開展科學探究，構建高效課堂

以《最簡單的有機化合物——甲烷》教學設計為例，以情景創設為先導，以科學探究為方法，通過改變教師教的方式和學生學的方式，幫助學生自主構建知識，從而實現高效課堂。

有機化合物課堂教學中學化學一、教材分析

《最簡單的有機化合物——甲烷》選自《化學必修2》第三章第一節。必修模塊的有機化學內容，沒有完全考慮有機化學本身的內在邏輯體系，教材的起點低。本節以最簡單的有機物甲烷為切入點，從學生已有的生活背景知識出發，介紹甲烷的結構、主要性質以及在生產、生活中的應用。從結構的角度適當加以深化，建立有機物“結構——性質——用途”的認識關系。本節課是有機化學的入門，也是學生化學學習一個新的開始。

二、學情分析

知識儲備：學生在初中化學已經知道甲烷是一種化石燃料，可以燃燒，能從甲烷的組成上認識燃燒反應的產物，但不能從結構角度認識其性質；掌握了物質結構和化學鍵理論，具備學習本節內容的理論基礎。

學習方式：喜歡從熟悉事物入手學習新知識，對圖片、實物感興趣，喜歡自己動手實踐。

認知方式：缺乏對知識進行主動探究和建構的能力。

三、教學目標

知識與技能：了解自然界中甲烷的存在及儲量情況；通過實踐活動使學生深刻認識甲烷的結構特點；通過實驗探究理解并掌握甲烷的取代反應原理。

過程與方法：通過探究實驗、模型、圖片、動畫等，培養學生關心科學，研究科學和探索科學的精神；通過講授、討論、自學、小組合作等教學方法和比較、類比等科學方法與邏輯方法，教給學生科學的學習方法；培養學生設計實驗、觀察實驗，并根據實驗現象得出可能的規律的能力。

情感態度與價值觀：引導學生關注人類面臨與化學相關的社會問題，培養學生的社會責任感和參與意識；通過甲烷的結構和性質的探索，激發學生學習化學的興趣。

四、教學重點和難點

教學重點：甲烷的結構特點、甲烷的化學性質。

教學難點：甲烷分子的空間結構模型的建立、理解甲烷和氯氣取代反應的機理。

五、教學方法

教學方法：情景創設、問題探究、小組合作交流等。

六、教學過程

（設問）請同學們說一說，你對有機物有哪些了解？

學生1：初中我們學過的甲烷、乙烯、乙炔、乙醇等物質都是有機物。

學生2：我們生活中吃的米、面、油、肉都含有機物。

學生3：我們穿的棉布、絲綢、各種化纖面料都含有有機物。

學生4：我們生活中用的中型筆、飲料瓶等塑料制品、橡皮、汽車輪胎等橡膠制品，都含有有機物。

（圖片展示）多媒體展示常見的有機化合物的圖片，讓學生欣賞圖片。

（引言）我們的吃、穿、用等都離不開有機物，那么從今天開始我們學習有機物。

（板書）第三章有機物

（學生）閱讀課本第三章引言。

練習1.下列物質屬于有機物的是

（1）H2S（2）C2H2（3）CO2（4）C2H5OH（5）CH4（6）Na2CO3（7）CH3COOH（8）金剛石（9）H2CO3（10）C12H22O11

講解：除二氧化碳、一氧化碳、碳酸鹽及碳酸氫鹽外，絕大多數含碳的化合物都是有機化合物。也就是說有機物一定含碳元素，但含碳元素的物質不一定是有機物。

練習2.下列有機物屬于烴的是

（1）CH3COOH（2）C2H2（3）C2H5OH（4）C2H4（6）CH4（7）C12H22O11（8）（C6H10O5）n

探究活動一：探究甲烷的組成及分子式。

提出問題：英國科學家道爾頓在1804年在沼澤中收集到甲烷并測得甲烷的組成。其途徑是：電爐加熱→生成氣體通入濃硫酸→堿液吸收。取16g甲烷燃燒完全后，產物中有44gCO2和36gH2O。又測得甲烷的相對分子質量為16，請推斷：

甲烷的元素組成？如何確定甲烷的分子式？請表示出甲烷的電子式和結構式？

（學生）由題給數據推測甲烷的組成元素；通過計算確定甲烷的分子式；根據分子式寫出甲烷的電子式和結構式。

（過渡）結構式僅用來表示分子中原子的連結順序，不能表示分子中原子在空間的分布。我們知道了甲烷的分子式和結構式，那么甲烷分子的結構是什么樣的呢？

探究活動二：探究甲烷分子的結構。

已知：實驗測得甲烷分子中4個C-H鍵完全相同，每相鄰的兩個C-H鍵之間的鍵角、鍵長、鍵能都相等。

（活動）同學們利用手中的硬紙板、橡皮泥、小番茄、牙簽等，制作出你們認為甲烷可能的空間構型。

提問：請××同學來總結你們小組討論的結果，并展示你們的作品。

（實踐活動）依據課本P60，制作正四面體模型。

（展示）甲烷的分子模型（球棍模型和比例模型）。

（講解）結構式實際是分子球棍模型在平面上的投影，表示分子內各原子的成鍵情況。球棍模型能表示分子內各原子在空間的相對位置和立體構型。比例模型能表示分子內各成鍵原子的相對大小和在空間的相對位置。

