Quy trình xây dựng bài tập hóa học hình thành và phát triển khái niệm phản ứng hóa học hữu cơ trung học phổ thông

JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE DOI: 10.18173/2354-1075.2015-0008 Educational Sci., 2015, Vol. 60, No. 1, pp. 68-74 This paper is available online at QUY TRÌNH XÂY DỰNG BÀI TẬP HÓA HỌC HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN KHÁI NIỆM PHẢN ỨNG HÓA HỌC HỮU CƠ TRUNG HỌC PHỔ THÔNG Vũ Thị Thu Hoài Khoa Sư phạm, Trường Đại học Giáo dục, Đại học Quốc gia Hà Nội Tóm tắt. Bài viết giới thiệu quy trình gồm 5 bước xây dựng hệ thống bài tập hóa học sử dụng để hình thành và phát triển khái niệm phản ứng hóa học (PƯHH) hữu cơ trên cơ sở phân tích ý nghĩa quan trọng của bài tập hoá học và sự phát triển có kế thừa các nội hàm của khái niệm PƯHH. Hoạt động giải các bài tập hóa học theo các mức độ nhận thức khác nhau đã giúp học sinh tự lực tìm ra kiến thức về quá trình hình thành, phát triển khái niệm PƯHH hữu cơ trong chương trình. Từ đó phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo trong học tập của học sinh góp phần nâng cao chất lượng dạy học hóa học ở trường phổ thông. Từ khóa: Bài tập Hóa học, phản ứng hóa học hữu cơ, Trung học phổ thông. 1. Mở đầu Trong dạy học hóa học, bản thân bài tập hóa học (BTHH) đã được coi là phương pháp dạy học (PPDH) có hiệu quả không chỉ trong việc củng cố hoàn thiện kiến thức, rèn luyện kĩ năng hóa học mà còn giữ vai trò quan trọng trong mọi khâu và mọi dạng bài học hóa học. Song tính tích cực của phương pháp này còn được nâng cao hơn khi BTHH được sử dụng như là nguồn kiến thức để học sinh (HS) tìm tòi chứ không đơn thuần chỉ để tái hiện kiến thức. BTHH được giáo viên (GV) sử dụng để tạo tình huống có vấn đề nhằm kích thích hoạt động tư duy tìm tòi, sáng tạo và rèn luyện kĩ năng giải quyết vấn đề học tập hoặc thực tiễn liên quan đến hóa học [3]. Để phát huy được tính tích cực, hiệu quả của BTHH trong việc hình thành và phát triển khái niệm hóa học, giúp HS hiểu đúng, nắm vững nội hàm của khái niệm hóa học, hình thành năng lực chuyên biệt của môn hóa học, vận dụng kiến thức hóa học vào thực tiễn cuộc sống thì GV cần có phương pháp xây dựng và sử dụng hiệu quả hệ thống BTHH đó. Trong đào tạo sinh viên hóa học của các trường Đại học Sư phạm, việc nắm vững quy trình xây dựng và sử dụng BTHH trong dạy học hóa học là một trong những kĩ năng dạy học cần rèn luyện. Trong bài viết này, chúng tôi đề xuất quy trình xây dựng BTHH hình thành và phát triển khái niệm phản ứng hóa học (KNPƯHH) hữu cơ góp phần nâng cao hiệu quả dạy học hóa học ở trường phổ thông và rèn luyện kĩ năng nghề nghiệp cho sinh viên. Ngày nhận bài: 12/12/2013. Ngày nhận đăng: 15/10/2014. Liên hệ: Vũ Thị Thu Hoài, e-mail: hoaivtt@vnu.edu.vn 68 Quy trình xây dựng bài tập Hóa học hình thành và phát triển khái niệm phản ứng... 2. Nội dung nghiên cứu 2.1. Sự hình thành khái niệm phản ứng hóa học trong chương trình hóa học phổ thông Khái niệm ban đầu về phản ứng hóa học (PƯHH) được hình thành sau