“问题猜想，证据推理”彰显化学魅力——苯的教学设计

卓金镇张礼聪杨亭亭

（玉环中学浙江玉环317600）

“问题猜想，证据推理”彰显化学魅力
——苯的教学设计

卓金镇张礼聪*杨亭亭

（玉环中学浙江玉环317600）

“证据推理”是化学素养的思维核心。以问题为导向，引发学生猜想，将“证据推理”融入高中化学教学，可积极地促进学生化学核心素养的发展。文章结合苯的教学实践案例，尝试在问题解决的驱动下，培养学生证据查找，推理分析，实验证实等方面的能力。

化学核心素养；化学教学；证据;推理

一、问题提出

深化课程改革提出了发展学生“核心素养”的教学理念。化学学科作为高中课程体系的重要组成部分，培养学生具有化学学科特质的关键能力和品格的高中化学核心素养，成为学生核心素养发展不可缺少的组成部分。高中化学核心素养可概括为：“宏观辨识与微观探析”、“变化观念与平衡思想”、“证据推理与模型认知”、“实验探究与创新意识”、“科学精神与社会责任”等五项内容。如何在课堂中坚定地运用并发挥化学学科的特点和功能，将这些核心素养转化为一种可操作的方式落实在教学环节中，在促进学生知识掌握的基础上形成素养，发挥学科应有的、独特的育人功能，成为深化课改中广大一线教师面临的新考验、新任务。

二、设计思路

如何在课堂中践行“化学核心素养”的教学？在引导学生了解学科知识的发生与发展过程中掌握必要的基础知识；通过学习等实践活动，掌握学习化学的一般方法，形成具备运用化学知识解决实际问题的一定能力；通过知识积累构建学科基本思想和观念，构筑起学科基本认识，是我们课堂教学追求的目标。

科学探究的本质就是倡导“以事实为证据，对发现问题进行解释”。问题解决中的探究论证就是寻找“证据”进行逻辑推理的过程。作为科学的化学，无论是元素化合物性质还是概念原理学习，过程中都包含着一个重要要素——“证据推理”。让“问题”成为学生思维发展的起点和火花，基于问题开展“猜想假设”，对“猜想假说”进行正、伪实践证明或科学论证，然后依据“证据推理”评判修正原有见解，应是化学课堂促进学生核心素养发展的“催化剂”。因此“问题猜想——证据查找——推理分析”意识和行为的培养是落实化学核心素养教学的一个重要举措。

基于上述教学理念，课时教学设计围绕“苯的结构究竟怎样？苯结构是怎样被人类认识？苯应该有哪些性质？苯是如何被人类获取和应用？”四个核心问题解决展开。具体过程：首先以“苯的发现史”为情境，提出问题——推理分析——实验验证，通过定性、定量相结合方式，组织学生活动确定苯的分子式。其次利用学生已有碳原子的成键知识，学生猜想——结构推理——实验证实，发现苯中不存在碳碳双键和叁键，制造认知冲突。接着教师及时引入凯库勒等化学家对苯的结构猜想和研究的史话、化学键理论等证据，头脑风暴，帮助学生构建清晰的苯结构。然后依据结构——猜想性质——事实呈现，巩固理解苯的结构认识，理解掌握苯的性质。最后结合学生课前任务，采用小组汇报的方式，实现苯的用途和来源的了解。整个教学发挥了学生学习的主动性，拓展了学生的视野，凸显了有机学习的一般方法——“结构决定性质”，实现了“问题猜想——证据推理——素养发展”融合的整体设计思路。

三、教学过程

1.史话点题，探究成分

【情境导入】19世纪，欧洲许多国家使用煤气照明。英国科学家法拉第花了整整五年时间，于1825年从生产煤气剩余液体中分离出一种无色油状新物质。后经研究确定该液体物质仅由C、H两种元素，且含碳质量分数为92.3%,他称该无色油状物质为“氢的重碳化合物”。

