“問題猜想，證據推理”彰顯化學魅力
——苯的教學設計

卓金鎮張禮聰楊亭亭

（玉環中學浙江玉環317600）

“問題猜想，證據推理”彰顯化學魅力
——苯的教學設計

卓金鎮張禮聰*楊亭亭

（玉環中學浙江玉環317600）

“證據推理”是化學素養的思維核心。以問題為導向，引發學生猜想，將“證據推理”融入高中化學教學，可積極地促進學生化學核心素養的發展。文章結合苯的教學實踐案例，嘗試在問題解決的驅動下，培養學生證據查找，推理分析，實驗證實等方面的能力。

化學核心素養；化學教學；證據;推理

一、問題提出

深化課程改革提出了發展學生“核心素養”的教學理念。化學學科作為高中課程體系的重要組成部分，培養學生具有化學學科特質的關鍵能力和品格的高中化學核心素養，成為學生核心素養發展不可缺少的組成部分。高中化學核心素養可概括為：“宏觀辨識與微觀探析”、“變化觀念與平衡思想”、“證據推理與模型認知”、“實驗探究與創新意識”、“科學精神與社會責任”等五項內容。如何在課堂中堅定地運用并發揮化學學科的特點和功能，將這些核心素養轉化為一種可操作的方式落實在教學環節中，在促進學生知識掌握的基礎上形成素養，發揮學科應有的、獨特的育人功能，成為深化課改中廣大一線教師面臨的新考驗、新任務。

二、設計思路

如何在課堂中踐行“化學核心素養”的教學？在引導學生了解學科知識的發生與發展過程中掌握必要的基礎知識；通過學習等實踐活動，掌握學習化學的一般方法，形成具備運用化學知識解決實際問題的一定能力；通過知識積累構建學科基本思想和觀念，構筑起學科基本認識，是我們課堂教學追求的目標。

科學探究的本質就是倡導“以事實為證據，對發現問題進行解釋”。問題解決中的探究論證就是尋找“證據”進行邏輯推理的過程。作為科學的化學，無論是元素化合物性質還是概念原理學習，過程中都包含著一個重要要素——“證據推理”。讓“問題”成為學生思維發展的起點和火花，基于問題開展“猜想假設”，對“猜想假說”進行正、偽實踐證明或科學論證，然后依據“證據推理”評判修正原有見解，應是化學課堂促進學生核心素養發展的“催化劑”。因此“問題猜想——證據查找——推理分析”意識和行為的培養是落實化學核心素養教學的一個重要舉措。

基于上述教學理念，課時教學設計圍繞“苯的結構究竟怎樣？苯結構是怎樣被人類認識？苯應該有哪些性質？苯是如何被人類獲取和應用？”四個核心問題解決展開。具體過程：首先以“苯的發現史”為情境，提出問題——推理分析——實驗驗證，通過定性、定量相結合方式，組織學生活動確定苯的分子式。其次利用學生已有碳原子的成鍵知識，學生猜想——結構推理——實驗證實，發現苯中不存在碳碳雙鍵和叁鍵，制造認知沖突。接著教師及時引入凱庫勒等化學家對苯的結構猜想和研究的史話、化學鍵理論等證據，頭腦風暴，幫助學生構建清晰的苯結構。然后依據結構——猜想性質——事實呈現，鞏固理解苯的結構認識，理解掌握苯的性質。最后結合學生課前任務，采用小組匯報的方式，實現苯的用途和來源的了解。整個教學發揮了學生學習的主動性，拓展了學生的視野，凸顯了有機學習的一般方法——“結構決定性質”，實現了“問題猜想——證據推理——素養發展”融合的整體設計思路。

三、教學過程

1.史話點題，探究成分

【情境導入】19世紀，歐洲許多國家使用煤氣照明。英國科學家法拉第花了整整五年時間，于1825年從生產煤氣剩余液體中分離出一種無色油狀新物質。后經研究確定該液體物質僅由C、H兩種元素，且含碳質量分數為92.3%,他稱該無色油狀物質為“氫的重碳化合物”。

