开展科学探究,构建高效课堂

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  以《最简单的有机化合物——甲烷》教学设计为例,以情景创设为先导,以科学探究为方法,通过改变教师教的方式和学生学的方式,帮助学生自主构建知识,从而实现高效课堂。
  有机化合物课堂教学中学化学一、教材分析
  《最简单的有机化合物——甲烷》选自《化学必修2》第三章第一节。必修模块的有机化学内容,没有完全考虑有机化学本身的内在逻辑体系,教材的起点低。本节以最简单的有机物甲烷为切入点,从学生已有的生活背景知识出发,介绍甲烷的结构、主要性质以及在生产、生活中的应用。从结构的角度适当加以深化,建立有机物“结构——性质——用途”的认识关系。本节课是有机化学的入门,也是学生化学学习一个新的开始。
  二、学情分析
  知识储备:学生在初中化学已经知道甲烷是一种化石燃料,可以燃烧,能从甲烷的组成上认识燃烧反应的产物,但不能从结构角度认识其性质;掌握了物质结构和化学键理论,具备学习本节内容的理论基础。
  学习方式:喜欢从熟悉事物入手学习新知识,对图片、实物感兴趣,喜欢自己动手实践。
  认知方式:缺乏对知识进行主动探究和建构的能力。
  三、教学目标
  知识与技能:了解自然界中甲烷的存在及储量情况;通过实践活动使学生深刻认识甲烷的结构特点;通过实验探究理解并掌握甲烷的取代反应原理。
  过程与方法:通过探究实验、模型、图片、动画等,培养学生关心科学,研究科学和探索科学的精神;通过讲授、讨论、自学、小组合作等教学方法和比较、类比等科学方法与逻辑方法,教给学生科学的学习方法;培养学生设计实验、观察实验,并根据实验现象得出可能的规律的能力。
  情感态度与价值观:引导学生关注人类面临与化学相关的社会问题,培养学生的社会责任感和参与意识;通过甲烷的结构和性质的探索,激发学生学习化学的兴趣。
  四、教学重点和难点
  教学重点:甲烷的结构特点、甲烷的化学性质。
  教学难点:甲烷分子的空间结构模型的建立、理解甲烷和氯气取代反应的机理。
  五、教学方法
  教学方法:情景创设、问题探究、小组合作交流等。
  六、教学过程
  (设问)请同学们说一说,你对有机物有哪些了解?
  学生1:初中我们学过的甲烷、乙烯、乙炔、乙醇等物质都是有机物。
  学生2:我们生活中吃的米、面、油、肉都含有机物。
  学生3:我们穿的棉布、丝绸、各种化纤面料都含有有机物。
  学生4:我们生活中用的中型笔、饮料瓶等塑料制品、橡皮、汽车轮胎等橡胶制品,都含有有机物。
  (图片展示)多媒体展示常见的有机化合物的图片,让学生欣赏图片。
  (引言)我们的吃、穿、用等都离不开有机物,那么从今天开始我们学习有机物。
  (板书)第三章有机物
  (学生)阅读课本第三章引言。
  练习1.下列物质属于有机物的是
  (1)H2S(2)C2H2(3)CO2(4)C2H5OH(5)CH4(6)Na2CO3(7)CH3COOH(8)金剛石(9)H2CO3(10)C12H22O11
  讲解:除二氧化碳、一氧化碳、碳酸盐及碳酸氢盐外,绝大多数含碳的化合物都是有机化合物。也就是说有机物一定含碳元素,但含碳元素的物质不一定是有机物。
  练习2.下列有机物属于烃的是
  (1)CH3COOH(2)C2H2(3)C2H5OH(4)C2H4(6)CH4(7)C12H22O11(8)(C6H10O5)n
  探究活动一:探究甲烷的组成及分子式。
  提出问题:英国科学家道尔顿在1804年在沼泽中收集到甲烷并测得甲烷的组成。其途径是:电炉加热→生成气体通入浓硫酸→碱液吸收。取16g甲烷燃烧完全后,产物中有44gCO2和36gH2O。又测得甲烷的相对分子质量为16,请推断:
  甲烷的元素组成?如何确定甲烷的分子式?请表示出甲烷的电子式和结构式?
  (学生)由题给数据推测甲烷的组成元素;通过计算确定甲烷的分子式;根据分子式写出甲烷的电子式和结构式。
  (过渡)结构式仅用来表示分子中原子的连结顺序,不能表示分子中原子在空间的分布。我们知道了甲烷的分子式和结构式,那么甲烷分子的结构是什么样的呢?
