基于學科本質視角的《物質結構與性質》模塊內容功能分析

李鵬鴿 趙藝 左玉 韓紅斐

摘? ?要 2017年新修訂的高中化學課程標準提出了化學學科核心素養，強調化學教學要突出化學學科本質。化學學科物質結構的核心內容是分子結構、元素周期表與元素性質、微粒聚集狀態與物質的性質。原子軌道、原子核外電子的排布式、化學鍵等知識是分析、說明、解釋分子結構等核心知識的基礎，單晶體X射線衍射是測定分子結構最好的方法。《物質結構與性質》模塊修訂凸顯了各部分內容的功能價值，可以幫助學生落實化學學科核心素養，建立觀念性、統攝性的認識。

關鍵詞 物質結構與性質 化學學科本質 知識的功能 統攝性認識

2017年新修訂的《普通高中化學課程標準》優化了課程結構，將《物質結構與性質》模塊變為所有選考化學學生的必考模塊[1]，這一變化對高中化學教師的教學提出了挑戰。在2003年實驗稿《普通高中化學課程標準》中，《物質結構與性質》屬選修模塊，由于該模塊內容比較抽象，學生理解困難，教師認為學生在該模塊的學習時間與得分不成正比，在考試中得分率很低，不愿意開設此模塊課程，很多學生也都不選考這一模塊。因此，《物質結構與性質》這一模塊的教學現狀是在過去十六年，全國十多個省份的學校整體不開設此模塊教學內容，即使開設的學校，也存在內容偏離化學核心、知識碎片化和陳舊化的問題。為改變這一現狀，新修訂的《普通高中化學課程標準》將《物質結構與性質》這一模塊由選修變成選擇性必修，課程內容在保持原有課標適當難度和容量的基礎上，解決了知識碎片化和失去功能的問題，明確要求教學應體現化學學科核心素養和大概念統領。為幫助化學教師理解該模塊各部分內容的功能，適應化學學科核心素養背景下的教學要求，現以化學學科本質的視角對《物質結構與性質》模塊內容從功能價值方面進行分析。

一、《物質結構與性質》模塊的地位

學科本質是學科獨立存在的根本屬性，即研究對象、學科性質、理論體系、研究方法等本質問題[2]。化學是研究物質組成、結構、性質和變化規律的學科，化學學科本質是在微觀層次認識物質，以符號形式描述物質，在不同層次創造物質。《物質結構與性質》模塊的本質是在原子、分子水平上，深入到電子層次，研究物質的微觀結構及其與宏觀性能關系的科學，其內容涉及用物理的量子力學方法研究化學問題，進而建立物質結構理論，提出結構分析方法，剖析分子的結構，由此可見物質結構對于整個化學學科發展的重要作用。化學學科中很多重要的理論問題和分析測試方法都以物質結構的基本概念、基本理論和基本方法為基礎。通過這一模塊的學習，學生不僅可以掌握物質結構的相關知識，培養學生宏觀辨識與微觀探析、證據推理與模型認知等化學學科核心素養，同時還會為學生在微觀層次研究物質方面打下基礎[3]。因此，《物質結構與性質》模塊在高中化學中占有重要的地位。

二、《物質結構與性質》模塊內容的功能及學科本質問題分析

課程標準的修訂，要求課程內容現代化，要求去除繁難偏舊的內容，引進時代性與基礎性結合的內容，這里的“偏”是指課堂上講授的內容是本學科非核心內容。由于本模塊是用物理學的方法研究化學問題，因此，哪些內容屬于物理學范疇，哪些內容才是化學的本真問題，是需要界定的首要問題。物質有各種各樣的形式，原子、分子是物質，細胞、人體、建筑、橋梁也是物質，不同學科研究不同的物質結構。原子結構是物理學研究范疇，細胞結構屬于生物學研究范疇，建筑結構屬于建筑學研究范疇，化學學科物質結構的核心內容應該是分子結構。其他學科是不研究分子結構的，故分子結構是化學學科的本質問題。在新修訂的課程標準中，《物質結構與性質》模塊設置3個主題，下面分別分析三個主題中不同內容的功能。