【实物展示】教师展示与法拉第发现成分相同的液体——“氢的重碳化合物”。

【提出问题】

①若你是法拉第，说说你确定新物质只含C、H元素的实验方法。

②简要描述你实验方案的操作过程。

【学生归纳】

①采用定量燃烧方法确定物质的元素组成。

②定量取样→充分燃烧→浓硫酸吸水（测量前后质量变化）→计算得出m（H）→碱石灰吸收CO2（测量前后的质量）→计算得出m（C）→根据质量守恒分析：m（C）+m（H）=m（试样）。

【史话支持】介绍“李比希燃烧法”测定有机化合物中碳、氢元素方法及贡献。

【问题思考】若将该液体在空气中燃烧，可能会有怎样的现象？说明理由。

【学生猜想】火焰明亮，冒黑烟；因为从组成信息可知其含碳量高，且空气中氧气浓度只有21%，易不完全燃烧生成炭。

【学生补充】它燃烧应该有点类似于乙炔，含碳量高，有大量黑烟。

【实验证据】取少量液体，滴于粉笔上，用酒精灯点燃，观察现象。

【定量计算】取3.9g液体样品充分燃烧，将生成的气体依次通过浓硫酸、碱石灰，测得分别增重2.7g和13.2g。实验数据能告诉我们哪些结论？

【学生汇报】学生计算后结论：

①样品仅含C、H两种元素；

②样品物质碳、氢原子个数比为1:1。

【提出问题】要确定该物质的分子式还需要什么数据？

【史话支持】1834年，德国化学家米希尔希里通过实验方法制得这种油状物质，并把其命名为“苯”。随后法国化学家日拉尔等人确定苯的相对分子质量为78，密度是同温同压下乙炔的3倍。根据上述信息，计算确定苯的分子式。（C6H6）

（设计意图：教学从“化学史话——氢的重碳化合物”发现切入，预置了“包袱”性问题：该新物质组成怎样？激发学生了解其成分的好奇心。接着教师通过问题引导，学生方案假设、实验探究，史话信息支持，将苯组成的确定“融合在科学家对苯的探索历程中，融合于学生问题解决推理之中”。）

2.结构猜想，证据推理

【提出问题】依据苯的分子式（C6H6），请大家猜想其可能具有的结构？

【学生猜想】学生猜想苯结构结果如下：

CH2=CH-CH=CH-CH=CH2，

CH3-C≡C-C≡C-CH3，CH2=CH-C≡C-CH=CH2，CH≡C-CH=CH-CH=CH2等。

【师生评价】所写的结构符合C6H6分子式；符合C原子四价原则（四个价键）；

书写结构共同特点：均含有碳碳双键或碳碳叁键（与学生刚学习烯、炔有关）。

【问题讨论】若用实验证明我们的猜想，你想到哪些实验方案？并说说理由。

【方案确定】与高锰酸钾、溴水进行反应。

因为碳碳双键或三键能与酸性高锰酸钾、溴水反应，能够使溶液发生褪色现象。

【实验证据】苯与溴水、酸性高锰酸钾溶液反应。记录实验现象，汇报实验结果。

【学生汇报】现象：

①溶液分层；

②溴水褪色，上次呈橙红色；溴被萃取，未发生化学反应；

③酸性的高锰酸钾不褪色，上层仍然无色；

结论：苯中不含碳碳双键和叁键。

【问题思考】上述实验过程还能体现苯的哪些性质？

【学生汇报】苯有特殊的气味，苯不溶于水；苯的密度比水小。

【问题质疑】我们猜想被否定，苯的结构究竟怎样呢？

【科学史话】1865年，德国化学家凯库勒一直思考破解苯的结构难题。一次睡梦中他“梦见”碳原子在自己的面前排成“蛇”形，原子“蛇”的头咬住了自己的尾巴，形成一个环状。凯库勒受此启发，画出了苯的封闭式结构式。最后修正为六角环状的苯分子结构（展示本单双建交替结构模型）。

