利用高斯軟件構建四重表征認識路徑的教學探索

蘇英慧 萬長江 鄧陽洋

摘要：利用高斯軟件模擬鈉離子與氯離子逐漸形成離子鍵的動態過程，同時外顯此形成過程的能量曲線，幫助學生建立能量觀和結構觀相結合的認知模型，從而通過“四重表征”降低了離子健概念學習的抽象性，促進學生通過多重視角對相關內容獲得整體理解和認識。

關鍵詞：四重表征;高斯軟件;離子鍵;翻轉課堂

文章編號：1008-0546（2021）03-0028-06 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.03.006

一、化學學習中四重表征的界定

“四重表征”教學指的是對物理或化學變化從“宏觀一微觀一符號一曲線”四重角度進行表征與表征間相互轉換的教學模式[1]。宏觀表征是人類感知器官直接感知到的物質及其性質;微觀表征是亞微觀水平上的物質及其性質;符號表征是化學物質組成、結構、性質、變化、狀態、數量、單位等符號[2];曲線表征是指將化學反應中的數據變化以定量的曲線形式在坐標軸中記錄下來，其中曲線的起點、拐點和終點反映了化學反應中的變化趨勢，是將宏觀表征和微觀表征聯系起來的橋梁[3]。在三重表征的基礎上加入曲線表征，有助于學生在全面認識和理解化學物質及其變化的同時，培養其對定量圖像信息處理的能力。四重表征思維能讓學生體會同一個化學知識點在宏觀、微觀、符號和曲線四個不同層面具有不同的表現形式（圖1）。

“四重表征”尤其適用于化學概念和原理的教學，這些教學內容通常涉及的變化過程較為復雜，其微觀機理對學生來說較為抽象，而“四重表征”教學模式則能有序、系統地協助學生收集宏觀和微觀證據以建構相關化學概念和原理。目前的曲線表征形式多為pH曲線、透光率曲線、電導率曲線和壓強、溫度、濁度曲線[5]，而基于高斯軟件模擬粒子間能量變化曲線的相關研究暫時還未被引入中學課堂教學。

二、基于高斯軟件的四重表征教學設計思路

1.離子鍵的教材分析

在新編人教版教材[6]中，教材的編排思路如下圖2：

對比各國高中化學教材在離子鍵一節中的圖表分布情況（圖3）可知，對于離子鍵內容的呈現，韓國、澳大利亞等國家教材設計的圖表類型豐富，這些國家不僅呈現Na原子與Cl原子形成NaCl的微觀過程，還對MgO、Na2O等的形成過程用原子結構示意圖進行呈現[7]。04版高中化學教材原有1幅Na與Cl2反應的實驗圖片呈現該內容，新編人教版教材則刪除鈉與氯氣的宏觀實驗圖，僅從微觀、符號角度學習離子鍵的形成過程，并未用模型圖呈現離子鍵的形成過程。

離子鍵內容屬于物質結構類知識，其本身具有的抽象性和微觀特征增加了該內容的學習難度，教材中模型類圖表的設計是降低這一內容學習難度的有效手段。但現行教材離子鍵這部分知識中不僅沒有實驗圖片，離子鍵的微觀形成過程也未利用圖片進行呈現，不利于學生對離子鍵知識的學習，故在教學中應該增加圖表、微觀模型幫助學生理解。為了幫助學生突破離子鍵中靜電引力與靜電斥力之間對立統一的教學重難點，教師可以嘗試將抽象的微觀過程結合直觀的曲線表征，降低學生的學習難度。

2.基于高斯軟件的曲線表征

本節課中教師利用高斯軟件①模擬鈉離子與氯離子從一定距離相互靠近，逐漸形成離子鍵的動態過程，同時掃描體系能量②與核間距之間的關系，得到相關曲線，進行“宏觀一微觀一符號一曲線”的四重表征，以分析離子鍵的形成。此課通過計算機模擬實驗得到動態模型圖及曲線圖，同時配合形象的圖表、圖片，降低離子鍵概念學習的抽象性，增加新的能量認識視角，幫助學生建立認知模型以達到離子鍵概念的意義建構。整個過程有利于學生更直觀地體會建模過程，提高學生“四重表征”之間的轉換水平和發展“證據推理與模型認知”維度的核心素養。

