【關(guān)鍵詞】甲烷;教學(xué)設(shè)計;高中化學(xué)

【中圖分類號】G633.8 【文獻標(biāo)志碼】A 【文章編號】1005-6009（2020）59-0072-04

【作者簡介】陳靜，南京外國語學(xué)校（南京，210008）教師，高級教師。

一、教學(xué)設(shè)計思路

化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生必備的科學(xué)素養(yǎng)，是學(xué)生終身學(xué)習(xí)和發(fā)展的重要基礎(chǔ)。素養(yǎng)為本的課堂教學(xué)應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生正確的價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。本節(jié)課以“素養(yǎng)為本”的理念指導(dǎo)教學(xué)設(shè)計，創(chuàng)設(shè)真實問題情境，設(shè)計有層次、多樣化的教學(xué)活動，在教與學(xué)的過程中展開評價，診斷并發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)水平。

“甲烷”是學(xué)生學(xué)習(xí)有機化學(xué)的開篇，是學(xué)習(xí)其他有機化合物的基礎(chǔ)。本節(jié)課從確定分子結(jié)構(gòu)到認(rèn)識物質(zhì)性質(zhì)，滲透“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”這一化學(xué)學(xué)科的核心觀念，幫助學(xué)生建立學(xué)習(xí)有機化合物的一般思路和方法。

二、教學(xué)目標(biāo)

1.通過搭建球棍模型、學(xué)習(xí)科學(xué)史實以及類比氣球模型等活動，認(rèn)識甲烷分子的正四面體結(jié)構(gòu)特征。

2.通過對甲烷取代反應(yīng)的實驗探究、模型拼插模擬反應(yīng)過程等活動，建立“宏觀一微觀一符號”三重表征，認(rèn)識并理解取代反應(yīng)。

3.通過對甲烷組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及用途的學(xué)習(xí)，建立學(xué)習(xí)有機化合物的一般思路和方法，初步形成結(jié)構(gòu)化的知識體系。

4.通過對不同燃料性能的比較以及甲烷的開采和利用等社會熱點問題的分析，體會化學(xué)的學(xué)科價值，增強社會責(zé)任感。

三、教材分析

甲烷是高中階段學(xué)生學(xué)習(xí)有機物的起始，本節(jié)課的重難點是甲烷的空間結(jié)構(gòu)和取代反應(yīng)。甲烷中碳原子與氫原子的成鍵方式及甲烷正四面體結(jié)構(gòu)特征是學(xué)習(xí)其他有機化合物結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。同時，取代反應(yīng)是一類重要的有機反應(yīng)類型?？梢哉f，通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解研究有機物的一般思路和方法，對學(xué)生今后學(xué)習(xí)有機化學(xué)起著至關(guān)重要的作用。

四、學(xué)情分析

學(xué)生在初中的學(xué)習(xí)過程中，初步學(xué)習(xí)了甲烷的物理性質(zhì)、可燃性和一些重要用途。學(xué)生已掌握了化學(xué)鍵的基本知識，認(rèn)識了電子式和結(jié)構(gòu)式。同時，學(xué)生具備了一定的探究經(jīng)驗和合作學(xué)習(xí)能力。這些都為本節(jié)課的學(xué)習(xí)奠定了一定的基礎(chǔ)。但是學(xué)生對有機物的空間結(jié)構(gòu)存在認(rèn)知困難，需要分析理解有機反應(yīng)的本質(zhì)，這些對學(xué)生都將成為挑戰(zhàn)。

五、主要教學(xué)環(huán)節(jié)及設(shè)計意圖

1.創(chuàng)設(shè)情境，引入新課。

播放新聞視頻：2019年12月2日中俄東線天然氣管道正式投產(chǎn)通氣。

師：這條能源大動脈將對我國沿線地區(qū)的發(fā)展產(chǎn)生重要作用。天然氣的主要成分是甲烷。今天，我們一起來學(xué)習(xí)最簡單的有機化合物——甲烷。除了天然氣，甲烷還以沼氣、油田氣、煤礦坑道氣等形式存在。深藏于陸地凍土和海底的可燃冰，儲量巨大，是未來理想的替代能源，其主要成分也是甲烷。甲烷有哪些物理性質(zhì)呢？根據(jù)其物理性質(zhì)，如何收集甲烷呢？

