基于“證據推理與模型認知”核心素養的有機化學教學思考

龐玉璽 汪嶸 唐其生 宋佳皓

摘要：從發展學生核心素養的角度對乙炔進行系統的教學設計。通過學生探究式課堂活動，構建乙炔特征反應的認知模型，理解乙炔加成反應微觀本質，建立結構決定性質的學科觀念，發展學生證據推理與模型認知的學科核心素養。

關鍵詞：證據推理，模型認知，學科核心素養，乙炔

文章編號：1008-0546（2020）05-0055-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.05.014

化學學科是從原子、分子水平上研究物質組成、結構、性質、轉化及其應用的一門基礎學科。化學學科研究的對象是分子、原子，屬于微觀層面，無法通過直觀感受感知。在自然科學研究中，當客觀對象不能被直接研究時，人們通過一定科學方法，建立一個適當的模型來反映和代替客觀對象，并通過研究這個模型來揭示客觀對象的形態、特征和本質，此即模型法。化學學科研究對象微觀性和抽象性的特點要求人們建構合適的認知模型，將微觀的、抽象的研究實體或者過程“可視化”。而認知模型的建構大都需要對大量實驗事實進行基于證據的邏輯推理。證據推理是模型認知建構的手段和方法，模型認知是證據推理所得的結論。證據推理與模型認知是科學探究形成結論的思維方法，也是化學核心素養的重要組成部分。相比無機化學，有機化學的結構與性質對應的關系更加明顯，規律性也更強。有機化學的學科特點使得有機化學的教學往往更側重于基于證據的分析推理以及建立思維認知模型。

筆者在高中有機化學的教學實踐中發現，學生學習有機化學的困難主要集中在機械記憶有機物化學反應，無法有效建立有機物官能團與其性質間的關聯，究其原因還是在于未能正確構建官能團特征反應的認知模型，對官能團結構和性質認識不深人，僅僅停留在典型有機物特征反應“是什么”的層次，沒有上升至該物質“為什么”能發生這些特征反應而具有這些性質，導致在“怎么用”階段不能將典型物質的特征反應和性質推廣至同類物質。如何在高中有機化學的教學中建構正確的官能團特征反應認知模型，有效關聯有機物官能團與其性質呢？筆者認為需要創設合理的體驗式、探究式學習情境，通過一系列的學習活動促進學習的發生，在互動以及嘗試解決問題的過程中發展學生核心素養。

乙炔出自上科版教材高二第二學期第十一章“認識碳氫化合物的多樣性”，是繼烷烴、烯烴之后的又一類重要不飽和碳氫化合物——炔烴的代表物。建立乙炔結構與其化學性質之間的聯系可以幫助學生從微觀結構本質深刻理解乙炔的特征反應，初建有機化學學習中“結構決定性質”的學科觀念。對乙炔化學性質的探究活動能夠讓學生經歷科學探究的一般過程，體會證據推理在模型認知建構中的重要作用。為解決“為什么”乙炔能發生氧化、加成反應，又是“如何”進行這些特征反應的問題，我們設計了“乙炔、乙烯結構與化學性質是否相似”為中心的課堂活動，試圖通過一系列學習活動關聯乙炔的結構及其特征反應，幫助學生建立正確的乙炔特征反應的認知模型。

一、教學線索

（見圖1）

二、教學過程

環節一：認識球棍模型，搭建2個碳原子烴的球棍模型。

學生活動1：搭建2個碳原子烴的球棍模型。

展示成果：（見圖2）。

問題：這三個模型分別代表了什么分子呢？判斷依據是什么？

回答：根據碳原子成鍵方式：碳碳之間是單鍵為乙烷，碳碳之間是雙鍵的為乙烯。

導析：分子中含有一個碳碳叁鍵的不飽和鏈烴，叫炔烴。兩個碳原子的炔烴，如何命名？

回答：乙炔。

設計意圖：搭建球棍模型是為了使學生認識到碳原子間能以碳碳單鍵、碳碳雙鍵和碳碳叁鍵的咸鍵方式構成鏈烴分子。

環節二：乙炔與乙烯結構比較。

問題：在這三個分子模型中，乙烯和乙炔同屬不飽和鏈烴，結構與性質上是否有相似？

學生活動2：根據乙炔球棍模型獲取結構信息（包括分子式、結構式、電子式、結構簡式和空間構型）;比較乙炔和乙烯的結構（包括碳原子成鍵方式、鍵角、鍵能、鍵長和空間構型）。