【實物展示】教師展示與法拉第發現成分相同的液體——“氫的重碳化合物”。

【提出問題】

①若你是法拉第，說說你確定新物質只含C、H元素的實驗方法。

②簡要描述你實驗方案的操作過程。

【學生歸納】

①采用定量燃燒方法確定物質的元素組成。

②定量取樣→充分燃燒→濃硫酸吸水（測量前后質量變化）→計算得出m（H）→堿石灰吸收CO2（測量前后的質量）→計算得出m（C）→根據質量守恒分析：m（C）+m（H）=m（試樣）。

【史話支持】介紹“李比希燃燒法”測定有機化合物中碳、氫元素方法及貢獻。

【問題思考】若將該液體在空氣中燃燒，可能會有怎樣的現象？說明理由。

【學生猜想】火焰明亮，冒黑煙；因為從組成信息可知其含碳量高，且空氣中氧氣濃度只有21%，易不完全燃燒生成炭。

【學生補充】它燃燒應該有點類似于乙炔，含碳量高，有大量黑煙。

【實驗證據】取少量液體，滴于粉筆上，用酒精燈點燃，觀察現象。

【定量計算】取3.9g液體樣品充分燃燒，將生成的氣體依次通過濃硫酸、堿石灰，測得分別增重2.7g和13.2g。實驗數據能告訴我們哪些結論？

【學生匯報】學生計算后結論：

①樣品僅含C、H兩種元素；

②樣品物質碳、氫原子個數比為1:1。

【提出問題】要確定該物質的分子式還需要什么數據？

【史話支持】1834年，德國化學家米希爾希里通過實驗方法制得這種油狀物質，并把其命名為“苯”。隨后法國化學家日拉爾等人確定苯的相對分子質量為78，密度是同溫同壓下乙炔的3倍。根據上述信息，計算確定苯的分子式。（C6H6）

（設計意圖：教學從“化學史話——氫的重碳化合物”發現切入，預置了“包袱”性問題：該新物質組成怎樣？激發學生了解其成分的好奇心。接著教師通過問題引導，學生方案假設、實驗探究，史話信息支持，將苯組成的確定“融合在科學家對苯的探索歷程中，融合于學生問題解決推理之中”。）

2.結構猜想，證據推理

【提出問題】依據苯的分子式（C6H6），請大家猜想其可能具有的結構？

【學生猜想】學生猜想苯結構結果如下：

CH2=CH-CH=CH-CH=CH2，

CH3-C≡C-C≡C-CH3，CH2=CH-C≡C-CH=CH2，CH≡C-CH=CH-CH=CH2等。

【師生評價】所寫的結構符合C6H6分子式；符合C原子四價原則（四個價鍵）；

書寫結構共同特點：均含有碳碳雙鍵或碳碳叁鍵（與學生剛學習烯、炔有關）。

【問題討論】若用實驗證明我們的猜想，你想到哪些實驗方案？并說說理由。

【方案確定】與高錳酸鉀、溴水進行反應。

因為碳碳雙鍵或三鍵能與酸性高錳酸鉀、溴水反應，能夠使溶液發生褪色現象。

【實驗證據】苯與溴水、酸性高錳酸鉀溶液反應。記錄實驗現象，匯報實驗結果。

【學生匯報】現象：

①溶液分層；

②溴水褪色，上次呈橙紅色；溴被萃取，未發生化學反應；

③酸性的高錳酸鉀不褪色，上層仍然無色；

結論：苯中不含碳碳雙鍵和叁鍵。

【問題思考】上述實驗過程還能體現苯的哪些性質？

【學生匯報】苯有特殊的氣味，苯不溶于水；苯的密度比水小。

【問題質疑】我們猜想被否定，苯的結構究竟怎樣呢？

【科學史話】1865年，德國化學家凱庫勒一直思考破解苯的結構難題。一次睡夢中他“夢見”碳原子在自己的面前排成“蛇”形，原子“蛇”的頭咬住了自己的尾巴，形成一個環狀。凱庫勒受此啟發，畫出了苯的封閉式結構式。最后修正為六角環狀的苯分子結構（展示本單雙建交替結構模型）。

