立足科學方法凸顯學科觀念

陳方

[摘 要]

以“乙烯”的教學設計為例，借助“問題鏈”的驅動，突破教學的重難點。運用對比、實驗等科學的學習手段和方法，強化化學學習的學科思維方式，不斷滲透并建構學科觀念，在思考和解決問題的學習過程中，不斷提升學生的化學素養和分析解決問題的能力。

[關鍵詞]

乙烯；科學方法；學科觀念

人教版化學1（必修）教師教學用書在“教學資源”中提到科學方法，包括獲取科學事實的方法（觀察、實驗、思想實驗）；整理科學事實的方法（比較、分類、類比、歸納、演繹、分析、綜合）；構造科學理論體系的方法；橫向科學方法（信息方法、系統方法等）。毫無疑問，在教學實踐過程中，我們應引導學生對這些科學方法不斷加以理解、運用和體會，使學生逐步學會科學研究的基本方法。同時，在學生運用知識和技能解決化學實際問題的過程中，逐步建構化學學科觀念。

一、創設情境，引入課題

【展示】一根成熟的黃香蕉和一根青色的生香蕉；一塊用于食品保鮮的PE塑料薄膜。

【問題】為什么剛剛摘取不久的青香蕉和較熟的黃香蕉保存在一起就容易變黃？PE塑料的成分是什么？它是如何得到的？

【引入新課】這些問題均與今天的課題“乙烯”有關。那“乙烯”到底是什么？工業上如何得到乙烯？它的組成、結構、性質和用途如何？這是本節課將要學習和探究的內容。

設計意圖：化學源于生活，并應用于生活。以學生生活中司空見慣的物品引入課題，強調從學生生活實際和已有知識出發，能激發學生的探究興趣與熱情，同時將學生的生活經驗與化學學習密切聯系，使學生養成從生活現象中發現問題、提出問題的習慣，也為后續的解決問題埋下伏筆。

二、實驗探究，提出問題

【介紹】如圖1，這是一套模擬工業生產乙烯的實驗裝置圖。

【觀看實驗視頻】將石蠟油分解，利用生成的氣體分別進行如下實驗：

①將氣體通入酸性高錳酸鉀溶液中，觀察現象。

②將氣體通入溴的四氯化碳溶液中，觀察現象。

③用排水法收集一試管氣體，點燃，觀察現象（提示：注意觀察實驗現象，并與前面所學的甲烷性質進行對比）。

【分析現象，得出結論】

【問題】你認為石蠟油分解生成的氣體中都是烷烴嗎？說明理由。

【學生1】生成的氣體不全是烷烴，因烷烴不能使高錳酸鉀溶液及溴的四氯化碳溶液褪色。

【結論】研究表明，石蠟油分解所產生的氣體中含有乙烯。乙烯是一種來源于石油的基本化工原料，它的產量可以用來衡量一個國家的石油化工發展水平。

【設疑】乙烯的性質為什么不同于烷烴，它有怎樣的組成和結構？

設計意圖：首先，通過觀看實驗視頻，學生知道了乙烯的工業來源；其次，化學是一門實驗科學，通過對實驗現象的觀察獲取科學事實，并使學生產生了與甲烷（烷烴）學習的認知沖突，激發學生探究的欲望，滲透了“物質是不斷運動變化的”科學觀念。通過歸納、比較和分析，得出“生成的氣體中不都是烷烴”的科學結論，也自然引入了后續的乙烯與乙烷的比較教學。同時，最后的設疑，為乙烯的組成——結構——性質關系的教學做了很好的鋪墊。

三、分析組成，推測結構

【展示】用排水法收集的一瓶乙烯（瓶中故意留有少量水），讓學生聞氣味并觀察物理性質。

【問題】通過觀察，你能得到乙烯的哪些重要物理性質？

【結論】乙烯是一種無色、稍有氣味、難溶于水的氣態烴。

【教師】經實驗測定，乙烯在標況下的密度為1.25g·L-1，其中含碳85.7%。

【小結與計算】（1）歸納乙烯的物理性質；（2）計算確定乙烯的分子式。

【結論】（1）略；（2）乙烯分子中碳氫原子數之比為1∶2，分子式為C2H4。

【教師】對比乙烯和乙烷的分子組成，結合乙烷的分子結構，請同學們推測乙烯的分子結構，寫出其電子式、結構式和結構簡式，并填表。

【設疑】通過乙烯與乙烷分子組成的差異，發現乙烯比乙烷分子少了兩個氫原子（可看作每個碳原子上比乙烷分子少結合一個氫原子），你能否由乙烷的結構推測分析出乙烯的結構？嘗試利用實驗提籃中乙烷的球棍模型及短棍，組裝出乙烯的球棍模型。

