《最簡單的有機(jī)物——甲烷》中的探究設(shè)計(jì)與分析

一、背景

本節(jié)是學(xué)生在中學(xué)階段（高一年級(jí)）第一次接觸有機(jī)物中代表物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的有關(guān)內(nèi)容，學(xué)生對(duì)教材的內(nèi)容是比較陌生的。之前初三的有關(guān)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(jī)物的學(xué)習(xí)方法，因此在教學(xué)中要特別注意引導(dǎo)學(xué)生的思維，形成學(xué)習(xí)有機(jī)物的基本方法，為高二的選修打下基礎(chǔ)。

本節(jié)內(nèi)容教學(xué)目標(biāo)有3個(gè)：

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

2.在復(fù)習(xí)碳原子的原子結(jié)構(gòu)和共價(jià)鍵知識(shí)的基礎(chǔ)上，要求學(xué)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(xué)性質(zhì)——取代反應(yīng)。

各位讀者對(duì)于本內(nèi)容的傳統(tǒng)教學(xué)方式應(yīng)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(jì)算。展示模型，告知學(xué)生是正四面體結(jié)構(gòu)，再以此為基礎(chǔ)介紹其他內(nèi)容?；瘜W(xué)性質(zhì)學(xué)生只了解甲烷的燃燒，故以演示實(shí)驗(yàn)或視頻展示來學(xué)習(xí)取代反應(yīng)。這樣一堂課后，學(xué)生對(duì)于甲烷的基礎(chǔ)知識(shí)肯定了解到位，但是從中體現(xiàn)的學(xué)習(xí)方法和學(xué)科思想基本為零，后續(xù)學(xué)習(xí)乙烯、苯則再次重復(fù)。

那么這樣的教學(xué)模式是否可以打破呢？即使是陌生的內(nèi)容是否也可以進(jìn)行適度的探究呢？在探究的過程中是否也可以體現(xiàn)學(xué)習(xí)方法和滲透學(xué)科思想呢？如果本節(jié)課能獲得成功，那么這樣的設(shè)計(jì)模式能否推廣到高一有機(jī)化學(xué)的教學(xué)中去呢？基于這樣的思考，筆者決定進(jìn)行大膽的嘗試，力求打破高一有機(jī)化學(xué)的教學(xué)模式?，F(xiàn)將這節(jié)課的內(nèi)容分三個(gè)部分逐一和各位讀者分享，如果有不恰當(dāng)?shù)牡胤?，?qǐng)同行批評(píng)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證] 。

這個(gè)過程設(shè)計(jì)體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科中的兩種分析方法。一種是定性的判斷，用于猜測(cè)元素的種類，然后自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)加以證明。一種是定量的計(jì)算，用于確定最終的結(jié)論。其中猜想1以及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(bǔ)充完整，并自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(shí)需要在平時(shí)加以訓(xùn)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(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，又可以提高學(xué)生解決問題的能力，當(dāng)然主要是培養(yǎng)學(xué)生解決這一類問題的意識(shí)（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(cè)定什么量呢？兩種預(yù)設(shè)的方法均出自學(xué)生的討論：①計(jì)算參加反應(yīng)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(jì)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(xué)中將會(huì)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?jǐn)?shù)）含碳75%，含氫25%，甲烷的密度在標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算以信息的形式呈現(xiàn)出來。大部分學(xué)生的答案是從單位換算的角度得出結(jié)論：標(biāo)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(gè)數(shù)，從而確定分子式為CH4。但就在此時(shí)，有位學(xué)生舉手說剛才的方法比較麻煩，講出了自己的觀點(diǎn)：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(xué)生的話匣子打開了，有人同意，有人反駁。其實(shí)這恰恰就引出了有機(jī)中的一個(gè)問題：最簡式和分子式的關(guān)系。此時(shí)完全可以留下疑問，教師不必強(qiáng)調(diào)，因?yàn)樵谝蚁┑膶W(xué)習(xí)中就會(huì)揭曉。這樣反而會(huì)吊起學(xué)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(diǎn)，無同分異構(gòu)體。

[動(dòng)手驗(yàn)證]學(xué)生構(gòu)建模型。

這一過程的設(shè)計(jì)主要是讓學(xué)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(yàn)證猜想結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性。

這其中涉及一些數(shù)學(xué)知識(shí)，由分子式可以猜測(cè)4個(gè)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(diǎn)，無同分異構(gòu)體”這一信息將學(xué)生引向同分異構(gòu)體的方面。正方形的對(duì)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(gè)頂點(diǎn)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(shè)計(jì)的成功之處在于，學(xué)生活動(dòng)中先沒有任何提示，完全是學(xué)生自行猜想，利用材料構(gòu)建模型。從實(shí)踐看，大部分學(xué)生根據(jù)數(shù)學(xué)知識(shí)可以有兩種猜想，可以體會(huì)到猜想成功的樂趣，但沒有辦法確定為哪種情況，可以說對(duì)結(jié)果是比較期待的。當(dāng)進(jìn)一步展示信息材料時(shí)，學(xué)生討論后，部分思維比較快且活躍的學(xué)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(huì)到了利用信息解決問題的快樂。這種反證的方法對(duì)于后續(xù)有機(jī)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(yīng)

在此部分的設(shè)計(jì)時(shí)，筆者有兩種設(shè)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(rèn)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(yù)測(cè)。如果猜想3和猜想4空缺，在完成猜想的過程中，可以體會(huì)到前兩個(gè)猜想的提示，有助于對(duì)取代反應(yīng)的理解。再次鍛煉了“已知部分猜想然后補(bǔ)充完整其余猜想”的能力。最終的設(shè)計(jì)采用后者。最后播放實(shí)驗(yàn)視頻證明猜想。

改進(jìn)后的教學(xué)，雖然在難度上進(jìn)一步加大了，但是絲毫沒有減弱學(xué)生發(fā)表觀點(diǎn)的積極性，反而使得學(xué)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(yīng)的視頻后，學(xué)生立刻有一種恍然大悟的感覺，再講解取代反應(yīng)時(shí)，也就順理成章。

三、反思

筆者認(rèn)為，本次教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)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(xué)法，還結(jié)合了數(shù)學(xué)中的計(jì)算法和建模思想，體現(xiàn)了學(xué)科間的聯(lián)系。

此教學(xué)設(shè)計(jì)和課堂活動(dòng)中，學(xué)科中的思想方法“猜想→探究→驗(yàn)證”和“定性、定量的分析”得到了充分的體現(xiàn)，學(xué)生可以初步體會(huì)學(xué)習(xí)有機(jī)物的過程。

化學(xué)性質(zhì)的學(xué)習(xí)，采取探究的方式，訓(xùn)練學(xué)生利用信息，提出猜想，解決問題的能力，既學(xué)習(xí)了知識(shí)，又培養(yǎng)了能力。

這樣的設(shè)計(jì)不但改變了傳統(tǒng)的教學(xué)方式，增加了有機(jī)教學(xué)的趣味性，還為后續(xù)高二選修的教學(xué)滲透了一些思想與方法，所以我們?cè)趥湔n的時(shí)候，如果能從學(xué)科連續(xù)性的角度出發(fā)，將會(huì)有不一樣的備課角度。

（作者單位 江蘇省常州市田家炳高級(jí)中學(xué)）

編輯 張耀華