基于核心素养的进阶式学习——以乙酸乙酯制备实验为例

沈 艳

(安徽省宁国中学)

1 乙酸乙酯制备实验的学科价值

乙酸乙酯是有机化学中重要的有机物.查阅文献,有关乙酸乙酯实验制备的研究,多数都只关注实验改进,而忽略实验在建构有机物制备模型中的重要作用.《普通高中化学课程标准2017年版(2020年修订)》中关于有机物的制备涉及乙酸乙酯的制备、固体酒精的制备及皂化反应,只有乙酸乙酯的制备是唯一在必修、选择性必修和选修三类课程中都有教学要求或教学建议(见表1)的制备实验.以上教学要求和建议均体现在人教版三本教材中(见表2).可见,乙酸乙酯的制备实验在发展学生核心素养中的作用不容小觑,它充分体现了有机物制备的基本原理与方法,是学生建构有机物制备实验模型和发展学科核心素养的重要载体,教师有必要在教学中对其制备实验进行更有效的开发.

表1

表2

人民教育出版社周业虹指出:“学科核心素养的实验必须以知识教学为载体.教材是学生学习的重要文本,化学学科的核心素养内隐在教材内容中,教师要结合教学内容,根据学生的实际情况,为实现发展学科核心素养的目的创造性地开发和使用教材.”本文尝试在三阶课程中创造性地使用教材,在不同层级上落实核心素养的培养,既有进阶性又有连续性,突破有机物制备难点的教学.

2 乙酸乙酯制备实验三阶课程的教学设计

学科核心素养的培养,需要具体落实到教学过程中,笔者围绕每节课的核心任务,运用任务驱动式的教学方法,进行了教学设计和教学实践.让学生运用已有的知识和技能,在解决学习任务的活动中,达到知识内容的掌握和解决实际问题技能的提升.

2.1 必修课程教学设计——乙酸乙酯制备实验的模型认知

该阶段课程的重点在于运用化学反应速率的理论对乙酸乙酯反应条件的选择进行分析;根据教材提供的反应装置、拆解装置各部分的作用;对制备和分离液态有机物的实验流程和实验装置形成模型认知;分析实验操作并通过演示让学生熟悉;通过对实验现象的观察,发现实验设计的不完善之处,为选择性必修阶段学生学习做铺垫;最后通过教师提供的简化实验装置,让学生更安全地制备乙酸乙酯,体验创造的乐趣.

【课前任务】酒为何越存越香? 查阅资料,了解酿酒工艺中的窖藏原理,对酯化反应的特点进行归纳.

【知识技能】酯化反应的特点:反应慢、可逆、产物需提纯.

【设计意图】从学科视角对生活事实进行审视,激发学生学习动机,培养学生宏观辨识的科学素养.

【任务1】我们需要在短时间内制备出乙酸乙酯,运用理论指导如何选择实验条件.

【知识技能】运用反应速率理论解决如何提高乙酸乙酯制备反应的反应速率和转化率:①用无水乙醇、无水乙酸提高浓度;②加热;③使用催化剂.

【设计意图】乙酸乙酯的反应特点导致在制备时必须通过外界条件的改变影响其反应速率,以在短时间内制备出乙酸乙酯,旨在培养学生科学探究的核心素养.

【任务2】观察[实验7-6]的实验装置,由哪些仪器构成,装置的各部分起什么作用.

【知识技能】制备装置的构成;加热液体时试管口的朝向;加热混合液体时的防暴沸处理;导管的导气和冷凝作用;产物收集的防倒吸处理等.

【设计意图】在观察、讨论和引导中抽象归纳制备装置的模型,培养模型认知的能力.

【任务3】试剂分析:①试剂的添加顺序有一定要求吗? ②乙酸和乙醇的用量目的;③乙酸乙酯的收集为什么要用碳酸钠? 通过实验说明.

【知识技能】试剂添加顺序、乙醇过量的原因、碳酸钠收集的作用.

【设计意图】通过实验及教师提供的资料(乙酸乙酯的溶解度信息;乙醇、乙酸、乙酸乙酯的熔沸点及共沸物信息)进行实证研究,掌握实验技能,培养学生科学探究的核心素养.

【任务4】观察演示实验并记录实验现象及收集到的乙酸乙酯的体积.

【知识技能】碎瓷片的作用、导气管的回流作用、饱和碳酸钠的除杂作用.

