张莉军
摘要：选取人教版高中化学必修Ⅱ中的“最简单的有机化合物—甲烷”，以甲烷结构特点及取代反应为载体，培养模型认知与推理素养，通过教学实践活动，不断研究与探索、提炼与总结，以期潜移默化地影响学生。
关键词：模型认知与推理;逻辑关系;取代反应
1 教材分析
以甲烷为例学习碳原子的成键特点，为学习乙烯、乙炔、苯微观结构奠定基础;学习认识有机物的一般方法和思路，为学习官能团、碳原子饱和性和化学键的极性与有机物性质的关系规律作准备;知道一定条件下有机化合物之间可以相互转化。其中，学业水平要求能概括常见的有机化合物中碳原子的成键类型，能描述甲烷、乙烯、乙炔的分子结构特征，能搭建甲烷和乙烷的立体模型。“搭建球棍模型，认识有机化合物分子结构的特点”是新课标要求的必修阶段9个学生必做的实验之一。所以，甲烷学习是开启有机物学习的大门，让学生知道宏观现象与微观结构之间的关系、学习结构与性质的关系[1]。
2 学情调查
认知瓶颈：学习“甲烷的结构决定性质、性质反映结构”规律时，由于学生对“结构具有空间构型”了解太少，难以理解甲烷等烷烃分子的空间立体构型，进而难以理解抽象的取代反应—甲烷与氯气反应原理。
3 过程阐释
具体模型推理操作步骤：
（1）根据所知与所见物质的组成、变化和结构提出假设，培养学生的证据意识。（2）通过观察、实验和分析对假设进行证实与证伪。（3）探索预测、证据、逻辑推理、结论之间的关系，建立模型。（4）运用模型解释某些化学现象，解决实际问题。（5）完善并修改模型，拓宽解决问题的范围。
3.1 环节1—新知热身
根据所知与所见物质的组成、变化和结构提出假设，培养学生的证据意识。
引入课题：在日常生活中，甲烷广泛存在，比如家用燃料的变迁和西气东输工程的实施。
提出问题：天然气作为燃料，体现了甲烷的哪些性质？能否写出相关的方程式？天然气通过管道从西部运送到东部，长达几千米，体现了天然气的什么性质？如何用实验验证甲烷在常温常压下的性质？选择什么试剂来验证？
设计意图：使学生完成学习新知识前的热身，并从生活情境出发认识甲烷。根据所知与所见物质的组成、变化和结构，学生不难提出假设：甲烷性质稳定，猜想甲烷可能与酸、氧气、高锰酸钾等物质反应，并设计实验验证甲烷的稳定性。
3.2 环节2—感受甲烷的稳定性
通过观察、实验和分析对假设进行证实与证伪。活动探究：甲烷是否与高锰酸钾反应？
实验：将甲烷气体抽入小针筒内，在点滴板上滴入几滴酸性高锰酸钾溶液，然后将溶液抽入针筒，并将塞子塞上，轻轻晃动，观察实验现象（见图1）。
设计意图：学生猜想甲烷可能与强酸、强碱、强氧化剂反应，所以选用高锰酸钾作为代表物与甲烷反应。若无现象产生，则与学生的实验预测冲突，更能让学生体会到甲烷的稳定性，也为下节课讨论乙烯的稳定性作铺垫。当无法得知更多甲烷的性质时，采用宏观与微观相结合的思路，先学习甲烷的结构，体会有机物学习的一般思路：通过碳骨架和价键理论确定有机物的空间结构，官能团和碳原子的饱和性、化学键的极性对有机物的性质具有决定作用[2]。
3.3 环节3—推理甲烷的取代反应
探索预测、证据、逻辑推理、结论之间的关系，建立模型。
根据日常生活经验和初三已学知识，提出：甲烷既然可以和氧气发生燃烧反应，也可能与氧化性更强的氯气发生反应（见图2），设计实验证实和证伪（见图3）。注意反应条件，观察实验现象，设计实验验证甲烷与氯气的反应条件并解释相应的实验现象，猜测生成物。
“甲烷是否与氯气反应”实验无明显现象，“甲烷是否与氯气反應”对比实验中黄绿色消失、管壁有油状液滴、管内产生白雾且液面上升、试纸变红。关注实验条件，根据元素守恒定律预测氯化氢的产生;对于管内产生的白雾和油滴，根据老师提供的知识链接可知，有一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷和四氯化碳。
