提升科學實踐能力 促進核心素養落地

文章編號：1005-6629（2025）06-0059-07 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1教學主題內容及教學現狀分析

本教學設計主題選自人教版《有機化學基礎（選擇性必修3）》第五章“合成高分子”第二節“高分子材料”第二課時“功能高分子”新授課。課標明確要求知道功能高分子材料在生活、農業、醫療和工業等領域的應用；了解功能高分子材料的性能與研制；參與材料開發和材料應用的主題學習活動[1]。教材以實際問題的解決為導向，引導學生綜合運用有機物結構和有機反應的知識，初步了解材料開發的通用方法，充分體現分子結構設計和修飾的學科思想。

目前一線教師缺乏對功能高分子教學的深入研究，文獻檢索表明，現有與功能高分子相關的教學設計思路主要為：讓學生對探究某功能高分子材料（如尿不濕）及其活性成分產生認知興趣，再以學生實驗為基礎展開探究教學[2]。尚無以通過脫脂棉球和自吸水冰袋這兩種生活中更常見的物質為啟發，以纖維素為母體修飾官能團和分子骨架，設計和探究高吸水性樹脂合成的教學。

本節課的重點為基于某特定功能進行高分子結構的設計、優化和改造；難點為材料化學對于學生來說是較為陌生的領域，學生尚未掌握系統的有機合成方法，以及實驗思維也還不夠嚴謹。

2 教學設計思路

科學實踐可以使人們超越科學僅關注“知識”的認識，進一步重視科學發展過程中人的要素[3]。科學實踐關注的是學生的具體活動：在真實情境下的學習行為活動、應用科學理論與模型的認知活動以及交流與論證的社會活動[4]。肖中榮老師課題組曾提出化學科學實踐的學習新樣態，給我們以啟迪作用（詳見圖1）。基于科學實踐教學活動的開展，讓學生親歷各種形式的實踐活動，直觀感受科學原理，培養嚴謹的實驗態度，提升科學實踐能力。學生不僅能加深對理論知識的理解，還能激發好奇心和探索欲，為后續的科學研究奠定基礎。

科學領域中各學科都有各自的學科思想和學科方法來認知物質世界，但是化學學科還有一個本質特征，即創造新物質。傳統物質性質教學思路是“結構- 性質 - 用途”，本課則采用全新的認知模型“功能 - 結構 - 性質 - 用途”展開具體教學。科學整合教材內容，充分發揮實驗功能，引導學生從宏微結合的視角分析問題，建立認知模型并運用模型解決材料化學中的新問題（詳見圖2）。在學生實踐活動中，推進學習方式的變革，引導學生思考問題，形成材料化學中較高層次的“功能決定結構，結構決定性質，性質決定用途”的思維，自主總結制備功能高分子材料的基本思路是：功能性小分子的高分子化和高分子材料的功能化修飾。

生物的結構特點、性質與相關轉化反應；從能力層面來看，已了解有機合成路線設計的一般方法，能設計簡單的有機合成路線；從思維層面來看，建立了結構決定性質的聯系，初步認識到微觀分子結構對材料宏觀性質的影響；從心理層面上看，高二學生已對學科實踐、化學實驗產生濃厚的興趣。

初中教材也呈現過高分子材料，但只是簡單地常識性介紹。功能高分子材料是高分子科學與化學、材料學、生物學等的交叉學科，學生尚缺乏跨學科整合知識的能力。同時，本課時的學習需要學生具有一定的實驗設計、動手實踐、現象分析和問題解決的能力，存在一定的學習難度。

4教學目標

（1）明確高分子材料的特殊功能，從微觀層次分析并探索結構特點，拓展認識有機化合物的視角，提升宏觀辨識與微觀探析的素養。了解新型高分子材料的優異性能及其應用，形成科學態度與社會責任的素養。