khái niệm chất, các nội dung cơ bản của khái niệm được hình thành và phát triển dần thông qua việc nghiên cứu các chất cụ thể trong chương trình hóa học phổ thông. Nội dung của KNPƯHH được mô tả theo Hình 1. Hình 1. Sự hình thành khái niệm phản ứng hóa học trong chương trình phổ thông 2.2. Sự phát triển khái niệm phản ứng hóa học hữu cơ trong chương trình hóa học Ttrung học phổ thông Sự phát triển của KNPƯHH hữu cơ dựa trên cơ sở của lí thuyết cấu tạo phân tử hợp chất hữu cơ. Nội hàm của KNPƯHH hữu cơ được phát triển trên cơ sở mối liên hệ chặt chẽ về cấu trúc phân tử hợp chất hữu cơ, quá trình diễn biến, quy luật PƯHH hữu cơ tuân theo các quy luật tạo ra hợp chất trung gian, tiểu phân bền hơn và chịu ảnh hưởng chặt chẽ của điều kiện phản ứng, tác nhân phản ứng, mối quan hệ qua lại giữa các nhóm nguyên tử trong phân tử hợp chất hữu cơ,.... (Hình 2). 69 Vũ Thị Thu Hoài Hình 2. Sự hình thành và phát triển khái niệm PƯHH hữu cơ THPT 2.3. Ý nghĩa, tác dụng của BTHH trong việc hình thành và phát triển khái niệm phản ứng hóa học hữu cơ Trung học phổ thông Việc hình thành khái niệm hóa học ban đầu cho HS có thể chưa hiệu quả do HS chưa hiểu sâu được những nét bản chất của khái niệm nên khi vận dụng chúng có thể có những sai sót, nhầm lẫn trong nhận thức và tư duy [3]. Để hình thành và phát triển KNPƯHH hữu cơ cho HS thì GV có thể xây dựng các BTHH nhằm định hướng cho HS tìm ra được nét bản chất của khái niệm, nắm vững nội dung khái niệm và vận dụng khái niệm mới để hình thành các khái niệm khác có liên quan. Thông qua việc giải BTHH, nội hàm của khái niệm được mở rộng diện, bản chất của khái niệm được đào sâu và các mối liên hệ thống nhất giữa các nội dung của khái niệm được thể hiện rõ rệt. Bằng cách này sẽ tạo điều kiện giúp HS hoạt động tích cực trong giờ học và hình thành khái niệm một cách vững chắc, tránh nhận thức sai lầm của HS về bản chất của khái niệm. Ví dụ: Bài tập hình thành khái niệm phản ứng oxi hóa - khử trong anđehit, xeton: Bài 1: Từ đặc điểm cấu tạo phân tử của anđehit, xeton có nhóm cacbonyl C=O, viết PTHH của các phản ứng cộng giữa anđehit axetic và đimetylxeton với H2 và HCN. Hãy xác định số oxi hóa của các nguyên tố trước và sau phản ứng và cho biết trong các PƯHH đó, phản ứng nào là phản ứng oxi hóa - khử? Bài 2: Trong các phản ứng cộng H2 vào nhóm cacbonyl của anđehit, xeton thì số oxi hóa của nguyên tử C trong nhóm này tăng hay giảm sau phản ứng? Tại sao gọi phản ứng cộng H2 là phản ứng khử? Bài 3: Quan sát thí nghiệm của axetanđehit với nước brom và dd AgNO3/NH3. Nêu hiện tượng xảy ra và viết PTHH của các PƯHH? Cho biết vai trò của anđehit trong các phản ứng đó. Vì sao gọi hai phản ứng trên là phản ứng oxi hóa? Bài tập 1 được xây dựng và sử dụng cho HS làm để hình thành khái niệm phản ứng oxi hóa - khử trong anđehit. Trên cơ sở HS đã nghiên cứu tính chất của anken là hiđrocacbon không no, có 70 Quy trình xây dựng bài tập Hóa học hình thành và phát triển khái niệm phản ứng... liên kết π trong phân tử dễ dàng tham