以“發展學生核心素養”為導向的高二化學教學研究
——微觀模型在《選修3》教學中的運用

吳曉娟

（廣東省廣州市第四中學，廣東 廣州）

一、《物質結構與性質》教材分析

結構化學是研究物質的結構及結構與性能之間關系的一門基礎科學。人教版《物質結構與性質》分3章，分別以三個水平對物質結構與性質的關系進行學習：首先，在原子水平上進行研究，教科書中體現為第1章“原子結構與元素性質”；其次，以微粒間的相互作用為第二水平進行研究，在教科書中體現為第2章“分子結構與性質”；最后，在此基礎上專門討論了物質的聚集，以微粒的種類、微粒間相互作用力的種類以及微粒的聚集程度為線索，在教科書中體現為第3章“晶體結構與性質”。在內容的組織上，教材以促進學生科學素養的發展為目標來構建教科書體系，從微觀到宏觀、從現象到本質、從定性到定量，勾勒出人類對結構化學的認識。

在該模塊的學習過程中，由于微觀粒子是肉眼看不見的，學生必須進行微觀想象，再加上理解難度大，學生想象力的發展水平有限以及個體差異性，學生對物質結構理論的理解及科學構建需要輔助手段來模擬微觀世界。而微觀模型是可視化、最直接的輔助手段，包括實物微觀模型及計算機模擬微觀模型。模型引路在前，展開理論在后，降低學生理解的難度，幫助學生準確地把握理論，做到理解性學習，避免記憶性學習。

二、微觀模型應用于教學的幾個課例

1.共價鍵成鍵特點及規律

共價鍵根據成鍵過程中電子云重疊方式的不同分為σ鍵和π鍵，并且有如下規律：共價單鍵是σ鍵，共價雙鍵中一個是σ鍵，另一個是π鍵，共價三鍵中一個是σ鍵，另兩個為π鍵。

如何讓學生理解σ鍵沿軸方向“頭碰頭”和π鍵平行方向“肩并肩”的重疊過程，最有效的方式就是將這個動態過程演示出來。這里列舉兩種微觀模型呈現方式。第一種，利用軟件繪制成鍵動態過程。這種方式的優勢在于可以形象地看到電子云在成鍵過程中的變化及最終形態，很好地展示了σ鍵和π鍵電子云的對稱性，也很形象地說明了為何σ鍵可以旋轉而π鍵不行。而缺點是動畫是事先繪制好的，內容固定，課堂使用的靈活性較低。第二種，制作實物微觀模型。圖2.1.1是筆者在教學過程中使用常見材料制作微觀模型的圖示。

實物模圖2.1.1

實物模型的優勢是可根據課堂需要進行展示，靈活性較強，能形象展示p軌道成鍵時只能形成一個σ鍵。如圖2.1.2所示，當pX以頭碰頭的重疊方式形成σ鍵時，旋轉σ鍵，pY的原子軌道要不不重疊，要不只能以肩并肩的方式重疊，學生也就不難理解此時pY和pZ只能形成π鍵，進而歸納出原子鍵形成雙鍵和三鍵時均有且只有一個σ鍵，其余為π鍵。而實物模型的劣勢是無法展示成鍵過程中電子云的動態變化。

圖2.1.2

在教學過程中，可同時結合兩種微觀模型呈現方式，幫助學生理解成鍵的規律。

2.VSEPR理論與分子構型

價層電子對互斥模型是判斷分子立體構型的一種簡單的理論模型。在學習過程中，學生不難運用公式計算出孤電子對數和價層電子對數，進而判斷出分子的價層電子對構型。但從價層電子對構型推導出分子構型，部分學生出現了困難。在學習的初始階段，可繪制直觀的分子價層電子對構型和分子構型，讓學生看到兩者的聯系，幫助學生培養抽象思維，降低學生理解的難度。

圖2.2.1

3.晶胞結構的分析

“晶體結構與計算”是高考理綜的常考試題，解題需要運用立體集合知識建模，再進行計算。這是學生學習本模塊的難點之一。很多學生在學習時很難想象晶胞的立體結構，對晶胞的分析也經常束手無策。因此，在教學中使用微觀模型，幫助學生了解晶胞的結構，在觀察中分析、認識晶胞。

許多學校都配備相應的晶胞模型供老師上課使用，然而市面上的晶胞模型往往都是固定的，在使用過程中無法拆卸，使用起來不夠靈活。相對而言，由Diamond軟件繪制的晶胞模型不僅簡潔清晰，而且可根據需要突出配位粒子、旋轉觀察等。圖2.3.1展示的是氯化鈉晶胞及繪制出鈉離子及氯離子配位離子的晶胞模型。使用這樣的晶胞模型可以讓學生清晰地看到粒子的配位粒子，在獲得直觀認知后再進行思考：如何從一個晶胞中找出一個粒子周圍的配位粒子？同時，可以提高學生的學習興趣，減輕學生對微觀結構學習的畏懼感。

圖2.3.1 NaCl晶胞

當晶胞較為復雜時，繪制的晶胞模型的觀察難度也會增大。例如，在金屬晶體的教學中，常見的金屬堆積方式及其對應的晶胞，再到晶胞空間利用率的計算，都需要學生有較強的空間想象能力和觀察能力才能準確分析。此時，自制微觀模型能達到更好的教學效果。

例如，在講解面心立方最密堆積時，很多學生難以從原子堆積中找到晶胞，這會增加學生學習的畏難情緒。筆者在教學中采用泡沫球和雙面膠，提前做好了每層的原子堆積，如圖2.3.2所示，共4層。上課時，按圖所示順序進行疊加，形成了金屬銅的局部分子堆，借助自制的微觀模型，只需要將最上層和最下層的原子拆掉，每層僅留下最中間的原子，再將剩余的原子堆稍做旋轉，便可看到面心立方晶胞。通過這一系列的展示，幫助學生理解面心立方最密堆積的晶胞劃分，也為后續晶胞空間利用率的計算做好鋪墊。

圖2.3.2