核心素养为导向的教学设计<br/>——以“甲烷”的教学为例

核心素养为导向的教学设计
——以“甲烷”的教学为例

2020-01-09莫绮晨王宇飞蒋曼云

云南化工 2019年12期

莫绮晨，王宇飞*，蒋曼云

（云南师范大学化学化工学院，云南昆明 650000）

《普通高中化学课程标准（2017 年版）》（下面简称新课标）的提出意味着新课程的改革，要求学生在掌握基础知识的同时，形成核心素养，逐步造就适应个人终身发展的必备品格和关键能力。化学学科核心素养包括“宏观辨识与微观探析”、“变化观念与平衡思想”、“证据推理与模型认知”、“科学探究与创新意识”和“科学态度与社会责任”五个方面[1]，核心素养的提出，极大地凸显了学科的育人价值。但学科核心素养的培养不是一蹴而就的空中楼阁，而是需要以事实性知识为载体，经过学生自身的理解、应用、迁移、创新等培养能力的活动，才能实现从陈述性知识到观念化知识，再到自觉主动的认识方式，最终转化为学科的核心素养[2]。

1 教学背景

1.1 教学内容分析

在内容方面，新课标对于必修阶段的有机物内容相较于2013 年版的课标，要求更为详细，点明了认识有机物分子结构的重要性。在内容要求中，第一点便是有机物的结构特点，要求知道有机化合物分子的空间结构，并以甲烷、乙烯、乙炔、苯为例认识碳原子的成键特点，以乙烯、乙醇、乙酸、乙酸乙酯为例认识有机化合物中的官能团。并且要求学生知道有机化合物存在同分异构现象。

只从甲烷内容来说，新课标对其主要性质及应用不做过多要求，保留了以甲烷为例认识碳原子的成键特点。说明在必修二教材中甲烷的相关知识内容的价值体现在分子结构及其碳原子的成键特点上，以此为起点启蒙学生对有机化合物结构的认识。

初中阶段学习的有机物相关内容只提及有机物的概念以及一些有机合成材料的应用，因此高中的学生接触这一阶段的有机物学习前，预备知识几乎是空白的。甲烷作为人教版必修二第三章第一节的内容，是学生第一次接触有机物的结构与性质，同时甲烷是一种逐步成为世界第一大消费能源的燃料，受到世界各国的关注，对改变我国能源结构有着举足轻重的作用。因此甲烷这一章节不论是培养学生“宏观辨识与微观探析”、“证据推理与模型认知”还是“科学态度与社会责任”都有一定的帮助。

1.2 设计思路

由于高一学生还未系统学习空间立体几何的知识，空间想象能力较弱，因此帮助学生在脑海中构建甲烷分子的空间构型并逐步理解碳原子的成键特点是难点。基于新课标的要求，本章节内容教学重心放在甲烷分子结构及其碳原子的成键特点上，设计多环探究活动：模型拼插，实物演示，实验反证等活动引导学生认识甲烷分子的空间结构以及甲烷分子中碳原子的成键特点，为之后学习烯烃、炔烃的分子结构打下基础。

2 教学设计

2.1 引入创设情境——天然气“西气东输”工程

【导入】1）西气东输工程西起新疆塔里木盆地，东至上海，是我国距离最长、口径最大的输气管道。供气范围覆盖中原、华东、长江三角洲地区，全长4200km，堪称拉开“西部大开发”序幕的标志性建设工程。

2）已知煤炭、汽油（C8H18）、甲烷燃烧的热化学方程式为：

【讲述】西气东输工程将天然气送到全国各地，极大地改善人们生活，对优化我国以煤炭为主的能源消费结构发挥了重要作用。那同学们知道西气东输的主角是谁？

【学生】天然气。

【提问】天然气最主要的成分就是甲烷。那同学们能从这些信息中得到关于甲烷的哪些信息呢？

【学生】甲烷是气态物质、具有可燃性,而且是高效清洁的能源。

【引导】不错，那为什么说它是一种高效清洁的能源呢？你有什么证据来支撑你的观点？

【学生】比较相同质量下的煤炭、汽油和甲烷燃烧所放出的热量。计算得出1g 的煤炭、汽油和甲烷燃烧分别放出热量为28 kJ、42 kJ 和49 kJ。而释放相同热量的时候，甲烷的CO2排放量最少。所以说甲烷是高效清洁的能源。

