促進空間能力進階發展的物質結構空間模型教學分析

鄒國華 童文昭 韓閩江

摘要： 物質結構模塊是從微觀層次逐步認識物質結構與性質的聯系，學生要理解多種類型的微觀模型，需要具備一定的空間能力，而各類微觀模型是分段學習的。對各階段涉及的空間模型進行學習進階分析，并探索在此基礎上整體規劃教學： 以物質結構空間模型為主題，以促進學生空間能力發展為目標，科學設計教學單元。

關鍵詞： 物質結構； 空間能力； 學習進階； 教學單元設計

文章編號： 10056629（2018）9005205 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

化學是在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、性質、轉化及其應用的一門基礎學科，其特征是從微觀層次認識物質，以符號形式描述物質，也在不同層面創造物質[1]。高中物質結構模塊是帶領學生從原子、分子水平上認識物質構成的規律，以微粒之間的不同的作用力為線索，側重研究不同類型物質的有關性質，進一步豐富學生物質結構的知識，提高學生分析問題和解決問題的能力[2]。微粒結構的模型要用特定的符號進行呈現，學生要從微觀上認識物質，就必須理解微粒的結構模型，并理解微粒結構模型的符號表示。物質微觀結構的模型相當一部分是以三維的形式呈現的，從原子的結構，到分子的空間構型，再到分子晶體、離子晶體、金屬晶體和原子晶體的晶胞結構等等，學生在解決這些涉及抽象的符號和微觀水平的三維空間問題時，出現了很大的困難[3]。物質結構模塊的學習需要較強的視覺空間能力，學生在該部分內容的學習過程中，空間能力起重要作用。學生對物質結構的微觀模型的認識需要由淺入深，循序漸進，每個階段的教學需要教師先研究各種微觀模型的空間構型，再引導學生從各個角度透徹理解有限的模型，形成模型認知，從而才能推廣到對陌生微觀模型的認識。

1 空間能力的意義與內涵

空間能力研究在心理學和教育學領域由來已久，研究者因所持的觀點、分析角度或層次的不同，對空間能力的解釋會有些差異，臺灣學者鄭海蓮[4]（2007）綜合國內外學者的觀點后認為空間能力是指個體能夠正確觀察、辨識物體，并根據視覺所吸收的圖像記憶于腦中，且進一步透過思維想象方式，在2D平面與3D立體之間任意移動、旋轉或翻轉，展現出再認、保留與回憶圖像的思考能力。空間能力構成要素有很多，Lohman[5]（1988）通過綜合文獻，歸納出十種不同空間能力構成因素，其中主要構成要素有： 空間視覺、空間定位和空間關系三個，三者的內涵見圖1。

在物質結構教學中引入空間能力概念，旨在運用空間能力的研究成果，指引教師從空間視覺、空間定位、空間關系三個角度引導學生對微觀模型進行觀察和分析，加深學生對微觀空間模型的認識，促進學生深度學習微觀空間模型，進而促進其空間能力的發展。

學習物質結構模塊需要學生具有較好的空間能力，但學生的空間能力不可能一蹴而就，所以教學中需要遵循學生的認知規律。教師要清楚每個階段學生空間能力水平的起點和教學后需要達到的空間能力水平，合理安排教學計劃，逐步提高學生的空間能力。

2 物質結構空間模型的學習進階構建

2.1 學習進階理論的意義

科學知識和技能的學習是分階段有明確的路徑的，思維要遵循一條連貫的、由簡單到復雜的軌跡。人們在過往已經認識到學科知識和技能的形成、建立和深化是一個螺旋式的學習過程[6]。學習進階描述學生在一定時間跨度下對某一核心概念的理解以及對某種技能的掌握連貫且逐漸深入的典型發展路徑[7]。其研究價值有： 學習進階的研究成果具有對學生的學習和發展進行預測的功能，有利于解決課程設計的核心問題，即選擇合適的課程內容并進行學段組織的問題[8]；了解學生對學科中核心概念認識的發展規律，作為制定學科課程標準中科學概念進階發展的依據，合理規劃學生在各個學習階段的概念理解水平[9]；能讓教師在教學前通過交流情況對學生既有水平做出準確評估，也能在教學中依據相應的進階水平對學生的學習表現作出評判并依此調整教學，還能在教學后有效合理地評價課堂學習效果[10]。

