基于大概念“相互作用力”的配合物教學理論與實踐

張道年

摘要：銅離子在水溶液中與不同微粒通過不同類型的相互作用力相結合。在“宏觀辨識與微觀探析”背景下以形成配位鍵作為目標，促使學生在學習過程中逐漸理解“相互作用力”學習中的線索，形成整體觀念。

關鍵詞：配位鍵;大概念;相互作用力;學習進階

文章編號：1008-0546（2022）02x-0007-06

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：Bdoi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.02x.002

一、提出問題

所謂大概念并非指學科中某一具體的概念或方法，而是這些具體知識背后所反映出的學科本質，可運用于新的情境，具有持久的可遷移應用價值[1，2]。相互作用力是化學學科大概念之一，化學中有較多知識與相互作用力有關，在分章節教學中與相互作用力有關的內容往往是割裂的，不能夠形成一個整體，在教學過程中雖然遵循循序漸進有一定的合理性，但是從學生的視角來看化學知識就顯得較為雜亂了，盡管這種看法與事實是嚴重不符的。

化學是一門有邏輯體系的學科，從表1可見相互作用力是存在于不同的微粒中的，但是“相互作用力”這一概念比較抽象，學生難以理解全面，特別是在初學階段更是如此，所以相互作用力展現在學生面前看似比較分散，但本質上也是在遵循著學習認知的階段性。例如：初中和必修學習階段所學習的石墨、金剛石和C60都是碳原子，但是由于原子之間的相互作用力的連接方式不同，所以物質的微觀結構不同;強弱電解質之間也是由于微粒之間的相互作用力的類型和強度不同所以表現出來的化學性質是不同的。而在選修階段介紹了分子間作用力、氫鍵和配位鍵等類型相互作用力，學習了可以用電解這種更為劇烈的方式使得相互作用力變弱甚至消失。不同微粒之間按照相互作用力的理念將相關知識點連接在一起，形成一個整體。相互作用力這一大概念體系可以用大小、方向和曲線等表征方式等來表示。相互作用力的大小包括電解時的電壓大小、物質分解時加熱所需要的溫度等。例如：Na、Mg、Al等分別與H2O反應的難易程度凸顯出核外電子與原子核之間的相互作用力大小關系。相互作用力的方向包括水合銅離子是正四面體結構，凸顯配位鍵是有方向的，而共價鍵、氫鍵等也都具有方向性。相互作用力的表征方式包括曲線、分子或原子模型、化學方程式、熱化學方程式、氫鍵表示式等，以水分子為例，分子內外有很多種類型的相互作用力。例如：氧原子內的原子核與核外電子之間的相互吸引和排斥，氧原子與氫原子之間的相互作用力即共價鍵，水分子與水分子之間有分子間作用力及氫鍵，而水合氫離子（H3O+）中有配位鍵（圖1）。

二、多種相互作用力關聯性的認知水平及測評分析

相互作用力是抽象的，看不到、摸不著，學生是否能感知到相互作用力的存在呢？的確，對于學生來說相互作用力在一定程度上是難以理解的，學生對相互

作用力似乎有些暈。經過紙筆測試和訪談發現部分學生對相互作用力的表征形式理解存在偏差，包括曲線表征、電極方程式、蓋斯定律等。針對于上述的情況，筆者精心篩選5道與相互作用力有關的測試題，包括以電解的形式出現的考查原子核與電子的靜電引力、以蓋斯定律的形式出現的考查共價鍵的強弱、以沸點高低判斷考查分子間作用力、以CuSO4·5H2O為例考查配位鍵、以氨水為載體考查氫鍵等。運用系列測試題（表2）和測后訪談發現，學生首先需要解決的對相互作用力表征方式的理解問題，而能不能較好地理解微粒之間的相互作用力取決于學生對離子鍵、共價鍵、分子間作用力、氫鍵和配位鍵的理解程度。但是通過測試和個人訪談發現學生對上述系列問題的解決能力不是很強，甚至部分地方存在認識不清、理解不到位的情況，其原因包括相互作用力本身比較抽象，學生理解起來的確存在困難;學生將相互作用力與其表征形式關聯起來有一定難度，影響了學生對問題的準確把握等。

微粒之間相互作用力是客觀存在的，我們依靠多種表征方式把它們表示出來。但正是由于表達方式的多樣化，教學內容呈現出“散雜亂”的境況，造成學習目標不夠集中，學生很難抓住重點，因此單元教學的重要作用就凸顯出來了。當將“貌似不同”的內容融合在一起，以某條線索貫穿起來，我們會驚奇地發現學生對整個知識體系的理解將會大有不同，而“配合物”就是這種學習方式的有效載體。應用SPSS23.0的相關性統計分析發現幾種類型的相互作用力有顯著性相關關系，說明學生在“相互作用力”的概念上存在認知障礙，因此也不難理解學生對微粒之間的相互作用力認識是比較狹隘的，原因可能源于微粒之間的各種類型的相互作用力內容較為分散，教學中教師也沒有進行適當的歸納、總結和提升，教師也未能將“大概念”的思想融合在教學中。