（設(shè)計意圖：通過新聞視頻引入新課，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，關(guān)注與化學(xué)有關(guān)的社會熱點問題，增強學(xué)生的社會責(zé)任感?；仡櫦淄榈拇嬖?、物理性質(zhì)等已有認(rèn)識，溫故知新。）

2.模型認(rèn)知，探究甲烷的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。

（1）搭建模型，探尋分子的空間結(jié)構(gòu)。

師：碳原子與氫原子如何形成甲烷分子呢？請寫出甲烷的電子式和結(jié)構(gòu)式。

師：早在1808年，近代化學(xué)之父道爾頓就開始了甲烷分子結(jié)構(gòu)的研究。隨后，化學(xué)家們提出了一些甲烷分子結(jié)構(gòu)的猜想。你認(rèn)為甲烷分子具有怎樣的空間結(jié)構(gòu)呢？

學(xué)生活動：利用黏土（或橡皮泥）、牙簽等搭建球棍模型，探究甲烷分子的空間結(jié)構(gòu)。其中，黑球代表碳原子、白球代表氫原子、一根牙簽表示一對共用電子。

學(xué)生通過搭建模型，可能會得到平面正方形、四棱錐、正四面體等空間結(jié)構(gòu)。

師：由于斥力作用，4個H原子盡可能遠離，甲烷分子不應(yīng)該是四棱錐結(jié)構(gòu)。甲烷分子的空間結(jié)構(gòu)是哪一種呢？請根據(jù)二氯甲烷CH2C12只有一種結(jié)構(gòu)來判斷。

學(xué)生活動：搭建CH₂Cl₂的球棍模型，判斷甲烷分子的空間結(jié)構(gòu)。

在上述活動后，教師補充如下材料：

①1874年，第一位諾貝爾化學(xué)獎獲得者荷蘭化學(xué)家范霍夫提出了碳原子具有四面體結(jié)構(gòu)的學(xué)說。1928年，美國化學(xué)家鮑林提出了雜化軌道理論，成功地解釋了甲烷分子的正四面體結(jié)構(gòu)。

②近代，科學(xué)家通過X-衍射和電子衍射等科學(xué)實驗測得甲烷分子中4個C-H鍵的鍵長相等，鍵角為109°28′，證實甲烷分子是正四面體型的空間結(jié)構(gòu)。

③類比氣球模型，4個相同大小的氣球相互排斥，呈正四面體形分布。類比分析，如果將這4個氣球看成甲烷分子中碳原子周圍的4對共用電子對，將氣球系在一起的中心看成中心原子C。共用電子對由于相互排斥作用而趨向盡可能彼此遠離，從而使排斥作用盡可能小，那么CH₄呈正四面體形的空間結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。

（設(shè)計意圖：通過搭建球棍模型、科學(xué)史實、科學(xué)實驗證實以及類比氣球模型等，多角度收集證據(jù)，親歷科學(xué)探究的過程，促進學(xué)生對甲烷空間結(jié)構(gòu)的認(rèn)識和理解，以突破重點和難點。）

（2）分析比較，認(rèn)識甲烷的可燃性。

師：天然氣是一種重要氣體燃料，體現(xiàn)甲烷具有可燃性。請寫出甲烷燃燒的化學(xué)方程式。

師：請從多角度分析甲烷可能成為未來主要能源的理由。

學(xué)生活動：多角度比較甲烷、煤炭、石油等幾種不同的燃料。

（設(shè)計意圖：以能源使用為背景，引導(dǎo)學(xué)生運用所學(xué)知識對甲烷與常規(guī)化石燃料進行性能比較，深刻認(rèn)識甲烷是一種重要的優(yōu)質(zhì)能源，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感和決策能力。）