【设计意图】通过观察实验形成更直观、更准确的认识,培养学生宏观辨识的核心素养.录制实验视频,为选择性必修课程做铺垫.

【任务5】总结归纳液态有机物制备实验的模型.根据模型利用教师提供的真空采血管等仪器设计微型减压蒸馏系统装置.

【知识技能】液态有机物制备操作模型:反应→分离收集产物→产物除杂.

液态有机物制备装置模型:反应装置→冷凝回流装置→收集装置.

【设计意图】在分析实验装置、实验操作、观察实验现象后,对液态有机物制备的模型进行归纳,培养学生模型认知的能力.

【任务6】学生实验:利用真空采血管设计的微型减压蒸馏系统装置,水浴加热制备收集乙酸乙酯.

【知识技能】乙酸乙酯制备的实验操作.

【设计意图】熟悉实验操作,通过制备乙酸乙酯触发学生的情感体验,当看到不互溶的酯层,闻到乙酸乙酯的香味时,学生会产生成就感,体验到科学创造的乐趣,从而培养学生的科学态度.

2.2 选择性必修课程教学设计——乙酸乙酯制备实验装置的改进和反应条件的优化

学生在必修课程中已经建立了乙酸乙酯实验制备的模型,在选择性必修阶段已经学习了化学平衡移动原理,所以该阶段课程的重点是从速率和平衡理论深入理解并依据理论改进实验.教学中首先根据平衡常数和必修课程中的实验数据进行计算,并和工业制备的产率对比引出主题;再分析讨论实验中提高反应速率和转化率的措施;通过实验现象,分析影响转化率的因素,讨论如何改进;根据学生的讨论,设计实验装置并选择反应条件进行实验,计算对比两次实验的产率;最后阅读资料,了解工业制备乙酸乙酯的进展.

(1)写出该反应的平衡常数表达式.

(2)以等物质的量的无水乙醇和冰醋酸为反应物,计算乙酸乙酯的平衡产率.

(3)实验室制备乙酸乙酯用2 mL 无水乙醇(约0.052mol)、3 mL 冰醋酸(约0.035 mol)混合的方法,若完全转化,可生成乙酸乙酯_________mL(保留2位有效数字).

(4)工业上酯化反应的产率最高可达98%,对此你有何想法?

【知识技能】化学平衡理论的应用.

【设计意图】应用化学平衡理论解决产率计算问题,引入本节课的主题,触发学生的好奇心,产生探究的动力.

【任务1】回顾总结、分析讨论[实验7-6]中有哪些措施可以提高反应速率和产量、产率.

【知识技能】加快反应速率的措施:加热、催化剂.提高产量、产率的措施:乙醇过量;过量浓硫酸吸水;空气冷凝回流;饱和碳酸钠收集减少酯的溶解损失.

【设计意图】运用化学反应速率理论和化学平衡理论解决实际问题,培养学生的变化观念与平衡思想以及证据推理与模型认知的核心素养.

【任务2】观看[实验7-6]的实验视频,观察实验现象,分析影响产率的因素.

【归纳总结】加热过程中的炭化现象——副反应影响转化率;碳酸钠液面上的导气管口出现大量白雾——冷凝不充分,有乙酸乙酯挥发.

【设计意图】引导学生细致观察,发现问题、分析问题,产生解决问题的动力,培养学生利用证据推理的科学态度和严谨务实的科学素养.

【任务3】改进实验,设计实验装置确定反应条件,并进行分组实验,对比实验的产率.

【知识技能】设计实验的能力、分水器的作用和用法、介绍分水器.

【设计意图】通过讨论得出,改变催化剂用量,改进回流装置、加热方式等可提高转化率.使学生认识到可以通过分离出产物水,进一步提高转化率,培养学生科学探究与创新意识的学科核心素养.

【任务4】阅读资料,了解工业上乙酸乙酯制备的研究进展,分析工业制备提高转化率的措施.

【知识技能】运用实验模型和反应原理分析、解决实际问题的能力.

【设计意图】了解乙酸乙酯制备的研究进展,培养模型认知的科学素养.在拓展阅读中升华本节课的主题,培养学生的创新意识和社会责任素养.

