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利用豐富素材和創(chuàng)新實驗發(fā)展學生化學學科核心素養(yǎng)＊ ———以 “烷烴” 教學為例發(fā)表時間：2021-01-13 18:07 利用豐富素材和創(chuàng)新實驗發(fā)展學生化學學科核心素養(yǎng)＊ ———以 “烷烴” 教學為例 周繼敏１ 楊松林２ 王 濤２ 李 強２ 程亞敏３＊＊ （１．開封市基礎教研室 河南開封 ４７５００１；２．河南大學附屬中學 河南開封 ４７５００１； ３．河南大學化學化工學院 河南開封 ４７５００１） 摘要 結合 “烷烴” 一課的特點及教學現(xiàn)狀， 通過豐富情境素材、創(chuàng)新實驗設計的方式， 進行教學設計。在實際教學中， 激發(fā)了學生的學習興趣， 豐富了學生的感性認知， 提升了學生的理解建構，發(fā)展了學生的宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認知、科學探究與創(chuàng)新意識的核心素養(yǎng)。 關鍵詞 烷烴 核心素養(yǎng) 教學設計 創(chuàng)新實驗 ＤＯＩ：１０．１３８８４／ｊ．１００３－３８０７ｈｘｊｙ．２０２００５００１３ １ 教學主題內(nèi)容及教學現(xiàn)狀分析 １．１ 教學主題內(nèi)容 高中化學人教版選修５ 《有機化學基礎》第二章第一節(jié)脂肪烴第 １ 課時 “烷 烴”， 是在必修 ２ “甲烷”“烷烴” 的基礎上，進行的拓展與延伸。本節(jié)課的主要內(nèi)容包括：（１） 繪制圖像總結烷烴物理性質(zhì)的相似性與遞變性規(guī)律；（２） 理解烷烴的可燃性與取代反應［１］。 在教學要求上，選修５ “烷烴” 要讓學生對烷烴的理解由典型代表物向一類有機物性質(zhì)的層次提升，建立起從個別到類別的認知模型。另外，烷烴作為學生學習有機物的開始，可以為后續(xù)學習其他類別有機物提供思路和方法。 １．２ 教學現(xiàn)狀 已有的教學設計中， 多采用這樣的方式： （１）結合教材中 “思考與交流” 活動，動手繪制烷烴物理性質(zhì)變化曲線圖，分析、總結出烷烴物理性質(zhì)變化規(guī)律［２－４］； （２） 通過回顧甲烷的化學性質(zhì)［４］， 完成烷烴化學性質(zhì)的探討。 主要存在以下幾個方面問題：（１） 對于烷烴物理性質(zhì)的探討，僅停留于數(shù)據(jù)、圖像的分析，學生對烷烴物理性質(zhì)的理解缺乏感性認知；（２） 對烷烴化學性質(zhì) （特別是取代反應） 的理解，僅限于典型代表物，不利于學生從類別角度理解烷烴的化學性質(zhì)；（３） 缺乏有效的實驗探究活動，無法激發(fā)學生的學習興趣，缺乏實驗探究過程的真實體驗，不利 于發(fā)展學生的核心素養(yǎng)。 ２ 教學創(chuàng)新點 本節(jié)課的設計主要突出 ３ 個方面的創(chuàng)新點： （１） 通過提供大量烷烴素材， 豐富學生的感性認知，同時創(chuàng)設真實的問題情境，為發(fā)展學生的核心素養(yǎng)提供基礎。（２） 通過創(chuàng)新實驗設計，帶領學生體驗實驗探究過程， 增強學生對科學探究的理解， 發(fā)展學生的科學探究能力。