具體操作過程如下：（1）在高斯軟件中建立氯化鈉體系，并將其核間距調整為1.5（圖4）;（2）進入Re-dundant coordinate editor設置掃描范圍，選擇改變量為鍵長（Bond），坐標（Coordinate）為編號1，2的鈉離子和氯離子并設置掃描50次，每次變化量為0.05（圖5）;（3）進入計算界面（Gaussian Calculation Set即），進行相關設置，需要選擇的地方只有Method中的基本設置（圖6）;（4）設置完成后選擇提交，保存相關log后，高斯軟件則會進入計算（圖7），計算結果則保存在對應out文件中，打開out文件，并在result菜單下選擇scan則可得到圖8結果圖。

雖然高斯軟件直觀形象地模擬了氯化鈉體系核間距隨能量之間的動態變化關系，但是由于高斯軟件曲線本身的難操作性與較為復雜的全英文界面，在第一次試教過程中，學生普遍反映軟件“高大上”，較難操作。故研究者選擇將高斯軟件的模擬過程轉換成形象可視的flash的形式，使得學生能通過簡單地拖動flash中的鈉離子與氯離子來改變它們之間的間距，從而得到對應的能量曲線，當學生拖動氯離子過于遠離鈉離子時，總能量值上升，體系不穩定。當學生拖動氯離子過于靠近鈉離子時，核和核、電子和電子之間斥力加大，總能量值上升的更快，更不穩定。故只有達到能量最低點時，體系最穩定，此時可認為核和核、電子和電子斥力等于核和電子的引力。將高斯軟件結果轉換為flash能使學生在模擬實驗中通過簡單的操作，自主地得到相關曲線，并結合曲線進行討論，從而突破教學難點。

三、基于四重表征理論的“離子鍵”教學目標

（1）通過鈉與氯氣的宏觀實驗現象，激發學習興趣，初步建立結構與性質之間的聯系。通過設計電離實驗驗證離子鍵存在，培養用宏觀現象說明微觀本質，從性質反推結構的思維，發展“宏觀辨識與微觀探析”的化學學科核心素養。

（2）通過介紹離子鍵理論建立的化學史發展與綠色溶劑離子液體，體會化學給生產生活帶來的進步與便利，發展“科學態度與社會責任”核心素養。

（3）通過分析氯化鈉體系能量曲線，用對立統一的規律認識靜電引力與靜電斥力的關系，加深對“離子鍵”概念本質的理解，發展“證據推理與模型認知”的化學學科核心素養。

（4）通過動手操作flash動畫直觀地感受離子鍵的形成，探究離子鍵形成的本質，同時設計離子化合物形成過程的方案，培養創造性思維，發展“科學探究與創新意識”核心素養。

四、基于四重表征理論的二離子鍵”教學過程

本次教學采用翻轉課堂模式，教學過程分為課前自學部分與以小組合作形式為主的課堂教學（圖9）。

1.環節一：課前熱身，微課導學

[教師活動]課前通過在線學習平臺發布2段微視頻，分別是《離子鍵理論建立的化學史》《電子式的書寫》，同時發布《電子式書寫》的作業，引導學生進行小組討論并完成作業。

[學生活動]結合視頻提出的疑問進行小組討論，并完成有關電子式書寫的基礎訓練題。

[評價任務1]通過點評學生的電子式書寫訓練，診斷學生的符號表征水平。

[設計意圖]①通過視頻介紹離子健理論建立的化學史，發展“科學態度與社會責任”核心素養。呈現鈉與氯氣反應生成氯化鈉實驗現象，引導學生從結構角度分析形成氯化鈉的原因，發展“宏觀辨識與微觀探析”核心素養;②通過微視頻進行電子式書寫的技能培養，為翻轉課堂做準備。