1.“原子結構與元素的性質”主題的功能及學科本質問題分析

這一主題包括的核心概念主要有原子軌道、原子核外電子的排布式、電離能與電負性等，見表1。第1個二級主題“原子核外電子的運動狀態”包括原子軌道這一核心概念。原子軌道，主要是基于能級的角度，用能級躍遷量子化思想描述核外電子的運動狀態，要求學生知道電子運動狀態可以通過原子軌道來描述，這一內容屬于物理學核心知識。第2個二級主題“核外電子排布規律”，是對原子核外電子排布的構造原理從原子核外電子的能級高低順序來解釋，認識核外電子排布應該遵循三條基本原理，這也屬于物理學的內容。讓學生學習物理學知識，是用這些知識去解釋和理解元素周期表的排布規律，解釋共價鍵和分子結構。所以，盡管它們不是化學的核心知識，但有助于元素周期律、分子結構這些化學核心知識的學習。而第3個二級主題“核外電子排布與元素周期律”，就是化學學科的核心知識內容了，要求學生知道原子核外電子排布呈現周期性變化是導致元素性質周期性變化的原因，知道元素周期表的分區，知道周期與族這些元素周期表的結構特征及其應用價值。這一主題包括電離能和電負性兩個核心概念。電離能、電負性這兩個概念，是從元素的性質——得失電子能力角度，比較、解釋、預測元素的某些性質，它應該是化學的主要內容。對這些核心內容應引導學生通過討論、借助化學史展示、自主探究等教學策略，發現變化規律;理解假說、模型對原子結構發展的重要價值和意義，建構起基于“位、構、性”關系的系統思維框架。

2.“微粒間的相互作用與物質的性質”主題的功能及學科本質問題分析

這一主題把課標實驗稿的“化學鍵與物質的性質”“分子間作用力與物質的性質”兩個主題進行合并，修訂后叫“主題2微粒間的相互作用與物質的性質”。本次修訂課標的一個特點是通過整合，形成統攝性的認識，在每個模塊內容修訂的時候，都特別注重幫助學生建立一些觀念性、統攝性的認識，把一些零散的知識條目整合起來，抓住這些知識條目背后的核心概念、基本觀念，用這些核心概念來結構化內容，統領學生對于相應內容的認識[4]。這一模塊修訂前的“化學鍵與物質的性質”“分子間作用力與物質的性質”屬于分子與分子的相互作用，兩種作用都是微粒之間相互作用，把原子和分子都看作基本微粒，兩個主題想表達的都是微粒之間的相互作用，所以把兩個主題統整為一個主題，叫“微粒間的相互作用與物質性質”。這樣進一步聚焦學科大概念，整合了知識內容，突出了化學基本觀念微粒觀。另一個特點是抓更具有解釋力的概念，比如分子中的電荷分布、電負性是具有解釋力的概念，強調電負性、鍵的極性、分子的極性，即可據此對分子的一些典型性質及其應用作出解釋。減少非化學學科本質的內容，降低學習難度，比如刪減晶格能、等電子原理、金屬晶體的堆積模型等。

這一主題包含的核心概念有離子鍵、共價鍵、配位鍵、金屬鍵、氫鍵、分子晶體、離子晶體等，見表2。第1個二級主題“微粒間的相互作用”中，涉及很多核心概念，微粒間的作用作為一個重要關鍵詞反復出現。在這部分內容學習中要求學生認識離子鍵、共價鍵的本質，結合常見的離子化合物和共價分子的實例，認識物質的構成微粒、微粒間相互作用與物質性質的關系。離子鍵、共價鍵、范德華力、氫鍵這些作用力都是事實性的、具體性的概念，這些概念的價值是以它們為例，幫助學生建立微粒、微粒間的相互作用與性質這一重要的、統攝性的認識。由于配位現象和配合物要為學生理解生命現象和生命的本質奠定基礎，所以配合物的知識在內容和學生必做實驗方面有所加強。

