基于化学学科理解的单元整体教学

叶秋耀 熊均

摘要：基于化学学科理解，选取“认识有机化合物”为主题，设计本原问题，立足学习进阶，使学生的知识与认识思路结构化，发展学生的化学观念与思维方法。

关键词：学科理解;价键特点;有机物;教学建议

文章编号：1008-0546（2022）10x-0031-03中图分类号：G632.41文献标识码：B

一、问题的提出

1.研究背景

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）指出，教师应开展“素养为本”的课堂教学，以学科大概念为核心，增进化学学科理解。[1]化学学科理解是教师对化学学科知识及其思维方式和方法的一种本原性、结构化的认识。本原性要求教师应多从学生认知情况、本学科与跨学科的视角进行设计思考;结构化则需要理清大概念、核心概念与基本概念的关系。

目前，我国关于化学学科理解的研究仍处于前期阶段，产生的研究成果虽然质量较高，但数量有限，且不成系统，内容形式大多是深入解读，或者一个课时的教学设计，几乎没有以单元整体教学形式呈现的研究文章。[2-4]

2.本原问题的选取

基于学科理解，“认识有机化合物”主题主要立足于两大本原问题：

（1）为什么碳元素会成为种类繁多的有机物的“主角”？

（2）我们应该用什么样的视角去认识这些“性质各异”的有机物？

以核心知识为载体，从宏观与微观视角，构建认识视角的思路（见表1）：

综上分析，本主题为2个课时：

第1课时如何理解碳元素是有机物的主角

第2课时如何认识最简单的有机物的性质二、教与学分析

1.教材对比分析

对比人教版和鲁科版新教材《化学必修第二册》，在大单元的设计上，人教版以“认识有机物→有机物与社会→有机物与生活→有机物与生命”为线，从宏观的社会应用到微观的生命个体，逐层深入;鲁科版则以“认识有机物→获取有机物→有机物的价值”为线，凸显学科的育人价值。可以看出，两个版本的新教材都将建构有机物的认知模型放在首节，体现了课程标准“素养为本，大概念为核心，增进学科理解”的要求。但在“认识有机物”的细节呈现上，两者的側重点又有所区别。

人教版以“碳原子的成键特点→烷烃的结构→烷烃的性质”为线，通过碳原子的成键特点探究，展示有机物分子的价键多样性;通过烷烃的结构探究，展示有机物分子立体构的型多样性;通过对甲烷的性质探究，建构研究有机物性质的认知模型。鲁科版以“有机物的一般性质→碳原子的成键特点→有机物的分子结构”为线，在例证选择上，并不局限于烃类，而是基于社会与生活，引入更多新型的重要有机物，如聚苯板分子器件等。对比可知，鲁科版教材更注重学科价值引领，素养导向，但对学生的学习能力要求更高;人教版教材则需师生共同挖掘其中的价值线，在培养学生学科思维的过程中，也注重必备知识的选取及呈现次序，学生在学习的过程中能够有山可依，有迹可循。

2.学情分析

学生已有认知：在初中阶段，基于生活经验认识了有机物的多样性及用途，并了解简单的有机物，如甲烷、乙醇等。经过常见无机物性质及其转化等主题的学习后，学生已初步认识“结构决定性质，性质决定用途”的学科大概念，能够从原子结构、原子半径、键能数据、物质分类等角度预测新物质的化学性质及用途。

学生认知障碍点：碳元素能成为种类繁多的有机物骨架元素的本质原因;基于CH4的分子结构，类比无机物的性质，预测CH4的性质。

学生认知发展点：有机物多样性及其性质的结构化认识视角。

3.素养功能定位（见表2）

三、学习目标与评价目标

1.通过与硼、氮和硅原子的比较，诊断并发展学生对碳原子成键的价键特征的认识水平（视角水平、系统水平）。

2.通过化学史和实验事实，发展学生对碳的四面体学说及其价值的认识水平（学科价值视角、社会价值视角）。

3.通过对碳原子连接方式的探究，诊断并发展学生对有机物分子的骨架特征的认识水平（孤立水平、系统水平）。

4.通过对甲烷性质的实验探究，诊断并发展学生对甲烷稳定性和取代反应特征的结构化水平（视角水平、内涵水平）。

四、教学实施

第1课时：如何理解碳元素是有机物的主角

环节一：如何认识碳原子成键的价键特征？

[情境]元素周期表中目前发现了118种元素，它们形成了上亿种化合物，且90%以上都是有机化合物。

[问题]1.为何C原子比同周期的B、N原子能形成更多的化合物？

2.为何C原子比同主族的Si原子能形成更多的化合物？

[教师]提供化学键的键能数据（见表3），引导学生从宏观的键能数据视角，以及微观的原子价键结构视角，进行分析。

[学生]分析B、C、N的原子结构，并对比C-C键、C-H键、Si-Si键、Si-H键的键能大小，归纳结论。

环节二：如何认识碳原子的空间特征？

[情境]对于CH4的分子结构，历史上凯库勒曾认为是平面分子，而他的学生范特霍夫却认为是正四面体形。

[问题]电子衍射仪测得CH4分子中的4个C-H键键长、键角、键能完全相等，且CH2Cl2分子只有一种结构，请分析CH4的分子构型？

[学生]基于化学史实以及CH2Cl2的结构情况，分别从平面分子，以及四面体分子的视角搭建CH2Cl2的球棍模型，分析对比，印证CH4的分子构型。

环节三：如何认识有机物的骨架特征？

[情境]人教版《高中化学必修第二册》第61页“思考与讨论”板块。

[问题]1.结合四个碳原子相互结合的几种方式，分析以碳原子为骨架的有机物种类繁多的原因？

2.尝试制作C3H6分子的球棍模型，能得到多少种结构的有机物分子？

[教师]引导学生从碳骨架的连接视角与空间视角，分析归纳有机物种类繁多的原因：碳原子价键方式的多样性、三维立体比二维平面的空间多样性，总结碳原子是有机物主角的原因。从价键类型和碳骨架类型视角，引出烷烃、同系物、同分异构体的概念。

