基于“宏微结合”与“模型认知”的化学教学实践探索——以“有机化合物的成键特点”教学设计为例

云南省下关第一中学 姚玉兰

“有机化合物的成键特点”选自高中化学新教材（2019年人教版）必修第二册第七章第一节。学生在接触本章之前已经学习了基本概念、基础原理、典型的金属、非金属元素及其化合物等基础知识，通过初中阶段的学习也对有机物有了简单的认识。高中化学新教材从这一章开始介绍必修阶段的有机化合物知识，“结构决定性质，性质决定用途”的思想将贯穿始终。第一节内容从有机化合物中碳原子的成键特点出发，立足结构视角，从微观层次上初步认识有机化合物。有机物碳骨架的构建，为有机物的后续学习打下重要的结构基础，也为学生理解常见有机物的空间构型、原子共线共面问题等作铺垫。而如何将微观构型宏观化、可视化则是本节课的教学难点。由于教材中“思考与交流”版块引入球棍模型直观地呈现了有机物碳骨架微观结构，同时以“资料卡片”的形式引入“使用模型法研究物质结构”这一学科思维方法。因此，组织学生搭建有机物球棍模型，促使学生对有机物结构的认识从平面层次上升到立体层次，由实物模型上升为头脑中的思维模型就成为这节课的教学重点。

一、教学思路

本课时是学生从无机物学习跨入有机物学习的第一堂课。通过参考大量课例，我发现常见的教学设计有两类。一类是纯理论分析，从碳原子形成4个共价键的角度设计课程。这种设计的优点是对共价键知识进行回顾，形成知识点的前后联系，同时从微观层面对有机物分子的基本组成进行探究学习；缺点是教学内容抽象，学生学习兴趣不足，理解困难，学习效率不高。另一类是采取模型搭建来组织教学，将抽象问题具体化，学生在体验中完成知识构建，兴趣更浓，理解更为深刻。模型搭建的教学设计要注意模型的选择及教师对活动的适度指导，最终实现将实物模型升华为认识有机物分子结构的思维模型。基于对以上两种情况的分析与思考，我结合两种情况的优缺点产生了以下教学思路：

首先，从生活中广泛存在的有机物图片引入，理论联系实际，激发学生的学习兴趣，同时让学生感受到有机物种类繁多的事实。其次，提出问题：“碳元素是有机物的主要组成元素，自然界中有机物的种类繁多，这与碳原子的结构有关系吗？有机物的结构具有哪些一般特点？”以此引入碳原子成键特点的教学主题。第三，带领学生先复习共价键成键理论，再分析碳原子可能的成键方式，培养学生证据意识，让学生明白“为什么碳原子要这样成键”。第四，组织学生搭建有机物碳骨架模型，将抽象的理论知识借助实物模型加以巩固理解，引导学生对有机物结构的认识从平面层次上升到立体层次。最后，通过对教材中“思考与交流”栏目的学习，再次升华主题，总结碳原子的成键特点，将实物模型转化为学生头脑中的思维模型。

二、教学目标

1.认识有机化合物中碳原子的成键特点，从微观的化学键视角探究有机化合物的分子结构。

2.搭建简单有机物球棍模型，知道有机化合物分子具有空间结构，构建有机物碳骨架常见模型，培养学生证据推理与模型认知意识。

3.总结有机物中碳原子的成键特点，总结常见的碳骨架模型，能分析有机化合物种类繁多的原因。

三、教学过程

第一部分：创设情境，引出课题

教师展示生活中常见的有机物图片（食物、药物、能源化工、生活用品），感受有机物种类繁多的客观事实，激发学生学习兴趣。

【提出问题】组成有机物的基本元素是什么？它的结构有何特点？这与有机物种类繁多有关系吗？

第二部分：温故知新，提供理论支撑

【知识回顾】碳原子在周期表中处于第二周期→碳原子核外有两个电子层；碳原子在周期表中处于第ⅣA族→碳原子最外层有4个电子；碳原子要与其他原子形成4个共用电子对，以达到最外层8个电子的稳定结构。

第三部分：宏微结合，理解课题

【布置任务】阅读教材第60页第2自然段，结合已经学过的共价键相关知识，写出甲烷的分子式、电子式、结构式，分析碳原子形成甲烷分子的成键特点。

【总结】甲烷分子中，每个碳原子与4个氢原子形成了4个碳氢键。

第四部分：搭建模型，深化课题

【活动准备】课堂上，我给每个小组提供一个材料包。在材料包里，有大小不一的小球、长度相同的小铁棍，以及可以弯曲的弹簧棍。

【问题驱动】仔细观察手中的小球，它们各有几个孔？每个小孔代表什么？不同的小棍可以用来干什么?请利用手中的材料，以不同的小球为碳原子、氢原子，以小铁棍为碳氢键，拼插出1个甲烷分子的模型。

【学生活动一】学生以小组为单位，选择合适的碳原子、氢原子，拼插出甲烷模型。

【指导】从原子半径大小角度选择碳原子、氢原子；从碳原子成键数目角度选择铁棍数目。

【问题驱动】可以把氢原子换成氯原子吗？

【活动情况实录】学生能迅速找到所需材料拼插出甲烷的球棍模型。大多数同学也能选择比代表碳原子的黑球大的球来代表氯原子拼插出一氯甲烷模型。有一个小组的同学错选了一个两孔小球代表氯原子，发现剩余一个小孔，该组同学继续插入一个代表氢原子的小球，误打误撞拼插出了甲醇的模型。该组同学还继续在双孔球的另一端换插一个代表碳原子的小球，开始了新的探索。

