模型認(rèn)知與推理視角下的“最簡(jiǎn)單的有機(jī)物—甲烷”教學(xué)

張莉軍

摘要：選取人教版高中化學(xué)必修Ⅱ中的“最簡(jiǎn)單的有機(jī)化合物—甲烷”，以甲烷結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及取代反應(yīng)為載體，培養(yǎng)模型認(rèn)知與推理素養(yǎng)，通過教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，不斷研究與探索、提煉與總結(jié)，以期潛移默化地影響學(xué)生。

關(guān)鍵詞：模型認(rèn)知與推理;邏輯關(guān)系;取代反應(yīng)

1 教材分析

以甲烷為例學(xué)習(xí)碳原子的成鍵特點(diǎn)，為學(xué)習(xí)乙烯、乙炔、苯微觀結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ);學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)有機(jī)物的一般方法和思路，為學(xué)習(xí)官能團(tuán)、碳原子飽和性和化學(xué)鍵的極性與有機(jī)物性質(zhì)的關(guān)系規(guī)律作準(zhǔn)備;知道一定條件下有機(jī)化合物之間可以相互轉(zhuǎn)化。其中，學(xué)業(yè)水平要求能概括常見的有機(jī)化合物中碳原子的成鍵類型，能描述甲烷、乙烯、乙炔的分子結(jié)構(gòu)特征，能搭建甲烷和乙烷的立體模型?！按罱ㄇ蚬髂Ｐ?，認(rèn)識(shí)有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)”是新課標(biāo)要求的必修階段9個(gè)學(xué)生必做的實(shí)驗(yàn)之一。所以，甲烷學(xué)習(xí)是開啟有機(jī)物學(xué)習(xí)的大門，讓學(xué)生知道宏觀現(xiàn)象與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系、學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系[1]。

2 學(xué)情調(diào)查

認(rèn)知瓶頸：學(xué)習(xí)“甲烷的結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)、性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)”規(guī)律時(shí)，由于學(xué)生對(duì)“結(jié)構(gòu)具有空間構(gòu)型”了解太少，難以理解甲烷等烷烴分子的空間立體構(gòu)型，進(jìn)而難以理解抽象的取代反應(yīng)—甲烷與氯氣反應(yīng)原理。

3 過程闡釋

具體模型推理操作步驟：

（1）根據(jù)所知與所見物質(zhì)的組成、變化和結(jié)構(gòu)提出假設(shè)，培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí)。（2）通過觀察、實(shí)驗(yàn)和分析對(duì)假設(shè)進(jìn)行證實(shí)與證偽。（3）探索預(yù)測(cè)、證據(jù)、邏輯推理、結(jié)論之間的關(guān)系，建立模型。（4）運(yùn)用模型解釋某些化學(xué)現(xiàn)象，解決實(shí)際問題。（5）完善并修改模型，拓寬解決問題的范圍。 3.1 環(huán)節(jié)1—新知熱身

根據(jù)所知與所見物質(zhì)的組成、變化和結(jié)構(gòu)提出假設(shè)，培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí)。

引入課題：在日常生活中，甲烷廣泛存在，比如家用燃料的變遷和西氣東輸工程的實(shí)施。

提出問題：天然氣作為燃料，體現(xiàn)了甲烷的哪些性質(zhì)？能否寫出相關(guān)的方程式？天然氣通過管道從西部運(yùn)送到東部，長(zhǎng)達(dá)幾千米，體現(xiàn)了天然氣的什么性質(zhì)？如何用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證甲烷在常溫常壓下的性質(zhì)？選擇什么試劑來驗(yàn)證？

設(shè)計(jì)意圖：使學(xué)生完成學(xué)習(xí)新知識(shí)前的熱身，并從生活情境出發(fā)認(rèn)識(shí)甲烷。根據(jù)所知與所見物質(zhì)的組成、變化和結(jié)構(gòu)，學(xué)生不難提出假設(shè)：甲烷性質(zhì)穩(wěn)定，猜想甲烷可能與酸、氧氣、高錳酸鉀等物質(zhì)反應(yīng)，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證甲烷的穩(wěn)定性。

