“最简单的有机化合物——甲烷”教学设计

陈 静

一、教学设计思路

化学学科核心素养是学生必备的科学素养，是学生终身学习和发展的重要基础。素养为本的课堂教学应培养学生正确的价值观念、必备品格和关键能力。本节课以“素养为本”的理念指导教学设计，创设真实问题情境，设计有层次、多样化的教学活动，在教与学的过程中展开评价，诊断并发展学生的核心素养水平。

“甲烷”是学生学习有机化学的开篇，是学习其他有机化合物的基础。本节课从确定分子结构到认识物质性质，渗透“结构决定性质”这一化学学科的核心观念，帮助学生建立学习有机化合物的一般思路和方法。

二、教学目标

1.通过搭建球棍模型、学习科学史实以及类比气球模型等活动，认识甲烷分子的正四面体结构特征。

2.通过对甲烷取代反应的实验探究、模型拼插模拟反应过程等活动，建立“宏观—微观—符号”三重表征，认识并理解取代反应。

3.通过对甲烷组成、结构、性质以及用途的学习，建立学习有机化合物的一般思路和方法，初步形成结构化的知识体系。

4.通过对不同燃料性能的比较以及甲烷的开采和利用等社会热点问题的分析，体会化学的学科价值，增强社会责任感。

三、教材分析

甲烷是高中阶段学生学习有机物的起始，本节课的重难点是甲烷的空间结构和取代反应。甲烷中碳原子与氢原子的成键方式及甲烷正四面体结构特征是学习其他有机化合物结构的基础。同时，取代反应是一类重要的有机反应类型。可以说，通过本节课的学习，使学生了解研究有机物的一般思路和方法，对学生今后学习有机化学起着至关重要的作用。

四、学情分析

学生在初中的学习过程中，初步学习了甲烷的物理性质、可燃性和一些重要用途。学生已掌握了化学键的基本知识，认识了电子式和结构式。同时，学生具备了一定的探究经验和合作学习能力。这些都为本节课的学习奠定了一定的基础。但是学生对有机物的空间结构存在认知困难，需要分析理解有机反应的本质，这些对学生都将成为挑战。

五、主要教学环节及设计意图

1.创设情境，引入新课。

播放新闻视频：2019 年12 月2 日中俄东线天然气管道正式投产通气。

师：这条能源大动脉将对我国沿线地区的发展产生重要作用。天然气的主要成分是甲烷。今天，我们一起来学习最简单的有机化合物——甲烷。除了天然气，甲烷还以沼气、油田气、煤矿坑道气等形式存在。深藏于陆地冻土和海底的可燃冰，储量巨大，是未来理想的替代能源，其主要成分也是甲烷。甲烷有哪些物理性质呢？根据其物理性质，如何收集甲烷呢?

（设计意图：通过新闻视频引入新课，激发学生的学习兴趣，关注与化学有关的社会热点问题，增强学生的社会责任感。回顾甲烷的存在、物理性质等已有认识，温故知新。）

2.模型认知，探究甲烷的结构和性质。

（1）搭建模型，探寻分子的空间结构。

师：碳原子与氢原子如何形成甲烷分子呢？请写出甲烷的电子式和结构式。

师：早在1808 年，近代化学之父道尔顿就开始了甲烷分子结构的研究。随后，化学家们提出了一些甲烷分子结构的猜想。你认为甲烷分子具有怎样的空间结构呢？

学生活动：利用黏土（或橡皮泥）、牙签等搭建球棍模型，探究甲烷分子的空间结构。其中，黑球代表碳原子、白球代表氢原子、一根牙签表示一对共用电子。

学生通过搭建模型，可能会得到平面正方形、四棱锥、正四面体等空间结构。

师：由于斥力作用，4 个H 原子尽可能远离，甲烷分子不应该是四棱锥结构。甲烷分子的空间结构是哪一种呢？请根据二氯甲烷CH2Cl2只有一种结构来判断。

学生活动：搭建CH2Cl2的球棍模型，判断甲烷分子的空间结构。

在上述活动后，教师补充如下材料：

①1874 年，第一位诺贝尔化学奖获得者荷兰化学家范霍夫提出了碳原子具有四面体结构的学说。1928 年，美国化学家鲍林提出了杂化轨道理论，成功地解释了甲烷分子的正四面体结构。

②近代，科学家通过X-衍射和电子衍射等科学实验测得甲烷分子中4个C-H 键的键长相等，键角为109°28′，证实甲烷分子是正四面体型的空间结构。

③类比气球模型，4 个相同大小的气球相互排斥，呈正四面体形分布。类比分析，如果将这4 个气球看成甲烷分子中碳原子周围的4 对共用电子对，将气球系在一起的中心看成中心原子C。共用电子对由于相互排斥作用而趋向尽可能彼此远离，从而使排斥作用尽可能小，那么CH4呈正四面体形的空间结构最稳定。

（设计意图：通过搭建球棍模型、科学史实、科学实验证实以及类比气球模型等，多角度收集证据，亲历科学探究的过程，促进学生对甲烷空间结构的认识和理解，以突破重点和难点。）

