巧设认知冲突 重温苯的发现之旅

杜博

摘要：通过重温科学家发现苯的结构的过程，设置认知冲突并在冲突解决的过程中学习苯的化学知识。充分发掘学生的已有学习经验，基于证据推理形成模型、运用模型。

关键词：建构主义;认知冲突;苯;证据推理

文章编号：1008-0546（2021）02-0039-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.02.010

学生具有水平较高的化学学科素养，是指学生能够运用已有的化学知识，解释和解决化学问题能力和品格，并能够形成正确的价值观。化学学科的核心素养包括“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”“科学探究与创新意识”“科学精神与社会责任”等五个重要的方面。“证据推理”是在科学学习这个特定的领域情境下，获取证据进行推理的认知活动，素养需要学生具备较高逻辑思维能力。

一、教学素材和素养关联

苯的发现过程本身就是化学史上一段有趣的历程，从法拉第发现苯到实验室制备苯、再到测定苯的分子式，到最后确定苯的结构，经历了将近一百年。法拉第、米希尔里希、热拉尔、洛希米特、凯库勒、拉敦保格……等等许许多多的科学家为研究苯付出了巨大的心血。通过体验一代又一代化学家们的研究过程，有利于加深对于科学研究的认识。虽然课堂的重温过程和当年科学家们的研究过程并不完全相同，却能够培育学生分析问题、逻辑推理的能力，有利于“证据推理”的化学学科核心素养的培育。

本节选自人教版必修2第三章第二节“来自石油和煤的两种基本化工原料”的第二课时“苯”。学生已经学习了化学键的知识，能够从化学键的角度认识化学反应;学习了甲烷和乙烯的基本内容，掌握了烃类物质的基本物理和化学性质，初步具备有机化学学习的基本方法，但“结构观”的化学观念尚在建构中。

二、认知冲突的学习历程

建构主义认为学习过程是基于原有的知识经验生成意义、建构理解的过程，充分利用原有的知识和经验对于学生的认知有重要的意义。一般来说，建构认知冲突是促进学生概念转化最有效的方法之一，如设置恰当的实验情景或者提供可信的化学阅读材料，从而形成认知冲突。这些情景的来源既可以是课堂实验，也可以是化学史或化学最新研究成果。学习经历如图1所示：

历史上苯的发现和结构的确定过程，本身就是富于认知冲突的过程。化学家们从确定苯的化学式，基于当时的理论对于苯的结构提出了种种猜想，这些猜想都先后为实验现象所证伪，直到理论的发展和技术的进步，方才最后确定。这其中就包括了“理论分析一猜想验证一理論冲突一技术进步-修正理论”的模型认知过程。教学上通过还原苯的结构确定历史，合理设置教学环节，在教学中充分利用已有知识，引导学生从已有知识中迁移、推测并验证苯的性质。教师在这个过程中充当指导者的角色，引导学生收集证据，分析证据背后的逻辑关系，在体验探索中建构“结构决定性质、性质反映结构”化学观念。

三、基于“证据推理”素养的苯的教学过程

1.分类观：苯的分子式确定和物理、化学性质的推断

[情景引入]1829年法拉第（Michael Faraday，1791-1867）向伦敦皇家科学院报告了一种由c、H元素组成，但含碳量非常高的“重碳化合物”，1834年科学家米希尔里希（E.F Mitscherlich，1794-1863）首次从实验室制得了这种烃类，并命名为苯（Benzene），化学家热拉尔（c.F.Gerhardt，1816-1856）进一步测得了其相对分子质量为78。基于以上化学史实，你能否写出其分子式？