第2個二級主題“共價鍵的本質和特征”中，涉及的核心概念有σ鍵和π鍵、鍵參數等，這些核心概念是基于原子軌道認識化學鍵的[5]。內容涉及到在共價鍵形成之后，電荷的分布、電荷分布對性質的影響等內容，掌握這些知識對物質的性質是有解釋力的。

第3個二級主題是“分子的空間結構”。在《物質結構與性質》模塊，最重要的應該突顯分子空間結構內容，這是化學學科最本質的內容，前幾個主題內容基本屬于工具性的，而“分子的空間結構”內容是該模塊的核心內容。在這個主題中涉及到的雜化軌道理論、價電子對互斥理論兩個基本理論是基于空間特征對分子的空間結構進行說明、解釋和預測的。對于極性這一部分，要從元素的電負性、鍵的極性和分子的極性三個層次來理解，這三者是一個系列。通過對分子的成鍵特點、電荷的分布情況、對性質的影響進行分析，進而進一步研究分子的空間結構。

第4個二級主題“晶體和聚集狀態”中，涉及到的核心概念有分子晶體、離子晶體等，晶體和聚集狀態這兩個概念，是幫助學生認識物質的聚集狀態與性質的。課標的這部分內容發生了很多變化，在實驗稿中對晶體部分更多強調分子、原子、離子、金屬四類晶體。修訂之后，第一個重要的變化是把原子晶體改成了共價晶體，因為共價晶體更能表現這一類晶體的特點，在這類晶體中，有些原子之間是以配位鍵相連，它就不能叫做原子晶體。第二個重要的變化是淡化刪減一些屬于材料科學的內容，比如晶胞參數、衍射指標。化學需要研究的是晶胞中的原子坐標，它能確定分子的結構，這是化學學科的本質內容。第三個變化是修訂后四類晶體的詞仍然存在，但表述方式和要求發生了改變，修訂前是認識四類晶體本身，修訂后是借助四類晶體的概念模型認識晶體的周期性結構特點，側重點不是認識四種晶體以及它們之間的區別，而是借助四種晶體類型認識晶體結構的周期性特點。強調晶體有周期性，可以借助晶體的X射線衍射技術測定物質結構、測定分子結構，是科學家認識物質結構的重要工具和途徑，所以周期性是統攝性認識。課程標準還指出了介于典型晶體之間的過渡晶體、混合型晶體是普遍存在的，真實晶體遠遠比四種晶體模型復雜得多。在該部分內容的學習中，以四種晶體為例，認識晶體結構的特點以及認識晶體對于研究物質結構的意義是非常重要的。

物質的聚集狀態也是一個統攝性的認識。物質的聚集狀態在一定條件下隨構成物質的微粒種類、微粒間的相互作用、微粒的聚集程度不同而不同，這是需要學生認識的。改變物質的聚集狀態可能獲得特殊的材料，因為物質的聚集狀態會影響物質的性質，這是課標要求學生理解的。會舉例說明物質在不同尺度聚集態對物質性質是有影響的，比如納米材料、液晶材料等都與它的聚集狀態有關系，這是需要學生掌握的。

3.“研究物質結構的方法與價值”主題的功能及學科本質問題分析

在課程標準修訂之前，只有研究物質結構的價值，修訂后進一步突顯了研究物質的過程、方法和技術手段，讓學生體會到化學家認識物質結構的思路。學生在這部分學習中，不僅應學習相應的理論知識，還應了解研究的過程和方法。比如對于原子核外電子的運動狀態、原子軌道，須要了解到原子軌道的建立經歷了假說——建立模型——舊模型被新實驗否定——建立新假說新的模型這樣的認識過程，這種螺旋式的結構讓學生體會科學的進步，也促進學生證據推理與模型認知的相應素養的形成。該主題的內容并不是以具體知識點的形式呈現出來，而是滲透在其他主題內容的教學過程中，讓學生在學習理論知識的同時進行相應的過程和方法的體會。

