新課程背景下的跨學(xué)科教學(xué)實(shí)踐

一、跨學(xué)科教學(xué)產(chǎn)生的背景及意義

當(dāng)代知識(shí)的發(fā)展呈現(xiàn)出“在學(xué)科不斷分化基礎(chǔ)上的相互交叉、相互滲透而形成的高度整合化”的跨學(xué)科特點(diǎn)[1]，近十年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)常青睞于交叉學(xué)科對(duì)于化學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的貢獻(xiàn)，例如2018年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予美國科學(xué)家弗朗西斯·阿諾德和喬治·史密斯以及英國科學(xué)家格雷戈里·溫特，以表彰他們?cè)诿傅亩ㄏ蜓莼约坝糜诙嚯暮涂贵w的噬菌體展示技術(shù)方面取得的成果；2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了美國科學(xué)家埃里克·貝齊格、威廉·莫納和德國科學(xué)家斯特凡·黑爾，為了表彰他們?yōu)榘l(fā)展超分辨率熒光顯微鏡所做的貢獻(xiàn)，從中也可窺見跨學(xué)科研究的國際化趨勢(shì)。

追溯跨學(xué)科的概念，最初是在1926年由哥倫比亞大學(xué)心理學(xué)家Woodworth在當(dāng)時(shí)新成立的美國社會(huì)科學(xué)研究理事會(huì)首次提出[2]。18世紀(jì)中葉，俄國科學(xué)家羅蒙諾索夫開創(chuàng)了化學(xué)跨學(xué)科先河，隨后演變?yōu)槲锢砘瘜W(xué)學(xué)科，至今為止，物理化學(xué)、環(huán)境化學(xué)等專業(yè)課已是成熟的大學(xué)課程。多學(xué)科交融教學(xué)模式在高校教學(xué)研究中已有一定熱度，例如陳旸基于《高分子化學(xué)》課程的特點(diǎn)和教學(xué)體會(huì)，在教學(xué)內(nèi)容和方式上進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以聚合方法的分類為主線，將多學(xué)科交融教學(xué)模式融入其中[3]。

高中對(duì)于跨學(xué)科教學(xué)的研究也已開展，以理科教學(xué)為例，物理、化學(xué)、生物學(xué)科在核心素養(yǎng)要求上具有一定交叉范疇，即利用科學(xué)探究活動(dòng)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維以及社會(huì)責(zé)任感。現(xiàn)在研究頗多的STEM教育、項(xiàng)目化學(xué)習(xí)[4]等教育形式，從本質(zhì)上也是倡導(dǎo)多學(xué)科知識(shí)的整合，從而解決真實(shí)情境下的復(fù)雜問題。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版）明確提出“教師應(yīng)重視跨學(xué)科內(nèi)容主題的選擇和組織，加強(qiáng)化學(xué)與物理學(xué)、生物學(xué)、地理學(xué)、材料科學(xué)等學(xué)科的聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生在更寬廣的學(xué)科背景下認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其變化的規(guī)律[5]，這給一線高中化學(xué)教師提供了清晰的教改研究方向。

二、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì) 藍(lán)光引發(fā)甲烷的氯代反應(yīng)

（一）設(shè)計(jì)緣由

甲烷作為高一學(xué)生接觸到的第一個(gè)有機(jī)物，與氯氣的取代反應(yīng)又是典型有機(jī)反應(yīng)，該實(shí)驗(yàn)的重要地位不言而喻。但是，在真實(shí)教學(xué)過程中，由于氣體制備煩瑣，光源不易選取（自然光下反應(yīng)緩慢，日光直射可能爆炸）等因素導(dǎo)致該反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象在短時(shí)間內(nèi)并不明顯，所以很多一線教師會(huì)放棄演示，以講述或播放視頻等方式代替。甲烷和氯氣的取代反應(yīng)實(shí)驗(yàn)也成為實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新改進(jìn)的熱點(diǎn)，縱觀近幾年的文獻(xiàn)，以改進(jìn)裝置、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件為主，光源以節(jié)能燈、高壓汞燈居多[6]。

（二）實(shí)驗(yàn)原理分析

1．甲烷的制取

將事先干燥好的 CH₃COONa 、NaOH與 Ca（0H）₂ 按質(zhì)量比 10：5：4^[7] 混合并研磨均勻，利用大試管加熱混合粉末制取甲烷氣體，待氣流穩(wěn)定后用排水法收集 20mL 甲烷于 100mL 量筒中（為了便于后續(xù)觀察液面上升情況，采用量筒作為氣體收集裝置）。

