◇ 北京 賀 新 何 谷

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》(以下簡(jiǎn)稱“課程標(biāo)準(zhǔn)”)明確提出,真實(shí)、具體的問題情境是學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要平臺(tái),為學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)提供了真實(shí)的表現(xiàn)機(jī)會(huì).因此,落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的課堂教學(xué)要求教師積極創(chuàng)設(shè)真實(shí)且富有價(jià)值的問題情境,比如以“汽車上廣泛應(yīng)用的高分子材料”為切入點(diǎn),圍繞“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”,深入學(xué)習(xí)有機(jī)物的結(jié)構(gòu)是如何決定其性質(zhì)和用途的,課堂上通過設(shè)置層層遞進(jìn)的驅(qū)動(dòng)性問題,促使學(xué)生不斷思考,主動(dòng)探究,在分析問題和解決問題的過程中提升學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng).

1 問題背景

“有機(jī)高分子材料”在課標(biāo)中屬于選擇性必修課程主題3.3“合成高分子”,其要求為：“認(rèn)識(shí)塑料、合成橡膠、合成纖維的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),了解新型高分子材料的優(yōu)異性能及其在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用.”塑料、合成橡膠和合成纖維是20世紀(jì)人類的偉大成就,也是高分子化合物發(fā)展的重要成果.以塑料、合成纖維、合成橡膠為代表物的合成高分子材料給社會(huì)和人們生活帶來了巨大的變化,但是學(xué)生對(duì)于它們的了解卻十分有限.

以往的教學(xué)設(shè)計(jì),通常是聯(lián)系生產(chǎn)生活實(shí)際全面介紹三大合成材料在日常生活中的具體應(yīng)用,以教師講解為主,學(xué)生能泛泛地了解它們的很多應(yīng)用,但鑒于學(xué)生的知識(shí)水平,很容易上成一節(jié)科普課.這樣的教學(xué)往往導(dǎo)致化學(xué)知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用脫鉤,無法學(xué)以致用,長(zhǎng)此以往不僅降低學(xué)生對(duì)化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣,無法在化學(xué)學(xué)習(xí)過程中逐步形成正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力,不利于落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng).如何把課本上的知識(shí)和實(shí)際生活聯(lián)系在一起,讓學(xué)生切實(shí)體會(huì)到自己學(xué)習(xí)的知識(shí)是“真的有用”,開展“素養(yǎng)為本”的教學(xué)呢?

2 教學(xué)思路與過程

2.1 教學(xué)整體思路設(shè)計(jì)

本節(jié)課以汽車為載體,聚焦應(yīng)用于汽車中的塑料和橡膠材料,圍繞“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”的關(guān)系進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì),帶領(lǐng)學(xué)生深入學(xué)習(xí)有機(jī)物的結(jié)構(gòu)是如何決定其性質(zhì)和用途的.通過教師設(shè)置的層層遞進(jìn)的問題,即“如何區(qū)分塑料和橡膠? 如何使天然橡膠成為滿足汽車需要的橡膠材料? 如何提高橡膠的抗氧化性能?”等,引導(dǎo)學(xué)生在應(yīng)用化學(xué)知識(shí)分析和解決這些實(shí)際問題的過程中,深刻感受化學(xué)與生活息息相關(guān),促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變,幫助學(xué)生形成未來發(fā)展需要的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力.

2.2 教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)

1)了解塑料和合成橡膠的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),理解結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和用途之間的關(guān)系.

2)應(yīng)用物質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和用途之間的關(guān)系,分析和解決不同高分子材料在汽車中的實(shí)際應(yīng)用問題.

3)感受高分子材料在生產(chǎn)生活中扮演的重要角色,增強(qiáng)將化學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際的意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感.

2.3 教學(xué)過程設(shè)計(jì)

1)提出問題：如何區(qū)分塑料和橡膠?

[教師]展示圖片(如圖1和圖2),提出問題：塑料和橡膠在汽車中有哪些應(yīng)用? 汽車的哪些零部件用到了這些材料?

圖1 合成橡膠的應(yīng)用

圖2 塑料的應(yīng)用

[教師提問]為什么塑料和橡膠都是聚烯烴材料,但性能卻有很大差別,能否從分子結(jié)構(gòu)的角度進(jìn)行解釋?

[學(xué)生]思考：通過對(duì)比聚乙烯的分子鏈(如圖3)和聚異戊二烯的分子鏈(如圖4),發(fā)現(xiàn)橡膠的分子鏈上有碳碳雙鍵,而塑料的分子鏈上沒有碳碳雙鍵.