3.2 環(huán)節(jié)2—感受甲烷的穩(wěn)定性

通過觀察、實(shí)驗(yàn)和分析對(duì)假設(shè)進(jìn)行證實(shí)與證偽。活動(dòng)探究：甲烷是否與高錳酸鉀反應(yīng)？

實(shí)驗(yàn)：將甲烷氣體抽入小針筒內(nèi)，在點(diǎn)滴板上滴入幾滴酸性高錳酸鉀溶液，然后將溶液抽入針筒，并將塞子塞上，輕輕晃動(dòng)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（見圖1）。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生猜想甲烷可能與強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)氧化劑反應(yīng)，所以選用高錳酸鉀作為代表物與甲烷反應(yīng)。若無現(xiàn)象產(chǎn)生，則與學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)沖突，更能讓學(xué)生體會(huì)到甲烷的穩(wěn)定性，也為下節(jié)課討論乙烯的穩(wěn)定性作鋪墊。當(dāng)無法得知更多甲烷的性質(zhì)時(shí)，采用宏觀與微觀相結(jié)合的思路，先學(xué)習(xí)甲烷的結(jié)構(gòu)，體會(huì)有機(jī)物學(xué)習(xí)的一般思路：通過碳骨架和價(jià)鍵理論確定有機(jī)物的空間結(jié)構(gòu)，官能團(tuán)和碳原子的飽和性、化學(xué)鍵的極性對(duì)有機(jī)物的性質(zhì)具有決定作用[2]。

3.3 環(huán)節(jié)3—推理甲烷的取代反應(yīng)

探索預(yù)測(cè)、證據(jù)、邏輯推理、結(jié)論之間的關(guān)系，建立模型。

根據(jù)日常生活經(jīng)驗(yàn)和初三已學(xué)知識(shí)，提出：甲烷既然可以和氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)，也可能與氧化性更強(qiáng)的氯氣發(fā)生反應(yīng)（見圖2），設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證實(shí)和證偽（見圖3）。注意反應(yīng)條件，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證甲烷與氯氣的反應(yīng)條件并解釋相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，猜測(cè)生成物。

“甲烷是否與氯氣反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)無明顯現(xiàn)象，“甲烷是否與氯氣反應(yīng)”對(duì)比實(shí)驗(yàn)中黃綠色消失、管壁有油狀液滴、管內(nèi)產(chǎn)生白霧且液面上升、試紙變紅。關(guān)注實(shí)驗(yàn)條件，根據(jù)元素守恒定律預(yù)測(cè)氯化氫的產(chǎn)生;對(duì)于管內(nèi)產(chǎn)生的白霧和油滴，根據(jù)老師提供的知識(shí)鏈接可知，有一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷和四氯化碳。

提出新的問題：甲烷與氯氣的反應(yīng)是什么類型？為什么產(chǎn)物有多種？

3.4 環(huán)節(jié)4—尋找甲烷的結(jié)構(gòu)模型，解釋甲烷與氯氣的反應(yīng)原理

活動(dòng)探究一：寫出甲烷的電子式并拼插甲烷分子的球棍模型。

溫馨提示：（1）4個(gè)C—H鍵長(zhǎng)度、強(qiáng)度相同;（2）H與C 之間的夾角相等;（3）二氯甲烷只有1種結(jié)構(gòu)。

第一步：讓學(xué)生根據(jù)前面所學(xué)的知識(shí)試寫出甲烷的分子式、電子式和結(jié)構(gòu)式，并提出問題：碳原子是以何種方式與氫原子結(jié)合的？學(xué)生回答：因?yàn)樘荚幼钔鈱佑?個(gè)電子，所以要關(guān)注碳四價(jià)并且4個(gè)碳?xì)滏I都是相同的。接著讓學(xué)生用橡皮泥做的小球和小棍搭建甲烷模型，有的學(xué)生認(rèn)為是平面型，碳?xì)滏I之間的夾角為90°;有的學(xué)生搭出了立體構(gòu)型。但是，學(xué)生無法確定哪一種是甲烷的真實(shí)模型。此時(shí)，教師將4個(gè)大小相同的氣球扎在一起，往空中一拋再一接，重復(fù)2～3次，發(fā)現(xiàn)氣球自發(fā)地排列成正四面體的空間狀態(tài)，學(xué)生立即明白了甲烷的4個(gè)碳?xì)滏I是以正四面體構(gòu)型均勻分布在碳原子周圍空間的，這樣斥力最小、能量最低、最穩(wěn)定。設(shè)計(jì)思路：提出猜想、證實(shí)或證偽、修改假設(shè)、修改甲烷分子模型。

