基于学科大概念的高中有机化学教学研究

作者简介：宋玥（1991～），女，汉族，浙江宁波人，浙江省奉化中学，研究方向：教学设计，教学策略。

摘  要：在新课程改革不断深入的背景下，培养学生“化学学科核心素养”已经成为目前高中化学教学的核心任务与首要目标。新课程教学倡导和鼓励教师依据化学学科核心素养的内涵及发展水平，实施以学科大概念为核心的化学教学，促进学科核心素养的落实，培养学生应用化学知识解决实际问题的能力以及深度学习的素养。文章主要从高中有机化学模块的教学出发，分析论证了基于学科大概念的教学对高中生化学核心素养培养的积极影响，并以“乙醛的性质”为教学主题，进行了大概念引领下的教学实践研究，基于实践研究的结果提炼出了有机化学大概念教学在高中化学教学中的一些有效教学策略，为高中化学教师在未来实施大概念教学发挥一定的指导作用。

關键词：学科大概念；有机化学；教学策略

中图分类号：G633.8    文献标识码：A    文章编号：1673-8918（2024）08-0122-04

一、 研究背景

在当前教育事业不断改革与创新背景下，随着各学段新课标的相继出台，“大概念”“大观念”“课程内容结构化”等新名词走进了教师的视野。《普通高中化学课程标准（2017年版）》指出要重视学科大概念为核心，使课程内容结构化，以主题为引领，使课程内容情境化，促进学科核心素养的落实。那么何为大概念呢？根据国内外最新的相关教学研究表明，大概念的基本定义是能够将众多科学知识融为一体的科学学习的核心，是位于学科知识金字塔顶端的观念与思想。由此可见，大概念是一种能够统领和概括学科中各类小概念和知识内容的一种大的学科思想和观念，在大概念中必然包含认识某些知识或者说某个领域知识的认识思路和思维方法。对高中有机化学模块，能够统领我们认识有机化合物的这种核心思想就是“结构决定性质”，这种“大概念”在有机化学模块中所提供的认识思路与无机化学不同，是一种基于官能团与化学键结构对物质性质的分析与推理。

二、 教学主题内容分析

醛是有机化学中的重要化合物，在官能团的转化和有机合成中占有重要的核心地位，所以文章以“乙醛”为例，作为有机化学模块的大概念教学应用和研究范例，来论述大概念教学在有机化学教学中对学生核心素养发展的积极影响。在必修中，学生对醛的认识主要源于葡萄糖的学习，学生了解了与醛有关的一些性质和检验方法，但这种认识是感性的，并没有基于醛基对醛类物质进行系统、理性的学习，也不能从结构出发解释这些性质和实验现象。随着在选修有机化学的学习过程中，学生已经逐步理解了基于官能团和化学键的有机化合物性质的学习思想，在不同有机物的学习中持续建构着“结构决定性质”的大观念。在教学过程中，要充分发挥学生的学习自主性，最大限度地让学生依据其物质的结构特征，分析化学键类型，猜想预测其性质，让学生充分体会基于官能团和化学键的“结构决定性质”大概念引领下的有机物研究方法。对双键的不稳定性，学生已经十分熟悉，在教师的适当引导下碳碳双键的性质可以很好地迁移到碳氧双键的学习中，对学生并不困难。本节课的学生认识难点主要在于醛基中碳氢键的性质，即醛的氧化反应，这是学生需要建立的新认识，这就需要教师层层引导，从化学键的角度帮助学生建立认识。从醛基中碳氢键的极性出发，使学生体会到这个化学键的活性较烷基中的更强，容易发生化学反应，并巧妙利用动画模型等，使学生形象地认识和接受乙醛发生氧化反应的机理，从而能够从机理出发，顺利地学习后续乙醛的银镜反应以及与氢氧化铜的反应。作为《选择性必修3》模块中的课程，主要发展学生对有机化合物的组成、结构、性能等方面的认识，我们要在必修的基础上使学生的学习方式与思想方法得到全面的提升，能够系统地依据有机化合物的结构特征和化学键特征自主理论预测和分析其可能的性质，且能够设计或者实施合理的实验来验证自己的理论预测，有效地结合理论分析与实验分析，在学习有机化合物性质的过程中，充分地体验化学研究过程中理论与实验结合的思想研究方法，有效培养学生“宏观辨识与微观探析”与“证据推理与模型认知”的学科核心素养。并且在学习中充分地认识和体会有机化合物在人类生活和社会经济发展中的重要意义，建立科学的化学认识和化学态度，全面培养学生的科学素养。

