在高中化学教学中，由于课堂时间有限、备课时间不足和教学内容缺乏整体性设计等，教师往往只注重知识的传授，忽视了学生科学思维的发展，学生在学习过程中无法对知识进行深度理解。指向科学思维培养的高中化学教学设计改变了只注重知识传授的传统课堂教学模式，以学生对知识的深度理解和培养学生的科学思维能力为目标，构建学科知识体系。这就要求教师在教学设计时，根据学情创设真实情境，设计教学活动，从而激发学生的学习兴趣，实现对知识的深度理解，培养学生的科学思维。
1 研究缘起
有机物的性质一直是高中化学学习的难点之一。学生之所以感到难学，一是内容多而杂，难以结构化；二是记忆性内容多，难以把握规律
［1］。造成这些问题的原因主要是学生还没有建立起有机化学世界的认识方式。因此，培养学生化学科学思维是认识有机物的性质并逐步建立有机物性质的认识视角和思路的有效方法，也是学习有机化学的基础。
科学思维指在解决问题中所运用的比较、分析、归纳、演绎等科学方法和基于实验事实进行证据推理、建构模型并推测物质及其变化的思维能力
［2］。高中化学教学旨在培养学生运用宏观、微观、符号等方式描述、说明物质的结构及转化的本质和规律
［3］。综合初高中课程标准，化学学科的科学思维就是从微观角度认识物质的结构，分析和解释宏观物质的性质，总结其变化规律，并能运用化学符号对物质变化的过程进行表征。课程标准倡导根据学生已有知识和认知思维设计真实问题情境，开展探究活动
［3］。综上，笔者以“从碳原子的成键特点认识有机物”为例，探索“指向科学思维培养的教学设计”的策略。
2 指向科学思维培养的教学设计
2.1 教学设计思路
基于对课程标准和教学内容的理解提出了“内容结构化、知识问题化、问题情境化、情境生活化、学习自主化”的教学设计思路。教学设计过程主要分为3个部分：根据学生已有思维能力和课标要求确定教学目标→确定评价方法和评价目标→设计教学过程。根据教学设计思路，在教学过程中引导学生经历学习理解、模型建构、应用实践和迁移创新4个层次，聚焦提升科学思维能力，落实学科核心素养。具体的教学设计过程如
图1所示。
基于学生已有认知思维和课标学业质量要求，对有机物性质这一主题教学内容的化学科学思维发展路径进行分析。相比于无机化学的认知方式，有机化学的认识特点是：对于物质的多样性，从无机物基于物质类别和元素价态的宏观认识，深入到有机物基于原子的连接方式和空间排布方式的微观认识
［4］；对于结构与性质的关系，从无机物基于原子阶层电子结构来解释和预测无机物的性质，深入到有机物基于原子阶层电子结构和空间结构来解释和预测反应位置和类型。本课的科学思维发展路径见
图2。
2.2 目标确定
学生对碳原子成键特点的认识仅限于电子式和共价键层面，对甲烷也只认识了其来源和用途。因此这个阶段重点学习碳原子间连接方式的多样性及与其他原子间成键方式的多样性，理解有机化合物种类繁多的原因，为有机物的学习奠定基础。学生虽然已学习了元素化合物知识，对物质结构有初步认识，但仅停留在二维层面，对有机物的空间立体结构存在认知困难
［5］，对如何证明物质的空间结构非常陌生。基于学生已有思维能力和课标要求确定本课时教学目标和评价目标。
（1） 教学目标。
①通过对燃料性能的定量比较，了解可燃冰的开采意义，树立化学服务生活、促进工业发展的科学态度和社会责任；②利用螺旋上升式的球棍模型拼接活动串，让学生体验“碳四价”原则，理解和掌握有机物碳原子的成键特点，建构认识有机化合物的思维模型；③在简单烷烃分子模型拼插活动中，归纳烷烃和同系物的概念并推导烷烃分子式的通式，发展学生模型认知和科学探究的能力。
（2） 评价目标。
