基于真实情境的高分子材料教学重构<br/>———以“应用广泛的高分子材料”教学为例

基于真实情境的高分子材料教学重构
———以“应用广泛的高分子材料”教学为例

2020-08-13北京

高中数理化 2020年10期

◇ 北京贺新何谷

《普通高中化学课程标准(2017年版)》(以下简称“课程标准”)明确提出,真实、具体的问题情境是学生化学学科核心素养形成和发展的重要平台,为学生化学学科核心素养提供了真实的表现机会.因此,落实学科核心素养的课堂教学要求教师积极创设真实且富有价值的问题情境,比如以“汽车上广泛应用的高分子材料”为切入点,围绕“结构—性质—用途”,深入学习有机物的结构是如何决定其性质和用途的,课堂上通过设置层层递进的驱动性问题,促使学生不断思考,主动探究,在分析问题和解决问题的过程中提升学生的化学学科核心素养.

1 问题背景

“有机高分子材料”在课标中属于选择性必修课程主题3.3“合成高分子”,其要求为：“认识塑料、合成橡胶、合成纤维的组成和结构特点,了解新型高分子材料的优异性能及其在高新技术领域的应用.”塑料、合成橡胶和合成纤维是20世纪人类的伟大成就,也是高分子化合物发展的重要成果.以塑料、合成纤维、合成橡胶为代表物的合成高分子材料给社会和人们生活带来了巨大的变化,但是学生对于它们的了解却十分有限.

以往的教学设计,通常是联系生产生活实际全面介绍三大合成材料在日常生活中的具体应用,以教师讲解为主,学生能泛泛地了解它们的很多应用,但鉴于学生的知识水平,很容易上成一节科普课.这样的教学往往导致化学知识和实际应用脱钩,无法学以致用,长此以往不仅降低学生对化学的学习兴趣,无法在化学学习过程中逐步形成正确价值观念、必备品格和关键能力,不利于落实学科核心素养.如何把课本上的知识和实际生活联系在一起,让学生切实体会到自己学习的知识是“真的有用”,开展“素养为本”的教学呢?

2 教学思路与过程

2.1 教学整体思路设计

本节课以汽车为载体,聚焦应用于汽车中的塑料和橡胶材料,围绕“结构—性质—用途”的关系进行教学设计,带领学生深入学习有机物的结构是如何决定其性质和用途的.通过教师设置的层层递进的问题,即“如何区分塑料和橡胶? 如何使天然橡胶成为满足汽车需要的橡胶材料? 如何提高橡胶的抗氧化性能?”等,引导学生在应用化学知识分析和解决这些实际问题的过程中,深刻感受化学与生活息息相关,促进学生学习方式的转变,帮助学生形成未来发展需要的正确价值观念、必备品格和关键能力.

2.2 教学目标设计

1)了解塑料和合成橡胶的结构特点,理解结构、性质和用途之间的关系.

2)应用物质结构、性质和用途之间的关系,分析和解决不同高分子材料在汽车中的实际应用问题.

3)感受高分子材料在生产生活中扮演的重要角色,增强将化学知识应用于实际的意识和社会责任感.

2.3 教学过程设计

1)提出问题：如何区分塑料和橡胶?

[教师]展示图片(如图1和图2),提出问题：塑料和橡胶在汽车中有哪些应用? 汽车的哪些零部件用到了这些材料?

图1 合成橡胶的应用

图2 塑料的应用

[教师提问]为什么塑料和橡胶都是聚烯烃材料,但性能却有很大差别,能否从分子结构的角度进行解释?

[学生]思考：通过对比聚乙烯的分子链(如图3)和聚异戊二烯的分子链(如图4),发现橡胶的分子链上有碳碳双键,而塑料的分子链上没有碳碳双键.

图3 聚乙烯

图4 聚异戊二烯

[教师讲解]高分子链上一般都存在单键,单键可以绕键轴旋转而不影响键的强度.在常温下聚乙烯分子链上的碳碳单键会发生旋转,使它不可能呈一条直线,只能呈不规则的卷曲状态(如图5),许许多多的聚乙烯分子纠缠在一起好像一团乱麻.当有外力作用时,卷曲的高分子可以被拉直或者被部分拉直,除去外力后,高分子又恢复到卷曲状态,因此高分子化合物都具有一定的弹性(柔性).简单地说,容易被拉直的高分子链柔性高;不容易被拉直的高分子链柔性低(刚性).高分子主链单键的键长、键角对柔性都有重要影响,减少主链的取代基会增加分子链的柔性.