2.環節二：課堂導入，創設情境

[情境創設]神奇的溶劑一離子液體是一種常溫就可以達到熔融狀態的離子化合物[8]，它們由陰離子和陽離子構成，是一種新發現的綠色清潔溶劑。

[引導]我們這節課就學習離子化合物是什么，離子化合物是依靠什么作用能夠穩定存在的。

[提問]你能否根據鈉原子與氯原子的原子結構特點，說說為什么鈉原子與氯原子相結合可以形成氯化鈉呢？

[甲答]鈉原子失去一個電子變成鈉離子，氯原子得到一個電子變成氯離子，二者結合在一起形成氯化鈉。

[演示]鈉原子變成鈉離子與氯原子變成氯離子微視頻。

[引導]我們這節課要關注的問題是鈉離子與氯離子之間存在什么作用力？陰、陽離子結合在一起，電荷彼此是否會中和呢？

[乙答]不會中和，不然氯化鈉就不是離子化合物。

[評價任務2]通過從結構角度對氯化鈉的形成進行交流，診斷學生的微觀表征水平。

[設計意圖]①通過介紹離子液體，拓展科學視野，激發學習興趣;②通過微視頻所設疑問，引導學生主動回憶已有知識，分析氯化鈉的形成過程，明確形成氯化鈉的原因是原子通過得失電子形成離子，發展“宏觀辨識與微觀探析”核心素養;③引導學生認識鈉離子與氯離子之間存在的作用力不僅是靜電引力，為后續教學做鋪墊。

3.環節三：曲線分析，突破難點

[提問]請大家根據下列模型分析鈉離子與氯離子之間會有什么作用力（圖10）？

[丙答]我們認為鈉離子與氯離子的電性相反存在靜電引力。但鈉離子和氯離子的核和核，電子和電子之間也有斥力。

[講授]老師根據數據構建了一個氯化鈉flash模型，現在是氯化鈉體系在無外力作用下的狀態，那么大家試著拖動氯離子，感受靜電作用的存在，同時看看能量曲線有何變化（圖11）。

[小組代表發言]拖動氯離子遠離時，總能量值上升，體系不穩定，且放開氯離子會自動吸引回去，也就意味著，此時總能量高，體系不穩定。氯離子靠近時，斥力太大，能量值上升的更快，更不穩定。

[提問]那么既有吸引又有排斥的話，氯化鈉又在什么情況下穩定呢？

[齊答]能量最低時體系最穩定，此時斥力等于引力。

[講授]我們就把帶陰、陽離子之間的相互作用稱為離子鍵，離子鍵的形成本質即靜電作用。

[提問]可否將離子鍵定義為陰、陽離子之間的相互引力？

[學生丁答]不能，因為相反電荷離子之間既有引力又有斥力，說“相互作用”更恰當。

[評價任務3]通過flash模擬氯化鈉體系構建離子鍵的微觀形成過程的認知，診斷學生的四重表征水平。

[設計意圖]①通過原子結構模型化抽象為直觀，降低學生分析離子間作用力的難度，同時也培養學生融合物理學科知識解決問題的能力，初步建立能量觀;②學生通過親自動手操作flash動畫，直觀地感受離子健的形成和作用力，探究離子鍵形成的本質，發展“科學探究與創新意識”核心素養;③通過分析氯化鈉體系能量曲線，培養定量分析的思維，用對立統一的規律認識靜電引力與靜電斥力的關系，加深對“離子鍵”概念本質的理解，發展“證據推理與模型認知”的化學學科核心素養。

4.環節四：演繹推理，宏微結合

[提問]有什么元素的原子和Na原子一樣易形成陽離子呢？有什么元素的原子和Cl原子一樣易形成陰離子呢？

[學生戊答]活潑金屬元素的原子易形成陽離子，活潑非金屬元素的原子易形成陰離子。

[追問]這些元素通常在周期表哪些族呢？

[戊答]活潑金屬元素一般是ⅠA、ⅡA族元素，活潑非金屬元素一般是ⅥA、ⅦA族元素。

[教師小結]離子鍵的成鍵元素一般是ⅠA、ⅡA族元素與ⅥA、ⅦA族元素，但有少量例外。并提出離子化合物的概念。

[提問]請看氯化鈉晶胞結構圖（圖12），如何用氯化鈉固體制備導電性強，只由自由移動的鈉離子、氯離子構成的液體呢？

[小組代表發言]固態氯化鈉晶體中存在牢固的離子鍵，離子不能自由移動，不導電。但將氯化鈉固體熔融后，離子鍵斷裂，可得到由自由移動離子構成的液體。

[科學視野]科學家發現離子液體能夠溶解有機物、無機物、聚合物等，是很多有機反應的優良溶劑，而且其比傳統溶劑更加綠色環保[9]。我們把常溫下便熔融的離子化合物稱為離子液體。同時，固態氯化鈉不導電但受熱熔化可導電也證實了氯化鈉中離子鍵的存在。