三、 核心素养导向的大概念教学实施

（一）基于大概念的教学目标确定

第一，基于“结构决定性质”的核心思想，通过分析乙醛分子的结构和化学键特征，理论推理预测乙醛的化学性质，发展学生宏观辨识与微观探析结合的思维方法以及证据推理与模型认知的学科核心素养，建立学生基于官能团和化学键的有机化合物的学习方法与研究思想，构建有机物性质的认识模型。

第二，通过实验探究乙醛的多种氧化反应，掌握基本的实验技能和实验研究方法；并通过醛类氧化反应原理在生产生活和医学检测中的应用，使学生体会醛类学习的重要性所在以及有机化学在生活生产中的实践意义。

第三，利用醛类氧化反应的原理设计反应路径解决居室甲醛污染问题，发展学生应用化学知识解决生活实际问题的能力，培养学生深度思考问题的思维习惯，使学生感受化学知识在解决实际问题中的重要作用，并能端正对化学的认识，建立正确的价值观。

（二）教学任务与教学实施

任务一  探究乙醛的结构与组成

【教师活动】提供生活情境线索：①它被广泛地应用于木材加工、装饰业、纺织行业以及消毒领域，为我们的生活服务。②它是一种无色、有刺激性气味的气体，有着良好的水溶性。它的水溶液有个好听的名字，常常出现在生物实验室中。③但它的使用不当会为我们造成麻烦，甚至让我们感到恐惧，生活中的它变得似乎有点可怕。近年来，它被大家冠以居室第一“杀手”的名号。让学生依据线索猜测物质，激发学生的学习热情和学习兴趣。

【展示】介绍生活中一些常见的醛类物质——肉桂醛、苯甲醛、视黄醛、香草醛等，并展示其结构简式。

【学生活动】从生活经验和基础化学知识出发，依据线索推测有机化合物，体会醛类学习的重要性与必要性。通过观察不同醛类物质的分子结构，发现醛类物质的共性，由此从结构组成的角度得出醛的定义，并认识官能团“醛基”。

【问题引导】展示乙醛分子式以及核磁共振氢谱，让学生推理该物质可能的结构。

【学生活动】基于物质的分子式与核磁共振氢谱获取信息，提出该物质可能具有的分子结构。并通过观察乙醛分子结构模型，了解乙醛的空间构型。

设计意图：从学生熟悉的醛类物质——甲醛引入新课，激发学生的学习兴趣，使学生体会学习醛类知识的重要性和必要性，并为后续居室甲醛的净化问题解决做铺垫。通过展示生活中的醛类物质，从结构的角度来完成醛的定义。通过展示乙醛分子式与核磁共振氢谱，让学生推理确定乙醛的分子结构，有效发展学生“证据推理”的核心素养，也在推理探究的过程中体会有机物的基本研究方法和步骤。

任务二  基于大概念的乙醛性质探究

【驱动问题】①乙醛中有哪些化学键？②你认为其中的哪些化学键更加活泼？为什么？③这些化学键断裂可能会发生什么样的化学反应？

【学生互动】从微观化学键角度出发，依据乙醛的分子结构，推理乙醛可能具有的化学性质和可能发生的反应。在“结构决定性质”的大观念引领下，从“共价键的饱和性”“共价键的极性”以及“基团之间的相互影响”三个具体的认识角度出发，基于有机物分子的微观结构分析推理物质的性质。学生基于“共价键的饱和性”，推理出碳氧双键可能发生加成反应，基于“共价键的极性”在教师引导下可以得出醛基可能发生氧化反应。