[学生]看、倾听、思考并得出结论：如果分子链上含孤立双键,碳碳键键角从109°28′变为约120°,键角的张大将会促进分子链的旋转,增加分子链的柔性.孤立双键的存在使取代基的数量减少,使分子链的柔性显著提高.

设计意图：从学生熟悉的汽车出发,让学生切实感受到高分子材料在日常生活中的广泛应用.在此基础上提出“如何区分塑料和橡胶”这样的问题.尽管学生已经学习了高分子的合成方法,对于塑料和橡胶又是极熟悉的,但学生利用已有知识依然无法回答,这样的问题势必激起学生的兴趣和探究的欲望.教师适时讲解教材中的知识内容,引入分子刚性和柔性的概念,通过宏微观结合,从本质上帮助学生认识、理解、应用“结构—性质”的关系,为接下来的问题引申进行铺垫.

2)解决问题：如何使天然橡胶成为满足汽车需要的橡胶材料?

图5 聚乙烯分子链卷曲状态

[教师提问]天然橡胶的分子链柔性过高,导致其并不能直接作为材料应用.如何改良天然橡胶,使其满足汽车对橡胶材料的使用?

[教师]依次通过给数据(如图6)、提示分析体型酚醛树脂的结构等方式给予学生信息,引发学生思考,促进知识迁移.

图6 直链烷烃的熔点和沸点

[学生]根据已有的知识和经验,分析、思考并回答.通过直链烷烃的熔点和沸点随碳原子数的变化趋势图(如图6),学生得出结论：提高相对分子质量可以使液态橡胶变为固态橡胶.根据体型结构的酚醛树脂,学生能够想到橡胶也可以通过交联的方法增强其刚性.

[教师]天然橡胶分子链上有碳碳双键,可以在硫的作用下发生交联反应,即硫化橡胶(如图7),通过交联可以提高橡胶的刚性.

图7 硫化橡胶

[教师]结合汽车中橡胶的实际应用(如图8),展示相应橡胶材料的微观结构,引导学生进一步思考提高橡胶刚性的方法.

[学生]观察、思考、讨论并回答：高分子结构中引入侧链取代基可以提高橡胶的刚性,并且侧链取代基越大,分子链的转动越困难,分子链的刚性越大(如图9).

[教师]芳环等基团在分子链上由于体积较大难以转动,所以分子链上引入体积较大的基团或极性基团都可以增加高分子的刚性,并且取代基极性越强,刚性越大.

图8 各种橡胶材料在汽车上的应用

图9 高分子链的柔性顺序

设计意图：自然界中没有塑料,而有天然橡胶,但天然橡胶太柔软了,不能拿来就用.如何使天然橡胶成为满足汽车需要的橡胶材料,这样的问题自然激发了学生的探究欲.在这个环节教师不是直接讲解,而是通过给烷烃熔沸点数据、提示学生回顾体型酚醛树脂的结构等方式,促使学生将已有知识进行迁移;通过展示汽车中实际应用橡胶相应微观结构的方式,不断启发并发展学生的思维,在学生分析和解决问题的能力得到提升的同时,使学生深刻理解“结构—性质—用途”之间的关系.

3)深化问题：如何提高橡胶的抗氧化性能?

[教师提问]为什么橡胶抗氧化性能较差,会老化呢(如图10)?

图10 老化的橡胶

[学生]根据已有知识思考并回答：聚烯烃橡胶中含有大量双键,使橡胶的抗氧化性能较差,容易老化.

[教师追问]如何提高橡胶的抗氧化性能?

[学生]根据已有的认识回答：提高橡胶的抗氧化性能要尽可能地消除双键.

[教师提示]完全消除双键又会使得分子链的刚性过强,失去橡胶的特性.从结构上讲,塑料和橡胶的区别就是高分子链的柔性不同.提高分子链的柔性,可以使高分子成为橡胶材料;提高分子链的刚性,可以使高分子成为塑料.

[教师]展示汽车上应用的丁基橡胶和三元乙丙橡胶(如图11和图12)以及丁基橡胶的微观结构(如图13),促进学生宏微结合,深入思考分析.

图13 丁基橡胶(聚异丁烯)的微观结构

[教师]高分子链发生对称取代时,使分子链的旋转会变得相对容易,柔性远高于相应的单取代分子链.这样既消除了双键又保留了一定的柔性.另外,三元乙丙橡胶是乙烯、丙烯和非共轭二烯烃的三元共聚物(如图14),二烯烃具有特殊的结构,只有一个双键可以共聚,聚合物链是完全饱和的,另一个不饱和键不会成为聚合物的主链,只会成为侧链,用于交联,这样的结构使得三元乙丙橡胶可以抵抗热、光、氧气,尤其是臭氧的氧化.