[生聆聽]整理筆記，觀看從固態到熔融狀態離子鍵斷裂的flash。

[評價任務4]通過結合已有的元素周期律、電解質電離的知識，解決離子鍵形成元素、宏觀存在的問題，診斷學生的知識應用能力。

[設計意圖]①通過結合已有知識，幫助學生分析離子健成鍵元素的特點，培養學生演繹推理的科學思維方法;②通過設計實驗制備離子液體，也從宏觀驗證了離子鍵存在，從性質反映結構，培養“宏觀辨識與微觀探析”與“證據推理與模型認知”素養。同時也否定了“化學健斷裂必然是發生化學反應”這一錯誤觀點;③通過介紹離子液體可作為反應綠色清潔劑、催化劑，體現化學對社會生活、生產的積極作用，發展“科學態度與社會責任”核心素養。

5.環節五：分享提升，練習鞏固

[提問]用原子結構示意圖表示離子鍵的形成過程較為復雜，有更簡單的方法來表示嗎？

[學生集體答]用電子式表示。

[引導]大家在課前已經自學了電子式書寫的視頻，那么大家以小組形式完成以下活動：1.分享自己做的電子式書寫體會;2.小結書寫電子式的易錯點。

[小組討論]進行分享和小結。

[評價任務5]學生課前已經完成電子式練習，通過分享與小結，診斷學生的歸納整理能力。

[設計意圖]通過引導學生進行知識整理，提供思維碰撞的機會，培養歸納整理的能力（圖13）。

五、基于四重表征理論的‘.離子鍵”教學反思

本課采用“四重表征”教學增強了教學的直觀性，使概念和原理的建構過程生動化、形象化和整體化，促進了學生對抽象知識的理解，幫助學生從多重視角對概念的本質進行全面建構，同時提高了學生“四重表征”之間的轉換水平和認識思路的結構化水平。結合本節內容教學，筆者有以下幾點反思。

1.融合四重表征設計教學思路，進行知識建構

“離子鍵”一課的教學，多數教法都基于三重表征思維，在三重表征思維基礎上加入曲線表征不僅強化了三重表征思維，更讓學生認識到曲線表征的重要性及直觀性。四重表征教學的主思路如下圖14。

根據新課標內容要求與學業要求，此教學路徑借助計算機軟件模擬、動畫等多種直觀手段，降低教學內容的抽象性，促進學生深刻認識離子鍵的本質。

2.通過高斯軟件將離子鍵模型化卜發展核心素養

通過高斯軟件模擬鈉離子與氯離子從一定距離思路相互靠近，逐漸形成離子鍵的動態過程，通過能量計算將微觀過程從“定性”轉變為“定量”，實現了定量的表征形式——曲線表征。從宏觀和微觀結合上收集證據，從定性與定量結合上收集證據，從能量觀和結構觀結合建立認知模型，由此發展學生的“宏觀辯識與微觀探析”核心素養和“證據推理與模型認知”核心素養。

3.通過flash模擬氯化鈉微觀體系，體會技術創新

將高斯軟件的模擬過程如實地轉換成flash的形式避免了學生操作高斯軟件的難度，教師示范性地指導學生運用化學軟件處理數據，使得學生能通過簡單地拖動flash中的鈉離子與氯離子即可得到對應的能量曲線，培養學生運用軟件技術學習化學及處理數據的能力，讓學生在實驗探究活動中學習科學方法，認識科學探究過程，體會、認識技術手段的創新對化學科學的重要價值，發展學生的“科學探究與創新意識”核心素養。

4.通過信息技術與化學教學深度融合，提高課堂效率

運用信息技術將抽象難懂的離子鍵形成過程生動地展現給學生，將微觀模型直觀化、生動化，在學生頭腦中形成了離子鍵微觀模型，課堂上快速進入教學重難點的討論，以學生為主體，促進思維碰撞，提高了課堂教學的效率和質量。

六、四重表征教學模式的應用展望

四重表征目前的發展趨勢以數字化實驗為主，像研究者目前采用的高斯軟件進行曲線表征的案例很少，還未應用到中學課堂教學。這可成為四重表征教學模式發展一個新方向，即不僅局限于數字化實驗，還可以擴大到計算機模擬等軟件技術，運用信息技術設計互動性高、生成性強的高效課堂教學，強化信息技術與化學教學的深度融合。

參考文獻

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