圖3 聚乙烯

圖4 聚異戊二烯

[教師講解]高分子鏈上一般都存在單鍵,單鍵可以繞鍵軸旋轉(zhuǎn)而不影響鍵的強(qiáng)度.在常溫下聚乙烯分子鏈上的碳碳單鍵會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn),使它不可能呈一條直線,只能呈不規(guī)則的卷曲狀態(tài)(如圖5),許許多多的聚乙烯分子糾纏在一起好像一團(tuán)亂麻.當(dāng)有外力作用時(shí),卷曲的高分子可以被拉直或者被部分拉直,除去外力后,高分子又恢復(fù)到卷曲狀態(tài),因此高分子化合物都具有一定的彈性(柔性).簡(jiǎn)單地說,容易被拉直的高分子鏈柔性高;不容易被拉直的高分子鏈柔性低(剛性).高分子主鏈單鍵的鍵長(zhǎng)、鍵角對(duì)柔性都有重要影響,減少主鏈的取代基會(huì)增加分子鏈的柔性.

[學(xué)生]看、傾聽、思考并得出結(jié)論：如果分子鏈上含孤立雙鍵,碳碳鍵鍵角從109°28′變?yōu)榧s120°,鍵角的張大將會(huì)促進(jìn)分子鏈的旋轉(zhuǎn),增加分子鏈的柔性.孤立雙鍵的存在使取代基的數(shù)量減少,使分子鏈的柔性顯著提高.

設(shè)計(jì)意圖：從學(xué)生熟悉的汽車出發(fā),讓學(xué)生切實(shí)感受到高分子材料在日常生活中的廣泛應(yīng)用.在此基礎(chǔ)上提出“如何區(qū)分塑料和橡膠”這樣的問題.盡管學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了高分子的合成方法,對(duì)于塑料和橡膠又是極熟悉的,但學(xué)生利用已有知識(shí)依然無法回答,這樣的問題勢(shì)必激起學(xué)生的興趣和探究的欲望.教師適時(shí)講解教材中的知識(shí)內(nèi)容,引入分子剛性和柔性的概念,通過宏微觀結(jié)合,從本質(zhì)上幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)、理解、應(yīng)用“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)”的關(guān)系,為接下來的問題引申進(jìn)行鋪墊.

2)解決問題：如何使天然橡膠成為滿足汽車需要的橡膠材料?

圖5 聚乙烯分子鏈卷曲狀態(tài)

[教師提問]天然橡膠的分子鏈柔性過高,導(dǎo)致其并不能直接作為材料應(yīng)用.如何改良天然橡膠,使其滿足汽車對(duì)橡膠材料的使用?

[教師]依次通過給數(shù)據(jù)(如圖6)、提示分析體型酚醛樹脂的結(jié)構(gòu)等方式給予學(xué)生信息,引發(fā)學(xué)生思考,促進(jìn)知識(shí)遷移.

圖6 直鏈烷烴的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)

[學(xué)生]根據(jù)已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),分析、思考并回答.通過直鏈烷烴的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)隨碳原子數(shù)的變化趨勢(shì)圖(如圖6),學(xué)生得出結(jié)論：提高相對(duì)分子質(zhì)量可以使液態(tài)橡膠變?yōu)楣虘B(tài)橡膠.根據(jù)體型結(jié)構(gòu)的酚醛樹脂,學(xué)生能夠想到橡膠也可以通過交聯(lián)的方法增強(qiáng)其剛性.

[教師]天然橡膠分子鏈上有碳碳雙鍵,可以在硫的作用下發(fā)生交聯(lián)反應(yīng),即硫化橡膠(如圖7),通過交聯(lián)可以提高橡膠的剛性.

圖7 硫化橡膠

[教師]結(jié)合汽車中橡膠的實(shí)際應(yīng)用(如圖8),展示相應(yīng)橡膠材料的微觀結(jié)構(gòu),引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考提高橡膠剛性的方法.

[學(xué)生]觀察、思考、討論并回答：高分子結(jié)構(gòu)中引入側(cè)鏈取代基可以提高橡膠的剛性,并且側(cè)鏈取代基越大,分子鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)越困難,分子鏈的剛性越大(如圖9).

[教師]芳環(huán)等基團(tuán)在分子鏈上由于體積較大難以轉(zhuǎn)動(dòng),所以分子鏈上引入體積較大的基團(tuán)或極性基團(tuán)都可以增加高分子的剛性,并且取代基極性越強(qiáng),剛性越大.