（３） 精心設計多種學生活動、實驗探究及真實情境中的問題解決活動，發(fā) 展學生的核心素養(yǎng)。 ３ 教學目標 （１） 通過生活中常見的烷烴，感受烷烴在生活、生產(chǎn)中的重要作用，增強合理利用化學品的意識。 （２） 通過烷烴物理性質(zhì)、化學性質(zhì)的認識過程，建立物質(zhì)性質(zhì)與用途的關聯(lián)。 （３） 通過實驗探究烷烴的取代反應，初步形成基于物質(zhì)類別對物質(zhì)性質(zhì)進行預測和檢驗的認知模型。 （４） 通過學以致用，解決實際問題，感受化學的價值。 ４ 教學流程 （見表１） ５ 教學實錄 ５．１ 實驗引入，激發(fā)學生學習興趣 【教師】演示打火機的充氣實驗。（現(xiàn)象：氣罐中的液體減壓后氣化，進入打火機后液化，可觀察到液面上升，見圖１） 實驗儀器：可充氣打火機，丁烷氣罐。 ＊２０１８年度河南省教育科學 “十三五” 規(guī)劃教育裝備和實踐教育專項課題 （ ［２０１８］－ＪＫＧＨＺＢＳＹＺＸ－０１３）； 河南省教育廳２０１９年度教師教育課程改革研究項目 （２０１９－ＪＳＪＹＹＢ－０１３）；２０１８年高中化學課堂教學展示與觀摩活動 “示范課” ＊＊ 通信聯(lián)系人，Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｇｙａｍｉｎ＠ｈｅｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ · ３４· 化 學 教 育 （中英文）（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈｘｊｙ．ｃｈｅｍｓｏｃ．ｏｒｇ．ｃｎ） ２０２０年第４１卷第２３期 表１ 教學流程 Ｔａｂｌｅ１ Ｔｅａｃｈｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ
Ｆｉｇ．１ Ｐｉｃｔｕｒｅｏｆａｌｉｇｈｔｅｒｉｎｆｌａｔａｂｌｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ 圖１ 打火機充氣實驗圖片 【教師】打火機中充入的氣體有什么特點？ 【學生】常溫下加壓迅速液化， 減壓后立即氣化，引燃后安靜燃燒。 【教師】打火機中充入的是一種烷烴氣體。到底是哪種烷烴呢？請同學們結合烷烴碳原子數(shù)與沸點變化曲線圖，做出大膽的推測，并給出合適的理由。 【多媒體】ＰＰＴ 展示教師繪制的烷烴碳原子數(shù)與沸點變化曲線圖［５］ （見圖２）。 【教師】沸點太低的烷烴行不行？ 沸點太高的 呢？ 【學生１】沸點太低了不行， 難以液化， 沸點太高了也不行，不易氣化，都不合適。 【學生２】丁烷的沸點為－０．５ ℃，常溫下加壓易液化，減壓后又迅速氣化，因此丁烷是打火機的理想填充氣體。 【教師】結合曲線圖， 分析烷烴的沸點與碳原子數(shù)之間存在什么樣的變化規(guī)律？ Ｆｉｇ．２ Ｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｃａｒｂｏｎａｔｏｍｓｉｎａｎａｌｋａｎｅａｎｄ ｉｔｓｂｏｉｌｉｎｇｐｏｉｎｔ 圖２ 烷烴碳原子數(shù)與沸點變化曲線 【學生】碳原子數(shù)越多， 烷烴的相對原子質(zhì)量越大，范德華力越大，沸點越高。 ５．２ 豐富素材，感受物理通性 【教師】烷烴還有哪些物理性質(zhì)呢？ 隨著碳原子的增加，烷烴的物理性質(zhì)有什么樣的變化規(guī)律？ 【學生】烷烴的狀態(tài)、氣味、密度、溶解性等。碳原子數(shù)越大，烷烴的相對分子質(zhì)量越大，密度應 該會增大。 【教師】請同學們利用實驗盒 （見圖３） 中提供的物品，結合分組活動單，完成分組實驗，近距離感受烷烴的沸點、密度、溶解性。利用平板拍照片、延時攝影等手段記錄實驗現(xiàn)象及實驗過程。 【多媒體】ＰＰＴ 展示分組活動單： （１） 涂抹異構十二烷 （無毒無害［６］）， 談談你的感受。 ２０２０年第４１卷第２３期 化 學 教 育 （中英文）（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈｘｊｙ．ｃｈｅｍｓｏｃ．ｏｒｇ．ｃｎ） · ３５·
Ｆｉｇ．３ Ｓｔｕｄｅｎｔｓ’ｇｒｏｕｐａｃｔｉｖｉｔｙｌａｂｂｏｘ 圖３ 學生分組活動實驗盒 （２） 將石蠟分別放入水中、異構十二烷中，比較其密度。 （３） 將 （２） 中的２ 個小瓶放入熱水浴中， 觀察現(xiàn)象。 【教師】異構十二烷涂抹在手上 （見圖４）， 有什么感覺？
Ｆｉｇ．４ Ｓｍｅａｒｉｓｏｍｅｒｉｃｄｏｄｅｃａｎｅａｎｄｆｅｅｌｔｈｅｖｏｌａｔｉｌｉｔｙｏｆａｌｋａｎｅｓ 圖４ 涂抹異構十二烷和感受烷烴揮發(fā)性 【學生】先是有一種滑膩感，過一會兒后揮發(fā)。說明異構十二烷是一種油狀物質(zhì)，揮發(fā)性強，可溶解皮膚分泌的油脂。 【教師】石蠟分別放入水、異構十二烷中， 有哪些現(xiàn)象？說明了什么？ 【學生１】實驗現(xiàn)象是：放在水中的石蠟，浮在水面上，放入異構十二烷中的石蠟，沉入底部 （見圖５）。說明石蠟的密度比水小，比異構十二烷要大。
Ｆｉｇ．５ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｉｍａｇｅｓｏｆｐａｒａｆｆｉｎｗａｘｉｎｉｓｏｍｅｒｉｃ ｄｏｄｅｃａｎｅａｎｄｗａｔｅｒ 圖５ 石蠟分別放入異構十二烷和水中的實驗圖片 【教師】請結合烷烴的碳原子數(shù)， 分析烷烴的密度差異。有什么樣的變化規(guī)律呢？ 【學生２】石蠟的碳原子數(shù)大于１８，與異構十二烷相比，隨著烷烴碳原子數(shù)的增多，密度逐漸增大。 【教師】分組活動３中有哪些現(xiàn)象？ 【學生３】石蠟不溶于水， 但是在熱水浴的異構十二烷中石蠟迅速溶解 （見圖６）。
Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｐａｒａｆｆｉｎｐａｒａｆｆｉｎｉｎｈｅｔｅｒｏｄｅｃａｎｅｂｙ ｔｉｍｅｄｅｌａｙｐｈｏｔｏｇｒａｐｈ 圖６ 延時攝影拍攝石蠟在異構十二烷中的溶解過程 【教師】這些現(xiàn)象也說明烷烴具有良好的溶解性能，可以做工業(yè)溶劑，溶解許多有機物。 【教師】烷烴的組成有什么特點？ 與烷烴的物理性質(zhì)之間有什么關系？ 【學生】烷烴在組成上相差１ 個或多個 ＣＨ２。因此，烷烴的物理性質(zhì)既具有密度小、溶解性能較 好等相似性，又隨碳原子數(shù)增大呈現(xiàn)出遞變的規(guī)律。 【多媒體】ＰＰＴ 展示烷烴的物理性質(zhì)。
