以問題為導向的教學設計

萬云蕾

在新時代教育改革背景下，教師要始終堅持以學生為課堂的主體，時刻關注學生的成長，并以引導者和組織者的身份帶領學生進行學習；要積極創新教學方法，以問題為導向開展教學活動，引導學生思考問題、解決問題，使學生的問題分析能力和解決能力得到提高。下面以人教版高中化學“甲烷”的教學為例，闡述在高中化學教學中運用以問題為導向的教學方法的教學流程。教師教學中應用以問題為導向的教學方法，有助于提高學生的學習效能，并為學生化學知識結構的完善和自身的全面發展提供助力。

一、教材分析

“甲烷”是人教版高一化學“有機化合物”章節的內容，此部分內容相對初中知識而言較為深奧。這是學生首次接觸有機化合物結構與性質方面的內容。甲烷為有機化合物內容的重要組成部分。烴是有機化合物知識的主要內容，而甲烷是烷烴最簡單的分子。在這一節內容的教學中，教師要讓學生知曉研究有機化合物的基本原理與方法，并在此基礎上貫徹化學學科核心素養，以實現高素質、高質量人才的培養。

二、學情分析

學生在初中已經學習過化學知識，對化學知識點有淺顯的理解。有機化合物的類型很多，但由于學生在初中時期對此類知識并未進行深入的學習，所以在高中階段學習時會感到有困難。

三、教學目標

1.通過對甲烷電子式的描述，讓學生可以從更小的視角來觀察其四面體構型及碳鍵的鍵合特性。

2.設計實驗、測試與建模方法，構建“宏觀—微觀—符號”三元描述體系，實現對甲烷分子結構與性能的辨識與認識，對其進行深入的分析與研究，實現對有機化合物的結構性思考。

3.通過對有機化合物的結構、性質和應用的認識，尤其是官能團對有機化合物性能的影響，了解它們的基本作用，并對其進行探究。

4.尋找并設計具有探索意義的問題，將各種知識聯系起來，以便學生運用與轉移，發展學生的自主思維與創造力。

5.能夠對化學、環境、生態等實際問題進行多視角的剖析，從而加強對社會的責任意識，并對學生進行正確的情感、態度、價值觀等方面的教育。

四、教學重點、難點

教學重點：通過對甲烷化學組成的分析，認識其本質和特性。

教學難點：研究甲烷的置換過程及機理。

五、教學過程

（一）創設情境——天然氣“西氣東輸”工程

導入時，教師可以利用大部分學生了解的事情或者社會時事熱點來設計問題。設計問題時應以激發學生探究學習的積極性、強化綜合能力為準則。

教師播放西氣東輸工程簡介視頻，并說明：西氣東輸工程是指將我國西部豐富的天然氣資源向東部進行運輸的工程，該工程較為巨大，西起新疆輪臺縣塔里木輪南油田，東至上海，全線采用自動化控制。該工程總長為4200千米，整體運輸線路較長，使得新疆和沿線地區經濟發展水平得以提升，不僅帶來了巨大的社會效益，還能有效提升我國經濟發展水平，被稱為“西部大發展”的里程碑項目。

師：根據材料可知，西氣東輸是將我國西部資源進行深層次開發后，向東部傳送的工程。該工程主要以天然氣為主，能有效地提高人民群眾的生活水平，改變能源消耗單一的格局。通過視頻可以知道西氣東輸主要傳送的是天然氣。那誰能說說天然氣是什么？

生：天然氣是一種氣體，可以燃燒，是一種有效的潔凈能源。

師：沒錯，那么天然氣的主要成分是什么？為什么說它是可以高效燃燒且較為干凈的能源呢？

生：其主要成分為甲烷。根據資料顯示，同樣體積的煤氣有甲烷。分別燃燒同質量的褐煤、汽油、甲烷，對比后可知，1kg褐煤的釋熱為55MJ，1kg汽油的釋熱為46MJ，1kg甲烷的釋熱為55.5MJ。而在同樣的溫度下，甲烷在燃燒后放出的二氧化碳量是最少的，由此可見，相比于其他能源而言，天然氣是較為清潔的能源。

師：你說得很對，這個量化的方法直觀而精確，足以讓人信服。當我們碰到問題時，我們會去尋求足夠的依據去進行分析和論證，并最后去解決問題。那么，請問同學們，輸氣線路總長為4200千米，覆蓋了國家很大一部分區域，是怎么做到遠距離傳送的？其過程中會不會泄漏甚至造成相應的安全事故呢？

生：不會，因為天然氣具有穩定的特性，能夠大規模地進行輸送，且除人為和不可抗力因素干擾之外，泄漏概率極低。

師：是的，天然氣是一種可以燃燒的且較為清潔的能源，其主要成分為甲烷，具有一定的穩定性。接下來請同學們翻開教材，讓我們對甲烷的特性進行深入了解。

（設計意圖：教師在教學過程中以西氣東輸為背景，引導學生將生活和化學知識相結合，激發學生探索化學知識的興趣，并提高學生的認知水平。此外，學生在學習化學知識的同時，與生活、時事相結合，既可以深層次理解化學知識，也可以增強社會責任感。）

