《尿不濕及其活性成分》的探究教學(xué)設(shè)計

PAGEPAGE1《尿不濕及其活性成分》的探究教學(xué)設(shè)計修水一中付小勤1、設(shè)計思想綠色高吸水樹脂是人教版新教材《選修5（有機化學(xué)基礎(chǔ)）》最后一節(jié)“功能高分子材料”的重要內(nèi)容，由于本章教材的內(nèi)容特點，前兩節(jié)的教學(xué)結(jié)合化學(xué)史的科普特色較濃，本節(jié)內(nèi)容再沿用此思路，課堂容易因單調(diào)而空洞，另一方面，作為綠色高吸水樹脂的代表物——尿不濕，學(xué)生既熟悉又陌生，熟悉之處無需多言，陌生之處在于目前在校的學(xué)生小時候大多沒用過尿不濕，現(xiàn)在雖然都知道，但對尿不濕的組成結(jié)構(gòu)并不了解，一般都只知其基本功能，很少有學(xué)生關(guān)注過尿不濕中的高吸水材料，因而在一定情境下，學(xué)生對探究日常生活用品尿不濕及其活性成分很容易產(chǎn)生認(rèn)知興趣，而且，經(jīng)過了較為完整的有機化學(xué)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)之后，學(xué)生已經(jīng)具備了探究尿不濕中的活性成分的知識基礎(chǔ)和能力基礎(chǔ)，因而本節(jié)課宜定位為以學(xué)生實驗為基礎(chǔ)的探究教學(xué)：通過高吸水材料尿不濕的填充物與傳統(tǒng)吸水材料棉花的外觀和吸水能力的比較，產(chǎn)生對尿不濕活性成分中親水基的探究熱情；通過對尿不濕中親水基探究的過程，體會已有知識對進(jìn)一步探究學(xué)習(xí)的重要性；通過對尿不濕填充物和聚丙烯酸鈉酸堿性的比較，體會產(chǎn)品設(shè)計時安全的重要性和產(chǎn)品設(shè)計者對嬰兒的關(guān)愛之情；通過對尿不濕具有高吸水性的原理介紹，創(chuàng)設(shè)學(xué)生提出進(jìn)一步提出探究問題的情境，在討論解決尿不濕活性成分吸水機理問題的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出設(shè)計實驗進(jìn)行證明并立即實踐。這樣，通過一個又一個問題的探究，層層遞進(jìn)，學(xué)生探究的熱情和層次不斷在提升，思維能力和實驗?zāi)芰Φ玫搅擞行У呐囵B(yǎng)。而對尿不濕產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能的分析，又再一次將探究的問題回歸到生活實際，激發(fā)了課后繼續(xù)探究的學(xué)習(xí)動機，成功的將學(xué)習(xí)從課堂引入到課外生活。2、教學(xué)過程[回顧與思考]上節(jié)課我們學(xué)習(xí)了合成纖維的“六大綸”，其中有一種因具有較好的吸水性，被稱為“人造棉花”，它是什么物質(zhì)？[學(xué)生]維綸，聚乙烯醇。[教師]維綸具有吸水性的原因是什么？[學(xué)生]高分子中含有大量的親水基團——羥基。[設(shè)置問題情境]聚乙烯醇因具有較好的吸水性，曾被用來制造“尿不濕”，那么現(xiàn)在嬰兒廣為使用的尿不濕的吸水材料還是不是聚乙烯醇呢？(設(shè)計意圖：從學(xué)生的已有知識引入，貼近學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，容易產(chǎn)生認(rèn)知共鳴，進(jìn)而創(chuàng)設(shè)問題情境，一氣呵成。)[實驗探究]尿不濕填充物和棉花的鑒別和吸水能力的比較[分組實驗1]仔細(xì)觀察分別盛有0.5克棉花、尿不濕填充物的燒杯，初步鑒別。[觀察交流]外觀相似，但體積相差甚遠(yuǎn)，仔細(xì)觀察，體積小的其中有小顆粒，估計為尿不濕填充物。[分組實驗2]在燒杯中分別加入25mL的水，用玻璃棒充分?jǐn)嚢韬箪o置，觀察現(xiàn)象。[觀察交流]棉花中明顯看見水，尿不濕填充物“棉花”狀逐漸消失，體系呈凝膠狀。