從科學(xué)認(rèn)識(shí)的角度看化學(xué)教學(xué)

從科學(xué)認(rèn)識(shí)的角度看化學(xué)教學(xué)中國(guó)化學(xué)會(huì)30屆學(xué)術(shù)年會(huì)·大連理工大學(xué)2016.7.3

不能不感嘆我們生活在這樣的時(shí)代，科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展已經(jīng)拓展人們的生活空間，也強(qiáng)烈地影響著人們的生活方式。

社會(huì)的發(fā)展有些是屬于全人類的：電子信息技術(shù)、空間技術(shù)、醫(yī)療技術(shù)、能源技術(shù)等有些是具有我們國(guó)家特色的：公路、橋梁、鐵路所共同構(gòu)成的交通網(wǎng)絡(luò)，生活和交流空間的擴(kuò)大（網(wǎng)絡(luò)和旅游）等

社會(huì)發(fā)展引發(fā)對(duì)化學(xué)教學(xué)的反思

隨著社會(huì)的發(fā)展，傳統(tǒng)的化學(xué)教學(xué)內(nèi)容在未來(lái)社會(huì)生活中能夠發(fā)揮作用的知識(shí)所占比重也就越來(lái)越小。

這種巨大的落差，促使人們反思化學(xué)教學(xué)的意義和價(jià)值。教學(xué)中的困惑與思考遺忘與理解教學(xué)策略與知識(shí)體系系統(tǒng)化認(rèn)知與碎片化突破認(rèn)識(shí)的相對(duì)性與知識(shí)的科學(xué)性我們的遺憾把科研當(dāng)成快樂(lè)的游戲-安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫—賦予化學(xué)知識(shí)真正的物理意義

反思的力量石墨與多聚乙炔苯石墨金剛石碳納米管稠合轉(zhuǎn)化卷曲物質(zhì)的內(nèi)在的統(tǒng)一性1996年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)2000年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)2010年諾貝爾物理獎(jiǎng)“1906年”教學(xué)案例1努力創(chuàng)造機(jī)會(huì)，使學(xué)生能夠理解相關(guān)概念的內(nèi)涵?！段镔|(zhì)的量》?；邘r中的金色氣泡-放大20倍氨綸纖維束-放大25倍硫酸鎂溶液中的結(jié)晶體-放大50倍量子原子團(tuán)納米晶體-放大了200倍。用掃描隧道顯微鏡（STM）觀察到的晶體硅的表面掃描探針顯微鏡（SPM）還可實(shí)現(xiàn)對(duì)原子、分子的操縱。上圖為在Pt的表面用28個(gè)CO分子構(gòu)建的5000pm高的小人

美國(guó)波士頓大學(xué)的化學(xué)家制備出世界上最小的馬達(dá)，該分子馬達(dá)由78個(gè)原子構(gòu)成物質(zhì)的量

認(rèn)識(shí)原子的另一種思路2H2+O2==2H2O微觀角度宏觀角度2個(gè)H2分子1個(gè)O2分子2個(gè)H2O分子NNN1g4g32g36g2g16g18g可稱量的物理量?質(zhì)量？分子數(shù)之比2:1:28g9gC12g1摩爾(mol)

相對(duì)原子質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)

以任一原子質(zhì)量與12C質(zhì)量的1/12的比值，即為該原子的相對(duì)原子質(zhì)量。H1C12N14O16F19Na23Al27S32…H1gC12gN14gO16gF19gNa23gAl27gS32g…NNA集合體物質(zhì)的量(n)：摩爾是物質(zhì)的量的單位，每摩爾物質(zhì)含阿伏伽德羅常數(shù)個(gè)微粒。阿伏加德羅常數(shù)NA，單位：mol-1

