“最簡單的有機化合物
——甲烷”教學設計

陳 靜

一、教學設計思路

化學學科核心素養是學生必備的科學素養，是學生終身學習和發展的重要基礎。素養為本的課堂教學應培養學生正確的價值觀念、必備品格和關鍵能力。本節課以“素養為本”的理念指導教學設計，創設真實問題情境，設計有層次、多樣化的教學活動，在教與學的過程中展開評價，診斷并發展學生的核心素養水平。

“甲烷”是學生學習有機化學的開篇，是學習其他有機化合物的基礎。本節課從確定分子結構到認識物質性質，滲透“結構決定性質”這一化學學科的核心觀念，幫助學生建立學習有機化合物的一般思路和方法。

二、教學目標

1.通過搭建球棍模型、學習科學史實以及類比氣球模型等活動，認識甲烷分子的正四面體結構特征。

2.通過對甲烷取代反應的實驗探究、模型拼插模擬反應過程等活動，建立“宏觀—微觀—符號”三重表征，認識并理解取代反應。

3.通過對甲烷組成、結構、性質以及用途的學習，建立學習有機化合物的一般思路和方法，初步形成結構化的知識體系。

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問題的分析，體會化學的學科價值，增強社會責任感。

三、教材分析

甲烷是高中階段學生學習有機物的起始，本節課的重難點是甲烷的空間結構和取代反應。甲烷中碳原子與氫原子的成鍵方式及甲烷正四面體結構特征是學習其他有機化合物結構的基礎。同時，取代反應是一類重要的有機反應類型。可以說，通過本節課的學習，使學生了解研究有機物的一般思路和方法，對學生今后學習有機化學起著至關重要的作用。

四、學情分析

學生在初中的學習過程中，初步學習了甲烷的物理性質、可燃性和一些重要用途。學生已掌握了化學鍵的基本知識，認識了電子式和結構式。同時，學生具備了一定的探究經驗和合作學習能力。這些都為本節課的學習奠定了一定的基礎。但是學生對有機物的空間結構存在認知困難，需要分析理解有機反應的本質，這些對學生都將成為挑戰。

五、主要教學環節及設計意圖

1.創設情境，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通氣。

師：這條能源大動脈將對我國沿線地區的發展產生重要作用。天然氣的主要成分是甲烷。今天，我們一起來學習最簡單的有機化合物——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呢？根據其物理性質，如何收集甲烷呢?

（設計意圖：通過新聞視頻引入新課，激發學生的學習興趣，關注與化學有關的社會熱點問題，增強學生的社會責任感。回顧甲烷的存在、物理性質等已有認識，溫故知新。）

2.模型認知，探究甲烷的結構和性質。

（1）搭建模型，探尋分子的空間結構。

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構式。

師：早在1808 年，近代化學之父道爾頓就開始了甲烷分子結構的研究。隨后，化學家們提出了一些甲烷分子結構的猜想。你認為甲烷分子具有怎樣的空間結構呢？

學生活動：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構。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、正四面體等空間結構。

師：由于斥力作用，4 個H 原子盡可能遠離，甲烷分子不應該是四棱錐結構。甲烷分子的空間結構是哪一種呢？請根據二氯甲烷CH2Cl2只有一種結構來判斷。

學生活動：搭建CH2Cl2的球棍模型，判斷甲烷分子的空間結構。

在上述活動后，教師補充如下材料：

①1874 年，第一位諾貝爾化學獎獲得者荷蘭化學家范霍夫提出了碳原子具有四面體結構的學說。1928 年，美國化學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構。

②近代，科學家通過X-衍射和電子衍射等科學實驗測得甲烷分子中4個C-H 鍵的鍵長相等，鍵角為109°28′，證實甲烷分子是正四面體型的空間結構。

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構最穩定。

（設計意圖：通過搭建球棍模型、科學史實、科學實驗證實以及類比氣球模型等，多角度收集證據，親歷科學探究的過程，促進學生對甲烷空間結構的認識和理解，以突破重點和難點。）