測定物質結構的基本方法和實驗手段有原子光譜、分子光譜、晶體X射線衍射等。學生須知道可以借助某些實驗手段來測定和認識物質的空間結構，通過這些手段和方法得到的信息可以用來推理構建物質結構模型或相關理論。這部分增添了能夠測定分子空間結構的X射線衍射方法，具體儀器測量的原理對于高中學生來說內容比較抽象，增加了理解的難度，教師不需要強調學生掌握原理，但是要讓學生清楚分子空間結構是通過專門的儀器測定出來的。在以往的教學中，教師更多關注結構是一個事實性的知識，傳達給學生微觀原子、分子和晶體的具體結構內容，但是作為科學教育來講，不能單純幫助學生認識事實性知識，還要幫助學生認識這些概念理論模型的具體形成過程，這一思想也是對于化學學科核心素養中的“證據推理與模型認知”內容的反映。這部分可能比較難，但是只需讓學生說明這種技術手段發揮的作用，并不需要學生對譜圖進行分析，目的是讓學生體會科學家借助了什么樣的工具手段獲得了什么樣的信息，把工具手段、獲得的信息以及建立的模型三者之間建立聯系就可以了，不需要精確推理。

在“研究物質結構的價值”中，通過理解物質的結構與性質之間的關系，為設計與合成新物質提供理論基礎，知道物質結構的研究有助于發現具有預期性質的新物質，這也是學習《物質結構與性質》模塊的一個目標，物質的結構決定性質，通過借助一定的方法、手段對物質所具有的結構進行研究，從而預測和認識物質的性質，并且能進行相應的設計和合成新物質。這樣能夠促使學生認識研究物質結構的價值，激發其探索物質結構奧秘的熱情與好奇心，擴展他們的視野，培養學生的創新精神。

總之，教師要把握《物質結構與性質》模塊內容的變化點，體會這個模塊的修訂更多的是幫助學生建立觀念性的、統攝性的認識，強調化學教學要突出化學學科本質與化學學科思維，凸顯各部分內容的功能價值，體會認識物質結構的基本方法和思路是什么，對于一些技能方面的要求做了明顯的刪減，尤其是等電子原理、金屬晶體的堆積模型的刪掉對減輕學生的負擔是特別重要的，因為借助等電子原理推測分子的空間結構，金屬晶體的球是怎樣堆積的，立體幾何的問題是非常復雜的，刪掉這兩部分之后可以減輕學生技能學習的負擔。加強的內容更多是幫助學生理解對解決實際問題、分析問題有統攝性、有方法性的內容。加強了三組概念的要求：第一組是與電荷不均衡性有關系的電負性、鍵的極性和分子的極性;第二組是與化學鍵和物質類型密切相關的配合物、氫鍵;第三類是聚集狀態，帶給學生不同尺度和層次認識。化學教師要整體把握、深刻理解該模塊各部分內容的功能，以適應化學學科核心素養背景下的教學要求。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2] 萬福仁.《物質結構與性質》教學中化學核心素養的培養[J].考試周刊，2018（25）.

[3] 杜艷梅.不同版本高中化學教材《物質結構與性質》的比較研究[D].南京：南京師范大學，2011.

[4] 王磊，魏銳.學科核心素養發展導向的高中化學課程內容和學業要求——《普通高中化學課程標準（2017年版）》解讀[J].化學教育（中英文），2018，39（09）.

[作者：李鵬鴿（1963-），女，山西絳縣人，太原師范學院化學系，教授，碩士生導師;趙藝（1995-），女，山西盂縣人，太原師范學院教育學院，碩士研究生;左玉（1982-），女，湖北麻城人，太原師范學院化學系，副教授，碩士生導師;韓紅斐（1980-），男，山西襄垣人，太原師范學院化學系，副教授，博士。]

【責任編輯? 郭振玲】