1molH原子的質(zhì)量為1molO原子的質(zhì)量為1molS原子的質(zhì)量為1molCl原子的質(zhì)量為1molNa原子的質(zhì)量為1molMg原子的質(zhì)量為類比與推理1g16g32g35.5g23g24g1molH+離子的質(zhì)量為1molNa+離子的質(zhì)量為1molS2-離子的質(zhì)量為1molCl-離子的質(zhì)量為1molOH-離子的質(zhì)量為1molSO42-離子的質(zhì)量為類比與推理1g23g32g35.5g17g96g類比與推理1molO2的質(zhì)量為1molCl2的質(zhì)量為1molH2O的質(zhì)量為1molHCl的質(zhì)量為1molNaCl的質(zhì)量為1molH2SO4離子的質(zhì)量為32g71g18g36.5g58.5g98g計(jì)算下列物質(zhì)的質(zhì)量：（1）0.3mol的H2O（3）0.25mol的CO2（2）2mol的NaCl（4）0.2mol的HCl（5）0.4mol的Na2CO3（7）0.3mol的C2H5OH（6）0.5mol的NaOH

（8）0.2mol的CH3COOH計(jì)算下列物質(zhì)的物質(zhì)的量（1）2.7g的H2O（2）12.8g的O2（3）3.4g的NH3（4）5.6g的Fe（5）19.2g的Cu（6）2.3g的C2H5OH（7）8.1g的Al（8）11.7g的NaCl0.15mol0.4mol0.3mol0.05mol0.2mol0.1mol0.3mol0.2mol計(jì)算下列物質(zhì)的物質(zhì)的量（1）100mLρ=1.2g·cm-336.5%的鹽酸中HCl

與水的物質(zhì)的量之比_______。（2）100mLρ=1.18g·cm-326.7%的飽和NaCl溶液中NaCl與水的物質(zhì)的量之比______。~2:7~1:9計(jì)算與想象飽和NaCl溶液中n(Na+):n(Cl-):n(H2O)=1:1:9飽和HCl溶液中n(H+):n(Cl-):n(H2O)=2:2:7飽和NaCl溶液中Na+與Cl-之間存在較強(qiáng)的相互作用水合H+的構(gòu)造與水合Na+的構(gòu)造有顯著的不同計(jì)算與想象

如果假設(shè)在飽和KCl溶液中有與飽和NaCl溶液相似的景象，可以得出怎樣的結(jié)論？可以推測(cè)KCl的溶解度將比NaCl的溶解度大。實(shí)際的情形：溶解過(guò)程要比想象的復(fù)雜！摩爾質(zhì)量符號(hào)：M單位：g·mol-1宏觀物理量微觀粒子數(shù)相互關(guān)聯(lián)單位物質(zhì)的量的物質(zhì)所具有的質(zhì)量2H2+O2==2H2O對(duì)化學(xué)反應(yīng)的新的理解N2+3H2==2NH3NaOH+HCl==NaCl+H2ONa2CO3+2HCl==2NaCl+CO2↑

+H2O微觀角度2個(gè)1個(gè)2個(gè)宏觀角度2mol1mol2mol微觀角度1個(gè)3個(gè)2個(gè)宏觀角度1mol3mol2mol1mol1mol1mol1mol1mol2mol2mol1mol1molNA有多大?

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)知：12C原子的質(zhì)量為1.993×10-23g，試計(jì)算NA值。NA=1.993×10-23g12.0g·mol-1≈6.02×1023mol-1阿伏加德羅常數(shù)：

12gC-12（12C）所包含的碳原子數(shù)麥粒的總數(shù)=1+2+4+8+…+263

=264–1=1.845×1019NA有多大?印度含舍王賞賜象棋的發(fā)明者、數(shù)學(xué)家西薩·班·達(dá)依爾的傳說(shuō)~2000年的小麥產(chǎn)量千粒小麥重42~45g，當(dāng)今世界小麥常規(guī)年產(chǎn)量為5.8億噸~12年感悟大數(shù)NA=6.02×1023在可知的宇宙間含有原子總數(shù)為

