基于培养学生化学核心素养的甲烷教学设计

汤希雁 刘梅乐 刘志平

摘要：以人教版高中化学必修Ⅱ中的“最简单的有机化合物——甲烷”为例，通过甲烷结构特点及取代反应为载体进行以素养为本的教学设计，呈现情境素材创设、模型构建驱动、宏微结合探析，彰显物质结构探究、宏微表征和化学核心素养的有机结合。

关键词：核心素养;教学设计;甲烷

文章编号：1008-0546（2019）12-0062-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.12.019

2014年教育部颁发的《关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》明确指出要把“核心素养”落实到各学科教学中。课堂教学是“核心素养落实到课程中，实现课程的教育思想、教育目标和教育内容的载体，是能否真正实现核心素养，培养出所需人才的重要环节”。

《普通高中化学课程标准（2017年版）》将必修课程设置5个主题，旨在促进学生学科核心素养各方面的发展，其中第4大主题“简单有机化合物及其应用”中的内容有：有机物的结构特点（要求认识有机物分子空间结构、碳原子成键特点、官能团及同分异构现象）、典型有机物性质（要求从结构、官能团认识物质性质与应用、知道基本反应类型及一定条件下的相互转化）、有机化学研究的价值（认识有机物在新物质合成中的研究价值、结合实例认识有机物在生产生活中的应用）和学生必做实验（学会搭建球棍模型认识有机物分子结构特点、掌握重要物质性质实验）。从新课标可知必修Ⅱ更突出侧重有机物结构的探析和结构决定性质的特点。

通过有机物学习“启蒙者”的甲烷为代表的教学设计，以“模型构建、宏微观结合的实验探析”为载体，将“新课引入”“甲烷分子结构探究”“甲烷取代反应”等知识通过创设情境、问题驱动、成键特点、总结提升、迁移应用等方式引导学生高效学习，自主构建有机物学习模式，进而实现学生化学学科核心素养的渗透与发展。

一、指向学科核心素养的合理教学目标

化学核心素养各指标是一个整体，需一步一个脚印逐步渗透于日常教学中。以核心素养为指导，“甲烷”一课教学目标为：通过优化教学设计立意和灵活设置导入方式，渗透学科核心素养;通过甲烷分子结构探究，构建物质结构探究模型，培养证据推理与模型认知能力;通过甲烷取代反应形成“结构决定性质”观念，培养从宏微观角度解决实际问题能力;通过思考交流我国酿酒技术与酒文化、酒驾检验、有机高分子材料性能与用途、塑胶跑道材料、手机贴膜等话题，培养科学态度与社会责任。

二、培养学科核心素养的教学目标的落实

1.灵活创设导入——培养“科学态度与社会责任”素养

化学是一门与科学、生命、生活生产息息相关的学科，若在教学设计中融人生活、生产以及生命科学，则必然能激发学生的科学精神、探究意识和社会责任感，并消除学生的陌生感，让学生在熟知的情境中获取新知。教材中介绍甲烷是天然气、沼气等的主要成分，是一种高效、低耗、污染小的清洁能源，同时也是一种化工原料。由此引出本节课主角“甲烷”，并没有涉及甲烷与生命的关系以及甲烷作为高效清洁能源的原因，局限学生视野。

以问题情境引入：24亿年前地球的大气层与现在的大气层的组成一样吗？经探测还未发现火星上有甲烷存在的迹象使得火星上存在生命的可能性变得很小。激发学生的求知欲，再通过视频播放的形式让学生了解：甲烷与生命有紧密关系，在好奇心的驱动下开始探索甲烷的转化之旅。CH4在发展过程中不断转化为氨基酸、蛋白质等有机物（图1），因此大气层中的CH4含量越来越少。通过情境升级，增强学生关注生命起源，提高可持续發展和绿色化学观念的责任意识。

再以甲烷相关的新闻为载体：2009年12月16日，福建省引进第一批LNG新能源公交车，并在后期投入使用LNG新能源。由此引出LNG是液化天然气一设疑：用LNG汽车代替燃油车（汽油、柴油车）的意义？由此引出甲烷是一种清洁、高效的能源，如何证明（表1）？

通过计算可知，相对于煤炭燃料，甲烷热值高，燃烧完全后的CO2排放量低，且避免SO2等物质对环境的污染，因此是一种高效清洁的优质燃料。

在教学设计中使用联系生命的方式，能够让学生认识到物质在不断地变化和运动，有利于培养学生“变化观念与平衡思想”这一核心素养。同时强化学生绿色化学观念与可持续发展意识，深化学生对化学、技术、社会和环境之间的相互关系的理解，培养学生“科学态度与社会责任”的核心素养。