（2）分析比较，认识甲烷的可燃性。

师：天然气是一种重要气体燃料，体现甲烷具有可燃性。请写出甲烷燃烧的化学方程式。

师：请从多角度分析甲烷可能成为未来主要能源的理由。

学生活动：多角度比较甲烷、煤炭、石油等几种不同的燃料。

（设计意图：以能源使用为背景，引导学生运用所学知识对甲烷与常规化石燃料进行性能比较，深刻认识甲烷是一种重要的优质能源，培养学生的社会责任感和决策能力。）

（3）设计实验，探究甲烷的稳定性。

师：俄罗斯的天然气能运送到中国，这体现了CH4的什么性质呢？请设计实验方案，探究甲烷能否与酸性KMnO4溶液、稀硫酸以及NaOH溶液反应呢？

学生活动：探究甲烷的稳定性。设计实验方案并分组实验：将少量的酸性KMnO4溶液抽入到充有甲烷气体的小针筒内，塞上塞子，轻轻摇晃。学生观察、记录实验现象，并得出实验结论。

（设计意图：引导学生根据化学问题，提出可能的假设，依据假设设计实验方案，探究甲烷的稳定性，收集实验证据，分析并得出结论，亲身体验科学探究的一般思路和方法。）

（4）多重表征，探究甲烷与氯气的反应。

师：在一定条件下，CH4和Cl2会发生反应吗？我们一起来实验探究。

演示实验：探究甲烷与氯气的反应。

实验步骤：取两支试管，均通过排饱和NaCl 溶液的方法收集半试管CH4和半试管Cl2，分别用铁架台固定好（如图1 所示）。将其中的一支试管A 用铝箔套上，另一支试管B 放在光亮处。静置一段时间后，比较两支试管内的现象。倒转试管B，用滴管取少量液体于小试管中，滴入几滴紫色石蕊试液，振荡，观察实验现象。

师：请汇报观察到的实验现象，并分析宏观的实验现象得到哪些信息呢？

学生可能回答：试管A内无明显变化，气体仍为黄绿色，说明无光照时CH4和Cl2不发生反应；试管B 内气体颜色变浅，说明光照时CH4和Cl2发生了反应。

试管B 的管壁出现油状液滴，说明CH4和Cl2反应生成了不溶于水的油状物质。

试管B 内液面上升，说明试管内气体总体积在减小；液面上方有少量白雾，说明有小液滴生成；小试管内石蕊试液变红，说明有酸性物质生成。综合判断，在光照条件下，CH4和Cl2反应生成了HCl气体。

师：HCl 中的Cl 原子来自Cl2，H 原子来自CH4。化学反应过程包含着旧键的断裂和新键的形成。你能从化学键的变化角度分析CH4和Cl2反应还生成了什么物质呢？

学生活动：利用球棍模型模拟反应过程。利用球棍模型模拟CH4和Cl2反应中化学键的断裂与形成的过程，对比反应前后有机物分子结构的变化，认识反应的微观本质。

师：从宏观现象到微观本质，我们理解了甲烷和氯气发生的反应。像这样的反应，我们称之为取代反应。你能给取代反应下个定义吗？此外，一氯甲烷是一种微溶于水的气体，可是试管B 管壁出现油状液滴，反应中还生成什么物质呢？

学生活动：观看动画，CH4分子中的4 个H被Cl原子逐一替代，生成4种不同的取代产物。仿照生成一氯甲烷的化学方程式，写出后续三步反应的化学方程式。

教师：这四种取代产物中，一氯甲烷常温下为气体，其余均为不溶于水的油状液体。这四种氯代物均有重要的应用，例如三氯甲烷（也叫氯仿）和四氯甲烷重要的有机溶剂。

（设计意图：设计层层递进的学生活动，帮助学生理解甲烷与氯气的反应过程，体会由宏观现象到微观本质再到化学符号的表征，建立“宏观—微观—符号”三重表征，逐步建构取代反应的概念，发展学生深度学习的能力。）

3.学以致用，拓展认识。

师：结构决定性质，性质决定用途。甲烷的应用也十分广泛。它是一种优质燃料，不仅可用于家庭中，还可以用于汽车、航天等行业中；它又是重要的化工原料，可以制取氟利昂、甲醇等化工产品。近些年，页岩气的开发与利用开始走入人们的视野。如今，我国已成为与美国、加拿大鼎足而立的页岩气生成大国。你了解页岩气吗？

学生小组汇报课前收集的资料：页岩气就是蕴藏在页岩层中的天然气，成分以甲烷为主，但是开采页岩气开采难度大。我国页岩气资源十分丰富，资源量居于世界前列，具有广阔的开发前景。我国页岩气开发虽然起步较晚，但是发展非常快。

（设计意图：本环节丰富了学生对甲烷用途的认识，体现了化学对满足人民日益增长的美好生活需要的重大贡献，凸显化学学科的社会发展价值和时代性。）