=3×107465個(gè)轉(zhuǎn)輪、50個(gè)字符～10110字符組合

思考：2.為什么要引入物質(zhì)的量這一物理量？1.這種想象的放大鏡的放大倍數(shù)有多大？（6.02×1023倍）—人類的主動(dòng)選擇建立宏觀物理量和微觀微粒數(shù)之間的關(guān)聯(lián)教學(xué)示例2

在學(xué)習(xí)過(guò)程中，引領(lǐng)學(xué)生能夠（自由地）通過(guò)視角的變化，在想象、推理與實(shí)證中，逐漸建立起他們自己可以理解的知識(shí)體系。《乙醇醇類》CH3CH3

CH3CH2BrCH3CH2OH難溶于水難溶于水可與水互溶M=30M=109M=46沸點(diǎn)-89℃

沸點(diǎn)38.4℃

沸點(diǎn)78.5℃

取代

取代

醇分子中-OH的威力—?dú)滏I熔沸點(diǎn)升高密度加大ρ>水乙烷<ρ<水0.55<0.79<1醇分子中-OH的威力—?dú)滏I分子間的締合，使得熔沸點(diǎn)升高CH3CH2OHCH3OHCH3CH2CH2OH可于水按任意比互溶(汽油)(水)“一拖三”

醇結(jié)構(gòu)的特殊性飽和一元醇CnH2n+2O飽和多元醇CnH2n+2Opn≥p或CnH2n+1OHCnH2n+2-p(OH)p

通式一般情況下，一個(gè)C原子上只能連接一個(gè)羥基

醇結(jié)構(gòu)的特殊性一般情況下，不飽和C=C或C≡C不直接與-OH相連結(jié)構(gòu)互變乙烯醇乙醛問(wèn)題1

乙醇能與金屬鈉反應(yīng)嗎？金屬鈉能與水反應(yīng)2Na+2HO-H==2NaOH+H2↑Na能導(dǎo)致O-H鍵的斷裂金屬鈉能與乙醇反應(yīng)乙醇分子中含有O-H鍵2CH3CH2OH+2Na2CH3CH2ONa+H2↑問(wèn)題1

乙醇能與金屬鈉反應(yīng)嗎？為什么不是C原子上的H被金屬鈉置換出來(lái)？金屬鈉能保存在煤油里Na不能破壞C-H鍵證實(shí)乙醇的結(jié)構(gòu)而非乙醇與Na反應(yīng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)CH3OH與Na的反應(yīng)CH3CH2CH2OH與Na的反應(yīng)與Na的反應(yīng)HOCH2CH2OH與Na的反應(yīng)從乙醇到醇類（化學(xué)性質(zhì)）乙醇能與金屬鈉反應(yīng)醇類能與金屬鈉反應(yīng)類比問(wèn)題2

乙醇能還原氧化銅嗎？乙醇還原氧化銅以后將會(huì)生成怎樣的產(chǎn)物？CH3CH2OH+6CuO6Cu+2CO2+3H2OC+2CuO2Cu+CO2H2+CuOCu+H2O有機(jī)物元素分析的基礎(chǔ)問(wèn)題2

乙醇能還原氧化銅嗎？乙醇還原氧化銅以后將會(huì)生成怎樣的產(chǎn)物？CH3CH2OH+6CuO6Cu+2CO2+3H2OOCuOCuCH3CH2OH+CuOCu+CH3CHO+H2O過(guò)量少量問(wèn)題2

乙醇能還原氧化銅嗎？乙醇還原氧化銅以后將會(huì)生成怎樣的產(chǎn)物？CH3CH2OH+6CuO6Cu+2CO2+3H2OCuO空間因素不利丙醇在CuO作用下的反應(yīng)性CuO△C=O優(yōu)于C=C？δ+δ-電性幫助物質(zhì)間形成識(shí)別！問(wèn)題2

乙醇能還原氧化銅嗎？乙醇還原氧化銅以后將會(huì)生成怎樣的產(chǎn)物？CH3CH2OH+6CuO6Cu+2CO2+3H2OCuO空間因素不利結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定在反應(yīng)選擇中不利問(wèn)題2