（2）通過探索高吸水樹脂的分子結構和吸水性能的對比測試實驗，體驗科學探究活動，深人了解功能、結構、性質和應用之間的關聯。

（3）綜合運用有機結構和反應的知識，初步形成從需求出發設計特定功能高分子材料的合成思路，進一步提升化學學科關鍵能力。

5教學流程

教學流程詳見表1。

3 學情分析

從知識層面來看，學生已經系統學習了烴及其衍

6 教學實錄

6.1 體驗高吸水樹脂的神奇

[情境]網購是一種流行的生活方式，生鮮物品的快遞量迅猛上升，為了緩解其在快遞途中的腐爛問題，商家會選擇在泡沫箱中放置“自吸水冰袋”以便保鮮。

［小組實踐活動1］感受冰袋神奇的“自吸水過程”，實驗內容詳見圖3。

[實踐活動展示」冰袋“自吸水”實驗展示，發現放入水中的冰袋自動吸水膨脹起來。

［教師]倒在表面皿上的內容物為白色顆粒狀固體，質硬，遇水后可瞬間吸水而迅速膨脹，這是一種功能高分子材料一高吸水樹脂，通常可以吸收自身重量的幾十到幾百倍的水。

設計意圖：創設情境，從生鮮快遞業常見的自吸水冰袋引出高吸水樹脂，將生活中的化學資源引入教學，有助于讓學生切身感受化學與實際生活的密切關聯，提升對化學社會應用價值的認識。

6.2 尋訪高吸水樹脂的起源

[小組實踐活動2]對比感受醫用脫脂棉球的“自吸水過程”，實驗內容詳見圖4。

D 實驗步驟：① 取一個燒杯，加入適量純凈水。3 ② 取一團醫用脫脂棉球放入燒杯中，觀察現象。實驗現象：脫脂棉球迅速吸水，沉到燒杯底部。

[問題1]脫脂棉球的主要成分為纖維素，觀察纖維OH OHO HO素的結構簡式 O O ，請HO OH nOH思考為什么纖維素能吸水？

[生]纖維素鏈上有多個羥基，作為極性較強的親水基團，可以與水分子形成大量的氫鍵，從而吸水。

［小組實踐活動3]用鑷子取出脫脂棉球，擠壓，觀察脫脂棉球的吸水性和保水性。

[實踐活動展示]脫脂棉球的吸水性和保水性實驗展示，發現脫脂棉球吸水后有所膨脹，擠壓后基本恢復原樣。

[教師]傳統含纖維素的吸水材料，如棉花、紙張等，其吸水量只有自身質量的20＼～40倍，吸水率不高，且擠壓后保有的水量也比較少。如果要制備性能優異的吸水材料，需要解決吸水率和保水性的問題。

[問題2]請從“基團之間的相互影響”視角，思考 如何增強羥基的親水性？

[生]引入吸電子基團羰基后，羥基極性增強，使其與水分子之間的氫鍵增強。

[教師]為了提高吸水材料的吸水性，可將親水基團從-OH優化為一 COOH

設計意圖：親歷實踐，從身邊常見的脫脂棉球吸水實驗，探索吸水材料的結構特點，激發學生探索功能高分子優異性能的熱情，讓學生主動思考，并渴望體驗具有功能導向的高分子材料的設計過程。