（學生）根據甲烷分子模型結合實踐活動，說出甲烷分子的結構特點。

（講解）經過科學實驗證明甲烷分子的結構是對稱的正四面體結構，碳原子位于正四面體的中心，4個氫原子分別位于正四面體的4個頂點上，四個C-H鍵強度相同。

（投影）拓展資料：甲烷分子結構的參數——鍵角、鍵長、鍵能。

（知識拓展）在甲烷分子里，雖然C-H鍵都是極性鍵，但CH4分子是一種高度對稱的正四面體結構，四個C-H鍵的極性相互抵消，整個分子沒有極性，所以甲烷是非極性分子。

探究活動三：探究甲烷的物理性質。

學生實驗：觀察集氣瓶中的甲烷氣體并聞氣味；將集氣瓶倒置于水槽中，觀察現象。

學生活動：請總結出甲烷的物理性質；根據物理性質推測出甲烷的收集方法。

探究活動四：探究甲烷的化學性質。

（教學情境）結構決定性質，通過剛才的學習我們知道，甲烷分子是一種對稱的正四面體結構，請猜想甲烷的結構是否穩定？試說明你推測的理由。

（交流討論）小組討論后回答。

（答案）甲烷的結構很穩定。可能原因是：第一，天然氣在地殼中貯藏比較豐富；第二，天然氣能長途輸送。

（學生實驗）將CH4分別通入酸性KMnO4、溴水、含酚酞的NaOH溶液、含石蕊的H2SO4溶液中

（學生活動）請匯報上述實驗結果；根據實驗現象推測出甲烷的化學性質。

（結論）在通常情況下，甲烷比較穩定，與高錳酸鉀等強氧化劑不反應，與強酸、強堿也不反應，也證明了上面猜想是正確的。

探究活動五：探究甲烷與氧氣的反應。

（演示）點燃甲烷。

（學生）描述甲烷燃燒時的現象（火焰為淡藍色）并寫出甲烷燃燒的化學方程式。

（問題探究）甲烷是一種優良的氣體燃料，通常情況下1mol甲烷在空氣中完全燃燒，放出890kJ的熱量，火焰呈淡藍色。請同學們設計一套檢驗甲烷燃燒產物的裝置同時思考以下問題：（1）點燃甲烷前應有什么操作？（2）有幾種產物？怎么檢驗？

（學生）點燃甲烷前應驗純，燃燒產物是二氧化碳和水，可以通過將干燥燒杯罩在甲烷的火焰上，之后倒轉燒杯迅速倒入澄清石灰水來檢驗。

（板書）1、甲烷的氧化反應——燃燒反應

（注意）在這里化學方程式盡管已經配平，但不用等號用箭頭表示。這是因為有機化合物參加的化學反應往往比較復雜，常有副反應發生，同時用結構簡式代替分子式。

（教學情境）目前，大部分城市正在進行燃氣改造工程，即將管道煤氣改造為天然氣。

第一，根據煤氣和天然氣的燃燒反應方程式，判斷燃燒相同體積的管道煤氣與天然氣，消耗空氣的體積較大的是哪種氣體？

第二，燃燒管道煤氣的灶具如需要改為天然氣，灶具將如何改進？若不改進可能會產生哪些不良后果？

（學生）分組交流討論后，展示討論結果。

（資料卡片）第一，閱讀課本P61資料卡片。

第二，我國煤礦發生一次死亡10人以上的特大事故中，絕大多數是由于瓦斯爆炸，約占特大事故總數的70%左右。我國目前國有重點煤礦大多數屬于瓦斯礦井，其中高瓦斯礦井和突出礦井占全國礦井總數的44%。

第三，2005年2月14日，遼寧省孫家灣煤礦發生一起特別重大瓦斯爆炸事故，造成214人死亡。事故的原因是由于巖爆造成大量瓦斯異常涌出，局部停風造成瓦斯積聚，工人違章帶電檢修，產生電火花引起瓦斯爆炸。

