物質結構教學的靈魂——模型教學法

王彥

摘要：本文以人教版選修3《金屬晶體的原子堆積模型》新授課為例探討了模型教學法的應用。

關鍵詞：晶體結構教學；模型教學法；教師；學生

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：A 文章編號：1992-7711（2017）08-0080

一、問題提出

物質的結構決定物質的性質，物質結構能幫助學生認識化學學科的本質，物質結構的知識在高中化學中處在重要的地位。在高中化學新教材人教版選修3《物質結構與性質》第三章第三節《金屬晶體》中晶體的性質不僅與其構成元素有關，還與原子在金屬晶體中的堆積方式有關。金屬晶體中原子的堆積方式部分內容對學生來說理解難度大，主要原因是：知識生疏、內容抽象，原子小無法感知它的存在和運動，對高二年級的學生雖說已在數學課上學過立體幾何知識，但立體幾何知識還不夠豐富，也未在實際當中應用過，對空間結構想象能力有限，空間中點、線、面之間的關系難以確定，很難理解四種晶胞的堆積方式，特別是幾種晶胞如何抽取形成的、晶胞中原子間的位置關系、每一晶胞所占有的原子的個數、晶胞的體積、原子的空間利用率的計算等知識很難掌握。

二、模型教學法的教學思路

為了能讓學生能夠準確認識金屬晶體中金屬原子的堆積方式體會到晶體的美感，在金屬晶體的教學中，我采取了模型教學方法：根據學生的認知水平，結合教材中類比的方法，利用乒乓球類比模型、教具實物模型、利用PPT動態模型，設置問題，由學生主動探究等徑球在二維空間（平面內）和三維空間的不同排列方式，形象直觀地展示出來，使學生深刻理解了金屬晶體的簡單立方、體心立方、六方最密堆積、面心立方最密堆積四種堆積方式的晶胞，方便于學生利用所學知識求晶胞的相關參數。借助想象和理解構建形象生動的模型、將問題具體化，能幫助學生跨越認知障礙并有利于建構結構決定性質的化學基本觀念，培養學生的物質組成微粒觀模型。

三、課堂教學環節

【預備知識】

1. 理論基礎

由于金屬鍵沒有方向性，每個金屬原子基本是球形對稱的，所以可以把金屬晶體看成是由直徑相等的圓球在三維空間緊密堆積而成的。使金屬原子吸引更多的其他原子分布于周圍，這種緊密堆積方式降低體系的能量，使晶體變得比較穩定。

