《最簡單的有機物——甲烷》中的探究設計與分析

一、背景

本節(jié)是學生在中學階段（高一年級）第一次接觸有機物中代表物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的有關內(nèi)容，學生對教材的內(nèi)容是比較陌生的。之前初三的有關甲烷的內(nèi)容只是簡單的了解，基本沒有形成系統(tǒng)的有機物的學習方法，因此在教學中要特別注意引導學生的思維，形成學習有機物的基本方法，為高二的選修打下基礎。

本節(jié)內(nèi)容教學目標有3個：

1.通過確定甲烷分子式的教學，使學生初步掌握確定氣態(tài)烴分子式的方法。

2.在復習碳原子的原子結(jié)構(gòu)和共價鍵知識的基礎上，要求學生掌握甲烷的電子式、結(jié)構(gòu)式的寫法，并了解甲烷分子的正四面體結(jié)構(gòu)。

3.掌握甲烷的重要化學性質(zhì)——取代反應。

各位讀者對于本內(nèi)容的傳統(tǒng)教學方式應該是再熟悉不過了，已知甲烷的摩爾質(zhì)量和含碳量以及含氫量，然后計算。展示模型，告知學生是正四面體結(jié)構(gòu)，再以此為基礎介紹其他內(nèi)容。化學性質(zhì)學生只了解甲烷的燃燒，故以演示實驗或視頻展示來學習取代反應。這樣一堂課后，學生對于甲烷的基礎知識肯定了解到位，但是從中體現(xiàn)的學習方法和學科思想基本為零，后續(xù)學習乙烯、苯則再次重復。

那么這樣的教學模式是否可以打破呢？即使是陌生的內(nèi)容是否也可以進行適度的探究呢？在探究的過程中是否也可以體現(xiàn)學習方法和滲透學科思想呢？如果本節(jié)課能獲得成功，那么這樣的設計模式能否推廣到高一有機化學的教學中去呢？基于這樣的思考，筆者決定進行大膽的嘗試，力求打破高一有機化學的教學模式。現(xiàn)將這節(jié)課的內(nèi)容分三個部分逐一和各位讀者分享，如果有不恰當?shù)牡胤剑埻信u指正。

二、過程

案例一：甲烷的組成

[提出猜想]

猜想1：__________。

猜想2：甲烷由碳、氫、氧三種元素組成？

[實驗驗證] 。

這個過程設計體現(xiàn)了化學學科中的兩種分析方法。一種是定性的判斷，用于猜測元素的種類，然后自行設計實驗加以證明。一種是定量的計算，用于確定最終的結(jié)論。其中猜想1以及實驗設計的答案雖然非常簡單，但是從中體現(xiàn)出了高考中的熱門題型：已知部分猜想然后讓考生補充完整，并自行設計實驗證明結(jié)論。這種題型有一定的難度，但是所謂的猜想是有規(guī)律的，可以從題目給出的猜想中分析，這種意識需要在平時加以訓練，高一雖不需要很大的難度，但可以從簡單問題出發(fā)，既激發(fā)學生學習化學的興趣，又可以提高學生解決問題的能力，當然主要是培養(yǎng)學生解決這一類問題的意識（大概的方法和角度）。甲烷在氧氣中燃燒并不能說明有氧元素。怎樣證明是否有氧元素呢？還需要測定什么量呢？兩種預設的方法均出自學生的討論：①計算參加反應甲烷的質(zhì)量，求出水和二氧化碳中C和H的質(zhì)量。再比較m（甲烷）是否等于m（C）+m（H）。②計算消耗氧氣的質(zhì)量，求出水和二氧化碳中O的質(zhì)量。再加以比較m（氧氣）是否等于產(chǎn)物中氧元素質(zhì)量之和。這種元素守恒的思想在后續(xù)高二的選修教學中將會體現(xiàn)的尤為明顯，故在高一逐步滲透。

[材料信息]

已知：甲烷分子中（質(zhì)量分數(shù)）含碳75%，含氫25%，甲烷的密度在標準狀況下是0.717g/L，利用這些數(shù)據(jù)怎樣確定它的分子式？

將分子式的計算以信息的形式呈現(xiàn)出來。大部分學生的答案是從單位換算的角度得出結(jié)論：標況下氣體的密度乘以22.4即可得到該氣體的摩爾質(zhì)量。再根據(jù)百分比含量求出C和H的具體個數(shù)，從而確定分子式為CH4。但就在此時，有位學生舉手說剛才的方法比較麻煩，講出了自己的觀點：75%除以12比上25%除以1，得出1∶4，從而確定分子式為CH4。這一方法的出現(xiàn)，學生的話匣子打開了，有人同意，有人反駁。其實這恰恰就引出了有機中的一個問題：最簡式和分子式的關系。此時完全可以留下疑問，教師不必強調(diào)，因為在乙烯的學習中就會揭曉。這樣反而會吊起學生的胃口。