５．３ 分組實驗，探究化學性質(zhì) 【教師】演示趣味實驗——— “火焰掌”［７］。 （現(xiàn)象：丁烷氣罐吹出的氣泡，點燃后在手掌上燃起熊熊烈火，見圖７） 實驗道具： 玻璃碗、自來水、洗潔精、點火 器、丁烷氣罐。 【教師】“火焰掌”中熊熊燃燒的正是丁烷氣體， 其可燃性也決定了它在食品烹飪中的重要用途。 【多媒體】視頻展示丁烷噴槍的用途 （見圖８）。 【教師】請同學們想一想， 生活中還有哪些以烷烴為主的燃料？ 【學生】天然氣、丙烷、石蠟、煤油等 （見圖９）。 【教師】請同學們利用烷烴的通式寫出其燃燒 · ３６· 化 學 教 育 （中英文）（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈｘｊｙ．ｃｈｅｍｓｏｃ．ｏｒｇ．ｃｎ） ２０２０年第４１卷第２３期
Ｆｉｇ．７ Ｆｌａｍｅｐａｌｍｆｕｎｍａｇｉｃｐｉｃｔｕｒｅｓ 圖７ “火焰掌” 趣味實驗圖片
【教師】到底烷烴能不能發(fā)生取代反應呢？ 我們一起通過實驗來探究。教材中甲烷與氯氣取代反 應的實驗，實驗裝置見圖１０。氣－ 氣混合的形式， 操作繁雜，難以控制，現(xiàn)象也不明顯［８］，造成很少有老師在課堂中演示。請同學們結合教材實驗及老 Ｆｉｇ．８ Ｂａｒｂｅｃｕｅｗｉｔｈｂｕｔａｎｅｓｐｒａｙｇｕｎ 圖８ 丁烷噴槍烤肉
Ｆｉｇ．９ Ｃｏｍｍｏｎａｌｋａｎｅｓｉｎｌｉｆｅ 圖９ 生活中常見的烷烴 的化學方程式。 【學生】 ３ｎ＋１ 點燃 ｎ ２ｎ＋２＋ ２ Ｏ２ →ｎＣＯ２＋ ｎ＋１ Ｈ２Ｏ 【教師】烷烴都具有可燃性， 這一性質(zhì)決定了烷烴在生活、生產(chǎn)中的重要用途，常用作燃料。烷烴還有其他的化學性質(zhì)嗎？ 【學生】在必修２ 中學習過甲烷與氯氣的取代反應。 【教師】甲烷可以與氯氣在光照下發(fā)生取代反應，是不是所有的烷烴都可以與鹵素單質(zhì)發(fā)生取代反應呢？請同學們根據(jù)甲烷與烷烴的結構特點進行分析與推測。 【學生】烷烴這一類物質(zhì)，碳原子與碳原子以單鍵連接，其余價鍵與氫原子連接，結構上存在相似性。在 師提供的改進方向，嘗試提出實驗改進方案。
Ｆｉｇ．１０ Ｔｈｅｒｅａｃｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅｉｎｔｈｅｔｅｘｔｂｏｏｋ 圖１０ 教材中的反應裝置 【多媒體】ＰＰＴ 展示實驗改進的思考方向： ① 改進實驗試劑， 尋找液態(tài)的藥品； ② 改進實驗儀器，實現(xiàn)微型化、簡便化、綠色化。 【學生１】碳原子數(shù)較大的烷烴， 常溫下有以液態(tài)形式存在的， 可以采用液態(tài)烷烴作為反應物。鹵素單質(zhì)中也有以液態(tài)形式存在的，比如液溴，可 以用它替換氯氣。 【學生２】要尋找一種密閉的反應容器， 避免有毒物質(zhì)的泄露，保證實驗安全與環(huán)保。 【教師】老師為大家提供了２種試劑：液態(tài)烷烴混合物———煤油，液態(tài)鹵素單質(zhì)———液溴 （見圖１１）。 【多媒體】ＰＰＴ 展示反應試劑及資料卡片。 ２０２０年第４１卷第２３期 化 學 教 育 （中英文）（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈｘｊｙ．ｃｈｅｍｓｏｃ．ｏｒｇ．ｃｎ） · ３７·
