巧設認知沖突 重溫苯的發現之旅

杜博

摘要：通過重溫科學家發現苯的結構的過程，設置認知沖突并在沖突解決的過程中學習苯的化學知識。充分發掘學生的已有學習經驗，基于證據推理形成模型、運用模型。

關鍵詞：建構主義;認知沖突;苯;證據推理

文章編號：1008-0546（2021）02-0039-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.02.010

學生具有水平較高的化學學科素養，是指學生能夠運用已有的化學知識，解釋和解決化學問題能力和品格，并能夠形成正確的價值觀。化學學科的核心素養包括“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”“科學探究與創新意識”“科學精神與社會責任”等五個重要的方面。“證據推理”是在科學學習這個特定的領域情境下，獲取證據進行推理的認知活動，素養需要學生具備較高邏輯思維能力。

一、教學素材和素養關聯

苯的發現過程本身就是化學史上一段有趣的歷程，從法拉第發現苯到實驗室制備苯、再到測定苯的分子式，到最后確定苯的結構，經歷了將近一百年。法拉第、米希爾里希、熱拉爾、洛希米特、凱庫勒、拉敦保格……等等許許多多的科學家為研究苯付出了巨大的心血。通過體驗一代又一代化學家們的研究過程，有利于加深對于科學研究的認識。雖然課堂的重溫過程和當年科學家們的研究過程并不完全相同，卻能夠培育學生分析問題、邏輯推理的能力，有利于“證據推理”的化學學科核心素養的培育。

本節選自人教版必修2第三章第二節“來自石油和煤的兩種基本化工原料”的第二課時“苯”。學生已經學習了化學鍵的知識，能夠從化學鍵的角度認識化學反應;學習了甲烷和乙烯的基本內容，掌握了烴類物質的基本物理和化學性質，初步具備有機化學學習的基本方法，但“結構觀”的化學觀念尚在建構中。

二、認知沖突的學習歷程

建構主義認為學習過程是基于原有的知識經驗生成意義、建構理解的過程，充分利用原有的知識和經驗對于學生的認知有重要的意義。一般來說，建構認知沖突是促進學生概念轉化最有效的方法之一，如設置恰當的實驗情景或者提供可信的化學閱讀材料，從而形成認知沖突。這些情景的來源既可以是課堂實驗，也可以是化學史或化學最新研究成果。學習經歷如圖1所示：

歷史上苯的發現和結構的確定過程，本身就是富于認知沖突的過程。化學家們從確定苯的化學式，基于當時的理論對于苯的結構提出了種種猜想，這些猜想都先后為實驗現象所證偽，直到理論的發展和技術的進步，方才最后確定。這其中就包括了“理論分析一猜想驗證一理論沖突一技術進步-修正理論”的模型認知過程。教學上通過還原苯的結構確定歷史，合理設置教學環節，在教學中充分利用已有知識，引導學生從已有知識中遷移、推測并驗證苯的性質。教師在這個過程中充當指導者的角色，引導學生收集證據，分析證據背后的邏輯關系，在體驗探索中建構“結構決定性質、性質反映結構”化學觀念。

三、基于“證據推理”素養的苯的教學過程

1.分類觀：苯的分子式確定和物理、化學性質的推斷

[情景引入]1829年法拉第（Michael Faraday，1791-1867）向倫敦皇家科學院報告了一種由c、H元素組成，但含碳量非常高的“重碳化合物”，1834年科學家米希爾里希（E.F Mitscherlich，1794-1863）首次從實驗室制得了這種烴類，并命名為苯（Benzene），化學家熱拉爾（c.F.Gerhardt，1816-1856）進一步測得了其相對分子質量為78。基于以上化學史實，你能否寫出其分子式？