2.结构预测，深度探究——培养“证据推理与模型认知”素养

物质的结构决定性质，对物质结构的探究是化学学习的精髓。因此对于甲烷或者其他有机物的学习，通过对物质结构提出可能的假设，再基于证据推理或者所拼接出来的结构模型对假设的物质结构进行验证，培养学生证据推理与模型认知能力。

【任务一】根据已有的知识与经验，运用道具拼接、预测CH4分子结构，并说明预测理由。（学生道具、甲烷可能结构及分析见表2）

设计意图：通过学生对数学上几何平面图及空间结构图的掌握预测甲烷结构。此任务目的是考查学生空间结构能力，诊断学生认识物质结构的能力水平（思路与视角），有利于学生物质分子结构构建思路的形成，培养学生证据推理能力，提高逻辑思维能力。

【任务二】根据预测，师生共同分析并探究甲烷正确的分子结构（表3）。

设计意图：学生通过任务一、任务二的设置，历经“结构预测一道具拼接可能结构”到“证据收集一结构分析一得出结论”的科学探究过程，培养“科学探究与创新意识”的能力素养。

3.实验探究、对比分析——培养“宏观辨识与微观探析”素养

在“以生为本”的教学理念指导下，在课堂教学中引导学生自主探究学习，落实学生化学核心素养的培养。化学实验是化学学习最直观的方法，授课时采用视频播放的方式播放甲烷与氯气的反应，通过实验培养学生的“宏观辨识与微观探析”意识。

【任务一】根据视频实验现象，结合对照和控制变量的实验设计思路，分析①②组实验和①③组实验对比的实验设计意图。

设计意图：在课堂中引导学生观察并比较实验现象，并分析①②组实验和①③组实验对比的实验设计意图。①②组实验说明条件对反应的影响，①③组实验的气体体积始终保持一致，说明实验液面上升不是氯气与水的反应;再根据试管内气体颜色逐渐变浅、内壁出现油状液滴（新物质）、有少量白雾（氯化氢）生成且液面上升的实验现象，学生通过对比实验得出氯气与甲烷在光亮处能发生反应。该环节考查学生实验探究设计能力，诊断学生实验发展水平（实验设计与创新），培养学生科学探究能力。

【任务二】根据实验现象和结论，试着写出甲烷与氯气反应的化学方程式（图2）。

设计意图：由宏观现象对实验的微观本质进行探究，从而得出甲烷与氯气发生了取代反应，再进一步引导学生用化学符号写出化学方程式，培养宏观辨识与微观探析素养。

【任务三】从“宏观一微观一符号”的角度对本节课进行小结（图3）。

实验过程中鼓励学生提出问题，引导学生联系前学知识，不仅有利于培养学生的科学精神，更能构建学生的知识体系，实现前后知识的衔接与迁移应用。在课本已有实验的基础上增加实验对比，不仅达到了化学实验设置的初衷，也促进学生综合运用所学知识、积极思考探究、从实验现象去分析反应的原理，让学生从宏观和微观相结合的视角分析和解决实际问题，强化了“宏观辨识与微观探析”化学核心素养的培养。

4.设置情境、交流讨论、首尾呼应——培养“科学态度与社会责任”素养

首先，通过认识甲烷的历史过程回溯人类认识微观世界分子中原子相互作用的微观历史，进而培养学生严谨的科学态度和社会责任感（图4）。

其次，教师收集与甲烷相关的社会、环境问题，进而引导学生认识化学与社会发展的关系，培养学生的科学态度与社会责任感。从“甲烷与社会生活”引出沼气，把话题切换到甲烷资源的利用与开发;再由能源如石油能源的开发切换到天然气的开发與利用;再从目前我国能源紧缺的话题切换到有关新能源可燃冰的开发与利用。通过层层递进的讨论，培养学生参与意识，突显学科知识对生活生产的指导作用，体现学科知识的社会价值功能。

三、素养为本的教学反思

高中化学教学是培养学生核心素养的重要环节。首先，教师以化学学科核心素养为理念设计教学，将学科核心素养渗透于高中化学课堂教学，落实立德树人根本任务，培养社会需要的新型人才。其次，以学生为主体的教学模式，以问题情境创设、任务解决为载体，让学生在独立探索、合作学习与自主学习中获取化学知识、形成化学思维进而形成学科核心素养。再者，以问题为驱动，引导学生在真实及开放性的问题情境中学会观察、发现现象并以查阅资料、实验探究等方式获取、收集证据推理信息，并对问题进行评价、推理、表征及应用，引导学生在循序渐进地解决化学问题中逐渐发展学科核心素养。