學習進階理論對跨時間段出現的同類型核心概念的教學有很重要的指導作用，根據學習進階描述的學生對核心概念的理解所經歷的多個水平層次，教師可以設計適合學生發展的教學流程，逐步達到教學目標，這有助于促進學生更深層次地理解概念，從而促進學生對具體知識內容的學習及關鍵性內容的掌握。2017年版普通高中化學課程標準引入學習進階理論對學業質量水平進行界定，對化學學科核心素養水平進行劃分，將化學學業質量水平和化學學科核心素養的水平劃分為4級。1級到4級能力水平逐漸遞增，每個學習階段的學生需要達到相對應的學業質量和學科核心素養水平。2017年版課程標準引入學習進階理論更好地界定了各階段學生的學業質量和核心素養應達到的水平等級，為各階段的教、學、評提供了參考。

2.2 物質結構空間模型的學習進階構建

物質結構模塊從原子、分子水平上認識物質構成的規律，并以微粒間不同作用力為線索，深入認識物質的結構與性質的關系。學習中有很多微觀的空間模型需要學生掌握，如理解原子軌道空間結構、共價鍵的空間模型、分子的空間構型和各種晶體的空間構型。這些微觀層面的模型，學生看不見、摸不著，內化這些空間模型，學生需要具備一定的空間認識能力。為更好地幫助學生理解這些模型特征，一方面，教學要有條不紊，層層遞進，以分散難點，幫助學生克服恐懼心理；另一方面，在教學中又不能因為空間模型抽象難懂而降低對學生學習的要求，降低課標規定的難度水平，降低評價標準。為遵循學生空間認識規律和各階段課標規定的能力水平，基于學習進階理論，構建物質結構空間模型發展水平如表1，從1級到4級，能力逐漸增強。

學生需要理解的微觀模型越來越復雜，空間能力的要求也逐級增加，而這部分內容的學習是隱含在整個模塊中的。微粒的空間構型與物質性質有緊密的聯系，若要進一步豐富學生的物質結構知識，提升學生對微觀模型的空間認識能力是關鍵，而學生對空間模型的認識不能僅僅停留在視覺感受上，應該從空間視覺、空間定位、空間關系等角度去觀察、認識微觀模型，這樣才能引導學生深度理解物質結構知識，深入認識物質的結構與性質的關系。在各個階段的學習中，學習的起點和學習任務都不相同，表1對物質結構模塊中涉及空間模型部分進行進階分析，旨在為教學和評價提供參考，促進教師深度教學，引導學生深度學習。

此處選取水平4中金剛石的空間模型進行分析（見表2），一則為進一步闡釋物質結構引入空間能力概念對教學的指引作用，二則為讀者提供示范，體會如何將表1中的分析運用于實際教學，提升學生空間能力。

教學中應引導學生從不同角度觀察、分析金剛石的空間立體網狀結構和晶胞，總結晶胞中每個碳原子的位置特點，金剛石中每個碳原子與四個碳原子相連，形成正四面體結構單元，六個碳相連形成椅式的六元環結構；引導學生進一步觀察、分析，總結網狀結構與晶胞間的空間關系，包括金剛石晶胞、晶體硅晶胞、二氧化硅晶胞、硫化鋅晶胞、氟化鈣晶胞的空間關系。

3 促進空間能力進階發展的物質結構空間模型主題教學單元設計

物質結構所蘊含和培育學生的空間能力分散并滲透在整個模塊的學習中，空間能力的培養和提高需要有目的、有計劃地進行，可根據不同的內容和教學目標，參照表1的進階分析實施教學。目前教學中，往往沒有系統地對物質結構模塊中的空間模型進行整體分析和研究，沒有理清各個知識點、各教學環節在空間能力發展層面的內在聯系；沒有從物質結構空間能力培養這個主題來分析把握各知識點、各環節的教學；沒有基于整個主題來剖析各環節、各部分內容在整個空間能力培養中的地位和作用。

物質結構空間模型的學習進階構建，為教學設計提供了可參考的教學起點和教學目標。以物質結構空間模型為主題，以促進學生空間能力進階發展為目標，整體把握學生空間能力的培養，設計教學單元如表3所示。

物質結構微觀模型的教學分散在整個模塊中，是分階段、依次加深的，教師要有宏觀、整體的教學意識，每個階段的教學要運用好實物模型和多媒體設備，化難為易、化抽象為具體。教學中使用的模型是有限的，教師需要引導學生從空間視覺、空間定位和空間關系上透徹理解有限的模型，形成模型認知，進而推廣到對其他微粒的認識。

參考文獻：

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