[學生推測]根據碳的價鍵規則，可以得到苯的分子式C6H6。

[教師追問]根據苯的分子式，請推測苯的一些物理、化學性質，并說出你的依據。

[學生推測]苯的分類為烴，且C原子數略大于4，推測苯為密度小于水且難溶于水的液體，熔沸點較低。含碳量高于乙烯，推測苯能燃燒，且火焰更明亮，有更多黑煙。

[實驗探究]請大家分組實驗，驗證苯的溶解性和密度。

[學生實驗]分組實驗，向盛有少量蒸餾水的試管中滴人幾滴苯，觀察到苯不溶于水，且苯在上方。

[證據展示]進一步展示苯的樣品和苯的熔沸點信息。向粉筆滴幾滴苯，在酒精燈上點燃，觀察實驗現象。

設計意圖：由化學史證據，推理得到苯的分子式，利用已有的烴類物質的通性并基于分類的意識，遷移認知苯的物理性質和部分化學性質，診斷并發展了學生模型認知的能力。

2.證據推理：重溫苯的結構的確定歷程

（1）呈現多重證據：設置認知沖突

[認知遷移]請根據上述確定的苯的分子式，寫出

科學家是如何確定到底是哪種結構呢？先回顧一下，我們確定甲烷的正四面體結構的方法是什么？

[學生回歸]確定甲烷的二氯取代物的只有一種結構。

[教師引導]許多科學家也是用這種方法進行結構的確定。

[證據推理]基于以上事實，哪個結構可能是正確的？

[學生討論]分組討論以上結構的一氯取代和二氯取代的種類，如圖3所示。

[學生匯報]基于以上分析，拉敦保格提出的苯結構符合當時的實驗事實。

[教師引導]根據結構中含有的化學鍵的特征，還有什么方法確定結構呢？依據是什么？

[遷移認知]還可以用高錳酸鉀和溴水。拉敦保格的結構中不含不飽和碳碳雙鍵，其他結構中含有不飽和碳碳鍵。

[實驗探究]請大家分組實驗驗證，記錄實驗現象。

[學生實驗]分組實驗略。

[學生匯報]發現向苯中加入溴水，振蕩靜置，發現不褪色，溴進入了苯層;加入高錳酸鉀，分層不褪色。得出結論：苯中不含碳碳雙鍵。

[教師引導]基于以上分析和實驗，你有什么結論？

[學生]（興奮）我們覺得拉敦保格的立方烷結構正確，教材寫錯了（哄堂大笑）。

設計意圖：基于學生視角借助已有知識，通過理論分析和實驗驗證，自主探究苯的結構。學生通過遷移甲烷結構的分析模型，又通過實驗的手段，發現苯的結構為拉敦保格的棱晶烷結構似乎很合理，與學生預習教材的內容不相符合，用雙重證據設置了認知沖突，激發學生興趣，又有利于“結構觀”的化學觀念的形成。

（2）技術的力量：苯的結構最終的確定

[教師展示]關于苯的結構一直有新的理論，著名的還有阿姆斯特朗-拜耳的向心結構式、克拉斯的對位鍵結構式、悌勒的余鍵結構式等等。直到1935年英國科學家詹姆斯通過x射線衍射實驗，發現了苯分子為平面正六邊形結構，并測定了一系列的化學鍵的鍵長，苯的結構方才有了結果。詹姆斯測定的鍵長數據如表1所示。

同時，現代隧道掃描顯微鏡發現苯環的結構如圖4所示。

[教師引導]基于上述科學事實，你現在覺得上述的結構哪一個正確？

[學生反思]好像都不正確，但是凱庫勒的比較接近。

[理論補充]事實上，現代價鍵理論在凱庫勒式的基礎上，進一步認為，苯中碳原子之間的化學鍵是一種介于單鍵和雙鍵之間的一種特殊的共價鍵，結構如圖5。

6個碳原子和6個氫原子都在同一平面，鍵角為120°，表示方法為如圖6所示。但是凱庫勒的結構（如圖7）因為具有重要的前瞻性，也繼續沿用下來了。

設計意圖：通過提供令人信服的現代科學證據解決認知沖突、修正模型，從而得到科學的結論，獲得新知。在模型的形成過程中，傳遞正確的價值取向，即任何理想的模型要能夠經得起檢驗，都要符合科學事實。科學研究探索從來都不是一帆風順，其發展之路總是曲折而反復，同時技術的進步能夠極大地促進科學研究的發展。

3.模型認知：探究苯的化學性質

[教師引導]既然苯的碳碳鍵是一種介于單鍵和雙鍵之間的化學鍵，請你預測苯可能具有怎樣的化學性質，并說出你的依據。

[學生推理]苯可能具有烷烴和烯烴的部分性質，但可能沒有烷烴和烯烴活潑。

[教師追問]結合與溴的反應情況，說說你的推測依據是什么？

[學生]結合前面的實驗現象：苯與溴水混合，只發生萃取，沒有褪色，可見不容易起反應。

[教師引導]所以苯和溴發生取代反應，條件更為嚴苛。需要使用液溴，還要使用FeBr3作催化劑。

請大家回顧甲烷和氯氣發生一取代的斷鍵類型，寫出苯與與液溴發生取代反應的方程式。

[小結]苯的化學性質總體表現出能取代，難加成的特點。

設計意圖：在認識苯的結構的基礎上，充分挖掘學生已有學習經驗，體現舊有知識的遷移運用。分析苯的化學鍵的特點，通過模型遷移認知，預測解釋苯的化學性質。同時基于化學鍵分析的方程式書寫，也是提升學生符號表征能力的重要途徑。

四、教后反思

建構主義是證據推理和模型認知的重要的學習理論基礎，也是化學教育心理學的重要內容之一。學習的過程往往伴隨著“建構一沖突一解構一建構”的閉環過程，任何模型都只是一個階段性成果。事實上，學生在大學階段的有機化學學習中會進一步發現，即便是基于中學學習經驗的價鍵理論而形成苯的模型仍舊不完善，在共振理論模型學習的過程中再次修正原有模型而獲得新知。然而通過重溫苯的發現史，體驗科學家的研究歷程，是基于核心素養的化學教學的應有之義。