  探究活动二:探究甲烷分子的结构。
  已知:实验测得甲烷分子中4个C-H键完全相同,每相邻的两个C-H键之间的键角、键长、键能都相等。
  (活动)同学们利用手中的硬纸板、橡皮泥、小番茄、牙签等,制作出你们认为甲烷可能的空间构型。
  提问:请××同学来总结你们小组讨论的结果,并展示你们的作品。
  (实践活动)依据课本P60,制作正四面体模型。
  (展示)甲烷的分子模型(球棍模型和比例模型)。
  (讲解)结构式实际是分子球棍模型在平面上的投影,表示分子内各原子的成键情况。球棍模型能表示分子内各原子在空间的相对位置和立体构型。比例模型能表示分子内各成键原子的相对大小和在空间的相对位置。
  (学生)根据甲烷分子模型结合实践活动,说出甲烷分子的结构特点。
  (讲解)经过科学实验证明甲烷分子的结构是对称的正四面体结构,碳原子位于正四面体的中心,4个氢原子分别位于正四面体的4个顶点上,四个C-H键强度相同。
  (投影)拓展资料:甲烷分子结构的参数——键角、键长、键能。
  (知识拓展)在甲烷分子里,虽然C-H键都是极性键,但CH4分子是一种高度对称的正四面体结构,四个C-H键的极性相互抵消,整个分子没有极性,所以甲烷是非极性分子。   探究活动三:探究甲烷的物理性质。
  学生实验:观察集气瓶中的甲烷气体并闻气味;将集气瓶倒置于水槽中,观察现象。
  学生活动:请总结出甲烷的物理性质;根据物理性质推测出甲烷的收集方法。
  探究活动四:探究甲烷的化学性质。
  (教学情境)结构决定性质,通过刚才的学习我们知道,甲烷分子是一种对称的正四面体结构,请猜想甲烷的结构是否稳定?试说明你推测的理由。
  (交流讨论)小组讨论后回答。
  (答案)甲烷的结构很稳定。可能原因是:第一,天然气在地壳中贮藏比较丰富;第二,天然气能长途输送。
  (学生实验)将CH4分别通入酸性KMnO4、溴水、含酚酞的NaOH溶液、含石蕊的H2SO4溶液中
  (学生活动)请汇报上述实验结果;根据实验现象推测出甲烷的化学性质。
  (结论)在通常情况下,甲烷比较稳定,与高锰酸钾等强氧化剂不反应,与强酸、强碱也不反应,也证明了上面猜想是正确的。
  探究活动五:探究甲烷与氧气的反应。
  (演示)点燃甲烷。
  (学生)描述甲烷燃烧时的现象(火焰为淡蓝色)并写出甲烷燃烧的化学方程式。
  (问题探究)甲烷是一种优良的气体燃料,通常情况下1mol甲烷在空气中完全燃烧,放出890kJ的热量,火焰呈淡蓝色。请同学们设计一套检验甲烷燃烧产物的装置同时思考以下问题:(1)点燃甲烷前应有什么操作?(2)有几种产物?怎么检验?
  (學生)点燃甲烷前应验纯,燃烧产物是二氧化碳和水,可以通过将干燥烧杯罩在甲烷的火焰上,之后倒转烧杯迅速倒入澄清石灰水来检验。
  (板书)1、甲烷的氧化反应——燃烧反应
  (注意)在这里化学方程式尽管已经配平,但不用等号用箭头表示。这是因为有机化合物参加的化学反应往往比较复杂,常有副反应发生,同时用结构简式代替分子式。
  (教学情境)目前,大部分城市正在进行燃气改造工程,即将管道煤气改造为天然气。
  第一,根据煤气和天然气的燃烧反应方程式,判断燃烧相同体积的管道煤气与天然气,消耗空气的体积较大的是哪种气体?
  第二,燃烧管道煤气的灶具如需要改为天然气,灶具将如何改进?若不改进可能会产生哪些不良后果?
  (学生)分组交流讨论后,展示讨论结果。
  (资料卡片)第一,阅读课本P61资料卡片。
  第二,我国煤矿发生一次死亡10人以上的特大事故中,绝大多数是由于瓦斯爆炸,约占特大事故总数的70%左右。我国目前国有重点煤矿大多数属于瓦斯矿井,其中高瓦斯矿井和突出矿井占全国矿井总数的44%。
  第三,2005年2月14日,辽宁省孙家湾煤矿发生一起特别重大瓦斯爆炸事故,造成214人死亡。事故的原因是由于岩爆造成大量瓦斯异常涌出,局部停风造成瓦斯积聚,工人违章带电检修,产生电火花引起瓦斯爆炸。
  (问题探究)根据以上资料,瓦斯爆炸的条件及预防措施是什么?
  (归纳总结)瓦斯爆炸的条件:一定浓度的瓦斯、高温火源的存在和充足的氧气。
  防止瓦斯积聚的措施:加强通风,杜绝火源。
  探究活动六:探究甲烷与氯气的反应。
  (过渡)大家看到,甲烷与氧气反应要点燃,那么与比O2氧化能力更强的Cl2反应时是怎样的呢?
  (播放视频)甲烷与氯气的反应。
  (提问)看完了这段动画,同学们再来总结一下,你看到了什么?
