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        “最簡單的有機(jī)化合物

        2020-11-10 04:43:14陳靜
        關(guān)鍵詞:甲烷教學(xué)設(shè)計(jì)高中化學(xué)

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

        【中圖分類號】G633.8 【文獻(xiàn)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(jì)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(jì),創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情境,設(shè)計(jì)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(jī)化學(xué)的開篇,是學(xué)習(xí)其他有機(jī)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(jī)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(jī)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(diǎn)問題的分析,體會化學(xué)的學(xué)科價值,增強(qiáng)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(jī)物的起始,本節(jié)課的重難點(diǎn)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(jī)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(jī)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(jī)物的一般思路和方法,對學(xué)生今后學(xué)習(xí)有機(jī)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(yàn)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(jī)物的空間結(jié)構(gòu)存在認(rèn)知困難,需要分析理解有機(jī)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(jì)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(jī)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(jì)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(diǎn)問題,增強(qiáng)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(yuǎn)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(bǔ)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(shí)驗(yàn)測得甲烷分子中4個C-H鍵的鍵長相等,鍵角為109°28′,證實(shí)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(yuǎn)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(jì)意圖:通過搭建球棍模型、科學(xué)史實(shí)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)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(jìn)學(xué)生對甲烷空間結(jié)構(gòu)的認(rèn)識和理解,以突破重點(diǎn)和難點(diǎn)。)

        (2)分析比較,認(rèn)識甲烷的可燃性。

        師:天然氣是一種重要?dú)怏w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(jì)意圖:以能源使用為背景,引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識對甲烷與常規(guī)化石燃料進(jìn)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(jì)實(shí)驗(yàn),探究甲烷的穩(wěn)定性。

        師:俄羅斯的天然氣能運(yùn)送到中國,這體現(xiàn)了CH4的什么性質(zhì)呢?請?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(jì)實(shí)驗(yàn)方案并分組實(shí)驗(yàn):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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

        (設(shè)計(jì)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(jì)實(shí)驗(yàn)方案,探究甲烷的穩(wěn)定性,收集實(shí)驗(yàn)證據(jù),分析并得出結(jié)論,親身體驗(yàn)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(shí)驗(yàn)探究。

        演示實(shí)驗(yàn):探究甲烷與氯氣的反應(yīng)。

        實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

        師:請匯報(bào)觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,并分析宏觀的實(shí)驗(yàn)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(jī)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(jī)溶劑。

        (設(shè)計(jì)意圖:設(shè)計(jì)層層遞進(jìn)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(bào)課前收集的資料:頁巖氣就是蘊(yùn)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)展非常快。

        (設(shè)計(jì)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(xiàn),凸顯化學(xué)學(xué)科的社會發(fā)展價值和時代性。)

        ·點(diǎn)評·

        1.創(chuàng)設(shè)真實(shí)且富有價值的問題情境。

        真實(shí)、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(shí)的表現(xiàn)機(jī)會。“甲烷可能成為未來主要能源的理由是什么?”“俄羅斯的天然氣能不遠(yuǎn)千里來到中國,這體現(xiàn)了CH4的什么性質(zhì)呢?”這些真實(shí)的問題,使學(xué)生從生活世界走進(jìn)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(qiáng)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(jì)。

        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(shí)等活動,引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識甲烷中碳原子的成鍵特點(diǎn)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(shí)驗(yàn)探究、用模型拼插模擬反應(yīng)過程等活動,強(qiáng)調(diào)了科學(xué)探究和學(xué)科本原,體現(xiàn)了有機(jī)物學(xué)習(xí)的認(rèn)識進(jìn)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(jī)化合物的一般思路和方法。

        3.實(shí)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(jī)結(jié)合,通過學(xué)生在搭建模型、實(shí)驗(yàn)探究、小組討論等活動中的表現(xiàn),運(yùn)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(jìn)程和能力發(fā)展水平,充分發(fā)揮評價促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)全面發(fā)展的功能。

        (點(diǎn)評人:陳懿)

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