配合物及配離子在高中教材中涉及的并不多，因此學生了解配位鍵的途徑并不多，但也并非不熟悉。配位鍵是一種特殊形式的相互作用力，包括銀氨絡離子、硫氰化鐵、四水合銅離子、四氨合銅離子等都存在。高一時曾經學習過NH+4就存在配位鍵的雛形，因此同學們在學習“配合物”之前已經有了一定的知識基礎。因為配離子都是在溶液中存在，因此在學習配位鍵時必定會涉及離子鍵、共價鍵、分子間作用力和氫鍵等相互作用力等形式，所以若以配位鍵作為教學中心，再整合其他類型的相互作用力作為教學載體，更容易提升學生對相互作用力這一大概念的理解和認識，也會進一步促進學生對各種相互作用力的理解。“配合物”以配離子和配位鍵為學習目標，以“固體溶解”“顏色變化”“沉淀的生成和溶解”等一系列宏觀現象去推理微觀變化，也就是多種“相互作用力”類型不斷變化的結果。從大概念“相互作用力”的角度對“配合物”教學，不但能夠更好地理解配合物和配位鍵，反映化學學科核心素養的“宏觀辨識與微觀探析”等，而且“顏色”“沉淀”等變化的線索也在有效地提示同學們有“相互作用力”的變化，促使學生建構整體觀。“配合物”包含的內容幾乎涵蓋了高中所學習的所有的相互作用力的類型（表3）。

三、“以相互作用力為載體的配合物”教學設計

從大概念的角度出發，以銅微粒的變化過程為載體，以宏觀現象作為線索探究相互作用力類型的變化。宏觀現象變化的背后必定有微觀變化，也就是圍繞在銅微粒周圍的相互作用力類型發生了變化。銅原子內部有原子核與電子之間的相互作用力，因此能夠形成穩定的原子，而當單質銅與濃硫酸在加熱條件下發生化學反應生成硫酸銅，Cu2+與SO2-之間有離子4鍵，相互作用力的類型就發生了變化。當硫酸銅固體溶于水后生成藍色溶液，銅離子與4個水分子形成了配離子Cu（HO）2+，微粒之間的相互作用力類型再一24次發生了變化。氨水中微粒的情況就更為復雜，例如氨氣與水之間有氫鍵，但是氨氣與水發生反應生產NH3·H2O又會電離出OH-離子，又有離子鍵。當再向Cu（HO）2+中滴加少量氨水時形成了氫氧化銅沉淀，這24是離子鍵。但是當氨水的量增多時，氨水又會與Cu2+反應生成配離子Cu（NH）2+，此時得到的是絳藍色的溶液，配離子出現了（見圖2）。隨著體系內相互作用力類型發生了變化，體系的顏色也發生了變化，其實就是兩條線索，一條是宏觀可見的體系顏色變化，另一條是微觀的相互作用力類型變化。按照“宏觀辨識與微觀探析”的核心素養的研究過程設計“配合物”的教學過程。

1.教學目標

銅微粒在不同條件下與其他微粒有一定的相互作用力，包括OH-、NH3、H2O、SO2-等。培養學生從反應現象的變化去察覺微觀變化，培養“宏觀辨識與微觀探析”的素養。

2.學情分析

學生對相互作用力類型的理解呈散點狀，因此可以用大概念將相互作用力的不同類型整合起來。從相互作用力的角度去看“配位鍵”視角相對較為新穎，包括宏微結合、絡合物結構和相互作用力類型問題。

3.教學步驟

【實驗】展示硫酸銅（CuSO4）白色固體，配制成CuSO4溶液。再向溶液中滴加少量氨水，觀察現象，繼續滴加過量氨水，觀察現象（表4）。

在實驗操作中圍繞著Cu2+周圍的相互作用力類型不斷變化，配位鍵在此過程中是重點。配位鍵的中心離子提供了空軌道，而配位分子提供孤對電子，相互作用就形成了配位鍵。配位鍵與共價鍵有區別也有聯系，聯系在于配位鍵從本質上來說也是共價鍵，區別就在于兩個微粒之間的一對電子的來源不同。除此之外，配位鍵與共價鍵一樣也具有方向性。

（1）從宏觀的顏色變化看微觀的相互作用力類型變化（圖3-5）

觀察CuSO4固體的顏色是白色，而觀察到的CuSO4溶液和膽礬（CuSO4·H2O）的顏色是藍色的，Cu（NH）2+的溶液是絳藍色的。多種體系顏色的不同34給與學生的視覺沖擊是巨大的，也培養了學生以“宏觀辨識與微觀探析”為中心的化學學科核心素養。