圖8 各種橡膠材料在汽車上的應(yīng)用

圖9 高分子鏈的柔性順序

設(shè)計(jì)意圖：自然界中沒有塑料,而有天然橡膠,但天然橡膠太柔軟了,不能拿來就用.如何使天然橡膠成為滿足汽車需要的橡膠材料,這樣的問題自然激發(fā)了學(xué)生的探究欲.在這個(gè)環(huán)節(jié)教師不是直接講解,而是通過給烷烴熔沸點(diǎn)數(shù)據(jù)、提示學(xué)生回顧體型酚醛樹脂的結(jié)構(gòu)等方式,促使學(xué)生將已有知識(shí)進(jìn)行遷移;通過展示汽車中實(shí)際應(yīng)用橡膠相應(yīng)微觀結(jié)構(gòu)的方式,不斷啟發(fā)并發(fā)展學(xué)生的思維,在學(xué)生分析和解決問題的能力得到提升的同時(shí),使學(xué)生深刻理解“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”之間的關(guān)系.

3)深化問題：如何提高橡膠的抗氧化性能?

[教師提問]為什么橡膠抗氧化性能較差,會(huì)老化呢(如圖10)?

圖10 老化的橡膠

[學(xué)生]根據(jù)已有知識(shí)思考并回答：聚烯烴橡膠中含有大量雙鍵,使橡膠的抗氧化性能較差,容易老化.

[教師追問]如何提高橡膠的抗氧化性能?

[學(xué)生]根據(jù)已有的認(rèn)識(shí)回答：提高橡膠的抗氧化性能要盡可能地消除雙鍵.

[教師提示]完全消除雙鍵又會(huì)使得分子鏈的剛性過強(qiáng),失去橡膠的特性.從結(jié)構(gòu)上講,塑料和橡膠的區(qū)別就是高分子鏈的柔性不同.提高分子鏈的柔性,可以使高分子成為橡膠材料;提高分子鏈的剛性,可以使高分子成為塑料.

[教師]展示汽車上應(yīng)用的丁基橡膠和三元乙丙橡膠(如圖11和圖12)以及丁基橡膠的微觀結(jié)構(gòu)(如圖13),促進(jìn)學(xué)生宏微結(jié)合,深入思考分析.

圖13 丁基橡膠(聚異丁烯)的微觀結(jié)構(gòu)

[教師]高分子鏈發(fā)生對(duì)稱取代時(shí),使分子鏈的旋轉(zhuǎn)會(huì)變得相對(duì)容易,柔性遠(yuǎn)高于相應(yīng)的單取代分子鏈.這樣既消除了雙鍵又保留了一定的柔性.另外,三元乙丙橡膠是乙烯、丙烯和非共軛二烯烴的三元共聚物(如圖14),二烯烴具有特殊的結(jié)構(gòu),只有一個(gè)雙鍵可以共聚,聚合物鏈?zhǔn)峭耆柡偷?另一個(gè)不飽和鍵不會(huì)成為聚合物的主鏈,只會(huì)成為側(cè)鏈,用于交聯(lián),這樣的結(jié)構(gòu)使得三元乙丙橡膠可以抵抗熱、光、氧氣,尤其是臭氧的氧化.

圖14 三元乙丙橡膠的微觀結(jié)構(gòu)

[學(xué)生]傾聽、思考并感悟：有機(jī)物高分子的結(jié)構(gòu)決定了它的性質(zhì),進(jìn)而改變了它的用途.

設(shè)計(jì)意圖：根據(jù)汽車上塑料和橡膠的應(yīng)用,應(yīng)用“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”的關(guān)系,“剛?cè)嵯酀?jì)”地不斷改進(jìn)材料的結(jié)構(gòu)以滿足人們的需求,就是化學(xué)服務(wù)于人類社會(huì)發(fā)展的一個(gè)縮影.讓學(xué)生切實(shí)體會(huì)化學(xué)價(jià)值的同時(shí),不斷將知識(shí)轉(zhuǎn)化為能力,把能力逐漸內(nèi)化為學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng),增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任意識(shí).

3 教學(xué)實(shí)施后的反思

3.1 用真實(shí)問題情境貫穿整節(jié)課的教學(xué)

整節(jié)課聚焦汽車上的塑料和橡膠等生活中常見的真實(shí)材料,帶領(lǐng)學(xué)生從生活走向化學(xué).塑料和橡膠看似離學(xué)生“很近”實(shí)則卻“很遠(yuǎn)”,“很近”是這些高分子材料在日常生活中應(yīng)用極其廣泛,學(xué)生看得見摸得著,“很遠(yuǎn)”是對(duì)這些時(shí)刻都在使用、每天都在接觸的材料如何區(qū)分,如何防止橡膠的老化等問題又感覺不清楚、束手無策.本節(jié)課正是抓住了學(xué)生的這個(gè)認(rèn)知“盲點(diǎn)”進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì),通過設(shè)置一系列真實(shí)的問題情境,不斷激發(fā)學(xué)生的探究欲望,利用“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”的關(guān)系,在學(xué)生已有知識(shí)的基礎(chǔ)上,認(rèn)識(shí)到塑料和橡膠的區(qū)別就是高分子鏈的柔性不同,通過改變有機(jī)物高分子的結(jié)構(gòu),既可以使高分子成為橡膠材料,也可以成為塑料.讓學(xué)生在這樣真實(shí)的問題情境中體會(huì)化學(xué)的價(jià)值,在應(yīng)用已有知識(shí)綜合分析和解決實(shí)際問題的過程中,不斷將知識(shí)轉(zhuǎn)化為能力,把能力逐漸內(nèi)化為學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng).