【讲述】很好，这种定量计算的方法直观、准确，是很有说服力的证据。我们遇到问题就是要从信息中寻找充分的证据来分析推理，最终解决问题。

【讲述】还有其他同学补充吗？天然气运输全长4200km，大范围输送全国各地。体现了甲烷的什么性？或者说是什么保证这个长距离大范围运输？

【学生】稳定性，甲烷性质稳定保证了大范围运输。

【总结】很好，也就是说从资料中我们可以总结得出：甲烷是一种稳定的气体，具有可燃性，可作为高效清洁的能源。同学们还可以从教材上补充甲烷的其它性质。

设计意图：以“西气东输工程”作为情境引入教学，将学生要学习的内容与社会生产相联系，不仅有利于激发学生学习的兴趣，更有利于开拓视野，提高他们对社会生产的关注度，增强社会责任意识。同时通过定量计算，对甲烷是“高效清洁”能源有一个更为直观深刻的理解。训练他们从资料中提取信息，寻求证据支撑观点，培养证据意识，发展自身证据推理的能力。

2.2 探究甲烷分子结构

【过渡】那为什么甲烷的性质如此稳定呢？在有机物学习中，一个关键的思维就是“用途性质结构”。甲烷的性质由它的结构来决定，那么甲烷的结构究竟是怎样的呢，下面我们一起来探究甲烷分子的结构。

【提问】甲烷的分子式为CH4。那么请问甲烷分子中，C 和H 之间是靠哪一类化学键相结合的？给出你的依据。

【学生】甲烷分子中，C 和H 是以共价键相连接。碳原子最外层有4 个电子，而氢原子最外层有1 个电子，1 个碳原子与4 个氢原子通过共用电子对形成4 个共价键。

【讲述】很好，请同学们写出甲烷分子的电子式和结构式。然后思考甲烷分子中这5 个原子各自处在什么位置？甲烷分子的空间构型又是怎样的呢？

请以小组为单位，猜测并利用泡沫球和牙签搭建你认为甲烷分子可能的空间构型。

【展示交流】各小组展示自己的模型，并与同学分享自己小组的想法。

【提问】同学们猜测的大致分为三种模型：平面正方形、四棱锥形、正四面体形。那么哪一种才是真正的甲烷分子的空间构型呢？

2.2.1 键角

【问题1】原子由什么构成，两个原子之间存在什么力？当距离过近时会发生什么？

【问题2】同样的，共价键本质是什么？共价键之间又存在什么力？

【学生】原子是由原子核与核外电子构成，原子之间存在斥力和引力，当原子距离过近时，斥力会增大。而共价键的本质是共用电子对，共价键之间存在静电斥力。

【问题3】综合这两方面的考虑，甲烷分子中各原子以及共价键（碳氢键）会呈现怎样的状态？对碳氢键之间的夹角（键角）影响是？

【学生】由于斥力的影响，甲烷分子中各原子都会处于尽量远离的状态，碳氢键也是，所以键角会尽可能大。

【引导总结】自然界中一切物质都是趋于稳定状态的，那就意味着能量最小，相互间力的作用最小。正如同学们所说，甲烷分子中各原子应该尽量远离以减小相互的斥力影响，而同理带有相同电荷的碳氢键在空间中也会尽量的远离。同时由于4 个碳氢键是完全相同的，那它们之间斥力也相同，换句话说它们之间的夹角也应该相同的，那就是对称结构。由此，同学们可以推测出甲烷分子的空间构型究竟是哪一个吗？

【学生】各原子之间尽量远离，那首先可以排除四棱锥形；而由于碳氢键之间的夹角相同，可以排除平面正方形，因为如果空间构型为平面正方形，碳氢键夹角就有两个：90°和180°。所以综上所述，甲烷分子的空间构型最有可能是正四面体。