乙醇能還原氧化銅嗎？乙醇還原氧化銅以后將會(huì)生成怎樣的產(chǎn)物？CH3CH2OH+6CuO6Cu+2CO2+3H2OCH3CH2OH+CuOCu+CH3CHO+H2O過(guò)量少量乙醇的選擇性氧化

請(qǐng)判斷下列有機(jī)物能否發(fā)生選擇性氧化，并寫出相應(yīng)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式。從乙醇到醇類（化學(xué)性質(zhì)）乙醇能與金屬鈉反應(yīng)醇類能與金屬鈉反應(yīng)類比乙醇能被選擇性氧化為醛醇類能被選擇性氧化為醛或酮或：不被選擇性氧化類比結(jié)構(gòu)判斷問(wèn)題3

還有哪些物質(zhì)能夠氧化乙醇？實(shí)驗(yàn)向乙醇中加入酸性KMnO4溶液，酸性KMnO4溶液褪色，CH3CH2OH+MnO4-+H+—CH3COOH+Mn2++H2O請(qǐng)同學(xué)們嘗試配平上述反應(yīng)方程式。問(wèn)題4

乙醇能發(fā)生脫水反應(yīng)嗎？脫水劑濃H2SO4

脫水劑濃H2SO4

CH3CH2OCH2CH3濃H2SO4140℃

CH3CH2OCH2CH3CH3CH2OH問(wèn)題4

乙醇能發(fā)生脫水反應(yīng)嗎？濃H2SO4170℃

硫酸的用量不同反應(yīng)是在控制條件下進(jìn)行的但是不排除結(jié)構(gòu)上的可能性

請(qǐng)思考乙二醇在脫水劑作用下，發(fā)生脫水反應(yīng)，可能得到的產(chǎn)物？CH2=CHOHCH3CHO

HOCH2CH2OCH2CH2OH

請(qǐng)思考2-丁醇在脫水劑作用下，發(fā)生消去反應(yīng)，可能得到的產(chǎn)物？對(duì)反應(yīng)的可能性的判斷從乙醇到醇類（化學(xué)性質(zhì)）乙醇能與金屬鈉反應(yīng)醇類能與金屬鈉反應(yīng)類比乙醇能被選擇性氧化為醛醇類能被選擇性氧化為醛或酮或：不被選擇性氧化類比結(jié)構(gòu)判斷乙醇能發(fā)生脫水反應(yīng)醇類能發(fā)生脫水反應(yīng)類比結(jié)構(gòu)判斷可能性預(yù)測(cè)（消去或取代）（消去或取代）問(wèn)題5乙醇能與HBr反應(yīng)，會(huì)帶來(lái)怎樣的變化？CH3CH2OH+HBrCH3CH2Br+H2O澄清溶液溶液變渾濁意外的反應(yīng)途徑HClCa(OH)2

催化劑CH2=CH2Cl2水教學(xué)案例3

在想象的思維模型和可操作的實(shí)物模型的交互中，學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)的認(rèn)識(shí)逐漸逼近自然的真實(shí)?！峨x子鍵》概念的構(gòu)建對(duì)建立化學(xué)鍵概念實(shí)驗(yàn)的困惑實(shí)驗(yàn)事實(shí)1