案例二：甲烷的分子結(jié)構(gòu)（空間構(gòu)型）

[提出猜想]

猜想1：____________。

猜想2：____________。

[材料信息]CH2Cl2有固定的熔沸點，無同分異構(gòu)體。

[動手驗證]學生構(gòu)建模型。

這一過程的設計主要是讓學生充分發(fā)揮自己的想象力，利用日常生活中的材料搭模型，探究甲烷的空間結(jié)構(gòu)。并利用信息驗證猜想結(jié)構(gòu)的準確性。

這其中涉及一些數(shù)學知識，由分子式可以猜測4個H圍繞在C周圍有兩種可能性：平面的四邊形和立體的四面體。究竟是哪一種呢？“CH2Cl2有固定的熔沸點，無同分異構(gòu)體”這一信息將學生引向同分異構(gòu)體的方面。正方形的對角線和鄰邊是不同的，所以CH2Cl2存在同分異構(gòu)體。正四面體的任意兩個頂點均一樣，所以CH2Cl2不存在同分異構(gòu)體。故甲烷是正四面體。

此設計的成功之處在于，學生活動中先沒有任何提示，完全是學生自行猜想，利用材料構(gòu)建模型。從實踐看，大部分學生根據(jù)數(shù)學知識可以有兩種猜想，可以體會到猜想成功的樂趣，但沒有辦法確定為哪種情況，可以說對結(jié)果是比較期待的。當進一步展示信息材料時，學生討論后，部分思維比較快且活躍的學生想到了“平面的四邊形和立體的四面體”的同分異構(gòu)情況是不同的，從而得出結(jié)論，體會到了利用信息解決問題的快樂。這種反證的方法對于后續(xù)有機同分異構(gòu)的判斷幫助很大，同樣要在高一逐步滲透。

案例三：甲烷的取代反應

在此部分的設計時，筆者有兩種設想。

[材料信息]Cl2黃綠色氣體；HCl無色氣體，易溶于水；C黑色固體；CH3Cl無色氣體，CH2Cl2、CHCl3、CCl4均為無色油狀液體。

[提出猜想]

猜想1：產(chǎn)物可能是C和HCl。

猜想2：產(chǎn)物可能是CH3Cl和HCl。

猜想3：產(chǎn)物可能是CH2Cl2和HCl。

猜想4：產(chǎn)物可能是CHCl3和HCl。

[提出猜想]：

猜想1：產(chǎn)物可能是C和HCl。

猜想2：產(chǎn)物可能是CH3Cl和HCl。

猜想3：_________________。

猜想4：__________________。

在試講后的反思中認為，猜想3和猜想4的給出，降低了探究的難度，純粹演變成了根據(jù)信息，結(jié)合給出的猜想，完成現(xiàn)象預測。如果猜想3和猜想4空缺，在完成猜想的過程中，可以體會到前兩個猜想的提示，有助于對取代反應的理解。再次鍛煉了“已知部分猜想然后補充完整其余猜想”的能力。最終的設計采用后者。最后播放實驗視頻證明猜想。

改進后的教學，雖然在難度上進一步加大了，但是絲毫沒有減弱學生發(fā)表觀點的積極性，反而使得學生間的爭議更大。在經(jīng)歷了巨大的爭議之后，最后展示甲烷取代反應的視頻后，學生立刻有一種恍然大悟的感覺，再講解取代反應時，也就順理成章。

三、反思

筆者認為，本次教學與傳統(tǒng)教學的最大不同在于“甲烷的組成與分子結(jié)構(gòu)”部分，不但沿用了模型教學法，還結(jié)合了數(shù)學中的計算法和建模思想，體現(xiàn)了學科間的聯(lián)系。

此教學設計和課堂活動中，學科中的思想方法“猜想→探究→驗證”和“定性、定量的分析”得到了充分的體現(xiàn)，學生可以初步體會學習有機物的過程。

化學性質(zhì)的學習，采取探究的方式，訓練學生利用信息，提出猜想，解決問題的能力，既學習了知識，又培養(yǎng)了能力。

這樣的設計不但改變了傳統(tǒng)的教學方式，增加了有機教學的趣味性，還為后續(xù)高二選修的教學滲透了一些思想與方法，所以我們在備課的時候，如果能從學科連續(xù)性的角度出發(fā)，將會有不一樣的備課角度。

（作者單位 江蘇省常州市田家炳高級中學）

編輯 張耀華