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年5月13号,高端备课项目组在北京市育英学校进行了高中化学选择性必修2《物质结构与性质》第三章试讲活动。本次活动的指导专家为北京师范大学魏锐老师。授课教师有北京市育英学校的梁国兴、金戈、马继超老师。本次试讲研讨包括三个环节:课堂试讲、学生访谈和专家研讨。
01
课堂试讲
第一课时认识晶体
第一课时由梁国兴老师授课,主要分为以下几个环节:
课程导入
梁老师在课前指导兴趣小组合成硫酸铜晶体,并请兴趣小组对晶体制备过程的注意事项和晶体生长过程的特殊现象进行了汇报,从而引入晶体的学习。
环节一:晶体的宏观特征
引导学生观察多种晶体外形,并总结出晶体的宏观特征是规则的几何外形,初步建构晶体的宏观特征部分模型。通过观看硫酸铜在显微镜下沿一定方向有序生长的实验视频,进一步引导学生交流讨论得出晶体沿着某一方向不断生长的原因可能是微观结构决定宏观性质,为下一环节做铺垫。在此基础上提问粉末状晶体是具有规则外形的晶体吗?学生联系晶核的知识进行猜测,进一步教师给出显微镜图片提供证据得出结论。
环节二:晶体的微观特征
引导学生思考晶体微观结构是否具有规律性,介绍化学史方解石的无限拆解并引导学生从宏观外形逆向推测晶体的微观结构是有规律周期性重复排列的,在此基础上追问学生如何验证猜想,医院中的x射线透射介绍x射线衍射原理并证实猜想。同时用激光笔和光栅模拟了x射线衍射测定晶体,在此建构了晶体的微观结构部分模型。进一步让学生思考玻璃同样具有规则形状是否也是晶体,并从微观结构角度对晶体和非晶体进行辨析,从宏观特征角度引导学生结合资料及晶体和非晶体的微观结构推理得出晶体和非晶体熔化曲线不同的原因,并从宏观特征角度介绍晶体和非晶体的导热性差异,进一步引导学生分析晶体的各向异性及其与微观结构的关联。同时类比从各方向看列兵队列是不同的加深学生对晶体各向异性的感性认识,进一步发展了宏观特征部分模型并加深了微观结构与宏观特征的关联。在此基础上介绍了晶体、准晶体、非晶体的联系和区别,不断发展晶体模型。
环节三:晶体与晶胞
引导学生思考x射线衍射需要测定哪些参数才能推算结构并介绍crystalmaker软件模拟氯化钠晶体的空间展开,同时搭建了氯化钠的球棍模型并引导学生思考如何简洁准确表达晶体结构,引导学生联系有机高分子的单体,并通过观察铜晶体与铜晶胞的微观图片引出晶胞的概念。在此基础上介绍晶胞的取出原则引导学生思考如何选取晶胞并比较两种截取的重复单元哪种合理,进一步介绍了无隙并置的原则。
环节四:晶胞的应用
请学生观察氯化钠晶胞并思考从中获得关于原子结构的信息,进一步引导学生对晶胞中的微粒个数进行计算,逐步发展和完善了晶体模型。
第二课时离子晶体
第二课时由金戈老师授课,主要分为以下几个环节:
课程导入
通过追问引导学生思考分子、原子和离子是如何构成物质的,在此过程中总结出分析物质微观结构的三个角度:微粒的种类、微粒间的相互作用、微粒的空间排布,从而完成研究物质微观结构模型的建立。
环节一:应用模型分析离子晶体结构
从最简单的金属晶体入手,进一步引导学生思考金属晶体等径圆球密堆积是否适用于所有晶体,进而过渡到离子晶体并请学生尝试画出离子晶体的二维微粒分布。给出氯化钠晶体微观结构图片,引导学生依据模型进行分析并请学生找出氯化钠晶胞,在此基础上总结出离子晶体的特点。进一步让学生依据模型分析离子晶体的微观结构是否都和氯化钠晶体一样,引导学生对微粒种类、微粒间的相互作用、微粒排布及三者之间关系进行深入思考,并展示多种离子晶体的微观结构图片。
环节二:晶格能
引导学生思考如何衡量微粒间的相互作用,从如何衡量两个原子间的相互作用逐步深入分析得出晶格能的概念。在此基础上请学生思考影响晶格能大小的因素,学生能自主调用模型提出猜想,教师进一步提供多种离子晶体的晶格能数据引导学生分析得出影响晶格能大小的因素。
环节三:结构模型与物质性质的关系
引导学生分析离子间相互作用减弱,晶格能很小,变成液体是否还是晶体并介绍了离子液体。进一步引导学生思考离子键相互作用增强,则离子键向共价键形式转化就可能出现其他种类的晶体。最后引导学生思考并讲解了研究晶体结构的价值。
第三课时超分子
第三课时由马继超老师授课,主要分为以下几个环节:
课程导入
观看细胞膜是如何工作的视频,请学生思考分析磷脂分子如何组装成细胞膜。进一步通过对比磷脂分子成膜前后功能上的变化,引导学生发现形成聚集体后功能变强,并且同一物质聚集状态改变对性质有影响。
案例分析一:由冠醚和阳离子构成的超分子