將置于石棉網(wǎng)上的金屬鈉加熱，至熔化并微微有燃燒現(xiàn)象時(shí)，停止加熱，將集氣瓶中的氯氣倒扣與熔融鈉之上。

金屬鈉在氯氣中燃燒，產(chǎn)生耀眼的黃色火焰，并伴有白色煙（固體）出現(xiàn)2Na+Cl2===2NaCl點(diǎn)燃這就是離子鍵的形成？對(duì)建立化學(xué)鍵概念實(shí)驗(yàn)的困惑實(shí)驗(yàn)事實(shí)2將經(jīng)過(guò)驗(yàn)純以后的H2點(diǎn)燃，置于Cl2中。H2在氯氣中燃燒，產(chǎn)生蒼白色的火焰，并觀察有白霧。H2+Cl2===2HCl點(diǎn)燃這就是共價(jià)鍵的形成？實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象與模型初建Na在Cl2中燃燒，為什么是固體小顆粒？大量“原子”的聚集每個(gè)固體小顆粒中大約含有多少“原子”？58.5g6.02×10231g1×10221×10-9g1×1013從膠體粒子微觀認(rèn)識(shí)角度的判斷：“原子”總數(shù)>109對(duì)建立化學(xué)鍵概念實(shí)驗(yàn)的困惑實(shí)驗(yàn)事實(shí)1

將置于石棉網(wǎng)上的金屬鈉加熱，至熔化并微微有燃燒現(xiàn)象時(shí)，停止加熱，將集氣瓶中的氯氣倒扣與熔融鈉之上。

金屬鈉在氯氣中燃燒，產(chǎn)生耀眼的黃色火焰，并伴有白色煙（固體）出現(xiàn)2Na+Cl2===2NaCl點(diǎn)燃這就是離子鍵的形成？對(duì)建立化學(xué)鍵概念實(shí)驗(yàn)的困惑實(shí)驗(yàn)事實(shí)2

將經(jīng)過(guò)驗(yàn)純以后的H2點(diǎn)燃，置于Cl2中。H2在氯氣中燃燒，產(chǎn)生蒼白色的火焰，并觀察有白霧。H2+Cl2===2HCl點(diǎn)燃這就是共價(jià)鍵的形成？實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象與模型初建Na在Cl2中燃燒，為什么是固體小顆粒？大量“原子”的聚集每個(gè)固體小顆粒中大約含有多少“原子”？58.5g6.02×10231g6.02×10221×10-9g6.02×1013從膠體粒子微觀認(rèn)識(shí)角度的判斷：“原子”總數(shù)>

109實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象與模型初建可是這么多原子是怎樣聚集的呢？假設(shè)：Na→Na+、Cl→Cl-

，如何？Na+和Cl-將怎樣相互結(jié)合？對(duì)稀有氣體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的追求Na+吸引Cl-，在球形電場(chǎng)中，Cl-形成對(duì)Na+的包圍，將產(chǎn)生剩余負(fù)電荷；負(fù)電荷電場(chǎng)繼續(xù)吸引Na+，進(jìn)而有正電荷的剩余；再吸引Cl-，循環(huán)往復(fù)。這樣就形成大量的原子的聚集。實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象與模型初建想象中的正負(fù)電荷相互包圍的“疊湯圓”模型

在帶有正負(fù)電荷的陽(yáng)離子、陰離子相互堆積的想象模型中，忽略離子的相對(duì)大小、以及離子堆積中的配位數(shù)的細(xì)節(jié)。想象中：離子→微粒實(shí)驗(yàn)中：微?！x子

宏觀與微觀的關(guān)聯(lián)實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象與模型初建為什么不能形成更大的固體顆粒？