【小组总结】各小组展示拼插出的模型，总结碳原子成键特点。有机化合物中的碳原子可以和氢原子形成4个共价键，也可以和其他原子形成4个共价键。

【问题驱动】碳原子和碳原子之间可以成键吗？可能的成键方式有哪些？

【学生活动二】学生以小组为单位，选用2个碳原子，氢原子数任选，选用铁棍或可弯曲的弹簧棍，拼插出合理的有机物。

【活动情况实录】经过讨论动手拼插，学生发现以每个碳原子形成4个共价键为核心思想，选择可弯曲的弹簧棍作为共价键，两个碳原子之间可以形成碳碳单键、碳碳双键、碳碳三键。

【小组成果展示】部分成果如图1。

图1

【问题驱动】将活动二中两个碳原子拼出的模型中的氢原子取下，能否继续加入碳原子呢？可以加几个碳原子？会发生什么变化？

【学生活动三】以小组为单位，每个结构模型选择的总碳数为3个或4个，尽可能多地搭建出你认为合理的模型。

【活动情况实录】在前面操作的基础上，大多数学生能拼插出丙烷、丙烯、丙炔，以及直链的含4个碳原子的烷烃、烯烃、炔烃。有一个小组率先将3个碳原子连成环，其他临近小组纷纷效仿，将4个碳原子连成环；有一个小组将1个碳原子的左右两端分别连了双键；有的小组将3个碳原子的烷烃误认为有两种结构；有的小组连出了4个碳的环及3个碳的环带1个支链。

【小组成果展示】部分成果如图2。

图2

【教师总结】多个碳原子之间可以结合成碳链，也可以结合成碳环，碳链或碳环上又可以带有支链，如图3。

图3

第五部分：总结归纳，升华课题

【归纳总结】完成教材61页“思考与交流”版块。

1.请用一条短线代表碳原子间的一对共用电子对，把碳骨架用结构式的方式表达出来。

2.请在你写出的碳骨架上补H。

3.请写出C、H两种元素形成的有机物的分子式。

4.请总结出碳骨架特点，解释以碳为骨架的有机物种类繁多的原因。

四、评价设计

1.请分别对搭建出的有机物模型进行评价。

2.课堂评价：请判断以下说法是否正确。

①碳原子最多可以形成5个共价键。（ ）

②在有机化合物中，碳原子间只能形成单键。（ ）

③在有机化合物中，碳环上可以有支链。（ ）

④碳原子间的成键方式多样化是有机化合物种类繁多的原因。（ ）

⑤碳原子能与其他原子形成4个共价键，碳原子之间也能相互形成4个共价键。（ ）

3.课后评价：

①写出5个碳原子的以碳碳单键结合的碳骨架。

②预习烷烃，了解甲烷、乙烷的空间结构。

五、教学反思

《普通高中化学课程标准》（2017年版）中明确指出“学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观、必备品格和关键能力”。化学核心素养包括“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”“科学态度与社会责任”五个方面。本课时教学旨在通过碳原子结构从微观层面分析碳原子成键特点，在此基础上，教师选择1个碳原子、2个碳原子、3个碳原子、4个碳原子为碳骨架组织学生搭建基础有机物的球棍模型。在模型搭建的过程中，教学设计由易到难，循序渐进，采取半开放的小组活动形式，采用任务驱动法，设置引导性问题，适时进行指点，取得了较好的教学效果。在构建了甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷等链状结构模型之后，学生能根据每个碳原子形成4个共价键的核心思想，自主拼插出碳环结构和带有支链的碳环结构。最终通过问题“如果给你提供足够多的碳原子，你的碳链可以有多长”，教师将球棍模型再一次升华到建立“每个碳原子可以和其他原子形成4个共价键，碳原子之间可以形成碳碳单键、碳碳双键、碳碳三键，可以形成碳链、碳环，且碳链和碳环都可以带有支链”这一理论认知模型。此认知模型不仅深化本节课的教学重点——有机物中碳原子的成键特点，对今后分析更多有机物的基本结构，书写有机物结构式、结构简式、键线式，判断有机物的空间构型，都有很好的指导作用。在教学活动中，本节课真正做到了以学生为主体，从识记、理解、应用的低阶思维，逐步引导学生走向分析、评价、创造的高阶思维。学生活动生成了不少“优秀的典型错误”，如有学生认为丙烷的结构有两种（碳原子球棍模型中三个碳原子成一条线或者不在一条线上）。虽然必修阶段对此内容不作深入要求，但通过相互点评，学生发现上述两种模型在自然界对应的物质只有一种，进一步体会到有机分子是有空间构型的，为后期学习铺设感性认知和事实依据。又如，有学生拼插出一个碳原子形成2个双键的模型，理论上符合碳原子形成4个共价键，但实际上该物质在自然界不稳定。通过教师点评，学生认识到化学是一门尊重客观事实的科学。任何一节课都不可能是哪一个核心素养目标的单独实现，本节课教学贯穿了多个化学学科核心素养要求。虽然文章仅侧重从“证据推理与模型认知”素养实施角度来分析，对情境导学、课堂评价、合作探究等方面的分析有所弱化，但这些活动的设计组织，存在于整堂课中。本节课的教学能引导学生发展化学学科思维，掌握化学学科探究方法，培养学生的正确价值观、必备品格和关键能力。