提出新的问题：甲烷与氯气的反应是什么类型？为什么产物有多种？
3.4 环节4—寻找甲烷的结构模型，解释甲烷与氯气的反应原理
活动探究一：写出甲烷的电子式并拼插甲烷分子的球棍模型。
温馨提示：（1）4个C—H键长度、强度相同;（2）H与C 之间的夹角相等;（3）二氯甲烷只有1种结构。
第一步：让学生根据前面所学的知识试写出甲烷的分子式、电子式和结构式，并提出问题：碳原子是以何种方式与氢原子结合的？学生回答：因为碳原子最外层有4个电子，所以要关注碳四价并且4个碳氢键都是相同的。接着让学生用橡皮泥做的小球和小棍搭建甲烷模型，有的学生认为是平面型，碳氢键之间的夹角为90°;有的学生搭出了立体构型。但是，学生无法确定哪一种是甲烷的真实模型。此时，教师将4个大小相同的气球扎在一起，往空中一抛再一接，重复2～3次，发现气球自发地排列成正四面体的空间状态，学生立即明白了甲烷的4个碳氢键是以正四面体构型均匀分布在碳原子周围空间的，这样斥力最小、能量最低、最稳定。设计思路：提出猜想、证实或证伪、修改假设、修改甲烷分子模型。
19世纪初，许多科学家也认为甲烷是平面正方形，发现用这一模型无法解释许多实验事实。后来，第一届诺贝尔化学奖获得者—荷兰化学家范霍夫提出了甲烷的正四面体构型，才解开了甲烷分子结构之谜，这也标志着立体化学的诞生。
运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律。
第二步：从有机物分子结构模型的3个方面：碳四价、化学键、空间构型进行描述，完成以下活动。
活动探究二：
Cl2+CH4=CH3Cl+HCl（反应条件为光照）（1）
（1）用球棍模型模拟化学键的断裂与形成过程。
（2）對比反应前后有机物分子结构的变化。
得出结论：有机物分子中的某些原子或原子团被其他原子或原子团替代的反应叫取代反应。
设计意图：使学生发现甲烷反应前后在结构方面的变化：保持碳四价、空间构型，部分化学键改变。这种局部替换就是取代反应，如式（2）～（5）所示，反应条件均为光照。
Cl2+CH4=CH3Cl+HCl （2）
CH3Cl+Cl2=CH2Cl2+HCl （3）
CH2Cl2+Cl2=CHCl3+HCl （4）
CHCl3+Cl2=CCl4+HCl （5）
4 教学反思
总结反思本节课的教学流程。
4.1 认知发展线
提出假设：甲烷具有稳定性—设计实验验证—证据推理甲烷的性质—类比提出新的问题：能否与氯气反应—应用碳四价模型推理得出甲烷取代反应的定义[3]。 4.2 学生活动线
活动1：设计并验证甲烷能否与高锰酸钾反应。
活动2：对比甲烷与氯气的反应条件，进行实验推理。活动3：用球棍搭建甲烷的空间结构模型。
活动4：推理甲烷与氯气反应结构的变化，得出取代反应的定义。
4.3 知识逻辑线
甲烷的稳定性—甲烷的正四面体结构及其结构特点—取代反应的三重表征。
4.4 化学核心素养
宏观辨识与微观探析—写出甲烷的分子式与结构式。
变化观念与平衡思想—得出取代反应的概念、反应条件及其变化过程。
证据推理与模型认知—了解甲烷的空间结构，通过建立模型、完善模型，提高动手能力，体会物质结构和性质的内在联系。
采用上述培养思路，大大提高了课堂的有效性，在潜移默化中培养了学生宏观与微观相结合、证据推理与模型认知等科学素养。
[参考文献]
[1]赵浏，高修库.基于化学核心素养发展的教学设计—以“有机化合物的结构特点”教学为例[J ].中学化学教学参考，2018（19）：21-23.
[2]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.
[3]楼文暇，赵雷洪.新课标视野下高中化学教学设计的探索—以“甲烷”为例[J].化学教学，2018（10）：60-64.
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