设计意图：本环节是本次大概念教学的核心环节，充分体现基于“结构决定性质”的大概念引领下，从有机物的化学键结构分析推理陌生物质性质的学科思路与方法，不仅培养了学生的理论推理分析能力，也为学生基于结构认识有机化合物建立了的有效的思维模型，为学生认识和研究陌生有机物提供了具有学科意义的思维方法，充分培养了学生“宏观辨识与微观探析”以及“证据推理与模型认知”的核心素养。

任务三  实验探秘乙醛的性质

【教师引导】基于任务二的理论推理，结合学生的学习预测结果，通过动画展示和介绍乙醛与氧气的反应机理，并介绍该反应的工业应用——工业上一般用此方法来制乙酸（醛的催化氧化法制羧酸）。基于乙醛与氧气的反应，引导学生思考乙醛可能发生的其他氧化反应，并让学生选择合适的实验试剂验证猜想。

【实验任务探究】为学生提供合理的实验试剂与仪器，指导学生探究：①乙醛与高锰酸钾酸性溶液的反应；②乙醛与银氨溶液的反应；③乙醛与新制氢氧化铜悬浊液的反应。学生记录实验现象，结合反应机理推测反应产物，依据氧化还原反应的原理合理书写相关的化学方程式。

【生活应用】为学生介绍醛类的氧化反应在生产生活中的一些重要应用，如银镜反应的工业用途以及医学中检验糖尿病的应用。

【文献阅读】通过阅读文献，了解光触媒是如何去除居室中的甲醛，利用醛类的氧化反应机理，设计路径将甲醛转化成无毒无害的二氧化碳气体，实现知识的应用与迁移，体会化学在生产生活中的重要作用，感叹化学学科为人类造福。

设计意图：通过动画技术使学生生动形象地认识乙醛氧化反应的机理，为后续学习打下坚实的基础。通过学生小组实验的形式，探究乙醛的氧化反应，发挥学生的学习自主性，使学生充分参与课堂教学，感受理论探究与实验探究并重的有机化学研究方法。利用氧化还原反应的知识帮助学生书写配平方程式，培养学生的知识应用能力和知识迁移能力。充分联系生活实际，使学生感受化学与生活的紧密关联，树立正确的化学认识。

任务四  基于大概念学习乙醛的加成反应

【学生任务】基于“结构决定性质”的观念，适当地应用类比的思维方法，从化学键的角度出发自主分析乙醛与氢气、氰化氢反应的反应机理，书写相关的化学方程式。通过乙醛与氰化氢的反应问题，升华学生对基于化学键分析有机物性质的认识。

【引导式提问】从氧化与还原的角度来看，乙醛与氢气的加成还可以看作是什么反应？从氧化、还原的角度再次认识乙醛的加成反应，培养多角度看问题的思维能力。归纳知识体系，再次体会乙醛的重要性质——还原性和氧化性。

设计意图：“结构决定性质”大概念的研究思路建立后，让学生应用这种认知思路自主解决问题，通过分析化学键的饱和性推理分析乙醛与氢气的反应，并进一步深度思考，从键的极性和元素电负性分析更加复杂的乙醛与氰化氢加成反应。通过对两个问题任务的解决，锻炼学生的知识应用能力，并进一步加深学生对“结构决定性质”这种化学观念在有机化合物性质研究中的认识。