圖1

【問題探討】你認為凱庫勒的苯結構與事實是否相符？為什么？

【學生回答】實驗告訴我們，苯分子中不應該存在碳碳雙鍵，凱庫勒的苯結構猜想存在缺陷。

（設計意圖：苯結構的認識是本課時教學重點之一，也是苯性質學習的前提與基石。利用學生已有基礎，猜想苯的結構是課堂教學中學生思維發展的生長點；是學生開展實驗探究，“證實和證偽”苯結構猜想的依據；是重新審視苯的“凱庫勒”結構，產生進一步認知沖突的支點。）

3.結構分析，性質猜想

【證據推理】

①介紹凱庫勒基于實驗事實，再次提出“擺動雙鍵學說”，修正完善苯結構原先假說；

②介紹其他科學家對苯結構的認識：杜瓦（1866-1867提出）的“雙環結構”；拉敦保格（1869提出）“棱形結構”；阿姆斯特朗（1887-1888提出）“向心結構”；悌勒（1899提出）“余價結構”等。

【推理評價】你認為哪些科學家的觀點更接近苯的真實結構？說說你的看法。

【數據支持】科學實驗技術的發展為人類認識物質結構提供了基礎。1935年，科學家詹斯經X射線衍射法，證實苯分子結構是平面正六邊形，并測得苯分子中的碳碳鍵的鍵長介于碳碳單鍵和碳碳雙鍵之間。

表1 碳碳鍵鍵長數據

【問題質疑】苯的結構是怎樣的呢？

【證據認識】

①理論派：分子軌道理論對苯結構的認識。根據碳原子的電子成鍵特點，每個碳原子間都有三個電子一一共用形成6個σ鍵，6個碳余出的6個電子形成一個6個碳原子共用的特殊化學鍵，稱為π鍵。苯分子結構中的碳碳鍵完全相同，是介于碳碳單鍵和碳碳雙鍵之間的一種特殊的鍵。

②實踐派：氫化熱測定對苯結構的認識。

表2 幾種物質氫化熱數據

【學生歸納】苯不存在獨立的單鍵和雙鍵。（不存在單雙建交替結構）

【事實拓展】2009年IBM科學家團隊用原子力顯微鏡給單個并五苯分子拍照（圖2）。2013年，《sci?ence》雜志刊登了加州大學化學家Fischer等通過原子力顯微鏡給亞苯基-1,2-次乙炔基低聚物拍照的照片（圖3），讓我們直觀和清晰地看到了苯環平面正六邊形的結構。

圖2

圖3

【提出問題】

②基于上述苯結構認識，你認為苯可能具有哪些化學性質？

【小組討論】

①同一種物質。

②苯分子里6個C原子之間的鍵完全相同，鍵角為120°，是一種介于單鍵和雙鍵之間的特殊（獨特）的鍵。結構獨特決定了其性質的特殊，苯應既有類似烯烴的性質（加成反應）也有烷烴的性質（取代反應），當然能夠燃燒氧化。

③總體來說苯應該是難氧化、加成，易發生取代的特點。

【事實支持】

事實1：1mol苯在催化劑及高溫高壓條件下，最多可以與3 mol H2發生加成反應生成環己烷：

事實2：苯與液溴在鐵粉存在時，常溫下發生取代反應生成溴苯：

（設計意圖：本環節以苯的“凱庫勒”結構局限為思考點，激起學生：“苯的結構究竟怎樣？”強烈心向；然后將科學家們“基于實驗事實”對苯結構的解釋歷程，與學生“內心焦慮”對接，從理論和事實層面引導、啟發學生，使學生對苯結構認識由模糊、抽象逐漸走向清晰、具體；接著提出“苯應該具有怎樣的性質？”問題，將解釋權還給學生，苯性質理解水到渠成，教學凸顯證據推理意識培養。）