19世紀(jì)初，許多科學(xué)家也認(rèn)為甲烷是平面正方形，發(fā)現(xiàn)用這一模型無法解釋許多實(shí)驗(yàn)事實(shí)。后來，第一屆諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者—荷蘭化學(xué)家范霍夫提出了甲烷的正四面體構(gòu)型，才解開了甲烷分子結(jié)構(gòu)之謎，這也標(biāo)志著立體化學(xué)的誕生。

運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。

第二步：從有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)模型的3個(gè)方面：碳四價(jià)、化學(xué)鍵、空間構(gòu)型進(jìn)行描述，完成以下活動(dòng)。

活動(dòng)探究二：

Cl2+CH4=CH3Cl+HCl（反應(yīng)條件為光照）（1）

（1）用球棍模型模擬化學(xué)鍵的斷裂與形成過程。

（2）對(duì)比反應(yīng)前后有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)的變化。

得出結(jié)論：有機(jī)物分子中的某些原子或原子團(tuán)被其他原子或原子團(tuán)替代的反應(yīng)叫取代反應(yīng)。

設(shè)計(jì)意圖：使學(xué)生發(fā)現(xiàn)甲烷反應(yīng)前后在結(jié)構(gòu)方面的變化：保持碳四價(jià)、空間構(gòu)型，部分化學(xué)鍵改變。這種局部替換就是取代反應(yīng)，如式（2）～（5）所示，反應(yīng)條件均為光照。

Cl2+CH4=CH3Cl+HCl???????????????????????????? （2）

CH3Cl+Cl2=CH2Cl2+HCl?????????????????????????? （3）

CH2Cl2+Cl2=CHCl3+HCl?????????? ??????????????? （4）

CHCl3+Cl2=CCl4+HCl???????????????????????????? （5）

4 教學(xué)反思

總結(jié)反思本節(jié)課的教學(xué)流程。

4.1 認(rèn)知發(fā)展線

提出假設(shè)：甲烷具有穩(wěn)定性—設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證—證據(jù)推理甲烷的性質(zhì)—類比提出新的問題：能否與氯氣反應(yīng)—應(yīng)用碳四價(jià)模型推理得出甲烷取代反應(yīng)的定義[3]。? 4.2 學(xué)生活動(dòng)線

活動(dòng)1：設(shè)計(jì)并驗(yàn)證甲烷能否與高錳酸鉀反應(yīng)。

活動(dòng)2：對(duì)比甲烷與氯氣的反應(yīng)條件，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)推理?；顒?dòng)3：用球棍搭建甲烷的空間結(jié)構(gòu)模型。

活動(dòng)4：推理甲烷與氯氣反應(yīng)結(jié)構(gòu)的變化，得出取代反應(yīng)的定義。

4.3 知識(shí)邏輯線

甲烷的穩(wěn)定性—甲烷的正四面體結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)—取代反應(yīng)的三重表征。

4.4 化學(xué)核心素養(yǎng)

宏觀辨識(shí)與微觀探析—寫出甲烷的分子式與結(jié)構(gòu)式。

變化觀念與平衡思想—得出取代反應(yīng)的概念、反應(yīng)條件及其變化過程。

證據(jù)推理與模型認(rèn)知—了解甲烷的空間結(jié)構(gòu)，通過建立模型、完善模型，提高動(dòng)手能力，體會(huì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系。

采用上述培養(yǎng)思路，大大提高了課堂的有效性，在潛移默化中培養(yǎng)了學(xué)生宏觀與微觀相結(jié)合、證據(jù)推理與模型認(rèn)知等科學(xué)素養(yǎng)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]趙瀏，高修庫.基于化學(xué)核心素養(yǎng)發(fā)展的教學(xué)設(shè)計(jì)—以“有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)”教學(xué)為例[J ].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2018（19）：21-23.

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