图1

【问题探讨】你认为凯库勒的苯结构与事实是否相符？为什么？

【学生回答】实验告诉我们，苯分子中不应该存在碳碳双键，凯库勒的苯结构猜想存在缺陷。

（设计意图：苯结构的认识是本课时教学重点之一，也是苯性质学习的前提与基石。利用学生已有基础，猜想苯的结构是课堂教学中学生思维发展的生长点；是学生开展实验探究，“证实和证伪”苯结构猜想的依据；是重新审视苯的“凯库勒”结构，产生进一步认知冲突的支点。）

3.结构分析，性质猜想

【证据推理】

①介绍凯库勒基于实验事实，再次提出“摆动双键学说”，修正完善苯结构原先假说；

②介绍其他科学家对苯结构的认识：杜瓦（1866-1867提出）的“双环结构”；拉敦保格（1869提出）“棱形结构”；阿姆斯特朗（1887-1888提出）“向心结构”；悌勒（1899提出）“余价结构”等。

【推理评价】你认为哪些科学家的观点更接近苯的真实结构？说说你的看法。

【数据支持】科学实验技术的发展为人类认识物质结构提供了基础。1935年，科学家詹斯经X射线衍射法，证实苯分子结构是平面正六边形，并测得苯分子中的碳碳键的键长介于碳碳单键和碳碳双键之间。

表1 碳碳键键长数据

【问题质疑】苯的结构是怎样的呢？

【证据认识】

①理论派：分子轨道理论对苯结构的认识。根据碳原子的电子成键特点，每个碳原子间都有三个电子一一共用形成6个σ键，6个碳余出的6个电子形成一个6个碳原子共用的特殊化学键，称为π键。苯分子结构中的碳碳键完全相同，是介于碳碳单键和碳碳双键之间的一种特殊的键。

②实践派：氢化热测定对苯结构的认识。

表2 几种物质氢化热数据

【学生归纳】苯不存在独立的单键和双键。（不存在单双建交替结构）

【事实拓展】2009年IBM科学家团队用原子力显微镜给单个并五苯分子拍照（图2）。2013年，《sci⁃ence》杂志刊登了加州大学化学家Fischer等通过原子力显微镜给亚苯基-1,2-次乙炔基低聚物拍照的照片（图3），让我们直观和清晰地看到了苯环平面正六边形的结构。

图2

图3

【提出问题】

②基于上述苯结构认识，你认为苯可能具有哪些化学性质？

【小组讨论】

①同一种物质。

②苯分子里6个C原子之间的键完全相同，键角为120°，是一种介于单键和双键之间的特殊（独特）的键。结构独特决定了其性质的特殊，苯应既有类似烯烃的性质（加成反应）也有烷烃的性质（取代反应），当然能够燃烧氧化。

③总体来说苯应该是难氧化、加成，易发生取代的特点。

【事实支持】

事实1：1mol苯在催化剂及高温高压条件下，最多可以与3 mol H2发生加成反应生成环己烷：

事实2：苯与液溴在铁粉存在时，常温下发生取代反应生成溴苯：

（设计意图：本环节以苯的“凯库勒”结构局限为思考点，激起学生：“苯的结构究竟怎样？”强烈心向；然后将科学家们“基于实验事实”对苯结构的解释历程，与学生“内心焦虑”对接，从理论和事实层面引导、启发学生，使学生对苯结构认识由模糊、抽象逐渐走向清晰、具体；接着提出“苯应该具有怎样的性质？”问题，将解释权还给学生，苯性质理解水到渠成，教学凸显证据推理意识培养。）