2.氯氣的制取

筆者嘗試過用高錳酸鉀與濃鹽酸常溫下制取氯氣，后發(fā)現(xiàn)該法制得的氯氣會(huì)混有二氧化氯，純度不高，影響后續(xù)取代反應(yīng)的速度，遂采用傳統(tǒng)的二氧化錳與濃鹽酸共熱法制備所需氯氣，并利用排飽和食鹽水法凈化后收集 80mL 氯氣（查閱文獻(xiàn)得知甲烷與氯氣體積比為1：4時(shí)反應(yīng)速率最佳）于 100mL 量筒中。

3．光源的選擇

教材中并未給出明確的光源種類，從甲烷和氯氣的取代反應(yīng)機(jī)理入手，尋找合適光源。該反應(yīng)屬于自由基鏈反應(yīng)，分為鏈引發(fā)、鏈增長(zhǎng)、鏈終止三個(gè)階段：

在鏈引發(fā)階段，光源至少提供242.5KJ能量才能使1mo1氯分子解離為氯自由基。根據(jù)物理學(xué)中的波長(zhǎng)公式： E=h?_V?N_A （其中E為鍵能，h為普朗克常數(shù)， v 為光的頻率， N_A 為阿伏伽德羅常數(shù)）且v=c/λ （c為光速， λ 為光的波長(zhǎng)），計(jì)算后得知波長(zhǎng)為 400nm 的可見光，其能量為 298.9KJ/mol 符合要求。太陽光包含不同波長(zhǎng)范圍的電磁波，也可以引發(fā)該反應(yīng)，但是存在光照強(qiáng)度不可控而可能引發(fā)爆炸事故、受天氣條件制約、在教室內(nèi)不便演示等缺陷。可見光聚合技術(shù)反應(yīng)速度快、穿透力比紫外光強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于家具的涂裝、齒科修復(fù)、光刻膠、芯片生產(chǎn)等領(lǐng)域，因此本實(shí)驗(yàn)受此啟發(fā)，采用藍(lán)光作為引發(fā)甲烷氯代反應(yīng)的合適光源，具體實(shí)驗(yàn)裝置圖見圖1。

圖1藍(lán)光引發(fā)甲烷氯代反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置圖

（三）教學(xué)設(shè)計(jì)

本節(jié)課的教材雛形為《最簡(jiǎn)單的有機(jī)物 一甲烷》，將新能源熱點(diǎn)可燃冰作為情境素材，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。這堂課中設(shè)置了四個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)，其中利用黏土和牙簽搭建甲烷的空間結(jié)構(gòu)的學(xué)生活動(dòng)，課堂參與度高，直觀感受到了甲烷的立體構(gòu)型。教師演示實(shí)驗(yàn)一用藍(lán)光引發(fā)甲烷與氯氣的取代反應(yīng)，短時(shí)間內(nèi)可觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，是本節(jié)課的一大創(chuàng)新點(diǎn)。從可燃冰作為新能源的可行性分析到主要成分甲烷性質(zhì)的認(rèn)識(shí)，最后升華到中國可燃冰試采成功，增強(qiáng)了民族自豪感。本節(jié)課具體的教學(xué)設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

（四）教學(xué)過程

【導(dǎo)入】能源關(guān)乎人類生存的命脈，也是全球各國爭(zhēng)相開發(fā)的熱點(diǎn)，可燃冰作為新能源之一，近年來映入了科學(xué)家們的眼簾。

【資料介紹】可燃冰，又名天然氣水合物，由水分子和烴類氣體分子（主要是甲烷）組成，在高壓低溫下形成的類冰的結(jié)晶物，分布于深海沉積物或陸域的永久凍土中。

【圖片展示】全球有機(jī)碳儲(chǔ)量分布圖

【提出問題】相比煤、石油等傳統(tǒng)能源，結(jié)合以上材料分析可燃冰有哪些優(yōu)點(diǎn)？

【學(xué)生討論】可燃冰儲(chǔ)量豐富，且燃燒后污染少。

【任務(wù)一】相關(guān)數(shù)據(jù)顯示 1m³ 可燃冰可轉(zhuǎn)化為160m³ 天然氣，普通三口之家一個(gè)月消耗 40m³ 天然氣，試計(jì)算若開采出 1m³ 可燃冰可供該家庭使用幾個(gè)月？

【計(jì)算反饋】四個(gè)月【任務(wù)二】探究甲烷的分子式

已知在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，甲烷的密度為 0.717g/L 含碳 75% ，含氫 25% ，利用這些數(shù)據(jù)確定甲烷的分子式，寫出計(jì)算過程。

【投影點(diǎn)撥】利用標(biāo)況下氣體的密度，求出摩爾質(zhì)量后求解。

【過渡】甲烷的空間結(jié)構(gòu)困擾了科學(xué)家百年之久，今天就讓我們一起來體會(huì)一下探究之旅。

【任務(wù)三】探究甲烷的空間結(jié)構(gòu)