[学生推测]根据碳的价键规则，可以得到苯的分子式C6H6。

[教师追问]根据苯的分子式，请推测苯的一些物理、化学性质，并说出你的依据。

[学生推测]苯的分类为烃，且C原子数略大于4，推测苯为密度小于水且难溶于水的液体，熔沸点较低。含碳量高于乙烯，推测苯能燃烧，且火焰更明亮，有更多黑烟。

[实验探究]请大家分组实验，验证苯的溶解性和密度。

[学生实验]分组实验，向盛有少量蒸馏水的试管中滴人几滴苯，观察到苯不溶于水，且苯在上方。

[证据展示]进一步展示苯的样品和苯的熔沸点信息。向粉笔滴几滴苯，在酒精灯上点燃，观察实验现象。

设计意图：由化学史证据，推理得到苯的分子式，利用已有的烃类物质的通性并基于分类的意识，迁移认知苯的物理性质和部分化学性质，诊断并发展了学生模型认知的能力。

2.证据推理：重温苯的结构的确定历程

（1）呈现多重证据：设置认知冲突

[认知迁移]请根据上述确定的苯的分子式，写出

科学家是如何确定到底是哪种结构呢？先回顾一下，我们确定甲烷的正四面体结构的方法是什么？

[学生回归]确定甲烷的二氯取代物的只有一种结构。

[教师引导]许多科学家也是用这种方法进行结构的确定。

[证据推理]基于以上事实，哪个结构可能是正确的？

[学生讨论]分组讨论以上结构的一氯取代和二氯取代的种类，如图3所示。

[学生汇报]基于以上分析，拉敦保格提出的苯结构符合当时的实验事实。

[教师引导]根据结构中含有的化学键的特征，还有什么方法确定结构呢？依据是什么？

[迁移认知]还可以用高锰酸钾和溴水。拉敦保格的结构中不含不饱和碳碳双键，其他结构中含有不饱和碳碳键。

[实验探究]请大家分组实验验证，记录实验现象。

[学生实验]分组实验略。

[学生汇报]发现向苯中加入溴水，振荡静置，发现不褪色，溴进入了苯层;加入高锰酸钾，分层不褪色。得出结论：苯中不含碳碳双键。

[教师引导]基于以上分析和实验，你有什么结论？

[学生]（兴奋）我们觉得拉敦保格的立方烷结构正确，教材写错了（哄堂大笑）。

设计意图：基于学生视角借助已有知识，通过理论分析和实验验证，自主探究苯的结构。学生通过迁移甲烷结构的分析模型，又通过实验的手段，发现苯的结构为拉敦保格的棱晶烷结构似乎很合理，与学生预习教材的内容不相符合，用双重证据设置了认知冲突，激发学生兴趣，又有利于“结构观”的化学观念的形成。

（2）技术的力量：苯的结构最终的确定

[教师展示]关于苯的结构一直有新的理论，著名的还有阿姆斯特朗-拜耳的向心结构式、克拉斯的对位键结构式、悌勒的余键结构式等等。直到1935年英国科学家詹姆斯通过x射线衍射实验，发现了苯分子为平面正六边形结构，并测定了一系列的化学键的键长，苯的结构方才有了结果。詹姆斯测定的键长数据如表1所示。

同时，现代隧道扫描显微镜发现苯环的结构如图4所示。

[教师引导]基于上述科学事实，你现在觉得上述的结构哪一个正确？

[学生反思]好像都不正确，但是凯库勒的比较接近。

[理论补充]事实上，现代价键理论在凯库勒式的基础上，进一步认为，苯中碳原子之间的化学键是一种介于单键和双键之间的一种特殊的共价键，结构如图5。

6个碳原子和6个氢原子都在同一平面，键角为120°，表示方法为如图6所示。但是凯库勒的结构（如图7）因为具有重要的前瞻性，也继续沿用下来了。

设计意图：通过提供令人信服的现代科学证据解决认知冲突、修正模型，从而得到科学的结论，获得新知。在模型的形成过程中，传递正确的价值取向，即任何理想的模型要能够经得起检验，都要符合科学事实。科学研究探索从来都不是一帆风顺，其发展之路总是曲折而反复，同时技术的进步能够极大地促进科学研究的发展。

3.模型认知：探究苯的化学性质

[教师引导]既然苯的碳碳键是一种介于单键和双键之间的化学键，请你预测苯可能具有怎样的化学性质，并说出你的依据。

[学生推理]苯可能具有烷烃和烯烃的部分性質，但可能没有烷烃和烯烃活泼。

[教师追问]结合与溴的反应情况，说说你的推测依据是什么？

[学生]结合前面的实验现象：苯与溴水混合，只发生萃取，没有褪色，可见不容易起反应。

[教师引导]所以苯和溴发生取代反应，条件更为严苛。需要使用液溴，还要使用FeBr3作催化剂。

请大家回顾甲烷和氯气发生一取代的断键类型，写出苯与与液溴发生取代反应的方程式。

[小结]苯的化学性质总体表现出能取代，难加成的特点。

设计意图：在认识苯的结构的基础上，充分挖掘学生已有学习经验，体现旧有知识的迁移运用。分析苯的化学键的特点，通过模型迁移认知，预测解释苯的化学性质。同时基于化学键分析的方程式书写，也是提升学生符号表征能力的重要途径。

四、教后反思

建构主义是证据推理和模型认知的重要的学习理论基础，也是化学教育心理学的重要内容之一。学习的过程往往伴随着“建构一冲突一解构一建构”的闭环过程，任何模型都只是一个阶段性成果。事实上，学生在大学阶段的有机化学学习中会进一步发现，即便是基于中学学习经验的价键理论而形成苯的模型仍旧不完善，在共振理论模型学习的过程中再次修正原有模型而获得新知。然而通过重温苯的发现史，体验科学家的研究历程，是基于核心素养的化学教学的应有之义。