①通过对燃料性能的定量比较，诊断并发展学生的社会责任意识水平；②通过球棍模型拼接活动串，诊断并发展学生的宏微结合分析水平；③通过简单烷烃球棍模型拼插和分子式书写活动，诊断并发展学生模型认知和推理分析水平。
3 教学过程设计
随着我国科技创新驱动产业创新，助力新质生产力发展战略的推进实施，石墨烯再度成为科学家研究的热点。本课选取“新材料之王”石墨烯作为情境素材，引导学生从原子结构的角度思考物质的构性关系，既阐明了有机化合物主题的科学思维特点，也切合了国家战略和科研热点，有利于激发学生的创新意识和爱国主义情怀。具体的教学流程设计如
图3所示。
4 教学过程
4.1 课前自主学习——巩固已有知识
在课前印发学习资料促使学生巩固已有知识，为本节课的学习打下基础。通过学生的答题情况分析学生对已有知识的掌握程度和思维水平。具体有以下内容。
（1） 键能_____化学键越稳定（填“越大”或“越小”）。
（2） 已知甲烷、煤炭、液化石油气（主要成分为C
3H
8、C
4H
10）燃烧的反应方程式和反应热（1 mol燃料完全燃烧所放出的热量）。根据
表1数据计算释放相同热量（假设为10
3 kJ）时，哪一种物质燃烧完全后的CO
2排放量最低？
结论：相对于其他化石燃料，______热值（1 g燃料完全燃烧所放出的热量）最高，燃烧完全后的CO2排放量____，且不会生成SO2等物质污染环境，是一种高效清洁的优质燃料。
4.2 课中导学
(1) 创设情境，激发学生学习兴趣，提高课堂参与度。
【情境素材】播放新闻报道：吉林大学星壤测试与模拟团队通过对嫦娥五号钻采的月壤分析，首次发现天然形成的少层石墨烯；中科院科技创新驱动产业创新，助力新质生产力发展——中央电视台系列报道《走进实验室看新质生产力》关于石墨烯应用的剪辑视频。
学生观看视频并回答：石墨烯和活性炭、石墨、金刚石都是由碳元素组成的但是性质却截然不同，可以得出结论：_____不同性质不同，_____决定性质。
【设计意图】激趣导学，利用科技新闻让学生感受我国科技创新的最新成果，培养学生从原子结构的角度思考有机物性质的科学思维，同时发展科学态度与社会责任核心素养。
(2) 从碳原子的结构出发，分析碳原子的成键特点，建构“碳四价”理论。
师：结构不同性质不同，碳原子的结构是什么样的？我们就从碳原子的价层电子结构开启今天的学习之旅。请完成任务1。
任务1：写出碳原子和甲烷分子的电子式和结构式，分析C与H的成键原理和甲烷分子中化学键的类型。
学生书写电子式和结构式，明确C与H形成共价键。
师：碳原子通过最外层的4个电子可形成4个共价键的成键方式称为“碳四价”理论。
任务2：基于“碳四价”理论，以小组为单位用所给材料拼插2个碳原子之间的连接方式，最多能拼出几种？
学生完成拼接活动后，派代表上台展示拼插成果，并归纳2个碳原子之间的成键方式：碳原子与碳原子之间可以形成碳碳单键、碳碳双键和碳碳三键。
任务3：拼插3个碳原子间的连接方式，最多有几种？
学生完成拼接活动后，派代表上台展示并书写拼插的模型并归纳3个碳原子之间的成键方式：3个碳原子之间可以形成碳链和碳环。
师：像这样用球和棍来表示碳原子之间的成键方式的表现方式称之为“碳骨架”。
任务4：如果是4个碳原子相互结合，会有几种结合方式？请用所给材料拼接出来。
学生用球棍拼接4个碳原子的结合方式，上台展示。
师：①这些有机化合物的分子式分别是什么？②哪些是链状的结构？哪些是环状的结构？③碳原子有几种成键方式？分别在哪些分子中有所呈现？
交流讨论：人们在自然界发现和人工合成的有机化合物有近1亿种，结合所学内容分析以碳为骨架的有机物种类繁多的原因。
