基于培養學生化學核心素養的甲烷教學設計

湯希雁 劉梅樂 劉志平

摘要：以人教版高中化學必修Ⅱ中的“最簡單的有機化合物——甲烷”為例，通過甲烷結構特點及取代反應為載體進行以素養為本的教學設計，呈現情境素材創設、模型構建驅動、宏微結合探析，彰顯物質結構探究、宏微表征和化學核心素養的有機結合。

關鍵詞：核心素養;教學設計;甲烷

文章編號：1008-0546（2019）12-0062-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.12.019

2014年教育部頒發的《關于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務的意見》明確指出要把“核心素養”落實到各學科教學中。課堂教學是“核心素養落實到課程中，實現課程的教育思想、教育目標和教育內容的載體，是能否真正實現核心素養，培養出所需人才的重要環節”。

《普通高中化學課程標準（2017年版）》將必修課程設置5個主題，旨在促進學生學科核心素養各方面的發展，其中第4大主題“簡單有機化合物及其應用”中的內容有：有機物的結構特點（要求認識有機物分子空間結構、碳原子成鍵特點、官能團及同分異構現象）、典型有機物性質（要求從結構、官能團認識物質性質與應用、知道基本反應類型及一定條件下的相互轉化）、有機化學研究的價值（認識有機物在新物質合成中的研究價值、結合實例認識有機物在生產生活中的應用）和學生必做實驗（學會搭建球棍模型認識有機物分子結構特點、掌握重要物質性質實驗）。從新課標可知必修Ⅱ更突出側重有機物結構的探析和結構決定性質的特點。

通過有機物學習“啟蒙者”的甲烷為代表的教學設計，以“模型構建、宏微觀結合的實驗探析”為載體，將“新課引入”“甲烷分子結構探究”“甲烷取代反應”等知識通過創設情境、問題驅動、成鍵特點、總結提升、遷移應用等方式引導學生高效學習，自主構建有機物學習模式，進而實現學生化學學科核心素養的滲透與發展。

一、指向學科核心素養的合理教學目標

化學核心素養各指標是一個整體，需一步一個腳印逐步滲透于日常教學中。以核心素養為指導，“甲烷”一課教學目標為：通過優化教學設計立意和靈活設置導入方式，滲透學科核心素養;通過甲烷分子結構探究，構建物質結構探究模型，培養證據推理與模型認知能力;通過甲烷取代反應形成“結構決定性質”觀念，培養從宏微觀角度解決實際問題能力;通過思考交流我國釀酒技術與酒文化、酒駕檢驗、有機高分子材料性能與用途、塑膠跑道材料、手機貼膜等話題，培養科學態度與社會責任。

二、培養學科核心素養的教學目標的落實

1.靈活創設導入——培養“科學態度與社會責任”素養

化學是一門與科學、生命、生活生產息息相關的學科，若在教學設計中融人生活、生產以及生命科學，則必然能激發學生的科學精神、探究意識和社會責任感，并消除學生的陌生感，讓學生在熟知的情境中獲取新知。教材中介紹甲烷是天然氣、沼氣等的主要成分，是一種高效、低耗、污染小的清潔能源，同時也是一種化工原料。由此引出本節課主角“甲烷”，并沒有涉及甲烷與生命的關系以及甲烷作為高效清潔能源的原因，局限學生視野。

以問題情境引入：24億年前地球的大氣層與現在的大氣層的組成一樣嗎？經探測還未發現火星上有甲烷存在的跡象使得火星上存在生命的可能性變得很小。激發學生的求知欲，再通過視頻播放的形式讓學生了解：甲烷與生命有緊密關系，在好奇心的驅動下開始探索甲烷的轉化之旅。CH4在發展過程中不斷轉化為氨基酸、蛋白質等有機物（圖1），因此大氣層中的CH4含量越來越少。通過情境升級，增強學生關注生命起源，提高可持續發展和綠色化學觀念的責任意識。

再以甲烷相關的新聞為載體：2009年12月16日，福建省引進第一批LNG新能源公交車，并在后期投入使用LNG新能源。由此引出LNG是液化天然氣一設疑：用LNG汽車代替燃油車（汽油、柴油車）的意義？由此引出甲烷是一種清潔、高效的能源，如何證明（表1）？

通過計算可知，相對于煤炭燃料，甲烷熱值高，燃燒完全后的CO2排放量低，且避免SO2等物質對環境的污染，因此是一種高效清潔的優質燃料。

在教學設計中使用聯系生命的方式，能夠讓學生認識到物質在不斷地變化和運動，有利于培養學生“變化觀念與平衡思想”這一核心素養。同時強化學生綠色化學觀念與可持續發展意識，深化學生對化學、技術、社會和環境之間的相互關系的理解，培養學生“科學態度與社會責任”的核心素養。