【讲述】科学家们通过电子衍射的实验证明了，甲烷分子的碳氢键长度与强度相等，夹角相同。

2.2.2 共用电子对的互斥

【讲述】现在老师用四个同样的气球，模拟甲烷分子中碳氢键之间，由于互斥作用而呈现的空间分布。同学们体会一下。

【教师展示】将4 个相同的气球扎在一起，先轻微用力将其按压在黑板上，让同学们观察在外力作用下，可以呈现为平面正方形。手松开，往上一抛，在自然状态下气球呈现的是正四面体。

【讲述】我们将每个气球视为一个碳氢键，4个气球中心连接处视为碳原子的原子核。这四个气球相互挤压视为共用电子对的相互排斥作用。可以看出，正四面体是它们呈现的最自然的状态，也就可以看出甲烷分子空间结构的自然取向。

【讲述】现代科学也通过各种分析仪器准确测定了甲烷的分子结构的确为正四面体。

设计意图：引导学生根据已有的关于价键的知识去理解新的内容，通过小组成员间讨论交流，动手搭建可能的甲烷分子空间构型，充分发挥学生的主体性。再引导学生从键角、斥力等方面逐步推理、证明甲烷分子的空间结构。而后利用气球模拟共用电子对的互斥，引导学生从微观粒子之间的作用层面去认识甲烷的立体结构。使“电子对的互斥”更为直观易于理解。有效培养学生“宏观辨识与微观探析”以及“证据推理与模型认知”素养

这一教学环节将“甲烷分子的正四面体构型”的这个知识，由传统的教师讲授变为学生自主探究的过程，化被动为主动。在教师引导下，学生讨论分析，充分挖掘证据，亲身经历知识的假设与论证、同时体验和领悟科学研究的思维方法。在这一过程中获得探索的体验，发展证据推理能力，建构微观结构模型与认知模型。

2.2.3 甲烷的取代反应及二氯甲烷的反证

【提问】那是不是就说甲烷不与任何物质反应呢？

【学生】不是，甲烷可以作为燃料，说明甲烷与氧气反应。

【讲述】不错，甲烷作为燃料燃烧可以视为甲烷发生氧化反应。但还有一个反应：在光照条件下，甲烷会发生取代反应。

【投影】播放“甲烷与氯气混合气体在光照条件下的反应。”的视频。请同学们观察并记录实验现象，填写相关表格。

【讲述】操作一：用三支针筒分别标号①、②、③。

①号针筒分别吸入10mL 甲烷与30mL 氯气；

②号针筒吸入40mL 氯气；

③号针筒分别吸入10mL 甲烷与30mL 氯气。

加强创新教学团队及高素质师资队伍建设人才培养需要拥有一支高素质的师资队伍作为支撑，针对创新型人才的培养，优秀的教学团队及高素质的教师显得尤为重要[5-6]。

将1 号与3 号针筒置于阳光直射下，3 号针

操作二：反应一段时间后将三支针筒插入饱和食盐水中。

操作三：轻推三支针筒的活塞。

【提问】实验中操作一的意图是？

【学生】对照实验，1 号和3 号针筒是光照与不光照条件的对照；1 号和2 号试管是混合气体光照与单独气体光照的对比。

【提问】每一步操作后实验的现象是什么？说明了什么？

【学生】观察到1 号试管的黄绿色气体颜色变浅，针筒内有白雾，内壁上有小液滴，另外两支针筒无明显现象。轻推针筒，只有1 号针筒发生明显的移动，另外两支针筒均无明显移动。说明了甲烷和氯气在光照条件下发生了反应，非光照条件下不发生。