图14 三元乙丙橡胶的微观结构

[学生]倾听、思考并感悟：有机物高分子的结构决定了它的性质,进而改变了它的用途.

设计意图：根据汽车上塑料和橡胶的应用,应用“结构—性质—用途”的关系,“刚柔相济”地不断改进材料的结构以满足人们的需求,就是化学服务于人类社会发展的一个缩影.让学生切实体会化学价值的同时,不断将知识转化为能力,把能力逐渐内化为学生的化学学科素养,增强社会责任意识.

3 教学实施后的反思

3.1 用真实问题情境贯穿整节课的教学

整节课聚焦汽车上的塑料和橡胶等生活中常见的真实材料,带领学生从生活走向化学.塑料和橡胶看似离学生“很近”实则却“很远”,“很近”是这些高分子材料在日常生活中应用极其广泛,学生看得见摸得着,“很远”是对这些时刻都在使用、每天都在接触的材料如何区分,如何防止橡胶的老化等问题又感觉不清楚、束手无策.本节课正是抓住了学生的这个认知“盲点”进行教学设计,通过设置一系列真实的问题情境,不断激发学生的探究欲望,利用“结构—性质—用途”的关系,在学生已有知识的基础上,认识到塑料和橡胶的区别就是高分子链的柔性不同,通过改变有机物高分子的结构,既可以使高分子成为橡胶材料,也可以成为塑料.让学生在这样真实的问题情境中体会化学的价值,在应用已有知识综合分析和解决实际问题的过程中,不断将知识转化为能力,把能力逐渐内化为学生的化学学科素养.

3.2 创设驱动性问题情境,提升学生解决实际问题的能力

本节课设计了“如何区分塑料和橡胶”“如何使天然橡胶成为满足汽车需要的橡胶材料”“如何提高橡胶的抗氧化性能”等驱动性问题,不仅可以提高学生的学习兴趣,促进学生的思维发展,更重要的是可以让学生学会如何学习、如何思考,变被动学习为主动学习.在有机化学的学习中,学生已经知道了它们都是聚烯烃材料,性能不同,但未必关注到这是由于分子结构的差异造成的,由此提出问题1：“如何区分塑料和橡胶?”引发学生关注到性能的差异是由微观分子结构决定的.自然界有天然橡胶,但天然橡胶太柔了不能拿来就用,自然会提出问题2：“如何使天然橡胶成为满足汽车需要的橡胶材料?”以此问题激发学生的兴趣和探究欲望,在教师的帮助下,学生不断调动已有的知识和经验去分析和解决这个真实问题.在学生思维处于活跃状态时,教师又设置了深化问题3：“如何提高橡胶的抗氧化性能?”让学生跃跃欲试继续应用“结构—性质—用途”的关系分析、思考并解决问题.本节课的问题都是建立在学生已有知识的基础上,让学生深刻感受化学与生活息息相关,利用层层递进的问题,促进学生学习方式的转变,帮助学生形成未来发展需要的正确价值观念、必备品格和关键能力,提升化学学科核心素养.

3.3 紧扣“结构—性质—用途”的关系,落实核心素养

本节课的教学设计紧扣“结构—性质—用途”的关系展开,将“宏观辨识与微观探析”这一化学学科核心素养贯穿在整个教学内容中.通过区分塑料和橡胶是利用高分子链的结构,让学生认识到“结构—性质—用途”的关系.通过增加相对分子质量、高分子链上增加侧链取代基、侧链取代基增强极性、将分子链交联等方式均可以使天然橡胶刚性增大,满足汽车不同部件对橡胶材料的需要,使学生理解“结构—性质—用途”的关系.最后以汽车上实际应用的三元乙丙橡胶为例,让学生去应用“结构—性质—用途”的关系.三元乙丙橡胶是乙烯、丙烯和非共轭二烯烃的三元共聚物,侧链的双键部分进行交联,通过这样“刚柔相济”的方式从微观改进材料的结构,使高分子性质发生了变化,进而改变了性能和用途,由此解决了橡胶易老化提高抗氧化性能的问题.学生通过宏微结合进行层层递进的分析,从认识、理解和应用不同层面深刻感受“结构—性质—用途”的关系,在这一过程中能真正体会化学的社会价值,增强学好化学造福人类的信念,将“素养为本”的教学落到实处.