（二）探究甲烷的分子結構

1.甲烷的分子結構

師：那么，甲烷是怎么變得這么穩定的？在研究有機物時，重要的思維是“用途、性質、結構”。而其結構又是如何決定其本質的？現在我們來深入了解其結構。

師：甲烷是由C和H組成的。所以我想知道，在甲烷中，C原子和H原子是通過什么樣的化學鍵來連接的？說出你的根據。

生：在甲烷中，H和C通過共價鍵相連。

生：碳原子最外層有4個電子，氫原子最外層有1個電子。

生：1個C和4個H以共用電子對連接成4條共價鏈。

師：很好，那么，同學們請你們把甲烷的電子形式和分子結構都寫出來，再想想這五個原子的位置和這些甲烷分子的立體結構如何。

學生合作設計出以下結構圖片（見圖1），并推演不同的模式。

師：同學們推測出了三種不同的模式：平面正方形、四棱錐、正四面體。那到底哪一個才是具有甲烷分子的真實結構呢？

學生根據自己的想象和所學知識，設計不同的結構。

【演示與交流】各組分別演示自己設計的結構圖，同時與其他學生交流自己的設計理念。

2.鍵角

教師：原子是由什么組成的？如果兩者之間的距離太接近，將會產生怎樣的后果？同樣的，什么是共價鍵？彼此之間有什么樣的作用力呢？

生：原子是由原子核與外部的電子組成的，相互排斥、相互吸引。但是，共價鍵的實質是具有靜電排斥作用的公用電子對。

師：從這兩個角度來看，甲烷中的每個原子，它們的共價鍵（碳氫鍵）是什么姿態？碳原子間的夾角（鍵角）造成什么影響？

生：因為排斥效應，每個原子都會離得很遠，像碳氫鍵一樣。

師：在這個世界上，所有的物體都會達到平衡，也是說，它們之間的力量是最少的，它們之間的相互作用也是最少的。像同學們說的那樣，為了減少彼此之間的排斥，每個原子之間都要保持一定的距離，因為四個碳氫鍵都是一樣的，所以其排斥力也在同一點上，也就是說，四個碳氫鍵的角度也是一樣的。從這一點上，同學們可以推斷出哪個是甲烷的具體位置嗎？

生：原子間距越大，方錐越容易被忽略。但是，由于碳氫鍵的角度是一致的，所以可以將其從二維結構中剔除。因此，從這個角度來看，這個甲烷的結構應該是正四面體。

師：經過電子衍射試驗，科學家已經證實，甲烷中含有同樣長短、強度、角度的碳氫鍵。

（三）共用電子對的互斥

教師用四個相同的氣球來模仿甲烷中因相互排斥引起的碳氫鍵的空間位置。學生自己體驗。

教師演示：將四個同樣的氣球放在一起，輕輕施加一個力，讓學生觀察——這四個氣球呈現為平面正方形，之后松手，在自然情況下呈現的是正四面體的情況。

師：我們把氣球看作碳氫鍵，而四個氣球中間的連接點是碳原子。四個氣球互相推擠，可以看成是公用電子對，互相排斥。可見其最天然的形態是四面體，其在空間上也會呈現自然取向排列。此時，可以確定甲烷是一種正四面體。

（設計意圖：通過對現有價鍵的認識，指導學生對新的概念進行深入的了解，并在分組中進行討論和交流，從而構建出甲烷分子各種可能的立體結構，然后從鍵角和排斥力兩個方面逐步推導出甲烷分子的立體構型。同時，用氣球來模擬公用電子對的排斥性，促使學生從分子間相互作用的角度來理解甲烷的空間構型，從而使學生知曉“電子對的互斥”就變得更加直觀和容易。）

（四）甲烷中碳原子的成鍵特點

師：甲烷分子中的四價電子和四價的碳分子，它們之間可以通過四個共價鍵連接在一起。那么，有機化合物中的碳是不是只能和其他四個原子，以四個共價鍵連接在一起？有沒有其他的形態？請列出C2H6、C2H4、C2H2的電子式和結構式，并構建相應的分子模型。

讓學生用海綿球、牙簽來構建分子的結構，并進行小組討論。

生：除了能和H原子組成公共對，還能與C原子組成公共對。

生：兩個碳原子除了能組成公共對外，還能組成雙對或三對。

師：很好，同學們能通過動手實踐找到這個定律。碳是由4個價的電子組成的，能與其他原子組成共用電子對，從而構成結構復雜的有機物。為了符合這個“四價”的碳鍵，我們有三種方式：

其一，烴類分子間有4對共用電子對。

其二，碳碳間由2對共用（雙鍵）和2對C-H共用電子對組成。

其三，碳碳間存在3個共用（三鍵）對、1對碳氫鍵的共用電子對，從而產生各種共同的電子對。這些共同的電子對會對整個分子的立體構象產生重要的作用。具體內容我們會在以后的課堂上詳細介紹。此時，我們應重點了解一下，在有機化合物中，碳鍵的形成規律是符合不同形態的“四價”原理的。

（設計意圖：若是單純地從已知知識了解碳原子成鍵特征，學生的思維會受到限制，因此，為避免此問題，教師在教學時，可以引導學生構建結構模型，讓學生進行知識的探討，找出符合四價原理的方式，提高學生探索化學知識的認知能力，使其能更好地了解有機碳鍵形成的知識，提升學生的探索能力、學習能力和認知能力。）

六、教學反思

本次教學中，教師有效地訓練學生圍繞問題進行知識探索的能力，并引導學生在問題逐漸深化的基礎上強化自身認知。但是在具體教學中，教師未有效地對學生能否進行有機化學學習進行全面了解，因此，部分學生存在學習疑問。在之后的教學中，教師應深入了解學生的學習能力，設置不同層次的問題，促使學生緊跟教師的教學思路，鍛煉學習探究能力，進而增強教學效果，使學生的化學核心素養得以提升。

（作者單位：陜西省安康市漢濱區漢濱高級中學）

編輯：常超波