2.3 选修课程教学设计——乙酸乙酯制备实验反应条件的探究

选修课程是学生自主选择修习的课程,面向对化学学科有不同兴趣和不同需要的学生.因此,选修课程以学习兴趣小组为单位开展研究性学习.主要环节:教师提供课题方向→小组讨论确定研究课题→查阅资料→确定实验方案→教师审定方案→实验探究→撰写实验报告.下面以某研究小组的活动简要说明.

【参考课题】乙酸乙酯制备实验中催化剂的研究.

【研究课题】浓硫酸的浓度对酯化反应产率的影响.

【实验用品】无水乙醇、冰醋酸、浓硫酸、饱和碳酸钠溶液、大小试管、烧杯、导气管、量筒、酒精灯、铁架台等.

【实验过程】向4支试管中均加入3 mL 乙醇和2mL冰醋酸,再分别加入2 mL98%的浓硫酸、体积比(V浓H2SO4∶VH2O,余同)为3∶1的硫酸溶液、体积比为1∶1的硫酸溶液和体积比为1∶3 的硫酸溶液,加入碎瓷片,连接导气管,导气管末端通到装有3mL饱和碳酸钠溶液的量筒液面上方,用酒精灯小心加热试管至导气管末端无液滴落下,结束反应.将收集有酯层的量筒振荡、静置,读取酯层体积记录数据(如表3).

【实验结论】采用体积比为1∶1的硫酸溶液反应的副反应少,收集到的粗酯较多,时间较长;采用96%的浓硫酸溶液的反应耗时最短,收集到的粗酯最多,但副反应多;采用体积比为3∶1的硫酸溶液的反应收集到的粗酯与1∶1的相同,但耗时较少.综合来看,采用体积比为3∶1的硫酸溶液作催化剂,能够较好地满足课堂演示实验的要求.

【实验反思】本次实验探究仅对比了4 种浓度的硫酸对乙酸乙酯制备反应的催化效果.由于采用直接加热的方式,能直观看到有机物是否炭化,但不排除在收集到的粗酯中会混有其他副产物,鉴于实验条件的限制未进行进一步研究.浓硫酸的浓度一般在70%以上,而1∶1的硫酸浓度约为65%,从实验收集到的粗酯量来看,与3∶1的硫酸相同,说明浓硫酸在反应中的吸水作用对乙酸乙酯的产率影响不大,但对反应速率影响大.可以进一步探究催化剂种类对反应的影响.

3 实践中的感悟

3.1 任务驱动教学的“内功”

任务驱动式的教学方式,可以有效调动学生的学习积极性,面对问题和任务,学生会自主调动其所知、所学去解决问题.但新的知识和能力不会无中生有,只会在原有的知识结构上生长出来,所以任务设计需在学生的学习区内,这就要求教师要充分掌握学情,深入领会教学目标,设置阶梯式问题,任务推进过程中教师要始终关注学生的表现,及时引导,必要时给予支撑,让学生拾级而上,达到最终的教学目的.

3.2 积极情感体验的作用

在选择性必修课的教学中,当讨论到“蒸馏分离乙酸乙酯可以推动反应正向进行,但同时导致乙醇、乙酸共沸蒸馏,这又会降低原料的利用率”时,学生左右为难,感叹能不能有办法既分离产物又不蒸馏原料.借着学生提出的问题笔者接道:“是呀,要是有个方法既能分离产物又能保留原料就太好了,那分离什么产物呢?”有学生犹豫着说:“酯不行,那水呢? 可是怎么分呢?”正在山重水复疑无路之时,笔者拿出分水器,学生情不自禁赞叹如此简单却又精妙的仪器设计.

在学生了解工业乙酸乙酯制备进展后,笔者总结了一段话:“普普通通的乙酸乙酯的来源却并不简单,从远古的一片森林,到现代工业开采,提炼出的一滴原油,从裂解出的乙烯,再一步步转化成乙醇、乙醛、乙酸,最后化为一抹酯香飘送到我们的面前,这其中有自然的馈赠,也凝聚着无数人类的劳动和智慧.希望我们每个人在尽享现代物质文明的同时,敬畏我们得到和拥有的,让我们成为人类发展、进步的历史长河中的涓涓一滴,用我们的劳动和智慧为他人创造幸福.”这时,我们能看到学生眼中流露出的光芒.相信,这些课堂上积极的情绪体验会融入学生的价值观,形成积极的价值体验,在今后的学习过程中,学生能够更愉悦、更主动地探索.

(完)