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重整教学主题 挖掘教学素材 培养科学精神

作者:卢晓平 更新时间:2017-5-2 9:26:52

 摘要:基于科学精神培养的视角,从“烃”的整体教学规划出发,进行教学主题内容重整,将“烃”的教学重整为4个主题内容。并以第4个主题中的第一部分内容“苯的结构与性质”教学为例,分析了本节课的教学素材的挖掘与前3个主题的前期教学准备的关系以及这些素材的作用。在此基础上,利用化学史、科学实验、仪器分析、科学理论等多种教学素材创设了系列问题情境,设计了“苯的结构与性质”教学过程。最后,对如何进行整体教学规划、挖掘教学素材、培养科学精神进行反思。 
  关键词:教学主题;教学素材;科学精神;苯的结构与性质 
  文章编号:1005–6629(2017)3–0058–06 中图分类号:G633.8 文献标识码:B 
  1 问题的提出 
  随着《中国学生发展核心素养》研究成果的发布,全社会对核心素养的讨论再次升温,如何在教育教学中实现核心素养的培养更是受到教育工作者的密切关注。科学精神作为学生发展核心素养的六大综合表现之一,包括理性思维、批判质疑、勇于探究3个基本要点,其具体描述见表1[1]。  
  从上述主要表现描述来看,科学精神的培养必然应基于具体的化学课堂教学予以落实:在具体情境中,激发学生的好奇心和想象力;从化学史入手,通过科学家探索真理过程中不畏艰辛的意志、严谨求实的态度、敢于质疑的精神感染学生,使学生产生情感共鸣,形成相应的科学态度和科学精神;在科学探究的过程中,了解科学探究的基本程序,欣赏并体验探究的艰辛和成功的喜悦,锻炼思考、判断能力,理解和掌握基本的科学原理和方法,逐步养成敢于质疑、严谨求实、乐于实践、善于合作、勇于创新等良好的科学品质。要做到这一切的前提条件之一就是要把握住整体教学规划、设定具体的教学内容主题,深入挖掘教学素材,创设问题情境,从而推动科学精神的培养。下面,以“苯的结构与性质”教学为例,就如何设定教学内容主题,挖掘教学素材,培养科学精神作探索。 
  2 基于科学精神培养的“苯的结构与性质”教学案例分析 
  2.1 设计思路 
  “苯的结构与性质”一课是在学生学习掌握了烷烃、烯烃、炔烃的知识内容,对脂肪烃的组成、结构与性质关系有了初步了解基础上,进入有别于脂肪烃的另外一类有机物——芳香烃的学习。“苯的结构与性质”作为芳香烃学习的起点,前承脂肪烃,后启芳香烃,构成有机物知识网络的重要一环。 
  本课授课对象为高一学生,根据笔者所在学校高一学生实际情况,设计中打破苏教版高中《化学2》教材限制,整合选修模块《有机化学基础》内容要求,对教材进行二次开发,从苯的发现史入手,设置问题情境,组成问题链,环环相扣,步步深入,设计了导课、苯分子式的测定、苯分子结构的推测与验证、科学家对苯的性质与结构的研究、得出结论这5个教学环节确定苯的分子结构。教学过程中,循序渐进地实现多种教学素材的应用,充分利用化学史、科学实验、仪器分析、科学理论等多角度证据论证苯的分子结构。通过设置探究苯的分子式、苯的分子结构等问题情境启发学生的好奇心和想象力,以科学实验重现的方式计算出苯的分子式、利用现代信息技术通过互动任务激发学生大胆猜测苯分子结构、把握学生对苯分子的高不饱和度与其化学性质的认知冲突,积极寻求苯分子结构的论证手段,从而引发学生的实证意识和严谨的求知态度,引导学生认识科学本质,发展学生的批判意识与创新精神。 
  2.2 “烃”教学主题重整和教学素材的挖掘 
  为了充分说明苯的结构,本节课使用的素材立足科学研究实际,结合化学史料、仪器分析结果以及现代价键理论力求从多角度挖掘教学素材[2~5],论证苯的结构。大部分素材内容的使用需进行前期教学准备,故由“烃”的整体教学规划出发,进行教学主题内容重整,共分为4个主题,由浅入深、逐步深入、注重教学内容的前后衔接以及对学生素养和要求的逐步推进,下面列出了各主题中前后相关的教学内容(见图1)。 
  上述教學主题的内容设计,从有机物研究的基本程序出发,确立有机物分子式的确定、有机物的同分异构体的书写、有机物结构与性质的关系、有机分子结构的仪器分析与应用等4个主要教学内容,这4个教学内容在4个主题中重复出现,旨在使学生认同有机物研究的基本程序并逐步加深应用:随着知识的积累和教学的深入,教学实施过程中通常设置为初次介绍时教师讲授、再次使用时教师引导下的学生探究和使用,直至最后实现学生的自主探究和综合应用。本节课“苯的结构与性质”是主题4第一部分内容,其教学的实施基于前3个主题的教学准备下进行,本节课的教学素材的挖掘与前3个主题的前期教学准备的关系以及这些素材的作用见表2。 
  2.3 教学设计及过程分析 
  2.3.1 教学环节1——导课:从苯的发现史切入,了解科学发现的基本过程,建立苯分子组成的第一印象 
  [教师]播放视频:苯的发现。思考并讨论以下问题: 
  (1)“苯的发现”给你什么启示,你认为开启科学发现的驱动力是什么? 