2.結構預測，深度探究——培養“證據推理與模型認知”素養

物質的結構決定性質，對物質結構的探究是化學學習的精髓。因此對于甲烷或者其他有機物的學習，通過對物質結構提出可能的假設，再基于證據推理或者所拼接出來的結構模型對假設的物質結構進行驗證，培養學生證據推理與模型認知能力。

【任務一】根據已有的知識與經驗，運用道具拼接、預測CH4分子結構，并說明預測理由。（學生道具、甲烷可能結構及分析見表2）

設計意圖：通過學生對數學上幾何平面圖及空間結構圖的掌握預測甲烷結構。此任務目的是考查學生空間結構能力，診斷學生認識物質結構的能力水平（思路與視角），有利于學生物質分子結構構建思路的形成，培養學生證據推理能力，提高邏輯思維能力。

【任務二】根據預測，師生共同分析并探究甲烷正確的分子結構（表3）。

設計意圖：學生通過任務一、任務二的設置，歷經“結構預測一道具拼接可能結構”到“證據收集一結構分析一得出結論”的科學探究過程，培養“科學探究與創新意識”的能力素養。

3.實驗探究、對比分析——培養“宏觀辨識與微觀探析”素養

在“以生為本”的教學理念指導下，在課堂教學中引導學生自主探究學習，落實學生化學核心素養的培養。化學實驗是化學學習最直觀的方法，授課時采用視頻播放的方式播放甲烷與氯氣的反應，通過實驗培養學生的“宏觀辨識與微觀探析”意識。

【任務一】根據視頻實驗現象，結合對照和控制變量的實驗設計思路，分析①②組實驗和①③組實驗對比的實驗設計意圖。

設計意圖：在課堂中引導學生觀察并比較實驗現象，并分析①②組實驗和①③組實驗對比的實驗設計意圖。①②組實驗說明條件對反應的影響，①③組實驗的氣體體積始終保持一致，說明實驗液面上升不是氯氣與水的反應;再根據試管內氣體顏色逐漸變淺、內壁出現油狀液滴（新物質）、有少量白霧（氯化氫）生成且液面上升的實驗現象，學生通過對比實驗得出氯氣與甲烷在光亮處能發生反應。該環節考查學生實驗探究設計能力，診斷學生實驗發展水平（實驗設計與創新），培養學生科學探究能力。

【任務二】根據實驗現象和結論，試著寫出甲烷與氯氣反應的化學方程式（圖2）。

設計意圖：由宏觀現象對實驗的微觀本質進行探究，從而得出甲烷與氯氣發生了取代反應，再進一步引導學生用化學符號寫出化學方程式，培養宏觀辨識與微觀探析素養。

【任務三】從“宏觀一微觀一符號”的角度對本節課進行小結（圖3）。

實驗過程中鼓勵學生提出問題，引導學生聯系前學知識，不僅有利于培養學生的科學精神，更能構建學生的知識體系，實現前后知識的銜接與遷移應用。在課本已有實驗的基礎上增加實驗對比，不僅達到了化學實驗設置的初衷，也促進學生綜合運用所學知識、積極思考探究、從實驗現象去分析反應的原理，讓學生從宏觀和微觀相結合的視角分析和解決實際問題，強化了“宏觀辨識與微觀探析”化學核心素養的培養。

4.設置情境、交流討論、首尾呼應——培養“科學態度與社會責任”素養

首先，通過認識甲烷的歷史過程回溯人類認識微觀世界分子中原子相互作用的微觀歷史，進而培養學生嚴謹的科學態度和社會責任感（圖4）。

其次，教師收集與甲烷相關的社會、環境問題，進而引導學生認識化學與社會發展的關系，培養學生的科學態度與社會責任感。從“甲烷與社會生活”引出沼氣，把話題切換到甲烷資源的利用與開發;再由能源如石油能源的開發切換到天然氣的開發與利用;再從目前我國能源緊缺的話題切換到有關新能源可燃冰的開發與利用。通過層層遞進的討論，培養學生參與意識，突顯學科知識對生活生產的指導作用，體現學科知識的社會價值功能。

三、素養為本的教學反思

高中化學教學是培養學生核心素養的重要環節。首先，教師以化學學科核心素養為理念設計教學，將學科核心素養滲透于高中化學課堂教學，落實立德樹人根本任務，培養社會需要的新型人才。其次，以學生為主體的教學模式，以問題情境創設、任務解決為載體，讓學生在獨立探索、合作學習與自主學習中獲取化學知識、形成化學思維進而形成學科核心素養。再者，以問題為驅動，引導學生在真實及開放性的問題情境中學會觀察、發現現象并以查閱資料、實驗探究等方式獲取、收集證據推理信息，并對問題進行評價、推理、表征及應用，引導學生在循序漸進地解決化學問題中逐漸發展學科核心素養。