已知甲烷分子中四個(gè)C-H鍵完全等長(zhǎng)，請(qǐng)同學(xué)們兩人一小組，以黏土（紅色小球代表碳原子，白色小球代表氫原子）和牙簽為原料，根據(jù)原子的成鍵特點(diǎn)自行搭建甲烷可能的結(jié)構(gòu)模型。

【學(xué)生活動(dòng)】展示甲烷可能的空間模型，如圖3所示。

圖1甲烷可能的空間模型

【過渡】以上三種結(jié)構(gòu)都符合甲烷四個(gè)C-H鍵完全等長(zhǎng)的要求，那么究竟是哪一種結(jié)構(gòu)呢？

【信息提示】 ① 二氯甲烷 CH₂Cl₂ （ CH₄ 中兩個(gè)H原子被C1原子取代）只有一種結(jié)構(gòu)；

② 兩個(gè)C-H鍵之間的夾角為 109^°28^′

【學(xué)生互評(píng)】模型2和模型3的二氯甲烷結(jié)構(gòu)都存在相鄰和相對(duì)兩種，故只有正四面體符合。

【模型展示】可燃冰分子結(jié)構(gòu)模型相當(dāng)于很多個(gè)水分子組成的大籠子里“包裹”了一個(gè)甲烷分子。

【提出問題】請(qǐng)同學(xué)們回答一下：每個(gè)水分子中氫原子和氧原子之間是什么作用力？模型中水分子和水分子之間紫色的“鍵”又是什么呢？

【學(xué)生討論】氫原子和氧原子之間是共價(jià)鍵，水分子之間是氫鍵。

【教師講解】可燃冰的籠狀結(jié)構(gòu)也不局限于這樣的模型，也可能是五邊形和六邊形混雜的結(jié)構(gòu)，里面包裹的分子也可能是乙烷、硫化氫等其他可燃性氣體。

【過渡】為了進(jìn)一步了解可燃冰，我們今天重點(diǎn)介紹它的分解產(chǎn)物甲烷的重要性質(zhì)。先回憶一下初中知識(shí)，甲烷具有怎樣的物理性質(zhì)？

【學(xué)生活動(dòng)】個(gè)別同學(xué)觀察集氣瓶中的甲烷，并扇聞氣味。

【投影】甲烷的物理性質(zhì)以及甲烷的燃燒反應(yīng)。

【任務(wù)四】認(rèn)識(shí)甲烷的性質(zhì)

【演示實(shí)驗(yàn)1】甲烷的穩(wěn)定性：將三只事先收集好甲烷的針筒，注入 H₂S0₄ 溶液（滴加石蕊）、NaOH溶液（滴加酚酞）、 KMnO₄ 溶液中。

【學(xué)生討論】三支試管中均無明顯現(xiàn)象，說明甲烷不與強(qiáng)酸、強(qiáng)堿以及強(qiáng)氧化劑反應(yīng)。

【教師總結(jié)】甲烷性質(zhì)的穩(wěn)定性可以用正四面體的結(jié)構(gòu)來解釋。

【演示實(shí)驗(yàn)2】甲烷的取代反應(yīng)：取兩支100mL 量筒，均通過排飽和食鹽水法收集 80mLCl₂ 和 20mLCH₄ ，分別用鐵架臺(tái)固定好，記錄下量筒的初始刻度。將其中一支量筒用錫紙?zhí)咨希硪恢Я客卜旁谒{(lán)光燈源下照射5分鐘，比較兩支量筒內(nèi)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

【教師介紹】本實(shí)驗(yàn)采用藍(lán)光的原因以及實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的其他方面，詳見第2部分。

【觀察實(shí)驗(yàn)】用錫紙包上的量筒5分鐘后刻度不變；而藍(lán)光照射5分鐘后的量筒液面由 100mL 變成 90mL ，氣體的黃綠色變淺，量筒壁上出現(xiàn)油狀液滴。

圖2藍(lán)光引發(fā)甲烷氯代反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象圖

【過渡】那究竟甲烷和氯氣在藍(lán)光照射下發(fā)生了怎樣的反應(yīng)呢？請(qǐng)大家觀著微觀反應(yīng)機(jī)理的動(dòng)畫視頻。

【引出概念】取代反應(yīng)：有機(jī)物分子里的某些原子或原子團(tuán)被其他原子或原子團(tuán)所替代的反應(yīng)。

【提出問題】用結(jié)構(gòu)式表示甲烷和氯氣反應(yīng)的化學(xué)方程式，并根據(jù)方程式解釋以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

【追問】若將甲烷和氯氣的體積比改為1：1，發(fā)生取代反應(yīng)后得到幾種產(chǎn)物？

【點(diǎn)撥講解】根據(jù)取代反應(yīng)的特點(diǎn)，甲烷分子中的四個(gè)氫原子可逐一被取代，故甲烷的鹵代物并非一種，而是幾種鹵代物的混合物，故有五種產(chǎn)物。