gia phản ứng cộng và những phản ứng cộng này luôn được xem xét là những phản ứng oxi hóa - khử hay không phải là phản ứng oxi hóa - khử trên cơ sở xác định sự biến đổi số oxi hóa của các chất tham gia và tạo thành sau phản ứng. Bài tập 2, 3 được xây dựng và sử dụng để phát triển, củng cố khái niệm chất khử, chất oxi hóa. Anđehit thể hiện tính oxi hóa khi tác dụng với chất khử là H2 và là chất khử khi tác dụng với các tác nhân oxi hóa mạnh như O2 (t◦, xt); nước brom, KMnO4, AgNO3/NH3 dư, Cu(OH) 2, t◦. . . và là cơ sở hình thành phát triển khái niệm phản ứng khử, phản ứng oxi hóa trong hóa học hữu cơ. Như vậy, trong quá trình hình thành khái niệm hóa học cơ bản nói riêng và KNPƯHH hữu cơ nói riêng, BTHH luôn luôn được sử dụng như là một PPDH tích cực và hiệu quả ở các giai đoạn hình thành, phát triển và liên kết các khái niệm. 2.4. Nguyên tắc xây dựng hệ thống bài tập hoá học khi hình thành và phát triển khái niệm phản ứng hóa học hữu cơ Trung học phổ thông Nguyên tắc xây dựng hệ thống BTHH để hình thành và phát triển KNPƯHH hữu cơ phải đảm bảo các nguyên tắc chung thuộc lĩnh vực lí luận dạy học. Đó là: Phát huy tối đa khả năng tư duy của HS, tạo cho HS thói quen suy nghĩ và hoạt động độc lập, rèn tư duy phê phán, năng lực tư duy phân tích tổng hợp, tư duy so sánh và hơn thế nữa là hình thành năng lực tư duy sáng tạo. Do đó, hệ thống BTHH được xây dựng để hình thành và phát triển KNPƯHH hữu cơ cần đảm bảo các nguyên tắc sau: 1. Bài tập thực hiện được mục tiêu dạy học, rèn năng lực tư duy cho HS. 2. Giúp HS nắm vững nội hàm của KNPƯHH cần hình thành. 3. Giúp HS hiểu nội hàm của khái niệm và vận dụng, liên kết giữa các khái niệm với nhau. 4. Có mức độ phân hóa phù hợp với nhận thức của các đối tượng HS, với các nội dung của khái niệm cần hình thành và phát triển nội dung của khái niệm cho HS. Với các HS có năng lực nhận thức trung bình thì GV cần xây dựng và sử dụng các bài tập ở các mức độ phát hiện nét bản chất của khái niệm, hiểu nội hàm của khái niệm, liên kết các khái niệm và từ đó làm cơ sở để HS vận dụng khái niệm. Với các HS có năng lực tư duy cao hơn thì GV cần xây dựng thêm các bài tập vận dụng các nội dung của khái niệm để phát triển khái niệm và giải quyết các vấn đề học tập khác nhau. 2.5. Quy trình xây dựng hệ thống bài tập hoá học khi hình thành và phát triển khái niệm phản ứng hoá học hữu cơ Trung học phổ thông Trên cơ sở nghiên cứu về vai trò, ý nghĩa, nguyên tắc xây dựng BTHH trong dạy học hóa học và quá trình hình thành, phát triển KNPƯHH hữu cơ ở trường phổ thông, chúng tôi thiết lập các quy trình xây dựng BTHH khi hình thành các khái niệm hóa học nói chung và KNPƯHH nói riêng gồm 5 bước như sau: 1. Phân tích nội dung dạy học: Xác định nội dung kiến thức HS đã có và kiến thức, kĩ năng cần hình thành để đặt ra mục tiêu dạy học. 2. Xác định nội dung khái niệm cần hình thành và phát triển (Nội hàm và ngoại diên của khái niệm). GV xác định logic nội dung kiến thức từ những kiến thức cũ đến kiến thức mới cần hình thành