高中化學有機物物理性質教學研究①

王明， 王文佳， 楊駿

1.重慶市育才中學校，重慶 400050；2.西南大學 化學化工學院，重慶 400715

近20年, 課程改革經歷了從“雙基”到“三維目標”再到“核心素養”的變化過程, 其中的變遷基本上體現了從學科本位到育人本位的轉變[1]．

《普通高中化學》(人教版)中關于有機物物理性質的介紹零散地分布在各個章節中, 只有在烷烴、 烯烴、 鹵代烴、 醇、 羧酸這些章節中出現了物理性質遞變性的簡要分析, 缺乏整合; 宏觀遞變性與差異性背后的微觀原理可以用選擇性必修二第二章中“分子結構、 分子間的相互作用”進行闡釋, 但缺乏針對性與系統性; 選擇性必修三第一章第二節中介紹了有機物分離與提純基本方法, 這些方法利用了有機物物理性質的差異, 但這個性質的應用前置于知識的學習． 總之, 知識的碎片化、 因果關系的隔離化、 知識與應用的顛倒化導致有機物物理性質的學習難度陡增, 學生出現機械記憶、 淺層投入學習的現象． 為落實化學學科核心素養, 有必要開展有機物物理性質教學研究．

1 有機物物理性質

1.1 含義、 變化規律及其用途

以2020年5月第1版人教版選擇性必修三“有機化學基礎”第二章第三節“芳香烴”中對苯的物理性質介紹為例, “苯是一種無色、 有特殊氣味的液體, 有毒, 不溶于水, 易揮發, 沸點80.1 ℃, 熔點5.5 ℃, 常溫下密度0.88 g/cm3”, 高中階段常見的關于有機物物理性質的描述見表1．

表1 高中階段常用的有機物的物理性質

有機化合物的物理性質, 常作為分離、 檢別和鑒定有機物質的方法基礎, 特別是找到分子結構和某些物理性質的關系后, 某些物理性質也像化學性質一樣可以用來判明或測定物質的結構, 因此, 對有機化合物物理性質的深入理解, 在學習和工作中具有重要意義[3]．

物質的物理性質取決于分子間作用力、 分子本身的電子及核間作用, 也就是說取決于分子本身的結構, 而“分子結構與性質”模塊出現在選擇性必修二第二章中, 按照“位—構—性”的思維模型, 有機物物理性質與分子結構的學習是互為表里的邏輯關系, 若想掌握各類有機物的物理性質的相似性與遞變性, 需要在結構化學的基礎上, 從分子的結構及分子間作用力的角度進行闡述．

1.2 課標分析

《普通高中化學課程標準》(2017年版2020年修訂)中關于有機物的物理性質的內容要求與學業要求分別為:

①必修課程主題4“簡單的有機化合物及其應用”: 認識乙烯、 乙醇、 乙酸的結構及其主要性質與應用;

②選擇性必修二“物質結構與性質”中的主題2“微粒間的相互作用與物質的性質”: 根據微粒的種類及微粒之間的相互作用, 認識物質的性質與微觀結構的關系; 認識分子間存在相互作用, 知道范德華力和氫鍵是兩種常見的分子間作用力, 了解分子內氫鍵和分子間氫鍵在自然界中的廣泛存在及重要作用; 能根據共價分子的結構特點說明簡單分子的某些性質; 能說明分子間作用力(含氫鍵)對物質熔、 沸點等性質的影響;

③選擇性必修三“有機化學基礎”中的主題2“烴及其衍生物的性質與應用”: 認識烷烴、 烯烴、 炔烴和芳香烴的組成和結構特點, 比較這些有機化合物的組成、 結構和性質的差異; 認識鹵代烴、 醇、 醛、 羧酸、 酯、 酚的組成和結構特點、 性質、 轉化關系及其在生產、 生活中的重要應用;

1.3 教材分析

《普通高中化學》(人教版)必修第二冊、 選擇性必修三“有機化學基礎”中零散地介紹了有機物的物理性質, 僅有少數簡略地介紹了物理性質的遞變規律(表2)．

表2 《普通高中化學》(人教版)中對有機物的物理性質及其影響因素的介紹

由于有機物屬于分子晶體, 所以在人教版選擇性必修二“物質結構與性質”第二章第三節“分子結構與物質的性質”中介紹了分子結構、 分子間的作用力與分子的物理性質之間的關聯, 有助于建立有機物物理性質相似性與遞變性的認知模型(表3)．

