基于常見材料建構并應用化學模型

韓曉+王朝暉

摘要：用生活中常見的塑料串珠等材料建構了兩種化學模型，一種用來表示路易斯理論中的電子式模型，另一種用來表示有機物分子結構模型。通過學生動手操作，提高學生對模型的理解水平，培養學生的建模能力和模型認知素養。

關鍵詞：化學模型；電子式；分子結構模型；模型認知素養

文章編號：1005–6629（2016）12–0029–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 概述

模型是科學認知的一種特殊形式，是人們為了某種特定的目的而對客觀對象原型所做的一種簡化描述。模型也是人們實現認知的工具，在高中化學新課程標準修訂過程中，將模型認知作為高中生化學學科的核心素養之一[1]。在化學學習過程中，學生借助模型這一媒介，可以溝通科學理論和真實的世界，并對化學現象作出合理的解釋和描述，促進科學知識的理解。模型是學生理解知識的一種重要手段，通過模型，可以將抽象的、難以理解的問題形象化、具體化。教學中應用模型有利于學生掌握知識，構建知識網絡框架，為學生接受知識、理解知識提供方便[2]。

學生結合所學的化學知識，建立模型，解決相關問題，再將解決問題的分析思路與策略方法進行抽象概括，就是化學建模過程[3]。建模過程有助于學生自主建構知識，通過建模，學生體會到化學模型的產生過程，并根據自己的學習經驗和背景，自主建構知識網絡，再經過加工和處理，學習到更多的科學知識，建立科學理論與經驗之間的聯系以及解決復雜化學問題的方法。

化學模型可分為思想模型和物質模型。物質模型生動直觀，將抽象的內容形象化，增加學生的感性認識，從而降低概念和理論教學的難度。高中教學中常用的物質模型多為球棍模型，類型比較單一，有些分子和晶體結構的模型體積較大，不易搬運，而且不易拆解，也不利于學生親自體驗。一些教師在教學實踐中，通過自制物質模型，如陳克剛[4]以廢棄的包裝家用電器的泡沫塑料、牙簽等材料制作了金剛石晶體、碳酸根離子和乙烷等物質模型；劉振瓊等人[5]以硬紙片為底版，制作了C60分子的模型，為球棍模型等物質模型提供了有益的補充。這些自制的物質模型，使學生對分子的形狀及結構有比較直觀的認識，利于學生自主建構模型，激發學生的求知欲望和探索精神。不過，泡沫塑料制作的模型堅固性和耐磨性較差，比較容易損壞，而且體積較大，不易搬運。硬紙片做的C60分子模型，不易拆解和重新組裝，也不利于學生親自體驗建模的過程。

筆者在教學中，利用塑料串珠、絨線繩、魚線等生活中常見的材料自制了兩種化學模型。制作方法簡單，容易操作，學生可以親自制作，體驗建模的過程，從而調動學生學習化學的積極性和創造性。自制的模型較為真實地反映了物質的結構，容易讓學生認識到模型與原型的異同，準確地反映教學內容，利于學生輕松地理解和掌握相關知識。自制的模型堅固耐用，體積小，易于攜帶，還可以輕松地拆解和重新組裝，有利于學生加深對相關知識的理解，幫助學生自主建構知識體系[6]。在課堂上，筆者讓每個學生動手制作或裝配出相關的化學自制模型，引導學生共同探討，共同體驗建模過程，通過學生動手操作，充分發揮學生的主觀能動性和創造性，激發學生的參與熱情，同時培養了學生的建模能力和模型認知素養。