討論與交流：根據鍵能，C-H：414kJ/tool，C-C：348kJ/mol，C=C：615kJ/mol，C=C：812kJ，計算理論上斷開C=C和C=C中每根碳碳鍵所需能量，判斷乙烯和乙炔分子中易斷的化學鍵。

回答：斷開C=C中兩根碳碳鍵所需能量分別是267kJ/mol和348kJ/mol，有一根鍵斷鍵所需能量小，易斷鍵;斷開C=C中三根碳碳鍵需要197kJ/md、267和348kJ/mol，有兩根鍵斷鍵所需能量相對較小，易斷鍵。

設計意圖：根據筆者調查，學生對鍵能大小已有初步認識，基本知道鍵能大小：C=C>C=C>C-C，但對于C=C申兩根鍵或C=C中三根鍵是否相同的認識是模糊的。通過球棍模型獲得乙烯和乙炔的結構信息，充分利用鍵能數據說明C=C和C=C不飽和鍵的相似性，即都有部分鍵鍵能小、易斷裂，為乙炔氧化、加咸、加聚反應斷鍵位置提供理論依據。

環節三：乙炔與乙烯主要化學性質比較

導析：乙炔與乙烯相似的結構是否會帶來相似的化學性質？乙烯能發生哪些化學反應？這些反應乙炔是否也能發生？

回答：乙烯可發生氧化、加成、加聚反應。

學生實驗：向兩支裝有乙炔的試管中，分別滴加酸性高錳酸鉀溶液和溴水。

提問：乙炔與乙烯一樣也可使酸性高錳酸鉀溶液或溴水褪色，相同的現象是否意味著相同的化學反應原理？

演示實驗：二氧化碳傳感器測定乙炔與酸性高錳酸鉀溶液反應前后氣相中二氧化碳的濃度變化。

實驗裝置：

實驗數據：

結論：反應后二氧化碳濃度的升高證明乙炔被酸性高錳酸鉀溶液氧化成二氧化碳。

實驗視頻：將乙炔依次通人硫酸銅溶液、濃硫酸、氫氧化鈉溶液、溴水，反應至溴水褪色。用pH試紙比較溴水反應前后pH。

結論：乙炔與溴水反應前后pH變化不大，說明乙炔與溴水反應無氫溴酸生成，反應斷鍵位置不在碳氫鍵，而在碳碳鍵，乙炔與溴水發生加成反應。

學生活動3：搭建乙炔與溴水反應產物的球棍模型，寫出對應化學方程式。

展示成果：

學生活動4：寫出乙炔分別與氫氣、氯化氫、水以物質的量1：1加成反應的化學方程式，若有困難可借助球棍模型。

學生活動5：每人搭一個乙炔的球棍模型，四人一組，利用模型進行乙炔自身的加成聚合，寫出化學方程式。

結論：乙炔與乙烯不但結構上都含有相似的不飽和的碳碳鍵，相似的結構也決定了相似的化學性質，都能發生氧化、加成、加聚反應。

設計意圖：通過乙炔使酸性高錳酸鉀溶液和溴水褪色的學生實驗，提出褪色原理是否與乙烯相同的假設。通過對乙炔與酸性高錳酸鉀溶液、溴水反應后產物的檢驗，結合乙炔分子結構信息，為確定乙炔分別與兩者反應的反應類型以及乙炔與乙烯化學性質的相似性提供證據。搭建乙炔與溴水反應后產物的球棍模型建構加成反應的微觀認知模型，揭示加咸反應的規律。書寫乙炔與溴水反應的化學方程式以符號表征加咸反應微觀理論模型。運用加咸反應的理論模型類比遷移乙炔與其他物質的加成反應及多個乙炔分子加成聚合反應以深度理解加咸反應規律。