cho HS. Lựa chọn những nội dung kiến thức có thể mã hóa thành các bài tập nhận thức phù hợp. 3. Xác định loại bài tập cần xây dựng theo các mức độ nhận thức khác nhau: Mức độ tìm hiểu, mức độ vận dụng và vận dụng sáng tạo. Trên cơ sở các dữ kiện đã cho, yêu cầu đặt ra (mâu 71 Vũ Thị Thu Hoài thuẫn nhận thức) để xây dựng bài tập (Bài tập định tính ở mức độ hiểu nội hàm khái niệm, bài tập vận dụng, vận dụng sáng tạo ở mức độ phát triển và liên kết KNPƯHH). 4. Xây dựng bài tập dạng văn bản viết, cấu trúc bài tập, cách diễn đạt, khả năng áp dụng và thử nghiệm. 5. Chỉnh lí, sắp xếp các BTHH thành một hệ thống các bài tập để hình thành, phát triển và liên kết KNPƯHH. Ví dụ 1: Để hình thành và phát triển khái niệm phản ứng thế trong benzen và ankylbenzen, giáo viên xây dựng và sử dụng BTHH sau: Bài 1: Quan sát sơ đồ phản ứng thế của benzen, toluen với brom lỏng (Fe, t◦) và cho biết: - Nguyên tử nào trong phân tử bị tách ra và được thay thế bởi nguyên tử brom? - Viết PTHH của phản ứng giữa toluen với Br2 (Fe, t◦) để tạo sản phẩm p-bromtoluen. Bài tập này được xây dựng để hình thành KNPƯ thế trong benzen và ankylbenzen trên cơ sở các kiến thức HS đã biết về dấu hiệu bản chất của KNPƯ thế mà HS đã được học ở phần ankan: là phản ứng có sự tách nguyên tử H và thay thế bằng nguyên tử halogen (clo, brom) mà không có sự thay đổi liên kết trong phân tử các chất trước và sau phản ứng đề hình thành KNPƯ thế trong benzene và ankylbenzen [4]. Bài 2: Điều kiện phản ứng thế halogen của benzen có gì khác so với điều kiện phản ứng thế halogen trong ankan [1]? Bài 3: Cho biết công thức cấu tạo các sản phẩm có thể tạo ra khi đun hỗn hợp toluen và Br2 (Fe, t◦) theo tỉ lệ mol 1:1. Nếu không dùng Fe mà chiếu sáng thì Br thế cho H ở C trong nhân hay ở nhánh? Bài 4: Khi cho nitrobenzen và toluen tác dụng với HNO3 đặc/ H2SO4 đặc, t◦ theo tỉ lệ mol 1:1 thì PƯ nào xảy ra dễ hơn và nhanh hơn so với benzen? Tại sao? Bài 5: Hoàn thành các PƯHH sau (các chất phản ứng với nhau theo tỉ lệ mol 1:1), ghi rõ điều kiện của phản ứng? Bài 6: Vì sao trong vòng benzen có sẵn các nhóm ankyl (hoặc –OH, –NH2, –OCH3...) thì nhóm thế tiếp theo sẽ thế dễ hơn và ưu tiên vào vị trí octho hoặc para? Nếu trong nhân benzen có sẵn các nhóm thế –NO2, CH3COO –, SO3H ...thì nhóm thế tiếp theo sẽ khó hơn và ưu tiên vào vị trí meta? Phát biểu nội dung quy tắc thế vào nhân benzen? Bài tập 2,3 được xây dựng và sử dụng để phát triển và liên kết nội hàm KNPƯ thế như: điều kiện xảy ra phản ứng, điều kiện phản ứng khác nhau↔ sản phẩm tạo thành khác nhau↔ cơ chế phản ứng khác nhau↔ tạo các loại PƯHH khác nhau..... 72 Quy trình xây dựng bài tập Hóa học hình thành và phát triển khái niệm phản ứng... Bài tập 4,5 được xây dựng và sử dụng để mở rộng KNPƯ thế: nguyên tử H trong benzen và ankylbenzen không chỉ được thay thế bởi nguyên tử halogen (Cl, Br) mà còn được thay thế bởi nhóm nguyên tử NO+2 và hình thành khái niệm phản ứng nitro hóa. Bài tập 6 được xây dựng và sử dụng để mở rộng KNPƯ thế bằng cách