下面介紹這兩種用塑料串珠等材料建構的化學模型，供同行參考。

2 電子式模型

2.1 電子式模型建立的意義

共價鍵的最初模型是美國化學家路易斯提出的“共用電子對”概念，用電子式表示原子價層電子的共用情況。傳統的球棍模型，用小球代表原子，短棍代表共價鍵，表示共價化合物的分子結構，卻無法直觀地表示原子的價層電子和共用電子的情況。在電子式知識的教學中，教師常采用板書書寫電子式，用粉筆畫點表示不同原子的價電子，或者使用動畫模擬分子的形成過程，學生理解起來較為困難，而且無法親自體驗。筆者選用絨線繩和塑料串珠作為建構電子式模型的材料，根據Kristy L. Turner[7]以價層電子和電子的共用情況建構模型的想法來建構電子式模型。用絨線繩代表原子的價電子層，塑料串珠代表原子的價電子，這種模型對于學生理解共價化合物的電子式和共價鍵理論模型，以及分子的形成過程具有重要的作用。教學中將共價鍵理論的思維模型的建立過程和電子式模型的物質模型建立相結合，讓學生體會模型在學習化學知識中的重要作用，培養學生自主建構模型的能力。

2.2 電子式模型使用材料和制作過程

材料：不同顏色的絨線繩若干，不同顏色的具有合適孔徑的塑料珠，見圖1。

以簡單的H2的電子式模型為例，首先，選取2根白色的絨線繩代表兩個氫原子的價電子層，選擇2顆紅色的塑料串珠分別代表兩個氫原子的價電子，將2顆紅色串珠分別穿在兩根白色絨線繩上，如圖2所示。

將兩顆紅色串珠用絨線繩串連起來，并將絨線繩彎曲成圓形，代表氫原子的價電子層，再將絨線繩扭曲固定，H2的電子式模型就建立起來了。

2.3 電子式模型的應用

建構H2的電子式模型之后，學生自行設計了氯化氫分子的電子式模型。通過討論氯化氫分子電子式和H2電子式的不同，以及氯原子半徑和氫原子半徑大小的比較，并分析氯原子和氫原子價層電子數目多少。學生在建構氯化氫分子電子式模型時，選擇了正確的串珠個數代表價層電子數目，合適長度和比例的絨線繩代表氫原子和氯原子的價電子層。如圖3所示的氯化氫分子模型，學生選取7顆串珠代表氯原子的7個價電子，穿在藍色的絨線繩上，1顆串珠代表氫原子的1個價電子，穿在白色的絨線繩上，并根據氫原子和氯原子原子半徑不同，建構氯化氫分子模型時，使得藍色的絨線繩比白色的絨線繩長，代表它們不同的半徑大小。

美國斯坦福大學化學系系主任Richard Zare指出，化學家是最想真實地看到分子以及分子間的轉換過程的。課堂上，學生通過討論發現，利用塑料串珠電子式模型，能模擬氯化氫分子的形成過程，如圖4所示。

大部分學生在模擬共價化合物分子形成的過程中，選擇建構NH3、H2O、CH4等分子。有個別學生選擇BF3分子進行建構，如圖5所示。建構過程中，發現BF3分子的中心原子不滿足“八隅律”規則，學生共同討論了路易斯共用電子對模型的局限性，并上網查閱價鍵理論，分子軌道理論和雜化軌道理論，了解共價鍵理論的發展歷史。

3 有機物分子結構模型

3.1 有機物分子結構模型建立的意義

在進行有機物結構教學時，很多有機物的結構比較抽象，學生憑簡單的語言文字，以及平面圖形很難進行空間想象，在解答有機物的題目時，也常因不理解有機物分子的結構而出現偏差。筆者在教學中用編織手工藝品的塑料串珠來建構有機化合物分子模型，用塑料串珠代表共價鍵，用柔軟的魚線連接串珠，串珠共用的點表示原子。通過學生動手操作建構有機物分子結構模型，有效地展示了有機物的分子結構，學生可以更好地理解有機物的結構。有機物分子結構的串珠模型，直徑大約2cm，小巧，輕便，建構方法簡單，利于學生親自操作和體驗，可以作為學生學習有機化合物分子結構的常用工具。

3.2 有機物分子結構模型使用材料和制作過程

材料：不同顏色的具有合適孔徑的塑料串珠，魚線若干，如圖6所示。

以有機物苯分子為例，取6顆串珠用魚線穿起來，如圖7-（2）所示，將6顆串珠分別標號為1到6，如串珠模型示意圖7-（3）所示，將魚線兩端標號為a和b，為了便于觀察，將魚線a端的前端標注為紅色。