【補(bǔ)充介紹】在隔絕空氣、高溫條件下，甲烷可分解為焦炭和氫氣，用于生產(chǎn)橡膠工業(yè)以及合成氨工業(yè)的基礎(chǔ)原料。

【過渡】可燃冰有這么多優(yōu)點(diǎn)，目前未廣泛開采利用的原因是什么呢？

【投影圖片】可燃冰不規(guī)范開采可能會(huì)引起甲烷氣體大量釋放引起的超級(jí)溫室效應(yīng)，以及海底滑坡、海底麻坑等地質(zhì)災(zāi)害。

【新聞播報(bào)】2019年10月，中國第二次綠色試采可燃冰成功，創(chuàng)造了“產(chǎn)氣總量最大”“日均產(chǎn)氣量最高”兩項(xiàng)世界紀(jì)錄。

【課堂總結(jié)】本節(jié)課圍繞未來新能源—可燃冰的科普展開，學(xué)習(xí)了其主要成分甲烷的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，為后續(xù)有機(jī)學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)，也體會(huì)了能源開發(fā)的基本思路，可謂“以知為器，深海取冰，辯證待之，力學(xué)篤行”。

（五）教學(xué)反思

在探究甲烷空間結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)中，除了生生互評(píng)外，教師應(yīng)更多地觀察并引導(dǎo)學(xué)生做出符合題意的黏土模型，從而加深高一新生對(duì)于有機(jī)物“同分異構(gòu)現(xiàn)象”的認(rèn)識(shí)。

在可燃冰模型展示環(huán)節(jié)，可進(jìn)一步追問：甲烷是否裝滿籠穴？假設(shè)天然氣水合物的水籠穴里裝的都是甲烷，甲烷水合物的化學(xué)式可表示為8CH₄?46H₂O ，相當(dāng)于甲烷和水的物質(zhì)的量之比為1：5.75，把甲烷水合物從海底提升到海平面， 1m³ 固體可釋放 164m³ （標(biāo)準(zhǔn)狀況）甲烷。甲烷水合物的密度與冰接近，大約為 0.92g/cm³ ，由此推算，甲烷分子只占據(jù)了 70%-90% 的籠穴。

甲烷的氯代反應(yīng)為自由基反應(yīng)，由于自由基本身具有不成對(duì)電子而易與其他基團(tuán)反應(yīng)生成穩(wěn)定的中間體而有利于后續(xù)步驟的進(jìn)行，所以自由基反應(yīng)通常速度很快，并且本實(shí)驗(yàn)中采取藍(lán)光作為光源，能量充足。在真實(shí)演示過程中，藍(lán)光照射5分鐘，水溶液液面上升了 10mL ，雖然達(dá)到了演示效果，但其速率遠(yuǎn)低于理論值。這可能與反應(yīng)物純度、實(shí)驗(yàn)條件（直射距離、光照強(qiáng)度、光照時(shí)間等）有關(guān)，后續(xù)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化中，可深入嘗試干燥甲烷氣體、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件、采取數(shù)字化實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程中氣體壓強(qiáng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等。

結(jié)束語

跨學(xué)科教學(xué)重在整合不同學(xué)科知識(shí)，解決真實(shí)情境下的復(fù)雜問題，是新課程標(biāo)準(zhǔn)中探究式學(xué)習(xí)方式的落地。本節(jié)課作為一堂能源科普課，在學(xué)科素養(yǎng)方面，結(jié)合了生物、化學(xué)以及物理學(xué)科的相關(guān)內(nèi)容，學(xué)生在了解可燃冰的知識(shí)外，跟隨科學(xué)家體驗(yàn)了開采之艱難，最后中國試采可燃冰成功的新聞增強(qiáng)了學(xué)生的民族自信心，他們深刻認(rèn)識(shí)到了化學(xué)在社會(huì)發(fā)展進(jìn)程中，在創(chuàng)造更多物質(zhì)財(cái)富和精神財(cái)富，以及滿足人民日益增長(zhǎng)的美好生活需要上的重大貢獻(xiàn)。在知識(shí)層面，重點(diǎn)學(xué)習(xí)了最簡(jiǎn)單有機(jī)物甲烷的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，其中甲烷和氯氣的取代反應(yīng)，作為高一學(xué)生首次接觸的有機(jī)基本反應(yīng)，在優(yōu)化光源藍(lán)光引發(fā)下，短時(shí)間內(nèi)觀察到液面上升、產(chǎn)生油狀液滴等明顯實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，使學(xué)生對(duì)“取代反應(yīng)”有了更直觀的認(rèn)知，將微觀的反應(yīng)機(jī)理轉(zhuǎn)化為宏觀的反應(yīng)現(xiàn)象，有助于知識(shí)的生成和理解。

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