想象Na→Na+、Cl2→Cl-

進(jìn)而形成固體顆粒的過(guò)程：帶有同種電荷的離子因排斥而遠(yuǎn)離，異種電荷的離子因吸引而聚集；離子在聚集過(guò)程中的消耗并同時(shí)向外的擴(kuò)散，新的聚集中心的出現(xiàn)，都制約著固體顆粒的進(jìn)一步長(zhǎng)大。實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象與模型初建H2在Cl2中燃燒，為什么是薄“霧”裊繞？沒(méi)有形成大量原子的聚集！H原子和Cl原子相互結(jié)合，形成的是一種小的集合體-“分子”，確實(shí)不是通過(guò)形成離子的方式進(jìn)行的?；瘜W(xué)鍵認(rèn)知模型的表達(dá)對(duì)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的追求，是成鍵過(guò)程中原子的基本行為Na.+:Cl.::Na+(:Cl:)-::Na.+:Cl.::Na+[:Cl:]-::H.+:Cl.H:Cl:::::離子鍵共價(jià)鍵對(duì)化學(xué)鍵認(rèn)識(shí)的深化通過(guò)共價(jià)鍵不能形成固體嗎？想象Si轉(zhuǎn)化為SiO2的過(guò)程：沒(méi)有“煙”的出現(xiàn)相似的過(guò)程：Al在酒精燈火焰中灼燒，形成氧化膜C在O2中“燃燒”，沒(méi)有火焰對(duì)學(xué)生認(rèn)知行為的矯正NH3與HCl相遇，“白煙”的現(xiàn)象[H:N:H]+::HH[:Cl:]-::NH4Cl電子式的正確表達(dá)NH4+[:Cl:]-::[H:N:H]+::HHCl-表達(dá)形式上：組合認(rèn)識(shí)本質(zhì)上：現(xiàn)象離子的邊界、配位鍵的形成對(duì)離子晶體認(rèn)識(shí)模型的完善X-射線衍射實(shí)驗(yàn)，使人們得以觀察到Na+和Cl-在空間的排列方式。每個(gè)Na+周圍有6個(gè)Cl-，每個(gè)Cl-周圍有6個(gè)Na+，對(duì)陰陽(yáng)離子“迭湯圓”模型看NaCl晶體的生長(zhǎng)正八面體的幾何外形，怎么與正六面體相適合？點(diǎn)電荷電場(chǎng)模型的“失真”

離子聚集過(guò)程中，對(duì)進(jìn)入的位置產(chǎn)生選擇性。（能量）“晶體”形狀的改變重新理解“NaCl晶體”的生長(zhǎng)過(guò)程一個(gè)離子為中心吸引異種電荷（正八面體）在選擇中聚集（晶胞）如何生長(zhǎng)？新的位置選擇（能量）“NaCl晶體”生長(zhǎng)過(guò)程中的多樣性模型構(gòu)建的意義Na+與Cl-相互配位的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)知識(shí)與技能實(shí)驗(yàn)觀察與微觀本質(zhì)的關(guān)聯(lián)能量、有序與選擇性、生長(zhǎng)思維與方法對(duì)世界的基本認(rèn)識(shí)理解知識(shí)的物理意義模型構(gòu)建的意義學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)過(guò)程中，參與與自然的交互（理解知識(shí)形成的過(guò)程）學(xué)生思維的可視性展現(xiàn)模型與思維的交互實(shí)物模型完善思維模型的細(xì)節(jié)思維模型賦予實(shí)物模型的靈動(dòng)聚戊二酸丙二醇（PPG）是一種可降解的聚酯類高分子材料，在材料的生物相容性方面有很好的應(yīng)用前景。PPG的一種合成路線如下：ACl2光照BNaOH/乙醇△CKMnO4H+DH濃H2SO4△H2催化劑GF稀NaOHEPPG已知：①烴A的相對(duì)分子質(zhì)量為70，核磁共振氫譜顯示只有一種化學(xué)環(huán)境的氫；②化合物B為單氯代烴，化合物C的分子式為C5H8；③E、F為相對(duì)分子質(zhì)量差14的同系物，F(xiàn)是福爾馬林的溶質(zhì)；④R1CHO+R2CH2CHOACl2光照BNaOH/乙醇△CKMnO4H+DH濃H2SO4△H2催化劑GF稀NaOHEPPG稀NaOH>>>HOHCH3CH2OH<CH3OH<HOH對(duì)有機(jī)物酸性的思考

碳鏈的增長(zhǎng)比較下列物質(zhì)中所示H原子的酸性思考：CH3COOH可以成為四元酸？CH3-HHOH>>>

碳鏈的增長(zhǎng)羥醛縮合反應(yīng)—乙醛分子間的縮合+H+orOH-β-羥基醛-H2O+H2