（3）設(shè)計實驗，探究甲烷的穩(wěn)定性。

師：俄羅斯的天然氣能運送到中國，這體現(xiàn)了CH₄的什么性質(zhì)呢？請設(shè)計實驗方案，探究甲烷能否與酸性KMnO₄溶液、稀硫酸以及NaOH溶液反應(yīng)呢？

學(xué)生活動：探究甲烷的穩(wěn)定性。設(shè)計實驗方案并分組實驗：將少量的酸性KMnO₄溶液抽入到充有甲烷氣體的小針筒內(nèi)，塞上塞子，輕輕搖晃。學(xué)生觀察、記錄實驗現(xiàn)象，并得出實驗結(jié)論。

（設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)化學(xué)問題，提出可能的假設(shè)，依據(jù)假設(shè)設(shè)計實驗方案，探究甲烷的穩(wěn)定性，收集實驗證據(jù)，分析并得出結(jié)論，親身體驗科學(xué)探究的一般思路和方法。）

（4）多重表征，探究甲烷與氯氣的反應(yīng)。

師：在一定條件下，CH₄和Cl₂會發(fā)生反應(yīng)嗎？我們一起來實驗探究。

演示實驗：探究甲烷與氯氣的反應(yīng)。

實驗步驟：取兩支試管，均通過排飽和NaCl溶液的方法收集半試管CH₄和半試管Cl₂，分別用鐵架臺固定好（如圖1所示）。將其中的一支試管A用鋁箔套上，另一支試管B放在光亮處。靜置一段時間后，比較兩支試管內(nèi)的現(xiàn)象。倒轉(zhuǎn)試管B，用滴管取少量液體于小試管中，滴入幾滴紫色石蕊試液，振蕩，觀察實驗現(xiàn)象。

師：請匯報觀察到的實驗現(xiàn)象，并分析宏觀的實驗現(xiàn)象得到哪些信息呢？

學(xué)生可能回答：試管A內(nèi)無明顯變化，氣體仍為黃綠色，說明無光照時CH₄和Cl₂不發(fā)生反應(yīng);試管B內(nèi)氣體顏色變淺，說明光照時CH₄和Cl₂發(fā)生了反應(yīng)。

試管B的管壁出現(xiàn)油狀液滴，說明CH₄和Cl₂反應(yīng)生成了不溶于水的油狀物質(zhì)。

試管B內(nèi)液面上升，說明試管內(nèi)氣體總體積在減小;液面上方有少量白霧，說明有小液滴生成;小試管內(nèi)石蕊試液變紅，說明有酸性物質(zhì)生成。綜合判斷，在光照條件下，CH₄和Cl₂反應(yīng)生成了HCl氣體。

師：HCl中的Cl原子來自Cl₂，H原子來自CH₄?；瘜W(xué)反應(yīng)過程包含著舊鍵的斷裂和新鍵的形成。你能從化學(xué)鍵的變化角度分析CH₄和Cl₂反應(yīng)還生成了什么物質(zhì)呢？

學(xué)生活動：利用球棍模型模擬反應(yīng)過程。利用球棍模型模擬CH₄和Cl₂反應(yīng)中化學(xué)鍵的斷裂與形成的過程，對比反應(yīng)前后有機物分子結(jié)構(gòu)的變化，認(rèn)識反應(yīng)的微觀本質(zhì)。

師：從宏觀現(xiàn)象到微觀本質(zhì)，我們理解了甲烷和氯氣發(fā)生的反應(yīng)。像這樣的反應(yīng)，我們稱之為取代反應(yīng)。你能給取代反應(yīng)下個定義嗎？此外，一氯甲烷是一種微溶于水的氣體，可是試管B管壁出現(xiàn)油狀液滴，反應(yīng)中還生成什么物質(zhì)呢？

學(xué)生活動：觀看動畫，CH₄分子中的4個H被Cl原子逐一替代，生成4種不同的取代產(chǎn)物。仿照生成一氯甲烷的化學(xué)方程式，寫出后續(xù)三步反應(yīng)的化學(xué)方程式。