【教师】请据此写出你认为可能的反应方程式。

【投影】播放甲烷与氯气发生取代反应的微观过程动画。

【讲述】CH3Cl 称为一氯甲烷，是甲烷分子中的氢原子被氯气中的氯原子取代，被取代的氢原子与另一个氯原子结合为氯化氢。

【提问】甲烷与氯气在光照下的取代反应真的只生成一氯甲烷吗？或者说，反应产生一氯甲烷后，还有氯气存在下，反应就终止了吗？请给出你的理由？

【信息提示】

【学生】不止生成一氯甲烷，还有可能有二氯甲烷、三氯甲烷或者四氯甲烷，甚至是这些的混合物。因为一氯甲烷的沸点为-24.2℃，常温下为气态，但实验中有液滴生成，而且反应前后气体体积发生了变化，说明产物不止是一氯甲烷。【引导】那说明一氯甲烷可能与氯气进一步反应了，请用刚才搭建的甲烷分子模型模拟甲烷与氯气的多步取代反应，并写出你认为的可能的反应方程式。

【讲述】甲烷的取代反应是比较复杂的连锁反应，甲烷分子中的氢原子被氯原子逐步取代。我们把有机物分子里的某些原子或原子团被其它原子或原子团所替代的反应叫做取代反应。

【讲述】在这里同学们注意了，现在分析仪器证明二氯甲烷只有一种结构。这从实验事实上是否反证了甲烷分子的构型呢？请各小组用手中的模型来试验一下，每一组派代表分享你们的想法。

【学生活动】搭建二氯甲烷的模型并与同学交流。

【学生】二氯甲烷只有一种结构，那么也就说明甲烷分子不可能是平面正方形或者四棱锥形，因为这两种的二氯甲烷构型都各有两种结构。

设计意图：通过实验装置的优化与对比，让学生能够一步一步通过实验现象思考。从实验现象得出反应在光照条件下发生，推测出该反应的方程式，再从后续操作的实验现象及信息中推测发现，与一开始假设的反应方程式有差异冲突，思考还有进一步反应的可能性，进而理解甲烷取代反应的复杂性。对比实验的设置既能使学生体会甲烷与氯气反应的条件，同时体验科学探究的有关思路和一般方法。

通过对实验形象的宏观认知，以及借助微观反应过程的动画视频、分子模型的演示过程对反应本质的微观进行分析，加深对取代反应的理解，同时培养宏微结合的化学素养，建立“结构-性质”的联系。最后通过二氯甲烷分子结构模型的搭建，反证甲烷的正四面体构型，进一步加深学生对甲烷分子构型的认识，强调有机物学习中分子结构的重要性。

2.2.4 甲烷中碳原子的成键特点

【讲述】甲烷中碳原子有4 个价电子，C 呈四价，形成4 个共价键。那有机物中，碳原子是不是只会以“与4 个其它原子形成4 个共价键”的方式呈现呢？是否可能还有其它形式？

请写出C2H6、C2H4、C2H2的电子式与结构式，并搭建它们各自的分子结构模型。

【学生活动】用泡沫球和牙签搭建的分子结构，并讨论交流。

【学生】碳原子不仅可以与氢原子形成共用电子对，碳原子之间也可以形成共用电子对。

【学生】而且两个碳原子之间不仅可以形成一对共用电子对，还可以形成两对或三对。

【总结】不错，同学们通过自己的体验发现这一规律。碳原子有4 个价电子，可以与其它原子通过共用电子对形成复杂的有机化合物。而要满足碳原子这“四价”的规则，我们有3 种形式：1）碳氢之间形成4 对共用电子对；

2）碳碳之间形成2 对共用电子对（双键）+2 对碳氢间的共用电子对；

3）碳碳之间形成3 对共用电子对（三建）+1 对碳氢间的共用电子对

而形成不同形式的共用电子对，对于该分子结构的空间构型有着极大的影响，这其中更为详尽的知识我们将会在接下来的课程中学到。在这同学们只需着重理解，在有机物中，碳的成键规则就是以各种形式满足“四价”的原则。

设计意图：

仅仅从甲烷分子的认识中理解碳原子成键特点有点局限，通过学生动手搭建C2H6、C2H4、C2H2的结构模型，同学间相互讨论分析，思考存在的哪些其它方式可以满足碳原子“四价”的原则，丰富学生对于有机物中碳原子成键方式的认识。但这里不宜深究双键及三键，只作为拓展内容让学生体会有机物中碳原子的成键规则，以及为后续学习烯烃与炔烃埋下伏笔。