2. 幾個概念

緊密堆積：金屬原子盡可能地互相接近，盡量占據較小的空間。

配位數：在晶體中與每個微粒緊密相鄰的微粒個數。

（1）金屬原子在二維平面堆積模型

【活動探究1】平面上金屬原子緊密排列的方式

①取9個等徑圓球，每3個球排成一排作為一組，將3組球平放在桌面上，使球與球之間盡可能多地緊密接觸，有多少種排列方式？

②哪種排列方式圓球周圍剩余空隙最小？配位數分別是多少？

【生】動手用乒乓球實物模型堆積，認真觀察模型并回答問題

配位數：4——非密置層

配位數：6——密置層

（2）金屬原子在三維空間里的堆積方式

【活動探究2】非密置層金屬原子在三維空間里的堆積方式

①先將三組小球以非密置層的排列方式排列在一個平面上，在其上方再堆積一層非密置層排列的小球，使相鄰層上的小球緊密接觸，有哪些堆積方式？

【生】展示用乒乓球堆積的模型：

心對心：第二層小球的球心正對著第一層小球的球心

心對空第二層小球的球心正對著第一層小球形成的空穴

【師】用利用PPT動態模型投影（利用PPT逐一出現）

②簡單立方堆積（Po）

【生】組合模型、觀察、討論分析、回答：

簡單立方堆積原子的配位數 6 ，（上、下、前、后、左、右）

簡單立方晶胞平均占有的原子數 8×1/8 = 1 ，

金屬原子半徑 r 與晶胞棱長（正方體邊長 a）的關系 a = 2 r 。

【師】用利用PPT動態模型投影（利用PPT讓每個原子均逐層出現）

（3）體心立方堆積——鉀型（Na，K，Fe）

【生】組合模型、觀察、討論分析、回答：

①體心立方堆積原子的配位數 8

②晶胞平均占有的原子數 2

③原子半徑與晶胞棱長的關系 體對角線長為a = 4r 。

活動探究3：密置層金屬原子在三維空間里堆積方式

【生】閱讀課本75頁圖3-25金屬晶體的兩種最密堆積方式，并用乒乓球模型堆積。

【生】展示用乒乓球堆積的模型

【師】用利用PPT動態模型投影（利用PPT讓每個原子均逐一出現）

（4）六方最密堆積（鎂型）（Mg、Zn、Ti）

【師】用利用PPT投影模型、分析

【生】觀察模型、討論分析、回答：

六方最密堆積配位數為 12 。

每個晶胞平均占有的原子數： 2

晶胞邊長與原子半徑的關系： a = 2 r

晶胞內部原子與頂點原子的位置關系：以乒乓球粘成的實際模型為例，取晶胞的1/3，A層原子為四原子形成的菱形底面，B層原子放在其中A層3原子圍成的空隙中，中間原子與其接觸的原子圍成以球心為頂點的正四面體，底面的另一原子不能與接觸相切。

晶胞的高如何計算？晶胞底面為菱形，高為正四體高的兩倍。

（5）面心立方最密堆積（Cu、Ag、Au）（銅型）

【師】用利用PPT動態模型投影（利用PPT讓每個原子均逐一出現）

【師】用利用PPT投影模型、分析

【生】觀察模型、討論分析、回答：endprint

面心立方最密堆積配位數 12

面心立方最密堆積晶胞含原子數4

晶胞邊長與原子半徑的關系： a = ■4 r

活動探究4：金屬晶體四種堆積方式空間利用率的計算

空間利用率：指構成晶體的原子、離子或分子在整個晶體空間中所占有的體積百分比。

空間利用率=■×100%

【生】觀察模型、分組討論分析、計算、回答：

1.簡單立方晶胞

邊長為a，a=2r

V晶胞=a3

V球=4πr3/3

空間利用率=■×100% ≈52%

【師】金屬晶體另外三種堆積模型空間利用率的計算課后練習。

四、課堂教學反思

1. 在簡單立方晶胞中，學生能準確理解晶胞中原子間的位置關系和晶胞的邊長，方便于學生利用所學知識求晶胞的相關參數。但在體心立方晶胞中，學生對晶胞的邊長與原子半徑的關系不太明確，通過模型結合金屬晶體的堆積理論：金屬原子吸引更多的其他原子分布于周圍，這種緊密堆積方式降低體系的能量，使晶體變得比較穩定。然后利用所學的數學立體幾何知識能清楚掌握到原子間的位置關系。

2. 在密置層的空間堆積中所得的六方最密堆積和面心最密堆積晶胞中，學生對如何得到這兩種晶胞以及兩種晶胞中各原子間的位置關系理解困難，更難以求晶胞的參數和原子的空間利用率。特別是在六方最密堆積晶胞中，學生容易根據教材圖例認為中間原子在四棱柱的面上或在四棱柱的棱上，而它的底面為正方形，通過動畫演示，結合實物模型觀察，利用立體幾何知識學生很容易得出：中間原子與其相切的三原子同處于一正四面體的頂點，底面的另一原子與其不接觸，底面為菱形。

3. 利用設置的問題，層層遞進引導學生逐步探究思考，發現不但問題得到解決而且充分調動了學生的積極性和學習興趣，在潛移默化中實現知識與能力、過程與方法、情感態度與價值觀的課程目標。

4. 本節課內容豐富，課前學生根據學案自主學習并組合乒乓球模型，課堂討論互動。

5. 金屬晶體的堆積方式要利用動畫、模型相結合效果很好。深刻體會到物質結構教學的靈魂——模型教學法。

（作者單位：山西省太原成成中學校 030002）endprint