表3 《普通高中化學》(人教版)中對有機物的物理性質的介紹

《普通高中化學》(人教版)選擇性必修三的第一章第二節“研究有機化合物的一般方法”中介紹了分離、 提純有機化合物的常用方法, 有蒸餾、 萃取和重結晶等, 這些分離、 提純方法的原理基礎即為有機物的物理性質, 主要為熔沸點和溶解性(表4)．

表4 高中階段有機物分離、 提純的方法與有機物物理性質的關系

2 學科核心素養的形成機制

2.1 核心素養導向的學科知識重構

知識都具有內在結構, 即知識的內在構成, 具有“符號表征、 邏輯形式、 意義”這3個不可分割的組成部分． 在知識的內在結構中, 符號是知識的外在表達形式, 是知識的存在形式, 即符號存在; 邏輯形式是知識構成的規則或法則, 邏輯形式是人的認識成果系統化、 結構化的紐帶和橋梁, 是認識的方法論系統; 意義是知識的內核, 是內隱于符號的規律系統和價值系統． 只有把握住符號、 邏輯形式、 意義之間的內在關聯, 才能從整體上理解知識和掌握知識[4]．

現以一堂作者執教的公開課為例, 具體闡述在高三化學一輪復習課堂中, 如何以情境為抓手, 激發學生學習興趣; 以問題為驅動, 促使學生深入挖掘; 以試題檢測為手段, 提升學生核心素養．

人教版(2019年)《普通高中化學》選擇性必修三中, 關于鹵代烴、 醇、 醛和羧酸的物理性質分散在教材的各章節中, “太過零散、 不成體系、 沒有規律、 篇幅較短、 不是重點、 考得好像不多……”是很多教師對有機物物理性質的普遍認識． 因此, 在平時教學中教師對物理性質的教學并不重視, 當時間不夠的時候, 可能會忽略對這部分知識的教學． 教材正文和課后習題幾乎沒有涉及對學生物理性質掌握情況的考查, 沒有提供展現學生學習效果的機會． 化學課堂教學既要重視知識的建構, 又要重視知識與方法的遷移, 在解決真實化學問題的活動中, 為學生提供化學學科核心素養的表現機會[5]．

相對于化學性質, 物質的物理性質更加零散, 學生在學習時普遍反映無法聚焦, 抓不到重點, 結構和物理性質間找不到聯系, 遇到真實問題時不知道應該調用哪一部分知識可以促進解決． 零散的知識不能形成素養, 更不能遷移． 因此, 作者認為有必要整合教材, 凝練核心概念, 抽提思維模型, 方便學生的隨時提取使用, 進而促進真實情境下問題的解決．

以在烴分子R中引入其他原子G(X,O,N等)變為烴的衍生物為例, 其結構可以表示為:

引入其他原子后, 有機物的物理性質(熔沸點、 溶解性等)出現了怎樣的變化?這時需要將烴及其衍生物的物理性質以及結構化學中分子晶體的物理性質進行知識重構, 建立物理性質的影響因素思維模型(圖1)．

圖1 有機物的物理性質影響因素思維模型

按照以上的思維模型, 可以從結構決定性質的角度分析出引入其他原子后有機物在物理性質上的變化(圖2)．

圖2 有機物結構—性質知識建構圖

奧蘇伯爾認為, 學習的實質就是學生認知結構的組織和重新組織, 組織和重新組織的過程就是新舊知識相互聯系、 相互作用的過程． 教育形式的知識, 是教育內容經過分化、 重組、 整合而形成的富有教育意義又能幫助學生以能夠理解的方式進行學習的知識序列[6]．

2.2 核心素養導向的學科情境創設

學科情境指的是學科知識產生、 提出、 發展的條件、 背景、 過程或故事． 從教學的角度講, 學科情境是對促進學生學習、 理解、 消化、 建構學科知識的具有社會化色彩的學習環境的概括, 如果說學科知識是形成學科素養的載體, 那么學科情境則是學習學科知識的載體． 學科知識要轉化為學科素養, 離不開學科情境的介入和參與． 在真實情境中解決真實問題, 是反思與創新的邏輯前提． “能教”表明教師關注學生已有的認知經驗, 并將其作為生長點, 引導學生主動探究新知; “善教”要求教師通過教學針對某一問題生成特定的真實情境, 在師生、 生生的共同參與下對原有的知識體系進行重構, 以發現原有知識的“另一面”[7]．