  (总结)氯气的黄绿色逐渐消失,瓶壁上有无色油状液滴生成,水面上升、试管中有白雾产生,石蕊变红。
  (动画演示)甲烷与氯气的反应。
  (问题探究)为什么气体颜色会变浅甚至褪去、有油滴出现?为什么量筒中的液面上升、有白雾产生,石蕊会变红?甲烷和氯气反应会有哪些键发生断裂和形成?
  (结论)甲烷与氯气发生了化学反应;生成氯化氢极易溶于水,气体总体积减少,导致试管内压强减少,氯化氢溶于空气中的水蒸气形成白色酸雾,氯化氢溶于水显酸性;碳氢键断裂、氯氯键断裂。
  教师书写甲烷一氯取代反应方程式,学生仿写一氯甲烷与氯气进一步反应的化学方程式。
  (教师)甲烷分子里的氢原子是被氯原子逐步取代的,共生成五种物质,四种取代产物。我们称这种反应为取代反应。请大家由刚才的动画思考,什么是取代反应呢?(学生很有兴趣的大胆猜测、估计,试探说出取代反应的涵义。)
  (比较)对甲烷的四种取代产物从状态、俗名、溶解性、用途四个方面进行比较。
  (强调)CH4的四种氯的取代产物都不溶于水。在常温下,CH3Cl是气体,其他三种都是液体,CHCl3和CCl4是重要的有机溶剂。这些产物都属于卤代烃。
  教师:我们以前学习过置换反应,置换反应与取代反应有什么区别和联系呢?请思考讨论后填写下表?
  (比较)将取代反应与置换反应从生成物中是否一定有单质、影响反应进行的因素、反应是否可逆等方面进行比较。
  (知识拓展)甲烷的受热分解。
  在隔绝空气的情况下,加热至1000℃,甲烷分解生成炭黑和氢气。
  氢气是合成氨和合成汽油等工业的原料;炭黑是橡胶和染料的工业原料。
  (学生)阅读课本第一节P60第一段,归纳出甲烷的存在和用途。
  (投影)
  1.甲烷的存在和用途
  (1)甲烷是天然气、沼气、油田气和煤矿坑道气的主要成分。
  (2)天然气是高效、低耗、污染小的清洁能源。中国是最早利用天然气作燃料的国家。
  (3)甲烷是一种重要的化工原料。
  (4)“西气东送”工程是我国开发西部的一项重大举措,可以改善我国东部能源结构。
  (知识拓展)可燃冰——未来的新能源。
  练习1.甲烷分子是以C原子为中心的正四面体结构,而不是正方形的平面结构,理由是()
  A.CH3Cl只代表一种物质B.CH2Cl2只代表一种物质
  C.CHCl3只代表一种物质D.CCl4是非极性分子
  练习2.若要使0.500molCH4完全和Cl2发生取代反应,且生成的四种氯代物的物质的量相同,试求所需Cl2的物质的量。
  (课堂小结)本节课我们开始了有机物的学习,认识到甲烷的正四面体立体结构和重要化学性质:氧化反应、取代反应、受热分解反应,学习中重点应对甲烷分子的结构和Cl2的取代反应加以理解,要树立结构决定性质的观点。
  (课后活动与探究)查阅资料了解西气东输的有关知识,认识甲烷在工农业生产和人民生活中的重要作用;调查沼气在农业生产中的作用,了解我国沼气的使用历史和现状。
  七、反思
  首先,本节课的核心问题是甲烷的结构特点及取代反应。本节课由于探究过程较多,要注意教学的重点和难点的把握,语言要精炼。在教学过程中教师要控制好节奏,要根据时间适当调节教学内容。
  其次,甲烷实验室制取不容易,可用天然气代替,没有天然气的农村学校,如果学生家中有沼气池,可以在课前给学生布置一个家庭实验:观察沼气的颜色、状态、气味;观察沼气燃烧时火焰的颜色;在沼气火焰上扣一只玻璃杯,观察玻璃杯内壁有何现象;用澄清石灰水润湿玻璃杯的内壁,然后再将玻璃杯倒扣在沼气火焰上,观察玻璃杯内壁有何现象?
  再次,甲烷与氯气反应需要时间较长,可以带领部分学生在课外做实验,并录成视频在课堂上播放,将视频中实验现象做放大处理,便于学生观察。甲烷的取代反应使学生接触到的第一个化学反应,很多学生对有机反应不熟。所以要抓住有机反应的特点对甲烷的取代反应来理解,如有机反应是分步进行的,所以无论氯气与甲烷以何比例混合,最终都有4种卤代烃生成。写好有机反应方程式一定要了解反应物如何断键,才能理解生成物如何成键。并本着在哪里断就在哪里接的原则,更好地写出方程式。
  参考文献:
  \[1\]宋心琦.普通高中课程标准实验教科书化学(必修2)\[M\].北京:人民教育出版社,2007.
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