教師：這四種取代產(chǎn)物中，一氯甲烷常溫下為氣體，其余均為不溶于水的油狀液體。這四種氯代物均有重要的應(yīng)用，例如三氯甲烷（也叫氯仿）和四氯甲烷重要的有機溶劑。

（設(shè)計意圖：設(shè)計層層遞進的學(xué)生活動，幫助學(xué)生理解甲烷與氯氣的反應(yīng)過程，體會由宏觀現(xiàn)象到微觀本質(zhì)再到化學(xué)符號的表征，建立“宏觀—微觀—符號”三重表征，逐步建構(gòu)取代反應(yīng)的概念，發(fā)展學(xué)生深度學(xué)習(xí)的能力。）

3.學(xué)以致用，拓展認(rèn)識。

師：結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途。甲烷的應(yīng)用也十分廣泛。它是一種優(yōu)質(zhì)燃料，不僅可用于家庭中，還可以用于汽車、航天等行業(yè)中;它又是重要的化工原料，可以制取氟利昂、甲醇等化工產(chǎn)品。近些年，頁巖氣的開發(fā)與利用開始走入人們的視野。如今，我國已成為與美國、加拿大鼎足而立的頁巖氣生成大國。你了解頁巖氣嗎？

學(xué)生小組匯報課前收集的資料：頁巖氣就是蘊藏在頁巖層中的天然氣，成分以甲烷為主，但是開采頁巖氣開采難度大。我國頁巖氣資源十分豐富，資源量居于世界前列，具有廣闊的開發(fā)前景。我國頁巖氣開發(fā)雖然起步較晚，但是發(fā)展非?？?。

（設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)豐富了學(xué)生對甲烷用途的認(rèn)識，體現(xiàn)了化學(xué)對滿足人民日益增長的美好生活需要的重大貢獻，凸顯化學(xué)學(xué)科的社會發(fā)展價值和時代性。）

·點評·

1.創(chuàng)設(shè)真實且富有價值的問題情境。

真實、具體的問題情境是學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要平臺，為學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)提供了真實的表現(xiàn)機會?！凹淄榭赡艹蔀槲磥碇饕茉吹睦碛墒鞘裁矗俊薄岸砹_斯的天然氣能不遠千里來到中國，這體現(xiàn)了CH4的什么性質(zhì)呢？”這些真實的問題，使學(xué)生從生活世界走進化學(xué)世界，激發(fā)了探究欲望，體會了化學(xué)學(xué)科的社會價值，增強了社會責(zé)任感。

2.注重“素養(yǎng)為本”理念指導(dǎo)下教學(xué)活動的設(shè)計。

學(xué)生在一系列的教學(xué)活動中親歷學(xué)習(xí)過程，獲得生動而深刻的認(rèn)識，形成個人的知識體系，發(fā)展了學(xué)科核心素養(yǎng)。通過搭建甲烷分子結(jié)構(gòu)模型、了解科學(xué)史實等活動，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識甲烷中碳原子的成鍵特點和空間結(jié)構(gòu)，突出“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”。通過對甲烷取代反應(yīng)的實驗探究、用模型拼插模擬反應(yīng)過程等活動，強調(diào)了科學(xué)探究和學(xué)科本原，體現(xiàn)了有機物學(xué)習(xí)的認(rèn)識進階，從“宏觀”到“微觀”。值得注意的是，“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”這一化學(xué)學(xué)科的核心觀念貫穿本節(jié)課的整個教學(xué)活動中，學(xué)生深刻體會了學(xué)習(xí)有機化合物的一般思路和方法。

3.實施“教、學(xué)、評”一體化教學(xué)。

本節(jié)課緊緊圍繞發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)這一主旨，注重過程性和結(jié)果性評價的有機結(jié)合，通過學(xué)生在搭建模型、實驗探究、小組討論等活動中的表現(xiàn)，運用學(xué)生自評、同伴互評和教師評價等多種方式，即時評價學(xué)生的學(xué)習(xí)進程和能力發(fā)展水平，充分發(fā)揮評價促進學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)全面發(fā)展的功能。

（點評人：陳懿）