giải thích bản chất quy tắc thế H trong nhân benzen qua phân tích sự phân cực của các liên kết của nhóm các nguyên tử liên kết với vòng benzen gây ra ảnh hưởng qua lại của các nhóm nguyên tử trong phân tử. Ví dụ 2: Giáo viên có thể xây dựng bài tập mở và sử dụng để rèn năng lực tổng hợp, tư duy khái quát cho HS. Bài 1: So sánh phản ứng thế trong ankan và trong benzen, ankylbenzen về các vấn đề: Tác nhân, điều kiện, sản phẩm phản ứng? Bài 2: 1. Butan có thể tham gia những loại PƯHH nào, viết PTHH của các phản ứng có thể xảy ra dạng công thức cấu tạo thu gọn và ghi rõ điều kiện của các phản ứng đó? 2. Khi đun hỗn hợp ancol etylic C2H5OH và axit H2SO4 đặc đến nhiệt độ cao thì có các PƯHH nào có thể xảy ra, viết các PTHH và cho biết những phản ứng đó thuộc loại PƯHH nào? Bài 3: Lập sơ đồ tư duy hệ thống hóa kiến thức các nội dung cụ thể trong các bài luyện tập, các chương hay các phần đã học (Hình 3). 3. Kết luận Chương trình hóa học hữu cơ ở THPT có nhiệm vụ hình thành và phát triển KNPƯHH nói chung theo một chu trình phát triển có kế thừa hợp lí các kiến thức HS đã được học ở các lớp dưới. Khi xác định rõ đối tượng và mục đích nghiên cứu bài học, nội dung khái niệm cần hình thành và phát triển; hiểu rõ vai trò, vị trí, ý nghĩa của bài tập trong lí luận dạy học thì giáo viên dễ dàng thiết kế và sử dụng có hiệu quả hệ thống bài tập nhận thức để thiết lập các hoạt động tự lực khám phá, tìm tòi, hình thành và vận dụng sáng tạo kiến thức cho HS. Thông qua hoạt động giải các 73 Vũ Thị Thu Hoài BTHH để hình thành và phát triển KNPƯHH rèn tư duy phân tích, tổng hợp và khái quát cho HS góp phần nâng cao chất lượng dạy học hóa học ở trường phổ thông. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vũ Thị Thu Hoài, 2010. Hình thành và phát triển khái niệm phản ứng thế trong hóa học hữu cơ bằng bài tập hóa học. Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, Số 55 (4), tr. 26 - 36. [2] Lê Xuân Trọng, Nguyễn Hữu Đĩnh, Lê Chí Kiên, Lê Mậu Quyền, 2008. SGK Hóa học 11 nâng cao. Nxb Giáo dục, Hà Nội. [3] Nguyễn Xuân Trường, 2003. Bài tập hóa học ở trường phổ thông. Nxb Đại học Sư phạm Hà Nội. [4] Trần Quốc Sơn, 1997. Một số phản ứng của hợp chất hữu cơ. Nxb Giáo dục, Hà Nội. ABSTRACT The process of creating chemistry problems which can be used to demonstrate high school organic chemical reactions In this paper we introduce five steps that can be used to create chemistry problems that can be used to demonstrate organic chemical reactions on a basis of an analysis of chemistry problem significances and the inherent development of connotation of chemical reactions. Chemistry problem solving at different conscious levels helps students discover the foundation and development of organic chemical reactions in their study program, thereby increasing the mental activity, initiative and creativity of students, all of which improves the quality of high school chemistry teaching. Keywords: Chemistry problems, organic chemical reaction, high schools. 74