首先介绍冠醚并引导学生分析冠醚的环状结构为何能夹带金属阳离子,并进一步请学生思考如何才能夹带“Rb,Cs”等离子进行巩固。在此基础上请学生阅读“冠醚-阳离子”超分子催化高锰酸钾氧化烯烃的案例,并思考高锰酸钾水溶液为何对烯烃的氢化效果不理想,超分子为何能进入有机溶剂并把MnO4-拉进有机溶剂以及冠醚与K+形成超分子前后的功能变化。在此过程中得出分子多种相互作用形成超分子、分子和超分子的结构决定功能、多重结构协同实现复杂强大功能,从而建构了超分子认识模型,加深了学生对于超分子和模型建构的理解。
案例分析二:分子梭
请学生阅读分子梭案例并思考B分子为何能在A分子两个位点上挂住以及分子梭的冠醚环有何新功能。引导学生得出此处功能是可以实现空间结构上的位移。
案例分析三:分子钳
请学生阅读分子钳案例并思考“钳头”、“转轴”,“手柄”各自由何种分子构成及理由,引导学生感受为了实现特定功能应选取相应的结构,进一步体会结构与功能的关系。
02
学生访谈
课后,专家对几位学生进行了访谈,进一步诊断学生的学习情况及教学实施效果。通过学生访谈发现,学生了解了科学史中体现的科学探究的过程以及科学家采用的手段和方法,并体会到了学习晶体的用途和价值。体会到了从微观角度对于某些事实的更深刻的解释和了解,对结构决定性质和功能也有了更深刻的理解。
学生学习本单元后觉得《物质结构与性质》与有机紧密结合,从结构角度对有机中的性质和真实世界中的生活现象给予了解释,同时把生物和物理学科也串通了起来,认识到了化学在其中起到了非常大的作用。学生感受到这种课堂讲授不再是知识点的灌输,对学习化学产生了更浓厚的兴趣。通过引导学生也认识到模型是简化的,因此是有条件的,并且随着科学技术的发展也在随之更新,不再盲从科学,学会了对现有科学结论保有怀疑态度。学生在学习了超分子之后强化了对于微粒聚集状态这一角度。但在访谈中也发现学生对于分析物质微观结构的角度不够明确,角度不全。
03
专家研讨
魏老师首先肯定了三位老师的精彩授课,并提出了以下建议:
关于教学的主线,要外显出学科知识线索与模型建构的关系。第一、凸显环节与模型建构的关系。即哪个环节在建立模型、检查模型以及应用模型进行解释,将建立模型的思路程序等要素标签化外显出来。第二、围绕模型建构,可以将各环节拆解成核心活动或问题,要让学生明确其目的和关系。第三、评估核心问题难度,设置不同的开放度。对于较复杂问题可以拆解成多个子问题,并在学生遇到困难时给予一定引导。
针对梁老师的授课提出了以下建议:
1.学生主体任务是从晶体宏观特征出发构造关于结构的模型。建议在上课出就让学生明确,从活动一开始学生就可以基于宏观特征想象微观结构。另外建议先讲方解石的拆解再讲晶体的生长,学生从宏观猜想微观结构自然的思路可能首先想到的是对其进行拆解,并且方解石的拆解设置成学生实验让学生体会更好。而晶体的生长从微观上来说是一层一层生长的感觉。
2.从方解石拆解推测晶体微观结构具有周期性逻辑上不够通顺。学生在此能推测出晶体微观结构是有序排布,进一步追问有序的具体表现是什么。宏观上晶体是一层一层生长的,对应微观可能是每一层都相同的重复,也可能是若干层的重复,从而推测出周期性。另一方面在空间三个方向上都表现出周期性,就可以切除一个基本单元,从而可以引出晶胞的概念。
针对金老师的授课提出了以下建议:
1.教学要落到让学生看问题的角度思路上。可以进一步将分析微粒结构的一级维度打开,外显出三个一级维度下哪些因素会影响晶体结构,具体化为分析晶体结构的模型。
2.建议把具体的小问题整合成活动,并把活动在学案或PPT上明确下来。从让学生画离子晶体微观结构的活动中可以看出,学生对于离子半径大小缺少经验,学生画图时缺少依据,可以给出常见的离子半径。此处多数学生的难点是对于书中给出的晶体结构和真实空间立体几何结构没有联系起来,可以用软件模拟让学生直观感受微粒如何接触的及空间关系是怎样的以及提供实物球棍模型让学生拼插体会。最后总结要让学生体会到模型的简洁性和丰富性。
针对马老师的授课提出了以下建议:
1.在建立分析框架时要将从结构到性质到功能及三个维度之间的关系外显出来,标签化变成让学生反复使用的话语体系结构上可以从上节课分析晶体微观结构的模型出发将思路外显出来;性质上要强调整体性质与局部性质;功能上选取的三个例子有不同的代表性,冠醚案例是实现相转移,可以再多举几个科学领域相似案例让学生体会畅想其应用;分子梭和分子剪钳都是外界条件改变结构改变,不同点是调控方式不同,另外可以让学生畅想可以有哪些应用,提高学生的想象力和创造力。把每个例子所代表的一类问题的特点提炼出来,内容才更有层次性。
2.建议把细胞膜放在最后讲,细胞膜相对三个案例是更为复杂的生命体系,可以让学生体会超分子能够形成具有生命功能的协同的整体。另外磷脂的亲水疏水相互作用可以增加解释或比喻更利于学生理解。
本次试讲活动至此圆满完成,期待老师们在正式讲中更加精彩的表现!
编辑:李迪
审核:朱叶
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