三、教學反思

學生核心素養的發展離不開以知識與技能作為載體的學習活動。化學學科素養的養成不僅需要掌握結構化的化學知識與技能，更需要在學習活動過程中形成科學態度和科學思維習慣，在科學思想的引領下掌握探究方法。有機物種類繁多、結構復雜、各類有機物之間性質差異大，結構和性質關系對應明顯。對有機物的學習是形成結構決定性質的學科觀念，落實核心素養的良好的知識載體。筆者以乙炔為例設計了注重發展學生證據推理與模型認知核心素養的有機化學課例。本課設計的出發點不在于“乙炔是什么結構”“能發生什么化學反應”，而在于結合分子結構與實驗探究分析推理“乙炔為什么會發生這些反應”“又是如何反應的”。為此筆者將“乙炔結構與化學性質”的教學轉化為“乙炔、乙烯結構與化學性質是否相似”為中心的課堂活動，在教學實施過程中又將這一問題細化為“乙炔與乙烯結構是如何相似的”“相似的結構是否決定了相似的化學性質”“相似的實驗現象是否意味著相似的化學反應原理”等一系列學習活動，凸顯了化學學科核心素養在學生課堂活動中的落實。

1.充分借助球棍模型實現從實物模型到思維模型認知的轉化

化學學習中常見的模型有實物模型、符號模型和思維模型。實物模型是將抽象事物具體化的工具，符號模型是連接宏觀現象和微觀本質的橋梁，思維模型則是在對原型認識由感性上升至理性的必經思維過程。在本課的實施中，筆者意圖將實物模型轉化為符號模型以建構思維認知模型，實物模型——球棍模型的使用貫穿于整個課堂活動。利用球棍模型不僅搭建了乙炔的分子構型將微觀分子結構宏觀化，而且模擬了乙炔與溴水的加成反應過程將微觀反應過程顯性化，又將拼搭過程轉化為符號模型即化學反應方程式表征了反應過程，建構了加成反應思維認知模型;針對學生認知能力的差異，選擇性借助球棍模型，運用加成反應思維認知模型符號表征了乙炔與其他物質的反應;最后又用球棍模型模擬乙炔自身的加聚反應，深度理解加成反應規律。在有機化學的學習過程中，這種由實物模型→符號模型→思維模型螺旋式遞進的認知方式有助于學生有效關聯有機物官能團與其性質，從微觀結構本質認識有機物的結構特點、理解有機物的化學性質，建立結構決定性質的學科觀念，發展模型認知的核心素養。

2.運用科學探究、證據推理建構有機物特征反應模型認知

模型認知的建構其實就是綜合運用科學方法的過程，科學方法的運用離不開基于證據的推理。基于證據推理的實驗或實踐活動的目的不是為了驗證某個現成的結論，而是為了讓學生經歷科學探究活動的一般過程，在活動中認識和理解科學的本質。讓學生在活動過程中學會收集證據，對物質的性質及其變化提出可能的假設，基于證據進行分析推理，證實或證偽假設;解釋證據與結論之間的關系，確定形成科學結論所需要的證據和尋找證據的途徑。在本課的設計中，對鍵能數據的分析為乙炔特征反應的斷鍵位置提供了理論依據;乙炔使酸性高錳酸鉀溶液和溴水褪色的實驗及進一步產物檢驗的探究實驗為乙炔特征反應的斷鍵位置和方式提供實證。在體驗科學發現過程的學習活動中，運用科學思維發現問題→提出假設→實驗探究→證據推理→進一步實驗探究→證據推理→得出結論，層層深入問題本質，不斷修正、完善、提升學生的原有認知，有助于實現知識的深度構建，發展高級思維，培養學科核心素養。