6.3探索高吸水性樹脂的合成

[過渡]從脫脂棉球的吸水實驗獲取靈感，如果現在嘗試要合成一種吸水性強的高分子化合物，請問單體需要具備哪些官能團？

[討論]請學生列舉單體可能具備的官能團種類。

[問題3]選擇兩種典型的官能團“碳碳雙鍵”和“羧基”，組成 CH₂=CHCOOH ，其是合成高吸水樹脂的

重要原料。思考如何從石油裂解氣丙烯出發，設計CH₂=CHCOOH 的合成路線，無機試劑任選。

[生]小組討論合成路線，詳見圖5。

[教師]工業上丙烯酸的合成方式主要采用以下兩種： ① 丙烯兩步氧化法 （204號

CH=CH+CO+H₂O 催化劑② 乙炔的基化法CH₂=CHCOOH 。

[問題4］合成高吸水樹脂需將丙烯酸轉化為丙烯酸鈉，請寫出轉化化學方程式并思考丙烯酸鈉能發生哪些化學反應，具備哪些性質？

[生] CH₂=CH-COOH+NaOH?CH₂= CH-COONa+H₂O 。丙烯酸鈉可以發生加成反應和加聚反應等，可溶于水，電離產生鈉離子。

[教師]如何從單體丙烯酸鈉制備高吸水樹脂，可以借助模型研究法。科學家鮑林善用實物模型來研究有機物的結構，探索有機物的性質。

［小組實踐活動4]利用球棍模型，搭建分子結構，完成丙烯酸鈉加聚反應的方程式書寫。

［實踐活動展示]展示搭建的線型聚丙烯酸鈉結構片斷，詳見圖6。

[問題5]利用搭建的線型聚丙烯酸鈉分子結構，請分析并預測其性質。

[生]該高分子側鏈上有大量的強極性親水基團羧酸鈉側基，其親水性非常好，但是該樹脂可能易溶于水，且保水性比較差。

[問題6]請根據搭建好的球棍模型，從碳骨架的角度，思考如何解決該樹脂保水性能差且易溶于水的問題。

[教師]工業上會選擇加入合適的交聯劑，形成網狀結構，可將水分子束縛在高分子網格中（詳見圖7），形成溶脹的凝膠體。這種凝膠體保水性能特別好，擠壓狀態下也不易失水，有效地避免了樹脂溶于水。

[問題7]某種網狀聚丙烯酸鈉分子結構片段如圖8所示，請寫出交聯劑的結構簡式。

[問題8]交聯在吸水樹脂合成中起到重要的作用，從實驗數據（詳見圖9）可知，隨著某交聯劑的用量增加，高吸水樹脂的吸水率先上升后下降，請從結構角度思考其變化原因[5]

[師生共同分析]當交聯劑用量較少時，高分子未能形成有效的網狀結構，僅靠其表面的親水基團吸附少量的水，吸水性有限且樹脂易溶于水；交聯劑用量過大時，形成交聯點過密的網狀結構，溶脹時不易擴張，導致樹脂所能容納的液體量減少。

設計意圖：設計科學實踐活動來體驗高吸水樹脂的合成路線，充分感受材料結構與性質間的密切關聯，體驗基于功能導向的高分子合成的實際應用價值。

6.4測試高吸水性樹脂的性能

[小組實踐活動5]聚丙烯酸鈉和醫用脫脂棉球的吸水性能改進實驗：分別取 0.2g 的聚丙烯酸鈉和醫用脫脂棉球放入無紡布茶包中，再浸泡在純凈水中，詳見圖10。每組實驗啟用一個空白茶包進行平行實驗，5分鐘吸水完成后，懸掛1分鐘從而瀝去表面的水，再進行稱重、計算。

[數據分析]純水條件下，5分鐘時，聚丙烯酸鈉吸水率是其自身重量的上百倍，詳見表2。

[問題9]真實環境中人類使用吸水材料時，會遇到電解質溶液，思考是否對其吸水性能造成干擾

［小組實踐活動6]取出無紡布茶包中吸水后的聚丙烯酸鈉于燒杯中，加入適量氯化鈉固體，攪拌

［實踐活動展示]高濃度氯化鈉影響吸水性能的實驗展示，發現吸水后的聚丙烯酸鈉又慢慢地往外界滲水，詳見圖11。

[問題10]攪拌后，吸水后的聚丙烯酸鈉又慢慢地往外界滲水，請思考其變化原因。

[生]外界有高濃度的鈉離子，其滲透壓大于高分子網格內部的滲透壓，聚丙烯酸鈉重新往外界滲水。

[問題11通過兩個吸水實驗結果可知，聚丙烯酸鈉型樹脂其吸水率高，但耐鹽性差，而且具備一定的pH敏感性。若需要開發耐鹽性好的吸水樹脂，思考如何重新選擇烯類單體的親水基團。

[師生共同分析」聚丙烯酸鈉是離子型樹脂，易受高濃度電解質溶液的干擾，可以選擇非離子型的親水基團，比如酰胺基等。

[教師]歸納總結高吸水樹脂合成思路一：用帶有強親水基團的烯類單體進行聚合，加人適量交聯劑，得到網狀結構的高吸水樹脂。

設計意圖：教材吸水性實驗操作為直接在燒杯中加入適量水，再放入 1.0g 高吸水性樹脂或醫用脫脂棉球傾出未被吸收的水，再稱重，計算其吸水率。其局限在于不能較好地傾倒出未吸收的水，且吸水后的樹脂和脫脂棉球稱重操作不方便，因此采用無紡布茶包進行實驗改進，培養學生的創新意識。設計電解質溶液中聚丙烯酸鈉吸水性能實驗，引導學生發現和提出有探究價值的問題“開發耐鹽性吸水樹脂”，設計研究方案，培養敢于質疑、勇于創新并勤于實踐的科學精神。