[教師演示]迅速將課前準(zhǔn)備的盛有尿不濕填充物的加水燒杯倒置，無水流出。[實驗結(jié)論]尿不濕填充物的吸水性比傳統(tǒng)吸水劑棉花要強得多。(設(shè)計意圖：分組實驗1，對比觀察實驗，相似性為后續(xù)小組討論創(chuàng)設(shè)情境，細(xì)微差異性的發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)了學(xué)生細(xì)致觀察的能力；分組實驗2和演示實驗，淋漓盡致地展現(xiàn)尿不濕填充物的高吸水性，尤其是教師演示實驗現(xiàn)象的出乎意料，給同學(xué)留下了深刻的印象)(教學(xué)反思：上述教師演示實驗的成功效果，需要在尿不濕填充物中加水幾分鐘之后進(jìn)行，教師課前準(zhǔn)備好，課堂演示，節(jié)省了教學(xué)時間。由于等一會兒自己也能做，因此學(xué)生對教師演示的實驗結(jié)果，異常驚奇又深信不疑，這樣的精心設(shè)計對其它的慢速實驗具有借鑒性。)[問題討論]尿不濕中的填充物是“人造棉花”嗎？[學(xué)生]應(yīng)該不是，“人造棉花”和棉花的吸水性應(yīng)該較接近。[教師]為什么？[學(xué)生]因為聚乙烯醇和纖維素分子中都是平均每兩個碳原子擁有一個羥基。[投影]棉花與“人造棉花”的吸水性分析[思考與交流]是什么樣的強親水基團使得尿不濕填充物具有高吸水性？[分解思考1]常見親水性基團有哪些？[學(xué)生]-OH、-COOH等[分解思考2]如何增加它們的親水性？[學(xué)生]將其變成鈉鹽。[分解思考3]有證據(jù)表明改良后的基團親水性增加了嗎？[學(xué)生]苯酚鈉、苯甲酸鈉在水中的溶解度比苯酚、苯甲酸大。[實驗探究]聚丙烯酸鈉吸水性的研究在盛有0.5克聚丙烯酸鈉的燒杯中加入25mL的水，用玻璃棒充分?jǐn)嚢韬箪o置，觀察現(xiàn)象。[實驗現(xiàn)象]靜置后呈凝膠狀，倒置后無液體流出。[思考與交流]如何理解聚丙烯酸鈉的高吸水性？[學(xué)生]離子與水分子之間的靜電作用比羧基與水分子之間的氫鍵要強得多。[投影]帶有正電荷的鈉離子和帶有負(fù)電荷的羧酸根離子的親水性比氫鍵要強得多。[實驗探究]尿不濕中的填充物是聚丙烯酸鈉嗎？在兩支試管中分別放入少量的聚丙烯酸鈉和尿不濕填充物，加入5mL蒸餾水，分別滴加酚酞試液，觀察現(xiàn)象。[實驗現(xiàn)象]聚丙烯酸鈉溶液中加酚酞顯紅色，尿不濕填充物溶液中滴加酚酞不顯色。[實驗結(jié)論]尿不濕中的填充物不是聚丙烯酸鈉。[資料在線]尿不濕填充物聚丙烯鈉中通過保留一些羧基而使其接近中性。[思考]尿不濕填充物中為何要保留部分羧基，使其接近中性？[學(xué)生]接近中性刺激性小、安全、舒適，適于嬰兒嬌嫩皮膚。(設(shè)計意圖：本實驗就教材提出的尿不濕填充物的活性成分——聚丙烯酸鈉，展開探究，體現(xiàn)了用教材教的思想，探究的結(jié)論令同學(xué)和聽課教師感到意外，但仔細(xì)想來，更加感激產(chǎn)品設(shè)計師對嬰兒的一片關(guān)愛之情。)[觀察與思考]用玻璃棒擠壓棉花、聚丙烯酸鈉和尿不濕填充物，觀察比較它們的保水性。[實驗結(jié)論]保水性：尿不濕填充物>聚丙烯酸鈉>棉花[分組討論]人們想了怎樣的辦法來增強高吸水材料的保水性的呢？[小組交流](1)親水基團含量越多、親水性越強，保水性越好。(2)適度交聯(lián)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。[思考與交流]1、下列綠色高吸水樹脂的交聯(lián)劑是什么？交聯(lián)的原理是什么？聚丙烯酸及其鹽交聯(lián)后的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)示意圖[學(xué)生]丙三醇，，通過酯化反應(yīng)進(jìn)行交聯(lián)。[教師]除了丙三醇通過酯化反應(yīng)進(jìn)行交聯(lián)外，還有其它的交聯(lián)原理，請看思考2。[思考與交流]2、下列綠色高吸水樹脂的交聯(lián)劑是什么？交聯(lián)的原理又是什么？