析對比，印證CH4的分子構型。

環(huán)節(jié)三：如何認識有機物的骨架特征？

[情境]人教版《高中化學必修第二冊》第61頁“思考與討論”板塊。

[問題]1.結合四個碳原子相互結合的幾種方式，分析以碳原子為骨架的有機物種類繁多的原因？

2.嘗試制作C3H6分子的球棍模型，能得到多少種結構的有機物分子？

[教師]引導學生從碳骨架的連接視角與空間視角，分析歸納有機物種類繁多的原因：碳原子價鍵方式的多樣性、三維立體比二維平面的空間多樣性，總結碳原子是有機物主角的原因。從價鍵類型和碳骨架類型視角，引出烷烴、同系物、同分異構體的概念。

[學生]分析思考，制作C3H6分子的球棍模型，體驗碳原子的價鍵特征，以及有機物的骨架特征。

第2課時：如何認識最簡單的有機物——CH4

環(huán)節(jié)一：如何基于結構視角認識CH4是最簡單的有機物？

[情境]人教版《高中化學必修第二冊》第62頁“CH4的分子結構示意圖、球棍模型、空間填充模型”與“思考與討論”板塊。

[問題]為何CH4被稱為最簡單的有機物？

[教師]引導學生對比C2H6、C3H8、C4H10的分子結構模型，從CH4組成元素的簡單性、空間結構的唯一性、成鍵方式的單一性進行分析。

[學生]思考分析，得到結論：CH4的組成元素只有兩種，空間結構和化學鍵類型都只有一種，因此是最簡單的有機物。

環(huán)節(jié)二：如何認識CH4分子的穩(wěn)定性？

[情境]從無機物性質的認識視角進行聯(lián)想。

1.物質類別視角：類比氣態(tài)氫化物，如HCl、NH3，具體酸性氣體或堿性氣體的通性;

2.氧化還原反應視角：C元素-4價，具有還原性。

[問題]預測CH4可能具有的化學性質，并設計實驗證明。

[教師]提供必要的試劑與儀器：瓶裝CH4氣體、稀硫酸、NaOH溶液、酸性KMnO4溶液、溴水、酚酞試劑、膠頭滴管、點滴板等。

[學生]基于無機物性質的認識視角，提出猜測，并進行實驗驗證。

環(huán)節(jié)三：如何認識CH4與Cl2反應的特征？

[情境]視頻素材：①CH4在氧氣中的燃燒;②CH4在光照條件下與Cl2發(fā)生取代反應。

[問題]①CH4在常溫不與酸性KMnO4溶液等強氧化劑反應，卻能與O2、Cl2反應，說明了什么？②如何認識CH4與Cl2反應的特征？

[教師]提供CH4的四種氯代物的物理性質（見表4）。

[學生]討論分析問題1，歸納結論：有機物的穩(wěn)定性是相對的，需要考慮反應條件。根據(jù)實驗現(xiàn)象分析問題2，預測CH4與Cl2的反應產物，以及反應的類型特點?？偨YCH4的性質，以及有機物的常見反應類型。

五、教學建議

1.教師需改變教學觀念，將教學重點從知識建構轉為思維建構

對比舊版本的人教版《高中化學必修二》，不難看出，在內容選取與編排上，新教材“有機化合物”單元作出了較大的調整。舊教材第1節(jié)以“最簡單的有機物——甲烷”為例，基于物質視角，認識甲烷的分子結構與物理、化學性質，再推廣至認識烷烴的結構與性質，側重知識先行。多年來的教學實踐表明，這種教學模式對學生的思維發(fā)展是有限度的，學生獲得的是碎片化知識，沒有拓展遷移能力。學生知道甲烷的四面體構型，卻未能預測丙烷分子中碳原子是否共平面。新教材第1節(jié)將“碳原子的成鍵特點”放在最前，基于碳原子的價鍵多樣性及飽和碳的四面體骨架，認識烷烴的結構與性質，再以甲烷為例進行輔證，凸顯了思維建構先行。因此，教師在教學設計的過程中，需多思考知識為載體的背后更應發(fā)展學生的哪些思維能力、學科素養(yǎng)與核心價值。

2.基于學科理解，理清學生已有認識視角，創(chuàng)設問題情境，關注學生的表現(xiàn)性。

進入“常見有機物的性質及其轉化”的主題學習后，學生需面對一個幾乎全新的學習領域，但他們研究問題的視角卻仍停留在“常見無機物的性質及其轉化”上。如何基于學生的已有認知視角，平穩(wěn)地建構認識有機物性質的結構化新視角，是學科理解的內涵要求，也決定了學科素養(yǎng)能否真正落地。向學生重現(xiàn)無機物性質的認識視角，讓其提出猜測并驗證，可有效引起學生的認知沖突，如 CH4在 組成上與 HCl、NH3相似，卻不與強酸、強堿溶液反應，碳元素-4 價，在常溫下卻不能被酸性 KMnO4溶 液、溴水等強氧化劑氧化。通過探究，讓學生體會到有機物不同于無機物的特征，認識到研究的視角需要改變。

在CH4的性質建構上，創(chuàng)設了兩個問題情境。通過問題 1“CH4在常溫不與酸性 KMnO4溶液等強氧化劑反應，為何卻能與O2、Cl2反應？”讓學生認識有機物反應的復雜性，及反應條件的重要性，辯證看待有機物的穩(wěn)定性。通過問題2“如何認識CH4與Cl2的反應特征？”建構學生從宏觀的物質類別視角、反應類型視角，以及微觀的化學鍵視角、官能團視角，認識有機物的性質。

特別指出的是，實際教學中，總有部分學生會簡單認為產物是CCl4與H2，究其原因，是在初中的學習過程中，沒有真正理解知識，面對新問題時，直接簡單套用原子守恒進行分析。對該類學生，應盡可能創(chuàng)設簡單問題情境，讓他們在問題解決中尋獲信心與樂趣，從而主動學習并理解知識。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]王偉，王后雄.高中化學課標中學科理解的標準建構研究[J].課程·教材·教法，2020，40（10）：97-104.

[3]胡先錦.基于問題解決指向學科理解[J].化學教學.2021（03）：34-37.

[4]張笑言，鄭長龍.基于學科理解的學習任務設計策略[J].化學教育，2021（42）：41-44.