6.5研究天然吸水材料的改造

[問題12]醫用脫脂棉球中的纖維素，有生物友好性、來源豐富且價格低廉等優點。思考能否用丙烯酸鈉或丙烯酰胺對纖維素等天然吸水材料進行改造？

[生]將線型纖維素分子、丙烯酸鈉或丙烯酰胺共聚，再交聯。

[PPT]纖維素分子和丙烯酸鈉或丙烯酰胺接枝共聚，詳見圖12。

線型纖維素分子接枝共聚物交聯丙烯酸鈉 第接枝共聚交聯產物掃描電鏡圖

[教師]吸水樹脂最早是為了解決宇航員在外太空的生理問題，后來廣泛使用于紙尿褲，被美國時代周刊評為20世紀最偉大的100項發明之一。為了進一步提高材料的吸水性，可先對纖維素分子進行改造優化，接入強極性親水基團羧酸鈉側基，再共聚，后交聯。

[PPT]羧甲基纖維素鈉和乙酸鈉接枝共聚，反應式見圖13。

[教師]歸納總結高吸水樹脂合成思路二：對天然多羥基化合物進行改性，在纖維素或淀粉主鏈上再接人帶有強親水基團的支鏈，然后在交聯劑作用下生成網狀結構的高吸水性樹脂。

[小組實踐活動7]取出燒杯中的自吸水冰袋，掂掂重量，觀察近40分鐘的吸水率；用手擠壓，體驗優良的保水性能。

[模型建構]總結歸納功能高分子材料的合成思路，詳見圖14。

特殊化學功能特殊物理功能明確功能特殊醫學功能功能高分子材料的合成思路 種類官能團 數目設計結構碳骨架 線型體型材料合成 結構表征性能測試 數據分析改造優化 廣泛應用

[PPT］介紹高吸水樹脂的廣泛用途，詳見圖15。

高吸水樹脂的用途 ■醫療行業：作為軟膏、霜劑等醫用材料的基質等 農業與園藝：干艮地區用于農業、林業抗旱保水，工業生產：工業防潮劑、增稠劑、水溶性涂料等，污水處理日常生活：尿不濕、衛生巾、醫用冰袋等

［教師]本節課實驗使用的自吸水冰袋還有一個優點，在不破損情況下，可以重復使用。若要做垃圾處理，可將冰袋剪開，外層塑料和內部填充物分類投放。切勿直接將凝膠狀內容物沖入下水道或丟棄在土壤中，希望將來可以建立完善的冰袋回收體系。

[結語]功能高分子與通用高分子密切相關，高功能化已是當前高分子科學的主要發展方向。我們要充分認識這種發展的必然趨勢，主動地適應功能高分子發展的客觀要求。

設計意圖：“厚植家國情懷，增強科技自信”是新時代對科學教育的訴求，引導學生關注化學、材料有關的科技熱點問題，深刻認識化學對國家戰略發展的重要性，埋下科學的種子，致力于科技的創新與發展。

7教學反思

本節課注重聯系生活與生產實際，從實際情境“自吸水冰袋”的原理和應用入手，引入功能高分子概念，開展以實驗為主的多種科學實踐活動。從“探中學”“做中學”和“創中學”三個維度，認識功能高分子的功能、結構、性質和應用，發展學生的學科思維與關鍵能力。

由于設置了層層遞進的實踐活動，高二學生在主題學習時展現出濃厚的學習興趣和探究欲望，在實踐中完成了理論知識到實際應用的閉環。但是課題內容屬于跨學科的知識整合，難度大、跨度廣，整體的教學環節和學生實踐活動仍需要教師提前精心設計，尚未達到真正意義上的開放探究。教學中存在的很多難點，如交聯對材料性質的影響、天然吸水材料的改造等，需要教師引導，強化對學生的發散思維和創新思維的培養。

科學實踐學習新樣態的實施關鍵在于實踐探究內容的選取、驅動性問題鏈的設置、科學模型的構建與使用和實踐任務的設計與實施。這是一種大科學教育時代的新探索，要鼓勵學生像科學家一樣去思考問題，逐步形成科學的世界觀，促使核心素養落地，從而實現化學學科的育人價值。

參考文獻：

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