4.价值认识，拓宽视野

【任务问题】苯有哪些用途呢？（课前布置任务）

【小组汇报】苯有非常广泛用途，是一种重要的化工原料。

①苯是工业上一种常用的溶剂，可用于金属脱脂及萃取剂。

②苯有减轻爆震的作用，可作为汽油添加剂。

③苯可以合成一系列苯的衍生物：氯苯、溴苯、苯磺酸、硝基苯等。

④苯经取代反应、加成反应、氧化反应等生成的一系列化合物可作为生产塑料、橡胶、纤维、染料、去污剂、杀虫剂等的原料。

【问题解决】硝基苯是合成染料、医药、农药的重要中间体，它是苯在浓硫酸催化下与浓硝酸发生反应生成。请写出该反应的化学方程式，并说出该反应的反应类型。

该反应为取代反应。

【性质拓展】工业上大约10%的苯用于制造苯系中间体，如乙苯（乙基苯）等。我国化工业采用“分子筛固体酸催化工艺”，以苯与乙烯为原料制成乙苯，再由乙苯生产制塑料的聚苯乙烯。

【问题任务】写出苯与乙烯制备乙苯的化学方程式。

【问题提出】苯具有广泛的用途，人类主要通过何种方式获得它？

【学生汇报】课前布置任务，学生小组汇报内容概括如下：

①传统来源：煤干馏得到的煤焦油，再分馏煤焦油获得苯。苯还是一种钢铁工业焦化过程中的副产物。

②现代来源：现在全球大部分的苯来源于石油化工。工业上生产苯最重要的三种过程是催化重整、甲苯加氢脱烷基化和蒸汽裂化。

【自主学习】煤的综合利用：煤的气化、液化和干馏。

（设计意图：本环节是苯的用途及来源的了解，具体教学举措是课前布置“苯有哪些用途？”课中指导学生阅读“煤的综合利用”任务形式解决，来拓展学生的知识视野。教学环节重点仍然是苯性质知识与用途有机融合的问题解决应用。）

四、教后反思

1.借用史料，创境质疑，渗透核心素养教育

本课时设计的亮点是引入苯结构及性质相关化学史素材。在情境问题解决中拉近学生与科学家的距离，尝试着让学生沿着科学家的足迹体验探索过程的艰辛，追寻科学家对苯结构性质研究的思维历程。教学中重温了问题猜想——证据推理——理论假设——实验证实研究思路，凸显了化学研究中实验手段的重要作用及科学真理的相对性，更好地帮助学生建立科学本质的理解。渗透化学史教学，将浓缩的科学知识在教学中“展开和稀释”，可促进学生化学基本观念的建构和心智模型的转变，培养了学生的问题意识，激发了科学思维，提升了学生的创新能力，实现“化学认识”“化学观念”“化学运用”等学科思想的培养，成就了核心素养的发展。

2.问题猜想，证据推理，促进核心素养发展

本节课以“苯的分子组成推导——苯的结构猜想——苯的性质推测”为主线。在教学过程中教师通过问题质疑，驱动学生主动猜想；推理预测，激发学生寻找证据；动手实验，鼓励学生合作探究；收集证据（相关数据）和呈现性质事实，培养学生获取、整合信息能力等方式，帮助学生搭建苯分子结构认识的证据平台，得出了苯的环状结构，确定了苯的分子结构中的碳碳键完全相同——是介于碳碳单键和碳碳双键之间的一种独特键。此过程中学生经历的是基于“证据推理”的探究学习，是一种有“根与源”的探究。此“根与源”可以生长出能力和方法，传承科学态度和科学精神。“问题假设，证据推理”不仅仅是指学生对证据的尊重，还包括寻找证据能力和解释证据能力的提升。让问题——证据成为化学课堂思考的激发点，学生发展的生长点，学习方式和学习行为培养的路径，化学课堂才能引导学生建立和发展化学基本理解、基本观念，才能促进化学核心素养的发展。

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1008-0546（2017）09-0054-04

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10.3969/j.issn.1008-0546.2017.09.016

*本文指导教师，通讯联系人，邮箱：laoshi2005.10.16@163.com