Ｆｉｇ．１１ Ｋｅｒｏｓｅｎｅ，ｌｉｑｕｉｄｂｒｏｍｉｎｅ 圖１１ 煤油， 液溴 【教師】通過資料卡片， 我們了解到， 液溴有毒且易揮發(fā)。為了確保實驗的安全與環(huán)保，老師為大家提供了進樣瓶和微量進樣器 （如圖１２）。帶硅膠墊的進樣瓶，保證了實驗的密閉性，用微量進樣器添加液溴，可有效防止液溴泄露。
Ｆｉｇ．１２ Ｓａｍｐｌｅｂｏｔｔｌｅ（ｗｉｔｈｒｅｓｅｒｖｅｄｍｏｕｔｈａｎｄｓｉｌｉｃｏｎｅｐａｄ）， ｔｒａｃｅｉｎｊｅｃｔｏｒ 圖１２ 微量進樣瓶 （帶預留口和硅膠墊） （左）、微量進樣器 （右） 【多媒體】ＰＰＴ 展示反應裝置 【教師】煤油與液溴的反應需要什么條件呢？ 【學生】甲烷與氯氣的取代反應需要光照， 也應該需要光照。 【教師】同學們可以利用平板的 ＬＥＤ 燈作為光源，選擇合適的角度照射反應容器。反應一定需要光照嗎？如何驗證你的猜測呢？ 【學生】可以用黑紙包裹一個進樣瓶， 避光處理，作對比實驗。 【教師】請同學們根據(jù)分組實驗單，完成分組實驗，仔細觀察實驗現(xiàn)象，并用平板記錄實驗過程。 【多媒體】ＰＰＴ 展示分組活動單 （１） 操作步驟： ① 取出２個盛有６ ｍＬ 煤油的進樣瓶 ； ② 用黑色塑料紙包裹其中一個進樣瓶； ③ 佩戴護目鏡，用微量進樣器抽取４０μＬ液溴； ④ 向進樣瓶中分別注入２０μＬ 液溴， 用手機 ＬＥＤ 燈照射不避光進樣瓶； ⑤ 取下黑色塑料紙，對比實驗現(xiàn)象。 （２）觀察記錄： 仔細觀察實驗現(xiàn)象，并用平板做好記錄。 【學生】小組內(nèi)同學協(xié)作完成煤油與液溴的取代反應實驗，使用ｉＰａｄ記錄實驗現(xiàn)象。 【教師】實驗中有哪些現(xiàn)象？說明了什么？ 【學生】有氣泡產(chǎn)生， 說明反應中產(chǎn)生了氣體物質(zhì) （圖１３）；紅棕色逐漸變淺， 振蕩之后很快褪去，說明液溴參與了反應；避光對比的進樣瓶不褪色 （圖１４），說明反應需要光照條件。
Ｆｉｇ．１３ Ｋｅｒｏｓｅｎｅｒｅａｃｔｓｗｉｔｈｌｉｑｕｉｄｂｒｏｍｉｎｅ 圖１３ 煤油與液溴反應實驗
Ｆｉｇ．１４ Ｌｉｇｈｔ－ｐｒｏｏｆｃｏｎｔｒａｓｔｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ 圖１４ 避光、光照反應對比圖 【教師】根據(jù)以上實驗現(xiàn)象， 我們發(fā)現(xiàn)液溴與煤油發(fā)生了反應。產(chǎn)生的氣體是什么物質(zhì)呢？ 如何設計實驗檢驗？ 【學生】如果液溴與煤油發(fā)生取代反應， 產(chǎn)生的氣體應該是 ＨＢｒ。 可以選擇硝酸銀溶液檢驗ＨＢｒ，將會產(chǎn)生淡黃色沉淀。 【教師】可以用硝酸銀來檢驗溴化氫， 但是抽取氣體不太方便， 而且由于 ＨＢｒ量少， 現(xiàn)象不太明顯。同學們類比 ＨＣｌ想一想， 還有什么方式可以檢驗 ＨＢｒ嗎？ 【學生】我們之前學過分別蘸有濃鹽酸、濃氨水的玻璃棒靠近時，會有白煙生成。可以用濃氨水與 ＨＢｒ的發(fā)煙現(xiàn)象來檢驗。 【多媒體】ＰＰＴ 展示實驗用品 （圖１５）。 |