  (2)法拉第为什么把苯称作“氢的重碳化合物”,如何通过实验证实并推测实验现象?
  [学生]讨论、回答。 
  [教师]演示:苯在空气中的燃烧。 
  设计思路分析:视频资料“苯的发现”有以下几个方面的作用:一是吸引学生的注意力,提高学习兴趣;二是通过了解苯的发现史,使学生对科学发现的基本过程有一个初步的了解,理解开启科学发现需要有好奇心的驱动;三是以“氢的重碳化合物”作为切入口,进行简单的分析和实验,使学生建立苯分子中含碳量高的第一印象,为下一个教学环节做好铺垫。 2.3.2 教学环节2——苯分子式的确定:巧设情境,还原燃烧法测定有机物分子式的实验过程,促进学生树立严谨的科学态度 
  [教师]如果你是当时研究苯的化学家,如何设计实验测定苯的分子式呢?(已知苯分子中只含有C、H兩种元素)简要描述你所使用的实验装置和原理。 
  [学生]讨论、回答。 
  [教师]互动任务1:利用下面提供的实验装置,测定苯的实验式,写出装置的连接顺序。  
  [学生]思考、答题、提交。 
  [教师]互动任务2:已知同温同压下,苯蒸汽对氢气的相对密度为39,根据以下实验数据,写出计算苯的分子式。  
  [学生]思考、答题、提交。 
  设计思路分析:通过角色设定“如果你是当时研究苯的科学家”,将课堂带入到19世纪科学家研究苯的分子式的情境中,引导学生自主提出苯分子式的测定方法,并通过两个互动任务确定苯的分子式,引发学生的课堂主体意识和学习积极性,通过具体的装置和数据,重现当时苯分子式的测定过程,使学生建立科学知识或结论的得出必须经过科学实验或其他证据论证,促进学生树立严谨的科学态度。 
  2.3.3 教学环节3——苯分子结构的推测:创设发散式问题情境,激发对话和想象力,引发课堂教学高潮 
  [教师]随着苯分子式的确定,科学家们对苯的结构进行诸多推测。 
  互动任务3:请你根据苯的分子式,利用不饱和度合理猜想苯分子的结构(链状、环状、立体)。写出至少三种假设。 
  [学生]思考、答题、提交。学生推测的苯分子结构包括:  
  设计思路分析:在设计苯的结构推测的互动任务时,没有将学生的思维限定在固有的框架中,从学生现有的知识水平层面引导其利用不饱和度的概念,大胆推测符合苯的分子式的所有可能结构(包含链状、环状、立体结构),培养学生的创造性思维;同时借助校园网内的教师端与学生端的互动优势,促进师生与生生对话,提高课堂时效,将课堂教学推向高潮。 
  2.3.4 教学环节4——苯分子结构的论证:在认知冲突中,激起学生的求知热情,求助科学家的研究,引导思考、反复论证,逐步揭示苯的真实结构,建立科学结论通过多角度论证的实证意识 
  [教师]以上推测出的苯分子结构,一类含有双键、叁键等不饱和键,一类不含不饱和键,应如何区分呢? 
  [学生]回答。 
  [教师]演示:苯与溴水反应、苯与酸性高锰酸钾溶液反应。 
  [学生]得出苯分子中不含不饱和键。 
  [教师]设问:那么苯的分子结构到底是怎样的呢?为什么它的不饱和度很高,但却没有普通不饱和烃的性质呢? 