四、 教学效果与反思

将基于學科大概念的教学应用于课堂实践，实施效果良好，通过课后访谈及问卷调查得知，学生对醛类的认识较为系统，能够自主地从其结构出发分析其化学性质，理解“结构决定性质”在有机物性质探究中的学科含义。并表示自己在理解知识内容的基础上也获得了自身实验技能和实验探究能力的提升。本次教学实施通过生活中常见的醛类让学生感受醛类对生活的影响，激发学生学习了解醛类的愿望，并且从结构的角度解析了醛的定义。对乙醛的学习，首先让学生基于“结构决定性质”学科大概念，从化学键角度，理论探究乙醛可能具有的化学性质。这也是本节课的重点所在，学生需要调动相关的知识体系，如化学键的饱和性、化学键的极性等去判断和探究乙醛结构中可能发生化学反应的部分，进而推断其化学性质。在本环节，学生能够很好地进行小组探究，并且可以从多个角度阐释自己的观点，从学生的讨论和发言中教师也能够很好地判断学生的学习情况和认识角度，并且从中完善学生的认识，从微观的角度解释化学键的稳定性。在这个过程中，学生充分地感受“结构决定性质”在有机化学中的意义。实验探究环节，学生的积极性很高，对反应的现象观察得也很仔细，但是银镜反应的成功率并不是很高，仅有60%的小组成功，失败的小组则通过反思交流和课堂发言总结了自己在实验过程中可能的失误，这样的反思会使学生对实验的操作要点记忆更加深刻。

整个教学实施过程基于学科核心大概念，从理论探究到实验探究以及后来的生活应用，全方位、立体地学习了醛类的性质，并且从整个学习的过程中体验了理论探究、实验探究的科学过程与科学探究方法，深刻理解了“结构决定性质”在有机化学学习中的含义，落实了学生“宏观辨识与微观探析”与“模型认知与证据推理”学科核心素养的培养。

五、 教学策略总结

（一）重视基于大概念的理论探究，培养学生“证据推理与模型认知”核心素养

基于大概念的教学，是希望学生能够基于学科核心思想，建立认识思路和认识模型，并能够将这种认识模型应用于同类型或者同领域问题的解决中，实现知识的系统化和结构化认识。教学的核心环节，在于让学生从微观化学键的角度，在“结构决定性质”思想的引领下进行理论探究。在教学的过程中，我们的目标不仅是让学生掌握相应的知识内容，而且是培养和发展学生对有机物的研究方法和研究思路，能够让学生主动地从有机物的结构入手，分析和探索其性质，深刻地体会有机化学中“结构决定性质”的观念思想。所以基于大概念教学的重点就落在了理论探究的环节上，可以说这个环节是该教学的一个非常重要的部分。理论探究的过程与结果基本上决定了本节课学生思维的建构，学生顺着自己的理论预测，顺理成章地会在后面的环节中在教师的简单引导下设计实验验证自己的理论预测，而且对乙醛性质的学习也会有了一个整体的认识。

（二）合理设计实验探究任务，让学生体会理论与实验并重的化学学科思想

学生通过理论推理得出了乙醛可能发生的化学反应，但是这些理论预期是否正确无误，还需要利用相关的实验证据或事实证据支持理论猜想。如何设计合理的实验验证学生的猜想，需要教师能够引导学生的思路，比如，如何选择合适的氧化剂验证乙醛的还原性。在实验探究中应该充分调动学生学习的积极性，让学生成为课堂的主人，从理论探究到实验探究，让学生体会化学学科理论与实验并重的学科思想。

（三）关注知识在生活生产中的应用，培养学生真实问题解决的能力

教学实践中，需要尽可能多地为学生提供真实情境素材，让学生感受化学知识在生产生活中的应用，并且体验应用知识解决真实问题的过程。例如，在本次教学中，我们创设了“工业镀银”“糖尿病检测”“居室除甲醛”等生活生产情境，关注知识的应用与迁移，更加注重培养学生应用知识解决实际问题的能力。比如，如何应用醛的性质，设计路径解决居室的甲醛污染问题，在这个过程中学生不仅应用已有知识解决了复杂真实问题，也完成了对醛类氧化反应的深度认识，并且油然而生一种对化学学习的欣赏与赞美，深刻地感受化学知识在生产生活中的重要作用。

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