学生交流讨论后归纳：①碳原子与其他原子、碳原子间成键方式的多样性；②碳原子间连接方式的多样性。
【设计意图】通过电子式的书写和成键方式的分析，建构“碳四价”理论。通过拼插活动认识碳原子之间的连接方式，从连接视角理解碳原子的成键特点，从而帮助学生在认识碳原子不同成键方式的基础上，认识有机物种类繁多的原因，发展微观探析核心素养和归纳推理能力。
4.3 探究甲烷、乙烷、丙烷分子结构的异同，理解烷烃、同系物的概念和通式
【情境素材】课件展示不同颜色的可燃冰。可燃冰的主要成分是甲烷，还含有少量的乙烷、丙烷等物质，因成分不同颜色也会不同。
任务5：根据“碳四价”原则和结构式拼出甲烷、乙烷、丙烷的球棍模型。
学生根据结构式拼出球棍模型，并写出相应的分子式和结构简式。
师：这类有机化合物的组成和分子结构各有什么特点？
生：以上这几种有机化合物只含碳原子和氢原子，碳原子间都以单键结合，其余价键都与氢原子结合。
师：碳原子的化合价都达到“饱和”，这类有机物化合称为饱和烃，也称为烷烃。
交流讨论：观察这几种物质的结构简式，分析碳原子和氢原子数目的变化规律，归纳出链状烷烃的通式。
学生小组讨论后上台书写演算推理过程并得出链状烷烃的通式为CnH2n+2。
师：像这些结构相似，在分子组成上相差一个或若干个CH2原子团的化合物称为同系物。
【设计意图】引导学生通过归纳推理、类比推理的方法认识烷烃同系物和分子结构特点。最后留下进一步思考的空间：根据丁烷可能出现的拼接方式，引出同分异构概念的思考空间。
5 教学反思
“有机化合物中碳原子的成键特点”是高中生步入有机化学世界大门的第一步，承载着引导学生感受有机化学思维方式、建构认识视角的重任
［1］。因此，在本课中培养学生的科学思维和认知方式尤为重要，教学难度也相对较高。就本节课做以下3点反思。
5.1 注重基于已有知识发展科学思维
对于有机化学世界特殊性的认识，需要学生在深刻理解价电子、电子式、键能和共价键等知识的基础上进阶发展。通过课前诊断已有知识，课中设计多样化活动，引导学生从理解“碳四价”理论开始，从2个碳原子到3个碳原子再到4个碳原子，进行拼插活动逐步建构从价键理论和连接视角认识有机物的科学思维。通过任务5对球棍模型的分析，归纳链状烷烃的通式，培养学生的类比分析和推理演算思维，帮助学生在认识碳原子不同成键方式的基础上，认识有机物种类繁多的原因。
5.2 注重利用多样化探究活动的开展促进学生自主学习
本节课在学习活动的设计和实施中，重视开展多样化的科学探究活动。课前活动以自主学习的形式让学生开展基于证据推理的定量计算活动；课中任务1~3分别为书写和球棍模型拼插、展示活动；任务4通过拼插活动和对3个问题的讨论，培养学生从连接视角认识有机物的多样性的分析推理思维；两个交流讨论是通过归纳和类比推理的方法认识有机物的构性规律，从而培养学生从连接视角认识有机物的科学思维。
5.3 较好地促进了核心概念和大概念的融合教学
从整节课的设计来看，课前部分和引入视频抛出了有机物“结构决定性质，性质决定用途”的核心概念，引导学生建构认识有机化学世界的基本视角；“有机物多样性”是必修阶段有机化合物主题的大概念，通过5个学习任务和2个交流讨论基于连接方式和碳骨架认识开展教学，将课前的定量计算定位在物质视角，揭示有机物“结构决定性质，性质决定用途”的特点。课中的多样化活动定位在微观价键和连接视角，促使学生理解有机化合物的结构特点。这样设计既实现了核心概念教学和主题大概念教学的有机融合，又有利于学生建构微观视角和物质视角认识有机化合物的科学思维。
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