將魚線a端自身繞一圈，再穿入第6號串珠，穿入方法如圖8-（1）所示；將魚線b端穿入由魚線a端和6號串珠構成的圈內，如圖8-（2）所示；緊拉魚線a端，此時在6號串珠內部自動打一個結，如圖8-（3）所示；用力緊拉魚線a端和b端，將此六元環固定，就建構成了苯分子的串珠模型，如圖8-（4）所示。在苯分子模型中，塑料串珠代表碳碳鍵，串珠之間相連的點代表碳原子，省略碳氫鍵。

3.3 有機物分子結構模型的應用

建構苯分子模型之后，學生利用不同顏色的串珠建構苯的取代物模型，如圖9-（1）所示；用綠色的串珠代表碳氯鍵，將魚線穿入綠色串珠和相鄰的兩顆紅色串珠內，建構成如圖9-（2）所示的氯苯的串珠模型。學生又以氯苯為參考，通過串珠模型，探討苯的二氯取代物的種類。

學生起初認為圖10所示的結構中，a、b、c是間二氯苯的3種同分異構體，在學生對間二氯苯分子的串珠模型的建構過程中，發現只要進行簡單的旋轉，就可以理解圖10中a、b、c的3個結構事實上是同種物質。

塑料串珠除了可以建構苯這類平面型分子，還可以建構如立方烷、C60以及廈門大學謝素原教授課題組在2004年《科學》雜志上發表的C50Cl10等結構模型，如圖11所示，串珠模型對于這類籠狀立體結構的分子，有較高的適用性。教學中，筆者給學生展示了自己建構的籠子立體結構分子，學生很驚奇。學生第一次發現原來分子結構也可以如此美麗，激發了他們的參與熱情和探索精神。

4 總結與反思

目前高中教學，對于學生模型認知素養的培養還處于起步階段，文獻也較少涉及。采用生活中常見的材料建構化學模型，是對傳統的球棍模型等物質模型的補充，將塑料串珠模型的建構方法運用于教學之中，從簡單的物質模型出發，利于培養學生的建模興趣和模型認知素養。在學生學習化學的過程中，多為學生建構適宜于自己的模型創造條件，通過簡單易于操作的串珠模型這類物質模型的建構，在教學過程中有意識地教授學生一些建模的思路、方法，讓學生體驗模型建構的過程，因為建立模型的過程要比模型結果更為重要。

學生親自動手制作模型可以豐富學生的感覺、知覺和表象，使學生的想象空間得到擴展，想象力得到發揮。在教學中，教師指導學生制作模型應注意以下幾點：（1）簡單耐用。制作的模型力求簡潔，不能過于復雜，便于學生拆解和組裝。（2）盡量真實。模型要盡量真實，以達到逼真的效果，這樣能更準確地反映教學過程，有助于加深學生對學習內容的理解。（3）易于操作。建立模型過程簡單易行有助于排除干擾，能清晰地反映原型的反應過程，有助于學生掌握學習內容。學生模型建構的培養不是一蹴而就，教師應注重學生模型建構能力的培養，發揮學生的主觀能動性，提高他們的實踐能力，推動該領域的教學研究的開展，促進化學模型建構教學體系的完善。

參考文獻：

[1]王云生.基礎教育階段學科核心素養及其確定——以化學學科核心素養為例[J].福建基礎教育研究，2016，（2）：7～9.

[2]薛勇軍.高中化學教學中開展模型教學的研究與實踐[D].蘇州：蘇州大學碩士學位論文，2013.

[3]盧勝彬.高中化學建模教學的研究[D].南寧：廣西師范大學碩士學位論文，2015.

[4]陳克剛.自制模型在中學化學教學中的作用[J].實驗與教具改革，1997，（6）：6～7.

[5]劉振瓊，廉蠡. C60分子模型的簡易制作方法[J].化學教學，2003，（3）：12.

[6]譚小青，曾漢泰.自制化學模型對中學生創新能力培養的實踐探索[J].化學教育，2004，（12）：29～31.

[7] KristyL.Turner. A Cost-Effective Physical Modeling Exercise to Develop Students Understanding of Covalent Bonding. J. Chem. Educ，2016，93（6）：1073～1080.