  论证1:溴苯只有一种结构,说明苯分子中的6个氢是等效的。苯的1H核磁共振谱图证实以上结论。 
  论证2:凯库勒式的提出,证实溴苯只有一种结构,但无法说明邻二溴苯只有一种结构,因此凯库勒式不能反映苯的真实结构。 
  论证3:1930年代,科学家提出苯分子中存在一种特殊的共价键——离域π键(视频观看),解释了苯结构与性质的特殊性,因此苯的分子结构可表示为 。 
  论证4:经X射线晶体衍射测定的苯的晶体结构图证实苯分子是平面正六边形结构,其中的六个C-C等长,键长介于单键与双键之间。 
  设计思路分析:分析学生推测的苯的分子结构,引导其自主提出实验,证实苯分子中不存在不饱和键,这与苯分子的高不饱和度组成形成了强烈的反差。这种认知冲突激起学生的求知欲和好奇心,但凭借其现有的认知水平又无法解决当前的问题,利用这一有效时机引导学生求助于科学家的研究结果,多角度论证,环环相扣、层层递进,逐步揭示苯分子的真实结构。在此过程中使学生体会到科学研究中敢于质疑、善于假设、不断检验的科学精神,了解现代仪器技术的发展对科学研究的重要性,形成从多个角度考查问题的实证意识。 
  2.3.5 教学环节5——课堂总结:水到渠成、得出结论,对苯分子的结构形成系统的认识 
  [教师]总结:苯的分子式为C6H6,苯的结构可以表示为: ,也可以表示为 ,苯分子是平面正六边形结构,六个碳碳键键长相等,介于单键与双键之间,碳原子间存在一种特殊的共价键——离域π键。 
  设计思路分析:在层层深入、多方论证的基础上,最终得出苯分子的真实结构,适时进行总结,不仅使课的结构更为完整,也使学生对苯分子的结构有一个清晰的、系统的认识,为后面苯的性质的教学构建坚实的基础。 
  3 结论与启示 
  科学精神的培养教育是一个大工程,应该从幼儿教育开始,延续至基础教育、高等教育阶段,实现科学精神培养由初级到高级的逐层累加效应。具体问题情境下提供的科学实践背景、丰富多元的教学素材以及整体教学规划思路为科学精神的培养提供了肥沃的土壤。 
  3.1 科学精神需要在具体的科学实践体悟过程中逐步培养 
  科学精神不是一朝一夕可以培养形成的,这是一个潜移默化的过程。科学精神无法通过教师的刻意说教得以发展,而是在具体的科学实践体悟过程中,通过具体问题情境的创设,提供大胆质疑、合理假设、实验求证、结果分析、推理论证的契机,自发地引起好奇心、激发想象力,引发合作、思考与判断,进而锻炼逻辑思维能力,形成严谨求实的科学态度和坚持不懈的科学精神。 
  3.2 丰富多元的教学素材为科学精神的培养提供有力支撑 
  通过化学史、科学实验、现代仪器分析和科学理论等多元化的教学素材,从不同的角度切入创造科学精神养成的教学情境,为科学精神的培养提供有力支撑。化学史的使用旨在唤起学生对科学家研究过程中体现的严谨求实、坚持不懈的科学精神的认同感,以及了解在科学研究过程中使用的科学方法,促进学生科学思维的锻炼和科学方法的掌握;科学实验为学生的科学探究提供了最有效的学习动力,有效地实现激发学习兴趣和学习热情的目的;现代仪器分析的素材应用则为学生提供了联系现实世界、了解科学研究实际的窗口,实现书本与现实世界的有效衔接。 
  3.3 整体教学规划是科学精神培养的有效教学组织形式 
  在深化课程改革,注重核心素养的新环境下,教学的组织和设计应该从如何提高学生的核心素养出发,而非如何掌握具体科学知识的角度出发,从能催生出学生的问题意识、实证意识、创新意识的逻辑相关的、层层递进的系列教学主题内容出发,进行整体教学规划实现学生核心素养的逐步养成。整体教学规划是科学精神以及其他素养培养的有效教学组织形式之一。 
  参考文献: 
  [1]中华人民共和国教育部制定.中国学生发展核心素养基本要点 [EB/OL]. http://www.jyb.cn/basc/sd/201609/ t20160914_673105.html,2016-09-14/2016-09-27.