【學生活動】從乙烷的球棍模型中，每個碳原子上各去掉一個氫原子。

【問題】這樣的結構是否符合有機物的價鍵理論？乙烯分子的兩個碳原子間形成了怎樣的共價鍵？

【學生2】不符合，因為每個碳原子要形成四個共價鍵才能達到8電子穩定結構，那乙烯分子的碳原子間必然形成了碳碳雙鍵。

【教師】要求學生動手組裝乙烯的球棍模型。

【教師】引領學生完成表2。并提示，乙烯結構（簡）式中的碳碳雙鍵不能漏寫。

【教師】概念（1）不飽和烴：碳原子所結合的氫原子數少于飽和烴里的氫原子數的碳氫化合物（烴），屬于不飽和烴；（2）烯烴：分子里含碳碳雙鍵的不飽和鏈烴叫烯烴。乙烯是最簡單的烯烴。

設計意圖：通過觀察乙烯的物理性質，并由其密度等推算出分子式，體現了“定性與定量相結合”的學科思想，讓學生感悟“化學實驗是化學研究的重要方法”、“化學研究通過觀察和實驗獲取證據，基于證據推理形成結論”等學科觀念；再通過比較乙烯與乙烷分子組成差異，由已知的乙烷結構來分析、推測乙烯的結構，結合球棍模型的搭建，體現了“微觀問題宏觀化思考”、“理論與實踐相結合的”等思想方法，體會到“科學研究有方法可循”的觀念；既深化了學生對有機物價鍵理論的理解，同時對乙烷與乙烯的微觀結構等也進行了比較，使學生認識到“乙烯分子中的碳碳雙鍵是乙烯與乙烷結構的本質差異”，對突破本節課的重難點——乙烯的化學性質的教學起了關鍵的指引作用。

四、認識結構，理解性質

【問題】乙烯與乙烷組成及結構的差異，導致了它們怎樣的化學性質差異？

【學生3】乙烯能使酸性高錳酸鉀溶液褪色，乙烷則不能；乙烯燃燒火焰明亮，有黑煙，乙烷燃燒火焰為淡藍色，無黑煙。

【學生4】乙烯能使溴的四氯化碳溶液褪色，而乙烷則不能。

【實驗】利用實驗提籃中高錳酸鉀溶液及注射器中的乙烯進行實驗，觀察現象（事先將吸有10mL乙烯的帶有針頭的50mL注射器用橡皮塞封住針頭備用。實驗時在白色點滴板穴中滴加10滴0.5mol·L-1的高錳酸鉀溶液，拔掉橡皮塞，從針頭吸進高錳酸鉀溶液，振蕩注射器）。

【結論】乙烯能與高錳酸鉀溶液反應并使其褪色。

【問題】那乙烯發生了怎樣的反應？

【學生5】可能是被高錳酸鉀溶液氧化了，因高錳酸鉀是強氧化劑。

【問題】乙烯還能被誰氧化？

【學生6】乙烯還能燃燒，被氧氣氧化。

【問題】那乙烯燃燒的現象為什么與乙烷不同？

【學生7】顯然是乙烯含碳量較乙烷高所導致。

【問題】那乙烯是怎樣使溴的四氯化碳溶液褪色的？其反應類型和原理又如何呢？

【教師】我們知道，化學反應的本質是舊化學鍵的斷裂與新化學鍵的形成過程。下面，我們共同來觀看乙烯與溴反應的微觀過程，特別注意反應中化學鍵的變化。

【觀看動畫并表述】反應時，乙烯分子中斷裂碳碳雙鍵中的一個碳碳鍵，溴分子中的Br-Br鍵斷裂，然后在兩個碳原子上各形成一個C-Br鍵。

【教師】這樣的反應叫加成反應。概念：有機物分子中雙鍵（或三鍵）兩端的碳原子與其他原子或原子團直接結合生成新的化合物的反應叫加成反應。

【教師】寫出乙烯與溴反應的化學方程式（再次提醒學生反應中鍵的斷裂與生成）。

【板演】四位學生分別寫出乙烯與氫氣（催化劑、加熱）、氯氣、氯化氫、水（催化劑、加熱、加壓）加成反應的化學方程式。

【教師】點評。提示學生可將H2O看作H-OH來書寫反應。

【教師】乙烯分子間能否發生加成？教師組織4位同學兩兩手拉手，比喻成兩個乙烯分子，然后每兩位同學間再松開其中拉著的兩只手，面對同學站成一排，中間的兩位同學再牽起松開的兩只手。教師說明，這就好像乙烯分子間的加成。