4.價值認識，拓寬視野

【任務問題】苯有哪些用途呢？（課前布置任務）

【小組匯報】苯有非常廣泛用途，是一種重要的化工原料。

①苯是工業上一種常用的溶劑，可用于金屬脫脂及萃取劑。

②苯有減輕爆震的作用，可作為汽油添加劑。

③苯可以合成一系列苯的衍生物：氯苯、溴苯、苯磺酸、硝基苯等。

④苯經取代反應、加成反應、氧化反應等生成的一系列化合物可作為生產塑料、橡膠、纖維、染料、去污劑、殺蟲劑等的原料。

【問題解決】硝基苯是合成染料、醫藥、農藥的重要中間體，它是苯在濃硫酸催化下與濃硝酸發生反應生成。請寫出該反應的化學方程式，并說出該反應的反應類型。

該反應為取代反應。

【性質拓展】工業上大約10%的苯用于制造苯系中間體，如乙苯（乙基苯）等。我國化工業采用“分子篩固體酸催化工藝”，以苯與乙烯為原料制成乙苯，再由乙苯生產制塑料的聚苯乙烯。

【問題任務】寫出苯與乙烯制備乙苯的化學方程式。

【問題提出】苯具有廣泛的用途，人類主要通過何種方式獲得它？

【學生匯報】課前布置任務，學生小組匯報內容概括如下：

①傳統來源：煤干餾得到的煤焦油，再分餾煤焦油獲得苯。苯還是一種鋼鐵工業焦化過程中的副產物。

②現代來源：現在全球大部分的苯來源于石油化工。工業上生產苯最重要的三種過程是催化重整、甲苯加氫脫烷基化和蒸汽裂化。

【自主學習】煤的綜合利用：煤的氣化、液化和干餾。

（設計意圖：本環節是苯的用途及來源的了解，具體教學舉措是課前布置“苯有哪些用途？”課中指導學生閱讀“煤的綜合利用”任務形式解決，來拓展學生的知識視野。教學環節重點仍然是苯性質知識與用途有機融合的問題解決應用。）

四、教后反思

1.借用史料，創境質疑，滲透核心素養教育

本課時設計的亮點是引入苯結構及性質相關化學史素材。在情境問題解決中拉近學生與科學家的距離，嘗試著讓學生沿著科學家的足跡體驗探索過程的艱辛，追尋科學家對苯結構性質研究的思維歷程。教學中重溫了問題猜想——證據推理——理論假設——實驗證實研究思路，凸顯了化學研究中實驗手段的重要作用及科學真理的相對性，更好地幫助學生建立科學本質的理解。滲透化學史教學，將濃縮的科學知識在教學中“展開和稀釋”，可促進學生化學基本觀念的建構和心智模型的轉變，培養了學生的問題意識，激發了科學思維，提升了學生的創新能力，實現“化學認識”“化學觀念”“化學運用”等學科思想的培養，成就了核心素養的發展。

2.問題猜想，證據推理，促進核心素養發展

本節課以“苯的分子組成推導——苯的結構猜想——苯的性質推測”為主線。在教學過程中教師通過問題質疑，驅動學生主動猜想；推理預測，激發學生尋找證據；動手實驗，鼓勵學生合作探究；收集證據（相關數據）和呈現性質事實，培養學生獲取、整合信息能力等方式，幫助學生搭建苯分子結構認識的證據平臺，得出了苯的環狀結構，確定了苯的分子結構中的碳碳鍵完全相同——是介于碳碳單鍵和碳碳雙鍵之間的一種獨特鍵。此過程中學生經歷的是基于“證據推理”的探究學習，是一種有“根與源”的探究。此“根與源”可以生長出能力和方法，傳承科學態度和科學精神。“問題假設，證據推理”不僅僅是指學生對證據的尊重，還包括尋找證據能力和解釋證據能力的提升。讓問題——證據成為化學課堂思考的激發點，學生發展的生長點，學習方式和學習行為培養的路徑，化學課堂才能引導學生建立和發展化學基本理解、基本觀念，才能促進化學核心素養的發展。

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1008-0546（2017）09-0054-04

G633.8

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10.3969/j.issn.1008-0546.2017.09.016

*本文指導教師，通訊聯系人，郵箱：laoshi2005.10.16@163.com