（2）分析比較，認識甲烷的可燃性。

師：天然氣是一種重要氣體燃料，體現甲烷具有可燃性。請寫出甲烷燃燒的化學方程式。

師：請從多角度分析甲烷可能成為未來主要能源的理由。

學生活動：多角度比較甲烷、煤炭、石油等幾種不同的燃料。

（設計意圖：以能源使用為背景，引導學生運用所學知識對甲烷與常規化石燃料進行性能比較，深刻認識甲烷是一種重要的優質能源，培養學生的社會責任感和決策能力。）

（3）設計實驗，探究甲烷的穩定性。

師：俄羅斯的天然氣能運送到中國，這體現了CH4的什么性質呢？請設計實驗方案，探究甲烷能否與酸性KMnO4溶液、稀硫酸以及NaOH溶液反應呢？

學生活動：探究甲烷的穩定性。設計實驗方案并分組實驗：將少量的酸性KMnO4溶液抽入到充有甲烷氣體的小針筒內，塞上塞子，輕輕搖晃。學生觀察、記錄實驗現象，并得出實驗結論。

（設計意圖：引導學生根據化學問題，提出可能的假設，依據假設設計實驗方案，探究甲烷的穩定性，收集實驗證據，分析并得出結論，親身體驗科學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。

師：在一定條件下，CH4和Cl2會發生反應嗎？我們一起來實驗探究。

演示實驗：探究甲烷與氯氣的反應。

實驗步驟：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，比較兩支試管內的現象。倒轉試管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，觀察實驗現象。

師：請匯報觀察到的實驗現象，并分析宏觀的實驗現象得到哪些信息呢？

學生可能回答：試管A內無明顯變化，氣體仍為黃綠色，說明無光照時CH4和Cl2不發生反應；試管B 內氣體顏色變淺，說明光照時CH4和Cl2發生了反應。

試管B 的管壁出現油狀液滴，說明CH4和Cl2反應生成了不溶于水的油狀物質。

試管B 內液面上升，說明試管內氣體總體積在減小；液面上方有少量白霧，說明有小液滴生成；小試管內石蕊試液變紅，說明有酸性物質生成。綜合判斷，在光照條件下，CH4和Cl2反應生成了HCl氣體。

師：HCl 中的Cl 原子來自Cl2，H 原子來自CH4。化學反應過程包含著舊鍵的斷裂和新鍵的形成。你能從化學鍵的變化角度分析CH4和Cl2反應還生成了什么物質呢？

學生活動：利用球棍模型模擬反應過程。利用球棍模型模擬CH4和Cl2反應中化學鍵的斷裂與形成的過程，對比反應前后有機物分子結構的變化，認識反應的微觀本質。

師：從宏觀現象到微觀本質，我們理解了甲烷和氯氣發生的反應。像這樣的反應，我們稱之為取代反應。你能給取代反應下個定義嗎？此外，一氯甲烷是一種微溶于水的氣體，可是試管B 管壁出現油狀液滴，反應中還生成什么物質呢？

學生活動：觀看動畫，CH4分子中的4 個H被Cl原子逐一替代，生成4種不同的取代產物。仿照生成一氯甲烷的化學方程式，寫出后續三步反應的化學方程式。

教師：這四種取代產物中，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用，例如三氯甲烷（也叫氯仿）和四氯甲烷重要的有機溶劑。

（設計意圖：設計層層遞進的學生活動，幫助學生理解甲烷與氯氣的反應過程，體會由宏觀現象到微觀本質再到化學符號的表征，建立“宏觀—微觀—符號”三重表征，逐步建構取代反應的概念，發展學生深度學習的能力。）

3.學以致用，拓展認識。

師：結構決定性質，性質決定用途。甲烷的應用也十分廣泛。它是一種優質燃料，不僅可用于家庭中，還可以用于汽車、航天等行業中；它又是重要的化工原料，可以制取氟利昂、甲醇等化工產品。近些年，頁巖氣的開發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？

學生小組匯報課前收集的資料：頁巖氣就是蘊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，具有廣闊的開發前景。我國頁巖氣開發雖然起步較晚，但是發展非常快。

（設計意圖：本環節豐富了學生對甲烷用途的認識，體現了化學對滿足人民日益增長的美好生活需要的重大貢獻，凸顯化學學科的社會發展價值和時代性。）