蘇霍姆林斯基曾說[8], 學習如果具有思想、 感情、 創造、 美和游戲的鮮艷色彩, 那它就能稱為孩子們深感興趣和富有吸引力的事情． 泡泡機制造的晶瑩剔透、 絢麗多彩的泡泡承載了每個人童年的夢想與歡樂, 但只用水很難得到又大又持久的泡泡． 如何利用有機物的結構與物理性質, 制作出無毒無污染的“超級泡泡”, 既可以充分調動學生的感官與積極性, 又可以將有機物的結構與物理性質進行系統的整合． 為了探尋“超級泡泡”的配方, 需要學生從泡泡的產生、 泡泡破裂的原因入手尋找讓泡泡更大更持久的方法, 再結合所學的有機物的結構和物理性質, 尋找無毒無污染且符合要求的原料, 多次試驗得到最佳“超級泡泡水”配方．

學科情境應成為學生的思維發生處、 知識形成處、 能力成長處、 情感涵育處, 創設情境就是構建課程知識內容與學生的生活、 經驗、 情感、 生命相接的過程． 情境的創設要基于生活、 融入情感、 內含問題、 激發聯想、 闡明知識． 設置真實背景和挑戰性任務, 促使知識結構化、 功能化、 素養化, 利于學生構建認識模型和經驗圖式, 建構理解、 提高能力、 發展素養, 使核心素養具體化、 整合化[9]．

2.3 核心素養導向的學科活動設計

如果說學科知識是學科核心素養形成的主要載體, 那么學科活動則是學科核心素養形成的主要路徑． 學科活動指的是學科完整學習所需要的一系列認知的、 社會的和行為的活動． 從教學的角度講, 學科活動這一概念蘊含著這三層意思: 第一, 強調學生的主體性; 第二, 強調過程性和任務性; 第三, 強調體驗和感悟． 教學活動的設計一般遵循如圖3所示的步驟．

圖3 學科教學活動設計流程

教學模式為“三環六步”教學程式, 即主題環節中選擇主題與規劃方案、 探究環節中活動探究與創制作品、 表達環節中成果展示與交流評價[10]． 實際教學中以學科活動為主線和明線, 學科活動中的問題解決暗含的則是層層遞進的學科知識．

核心素養導向的學科教學強調有意義的學習過程． 有意義學習實質就是符號所代表的新知識與學習者認知已有的適當觀念建立非任意和實質性的聯系． 有意義學習需要學習材料必須具有邏輯意義, 學習者自身必須具有有意義學習的心向(如積極主動建立意義關聯的傾向)、 具有與新知識進行關聯的先行知識并能夠積極主動地將新舊知識進行關聯[11]． 學生在3年內由淺入深地學習有機物相關的知識, 隨著學生抽象思維逐漸發展, 高中課程對學生的抽象思維提出了越來越高的要求． 若學生的思維發展缺乏指導, 就會降低其學習的認知投入, 陷入機械記憶和反復練習, 不愿意花太多時間去總結以加深對知識的理解． 這提醒教師需多關注高二年級學生在學習中的情感變化, 防止學生從“高情感—適度投入型”轉變為“淺層投入型”[12]． 圖4為以重構后的有機物物理性質這一知識模塊為例, 介紹如何設計核心素養導向的學科教學活動, 實際教學的情境線、 知識線、 活動線、 素養線見圖5．

圖4 有機物物理性質學科活動設計

圖5 核心素養導向的有機物物理性質教學線索

2.4 核心素養導向的學科考評

核心素養導向的學科考評包括綜合多種形式的過程性評價和終結性考試評價． 2014年國務院“關于深化考試招生制度改革的實施意見”中明確要求: “依據高校人才選拔要求和國家課程標準, 科學設計命題內容, 增強基礎性、 綜合性, 著重考察學生獨立思考和運用所學知識分析問題、 解決問題的能力． ”近年來高考命題在情境創設上顯示了兩大走向和特點: 第一, 創新試題情境設計, 注重考查信息處理能力; 第二, 試題素材緊密聯系實際, 突出考察應用能力． 選取以下幾道高考試題進行核心素養導向下的有機物物理性質的核心知識的檢驗與運用(表5)．

表5 關于有機物物理性質的核心素養導向下的學科考評

3 教學反思

核心素養導向下的有機物物理性質的融合人教版選擇性必修二結構和選擇性必修三有機的相關知識, 以童年生活中的經典游戲為情境引入, 將情境—知識—活動—素養整合在一起, 極大地提升了學生的化學核心素養． 通過核心素養導向下的有機物物理性質的的學習, 歸納出影響物理性質的關注點, 落實宏觀辨識與微觀探析、 證據推理模型認知、 動態觀念與平衡思想的核心素養; 通過生活中的小實驗, 落實科學探究與創新意識; 最后利用科學家的發現, 激發學生學習興趣, 踐行科學精神與社會責任．