3.2 創(chuàng)設(shè)驅(qū)動(dòng)性問題情境,提升學(xué)生解決實(shí)際問題的能力

本節(jié)課設(shè)計(jì)了“如何區(qū)分塑料和橡膠”“如何使天然橡膠成為滿足汽車需要的橡膠材料”“如何提高橡膠的抗氧化性能”等驅(qū)動(dòng)性問題,不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,促進(jìn)學(xué)生的思維發(fā)展,更重要的是可以讓學(xué)生學(xué)會(huì)如何學(xué)習(xí)、如何思考,變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí).在有機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)中,學(xué)生已經(jīng)知道了它們都是聚烯烴材料,性能不同,但未必關(guān)注到這是由于分子結(jié)構(gòu)的差異造成的,由此提出問題1：“如何區(qū)分塑料和橡膠?”引發(fā)學(xué)生關(guān)注到性能的差異是由微觀分子結(jié)構(gòu)決定的.自然界有天然橡膠,但天然橡膠太柔了不能拿來就用,自然會(huì)提出問題2：“如何使天然橡膠成為滿足汽車需要的橡膠材料?”以此問題激發(fā)學(xué)生的興趣和探究欲望,在教師的幫助下,學(xué)生不斷調(diào)動(dòng)已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)去分析和解決這個(gè)真實(shí)問題.在學(xué)生思維處于活躍狀態(tài)時(shí),教師又設(shè)置了深化問題3：“如何提高橡膠的抗氧化性能?”讓學(xué)生躍躍欲試?yán)^續(xù)應(yīng)用“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”的關(guān)系分析、思考并解決問題.本節(jié)課的問題都是建立在學(xué)生已有知識(shí)的基礎(chǔ)上,讓學(xué)生深刻感受化學(xué)與生活息息相關(guān),利用層層遞進(jìn)的問題,促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變,幫助學(xué)生形成未來發(fā)展需要的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力,提升化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng).

3.3 緊扣“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”的關(guān)系,落實(shí)核心素養(yǎng)

本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)緊扣“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”的關(guān)系展開,將“宏觀辨識(shí)與微觀探析”這一化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)貫穿在整個(gè)教學(xué)內(nèi)容中.通過區(qū)分塑料和橡膠是利用高分子鏈的結(jié)構(gòu),讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”的關(guān)系.通過增加相對(duì)分子質(zhì)量、高分子鏈上增加側(cè)鏈取代基、側(cè)鏈取代基增強(qiáng)極性、將分子鏈交聯(lián)等方式均可以使天然橡膠剛性增大,滿足汽車不同部件對(duì)橡膠材料的需要,使學(xué)生理解“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”的關(guān)系.最后以汽車上實(shí)際應(yīng)用的三元乙丙橡膠為例,讓學(xué)生去應(yīng)用“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”的關(guān)系.三元乙丙橡膠是乙烯、丙烯和非共軛二烯烴的三元共聚物,側(cè)鏈的雙鍵部分進(jìn)行交聯(lián),通過這樣“剛?cè)嵯酀?jì)”的方式從微觀改進(jìn)材料的結(jié)構(gòu),使高分子性質(zhì)發(fā)生了變化,進(jìn)而改變了性能和用途,由此解決了橡膠易老化提高抗氧化性能的問題.學(xué)生通過宏微結(jié)合進(jìn)行層層遞進(jìn)的分析,從認(rèn)識(shí)、理解和應(yīng)用不同層面深刻感受“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”的關(guān)系,在這一過程中能真正體會(huì)化學(xué)的社會(huì)價(jià)值,增強(qiáng)學(xué)好化學(xué)造福人類的信念,將“素養(yǎng)為本”的教學(xué)落到實(shí)處.

4 結(jié)語

本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì),改變了以往選擇塑料和橡膠作為高分子材料的典型代表進(jìn)行介紹和合成的教學(xué)方式,在課堂教學(xué)實(shí)施時(shí)將塑料和橡膠嵌入汽車中創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境,設(shè)置問題,讓學(xué)生在分析和解決問題的過程中,轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式,不斷促進(jìn)學(xué)生的思維發(fā)展,切實(shí)提高了課堂教學(xué)效率,落實(shí)了化學(xué)核心素養(yǎng).