（問題探究）根據以上資料，瓦斯爆炸的條件及預防措施是什么？

（歸納總結）瓦斯爆炸的條件：一定濃度的瓦斯、高溫火源的存在和充足的氧氣。

防止瓦斯積聚的措施：加強通風，杜絕火源。

探究活動六：探究甲烷與氯氣的反應。

（過渡）大家看到，甲烷與氧氣反應要點燃，那么與比O2氧化能力更強的Cl2反應時是怎樣的呢？

（播放視頻）甲烷與氯氣的反應。

（提問）看完了這段動畫，同學們再來總結一下，你看到了什么？

（總結）氯氣的黃綠色逐漸消失，瓶壁上有無色油狀液滴生成，水面上升、試管中有白霧產生，石蕊變紅。

（動畫演示）甲烷與氯氣的反應。

（問題探究）為什么氣體顏色會變淺甚至褪去、有油滴出現？為什么量筒中的液面上升、有白霧產生，石蕊會變紅？甲烷和氯氣反應會有哪些鍵發生斷裂和形成？

（結論）甲烷與氯氣發生了化學反應；生成氯化氫極易溶于水，氣體總體積減少，導致試管內壓強減少，氯化氫溶于空氣中的水蒸氣形成白色酸霧，氯化氫溶于水顯酸性；碳氫鍵斷裂、氯氯鍵斷裂。

教師書寫甲烷一氯取代反應方程式，學生仿寫一氯甲烷與氯氣進一步反應的化學方程式。

（教師）甲烷分子里的氫原子是被氯原子逐步取代的，共生成五種物質，四種取代產物。我們稱這種反應為取代反應。請大家由剛才的動畫思考，什么是取代反應呢？（學生很有興趣的大膽猜測、估計，試探說出取代反應的涵義。）

（比較）對甲烷的四種取代產物從狀態、俗名、溶解性、用途四個方面進行比較。

（強調）CH4的四種氯的取代產物都不溶于水。在常溫下，CH3Cl是氣體，其他三種都是液體，CHCl3和CCl4是重要的有機溶劑。這些產物都屬于鹵代烴。

教師：我們以前學習過置換反應，置換反應與取代反應有什么區別和聯系呢？請思考討論后填寫下表？

（比較）將取代反應與置換反應從生成物中是否一定有單質、影響反應進行的因素、反應是否可逆等方面進行比較。

（知識拓展）甲烷的受熱分解。

在隔絕空氣的情況下，加熱至1000℃，甲烷分解生成炭黑和氫氣。

氫氣是合成氨和合成汽油等工業的原料；炭黑是橡膠和染料的工業原料。

（學生）閱讀課本第一節P60第一段，歸納出甲烷的存在和用途。

（投影）

1.甲烷的存在和用途

（1）甲烷是天然氣、沼氣、油田氣和煤礦坑道氣的主要成分。

（2）天然氣是高效、低耗、污染小的清潔能源。中國是最早利用天然氣作燃料的國家。

（3）甲烷是一種重要的化工原料。

（4）“西氣東送”工程是我國開發西部的一項重大舉措，可以改善我國東部能源結構。

（知識拓展）可燃冰——未來的新能源。

練習1.甲烷分子是以C原子為中心的正四面體結構，而不是正方形的平面結構，理由是（）

A.CH3Cl只代表一種物質B.CH2Cl2只代表一種物質

C.CHCl3只代表一種物質D.CCl4是非極性分子

練習2.若要使0.500molCH4完全和Cl2發生取代反應，且生成的四種氯代物的物質的量相同，試求所需Cl2的物質的量。

（課堂小結）本節課我們開始了有機物的學習，認識到甲烷的正四面體立體結構和重要化學性質：氧化反應、取代反應、受熱分解反應，學習中重點應對甲烷分子的結構和Cl2的取代反應加以理解，要樹立結構決定性質的觀點。

（課后活動與探究）查閱資料了解西氣東輸的有關知識，認識甲烷在工農業生產和人民生活中的重要作用；調查沼氣在農業生產中的作用，了解我國沼氣的使用歷史和現狀。

七、反思

首先，本節課的核心問題是甲烷的結構特點及取代反應。本節課由于探究過程較多，要注意教學的重點和難點的把握，語言要精煉。在教學過程中教師要控制好節奏，要根據時間適當調節教學內容。

其次，甲烷實驗室制取不容易，可用天然氣代替，沒有天然氣的農村學校，如果學生家中有沼氣池，可以在課前給學生布置一個家庭實驗：觀察沼氣的顏色、狀態、氣味；觀察沼氣燃燒時火焰的顏色；在沼氣火焰上扣一只玻璃杯，觀察玻璃杯內壁有何現象；用澄清石灰水潤濕玻璃杯的內壁，然后再將玻璃杯倒扣在沼氣火焰上，觀察玻璃杯內壁有何現象？

再次，甲烷與氯氣反應需要時間較長，可以帶領部分學生在課外做實驗，并錄成視頻在課堂上播放，將視頻中實驗現象做放大處理，便于學生觀察。甲烷的取代反應使學生接觸到的第一個化學反應，很多學生對有機反應不熟。所以要抓住有機反應的特點對甲烷的取代反應來理解，如有機反應是分步進行的，所以無論氯氣與甲烷以何比例混合，最終都有4種鹵代烴生成。寫好有機反應方程式一定要了解反應物如何斷鍵，才能理解生成物如何成鍵。并本著在哪里斷就在哪里接的原則，更好地寫出方程式。

參考文獻：

＼[1＼]宋心琦.普通高中課程標準實驗教科書化學（必修2）＼[M＼].北京：人民教育出版社，2007.