聚丙烯酸及其鹽交聯(lián)后的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)示意圖[學(xué)生]，通過加聚反應(yīng)進(jìn)行交聯(lián)。(教學(xué)反思：交聯(lián)劑的尋找是教學(xué)難點，教師要充分了解學(xué)生的已有知識，實際教學(xué)中思考題的順序與本設(shè)計相反，結(jié)果表明學(xué)生對酯化反應(yīng)進(jìn)行交聯(lián)很容易解答，而通過加聚反應(yīng)進(jìn)行交聯(lián)，只有極個別學(xué)生有思路，因而本設(shè)計將其對調(diào)。)[思考與交流]上述交聯(lián)劑為何不用更簡單的交聯(lián)劑如：乙二醇、1，3-丁二烯？[學(xué)生]上述交聯(lián)劑中還含有親水性的基團如：-NH-、-OH。[思考與交流]請解釋高吸水樹脂的吸水機理。[分解討論1]吸水前，高吸水樹脂呈什么狀態(tài)？[學(xué)生]高分子網(wǎng)絡(luò)是固態(tài)網(wǎng)束，未電離[分解討論2]吸水中，高吸水樹脂有何變化？[學(xué)生]首先水分子通過氫鍵與樹脂分子鏈上的大量親水基團發(fā)生水合作用，親水基團離解。[分解討論3]電離產(chǎn)生的陽離子和陰離子都能自由移動嗎？[學(xué)生]陽離子鈉離子能自由移動，陰離子羧酸根離子固定在高分子鏈上不能自由移動。[投影、講解]電離產(chǎn)生的陰離子固定在高分子鏈上，陰離子之間的排斥作用使高分子網(wǎng)束張展，形成孔穴。[分解討論4]陽離子能在整個體系中自由運動嗎？[學(xué)生]應(yīng)該不會，因為陰離子不能自由移動，如果陽離子在整個體系中自由運動，從燒杯中取一些溶液出來，溶液中將只有鈉離子，這樣就帶電了。[講解]為了維持電中性，陽離子并不能向外部溶劑擴散，導(dǎo)致可移動陽離子在樹脂網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的濃度增大，從而造成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)外產(chǎn)生滲透壓。水分子通過滲透壓作用不斷向網(wǎng)內(nèi)滲透，隨著水的滲透，網(wǎng)內(nèi)離子濃度逐漸減小，滲透壓逐漸減小。同時三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)擴張也產(chǎn)生相應(yīng)的彈性收縮力，逐漸抵消陰離子的靜電斥力，最終達(dá)到吸水平衡。(設(shè)計思想：將高吸水樹脂的較復(fù)雜的吸水機理按吸水過程分解成幾個相對簡單的問題，結(jié)合學(xué)生討論和教師講解共同完成，是對傳統(tǒng)講授式教學(xué)的一種改進(jìn)。)(教學(xué)反思：高吸水樹脂的吸水機理，教材不作要求，但能預(yù)見教學(xué)時學(xué)生很可能提出這樣的問題，實際教學(xué)時學(xué)生也確實提出了高吸水樹脂是如何吸水、保水的問題，因而花些時間深入淺出的作些討論是值得的。)[實驗探究]請設(shè)計一個簡單實驗說明高吸水樹脂的吸水主要原因之一是聚電解質(zhì)的離子滲透壓。[設(shè)計方案1]通過對比實驗比較高吸水樹脂分別在蒸餾水中、生理鹽水中的吸水能力。[設(shè)計方案2]在已吸水的高吸水樹脂中加入少量食鹽固體，觀察該樹脂是否失水。[分組實驗]請按小組討論的實驗方案進(jìn)行實驗探究。[方案1現(xiàn)象]高吸水樹脂分別在蒸餾水中的吸水能力顯著大于生理鹽水中的吸水能力。[方案2現(xiàn)象]樹脂明顯失水，燒杯中出現(xiàn)大量的鹽水。[過渡設(shè)置情境]除了具有高吸水性、安全、舒適的尿不濕填充物之外，尿不濕產(chǎn)品還有哪些輔助材料，它們又應(yīng)具有怎樣的功能？[小組討論]至少還應(yīng)有內(nèi)外兩層，相當(dāng)于構(gòu)成一個容器，內(nèi)層緊靠嬰兒皮膚應(yīng)當(dāng)很舒適，最好具有單向透水性