[学生]分析思考，制作C3H6分子的球棍模型，体验碳原子的价键特征，以及有机物的骨架特征。

第2课时：如何认识最简单的有机物——CH4

环节一：如何基于结构视角认识CH4是最简单的有机物？

[情境]人教版《高中化学必修第二册》第62页“CH4的分子结构示意图、球棍模型、空间填充模型”与“思考与讨论”板块。

[问题]为何CH4被称为最简单的有机物？

[教师]引导学生对比C2H6、C3H8、C4H10的分子结构模型，从CH4组成元素的简单性、空间结构的唯一性、成键方式的单一性进行分析。

[学生]思考分析，得到结论：CH4的组成元素只有两种，空间结构和化学键类型都只有一种，因此是最简单的有机物。

环节二：如何认识CH4分子的稳定性？

[情境]從无机物性质的认识视角进行联想。

1.物质类别视角：类比气态氢化物，如HCl、NH3，具体酸性气体或碱性气体的通性;

2.氧化还原反应视角：C元素-4价，具有还原性。

[问题]预测CH4可能具有的化学性质，并设计实验证明。

[教师]提供必要的试剂与仪器：瓶装CH4气体、稀硫酸、NaOH溶液、酸性KMnO4溶液、溴水、酚酞试剂、胶头滴管、点滴板等。

[学生]基于无机物性质的认识视角，提出猜测，并进行实验验证。

环节三：如何认识CH4与Cl2反应的特征？

[情境]视频素材：①CH4在氧气中的燃烧;②CH4在光照条件下与Cl2发生取代反应。

[问题]①CH4在常温不与酸性KMnO4溶液等强氧化剂反应，却能与O2、Cl2反应，说明了什么？②如何认识CH4与Cl2反应的特征？

[教师]提供CH4的四种氯代物的物理性质（见表4）。

[学生]讨论分析问题1，归纳结论：有机物的稳定性是相对的，需要考虑反应条件。根据实验现象分析问题2，预测CH4与Cl2的反应产物，以及反应的类型特点。总结CH4的性质，以及有机物的常见反应类型。

五、教学建议

1.教师需改变教学观念，将教学重点从知识建构转为思维建构

对比旧版本的人教版《高中化学必修二》，不难看出，在内容选取与编排上，新教材“有机化合物”单元作出了较大的调整。旧教材第1节以“最简单的有机物——甲烷”为例，基于物质视角，认识甲烷的分子结构与物理、化学性质，再推广至认识烷烃的结构与性质，侧重知识先行。多年来的教学实践表明，这种教学模式对学生的思维发展是有限度的，学生获得的是碎片化知识，没有拓展迁移能力。学生知道甲烷的四面体构型，却未能预测丙烷分子中碳原子是否共平面。新教材第1节将“碳原子的成键特点”放在最前，基于碳原子的价键多样性及饱和碳的四面体骨架，认识烷烃的结构与性质，再以甲烷为例进行辅证，凸显了思维建构先行。因此，教师在教学设计的过程中，需多思考知识为载体的背后更应发展学生的哪些思维能力、学科素养与核心价值。

2.基于学科理解，理清学生已有认识视角，创设问题情境，关注学生的表现性。

进入“常见有机物的性质及其转化”的主题学习后，学生需面对一个几乎全新的学习领域，但他们研究问题的视角却仍停留在“常见无机物的性质及其转化”上。如何基于学生的已有认知视角，平稳地建构认识有机物性质的结构化新视角，是学科理解的内涵要求，也决定了学科素养能否真正落地。向学生重现无机物性质的认识视角，让其提出猜测并验证，可有效引起学生的认知冲突，如 CH4在 组成上与 HCl、NH3相似，却不与强酸、强碱溶液反应，碳元素-4 价，在常温下却不能被酸性 KMnO4溶 液、溴水等强氧化剂氧化。通过探究，让学生体会到有机物不同于无机物的特征，认识到研究的视角需要改变。

在CH4的性质建构上，创设了两个问题情境。通过问题 1“CH4在常温不与酸性 KMnO4溶液等强氧化剂反应，为何却能与O2、Cl2反应？”让学生认识有机物反应的复杂性，及反应条件的重要性，辩证看待有机物的稳定性。通过问题2“如何认识CH4与Cl2的反应特征？”建构学生从宏观的物质类别视角、反应类型视角，以及微观的化学键视角、官能团视角，认识有机物的性质。

特别指出的是，实际教学中，总有部分学生会简单认为产物是CCl4与H2，究其原因，是在初中的学习过程中，没有真正理解知识，面对新问题时，直接简单套用原子守恒进行分析。对该类学生，应尽可能创设简单问题情境，让他们在问题解决中寻获信心与乐趣，从而主动学习并理解知识。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]王伟，王后雄.高中化学课标中学科理解的标准建构研究[J].课程·教材·教法，2020，40（10）：97-104.

[3]胡先锦.基于问题解决指向学科理解[J].化学教学.2021（03）：34-37.

[4]张笑言，郑长龙.基于学科理解的学习任务设计策略[J].化学教育，2021（42）：41-44.