【追問】乙烯分子是否只能兩個分子間加成？

【學生8】好像很多乙烯分子間都可以加成。

【教師】評價并書寫化學反應方程式，給出加聚反應的概念，指出乙烯形成聚乙烯是它的重要用途之一，說明課上展示的PE塑料薄膜的主要成分就是聚乙烯。

設計意圖：這一環節是本節課的核心內容。借助乙烯與乙烷組成及結構的差異，利用層層遞進的驅動學習的問題及微型探究實驗、對化學反應微觀本質的討論、觀看加成反應的動畫演示及模擬加聚反應的表演等學習活動，逐漸由表觀現象觸及化學反應的本質，進一步體會“宏微結合”的學科思想在化學學習中的應用，再通過化學方程式的書寫與表達，整合 “宏觀——微觀——符號”的三重表征進行理解和學習，輕松突破教學的重難點，還使學生進一步感悟“物質是不斷運動變化的”、“物質不可能無緣無故的消失，只可能有規律的轉化”、“組成與結構決定性質”——物質性質的改變是物質的組成與結構發生了變化的結果等學科思想觀念。

五、處理信息，深化認識

【教師】與乙烷相比，乙烯為什么易發生加成及加聚反應？

【信息呈現】已知乙烷分子及乙烯分子中C-C、C=C的鍵能分別為348 kJ·mol-1、615 kJ·mol-1，C-H鍵鍵能為415 kJ·mol-1，試用以上數據分析說明其原因。

【結論】（1）C-H鍵鍵能較大，不易斷裂；（2）乙烯分子中C=C的鍵能小于乙烷分子中C-C鍵能的兩倍，C=C中有一個鍵容易斷裂。故乙烯不易發生取代反應，而易發生加成和加聚反應。

【交流與總結】乙烯、乙烷化學性質的比較。

設計意圖：利用鍵能數據，通過分析、計算、比較對信息進行處理，結合乙烯與乙烷性質的比較，引導學生對有關知識進行對比、歸納與整合。深化了“定性定量相結合”的學科思想方法，再次從“宏觀問題微觀解釋”的學科思維視角來理解和感悟乙烯與乙烷性質差異的本質原因，使學生有“撥開烏云見太陽”的豁然開朗的感覺。既強化了“結構決定性質”的微觀本質認識，又使學生對兩種烴的學習自然延伸到類別的高度，為后續烯烴的學習做好鋪墊，同時實現了學生的認識由感性認識到理性認識的升華。

六、教學反思

零散的化學學科知識、片段性的化學概念或事實是很容易被忘記的，學生不會忘記的是學科觀念、學科特征的思維習慣和解決問題的方法。因此在化學教學過程中，引導學生不斷運用科學方法，滲透學習化學的學科思維方式，引領學生體會并不斷形成化學學科思想和學科觀念就顯得非常迫切和重要。

本節課充分利用身邊的事例，生活中司空見慣的現象，讓學生真切體會到化學就在我們的身邊，在我們的日常生活中。感受化學與我們生活實際的密切聯系，體會化學學習的重要意義和價值。

本節課采用了實驗、觀察、類比、分類比較、分析綜合、歸納、小結（總結）、對信息進行分析處理等多樣化的學習手段和科學方法，豐富了化學學習的方式，極大提升了學習的有效性，也使學生領略了它們別樣的風采，有利于學生體驗科學探究的過程，學習科學研究的基本方法，加深對科學本質的認識，增強創新精神和實踐能力，進而不斷提高學生的科學素養。

本節課首先確立了元素組成——確定分子式——推測結構——探究性質——理論解釋——實際應用的思路展開乙烯結構與性質的研究；其次課中充分運用了實物展示、微型實驗、模型搭建、動畫演示等學生喜聞樂見的方式，使學生的學習變微觀為宏觀，化抽象為具體，提高教學的實效性；此外通過“問題鏈”來驅動本節課核心內容的教學，突破教學的重難點，使課堂教學循序漸進、一氣呵成，讓學生有酣暢淋漓之感。在解決問題的學習過程中，深刻體會到“組成與結構決定性質、性質決定用途”的重要化學學科思想；同時學生在對物質及其變化的本質的認識過程中，不斷建構和形成化學學科的核心觀念。欣賞到它們在化學學習中的獨特魅力。

[參 考 文 獻]

[1]毛東海.統籌知識、方法和觀念三層面教學內容的教學設計——以“高二氧化還原反應專題復習為例”[J].化學教學，2016（3）.

[2]張禮聰.在對比中學習——“乙烯”的教學實錄[J].化學教學，2016（5）.

[3]胡珺晶.你的課堂你做主——“乙烯”教學實錄[J].化學教與學，2016（2）.

（責任編輯：張華偉）