（2）在實驗操作中體會相互作用力的多樣性學生發現體系顏色的變化是由于不斷地有其他類型的微粒“闖”進原體系的緣故，要么包圍原來的微粒，例如水分子對離子鍵的“切斷”作用;要么與原來的微粒發生反應，例如氨水與Cu2+發生反應等。同時在整個實驗過程中學生也體會到微粒的多樣性等，例如氨水中微粒種類多種多樣，相互作用力類型包括氫鍵、分子間作用力、離子鍵等，而一水合氨（NH3·H2O）中的氫鍵形式如圖6所示。

（3）配位鍵的方向性

向CuSO4溶液滴加少量氨水，出現藍色Cu（OH）2沉淀（圖7左），繼續向濁液中滴加過量氨水，藍色沉淀消失，并形成絳藍色溶液（圖7右）。隨著物質的顏色和狀態發生變化說明了在此過程中微觀粒子間的相互作用力也在變化。CuSO4固體是白色的，Cu2+和SO2-之間是4離子鍵，加水后CuSO4溶解，一個Cu2+四周有4個水分子以配位鍵相連接成Cu（HO）2+，溶液呈藍色。慢慢滴加氨水（NH3），氨水呈堿性，Cu在OH離子的誘惑下與水分子“決裂”而形成Cu（OH）2，Cu（OH）2是難溶于水的離子化合物，Cu2+與OH-離子之間的離子鍵相當的強，很難被水分子“截斷”。但是當氨水濃度大時Cu2+和OH-之間的離子鍵還是被破壞了，形成更難電離的配離子Cu（NH）2+。離子鍵無方向性，但是配位鍵有方向性（圖8、圖9所示）。

四、教學反思

1.相互作用力的“串聯”作用

學生是難以識別微觀的相互作用力的變化，但是卻可以通過宏觀現象的變化來引導學生“宏觀辨識與微觀探析”的化學學科核心素養。并不是所有的化學反應都有明顯現象的，通過宏觀現象更能說明問題，更能激發學生看到現象背后的問題。而在配合物一節，筆者發現配合物的制取過程中包含了多種顏色、多種狀態的變化，也包含了多種相互作用力的轉化，因此“相互作用力”可以作為一條線索，從大概念的角度促使學生更好地理解配合物的相關知識。在制取配離子為目標的實驗過程中，基本囊括了學生高中階段所學習的所有類型的相互作用力。課堂教學中以實驗操作過程為線索，邊實驗邊講解，提醒學生思考溶液之中包括了哪些相互作用力。在一系列物質的顏色和狀態的變化中，反映出的事實就是微粒之間的相互作用力的類型在變化。為什么會出現這種情況呢？表面上看是由于相互作用力的類型變化了，其實是穩定性的問題。在大概念觀念視角下“相互作用力”是有大小和方向的。配合物教學過程中“相互作用力”是非常有力的工具，它是一條主線，將微粒銅的經歷串聯在一起，教學實踐證明學生更容易理解。向Cu（HO）2+離子的溶液中滴加氨水，原來的配位24鍵會斷裂，生成了離子鍵，得到藍色的Cu（OH）2沉淀。學生察覺到了顏色變化、狀態變化等宏觀現象。當氨水慢慢增多時，藍色沉淀又會消失，最后得到絳藍色溶液溶液，其中就包含了配位鍵，突出了“量變引起質變”大自然的規律。配位鍵看似是“新生事物”，但是與共價鍵之間又千絲萬縷的關系，共價鍵具有方向性和飽和性，而配位鍵也是如此。用“配合物”作為教學載體，以大概念“相互作用力”作為宏觀現象變化背后的微觀本質的原因，學生感覺更有條理性，更容易把握要領。

2.大概念與化學學科核心素養

大概念“相互作用力”在本質上與化學學科核心素養“宏觀辨識與微觀探析”相關聯，雖然學生是難以直接察覺微粒之間的相互作用的，但是根據現象的變化，例如顏色變化、狀態變化等都是可以作為相互作用力變化的依據的。化學學科核心素養包括“宏觀辨識與微觀探析“”變化觀念與平衡思想”等，而其中的每一項素養都包含大概念的一種，例如“相互作用力”就能夠體現在宏微結合中，相互作用力類型這種微觀的變化往往都會伴隨著宏觀現象的變化，例如反應體系的顏色等，雖然這其中的關系比較復雜，但是對于學生來說必定可以根據相關變化而變化體會到這一點。

學生在高一、高二新課學習階段往往都是在學習分散的知識點，感覺到化學學科知識較為零碎，但實際上化學學科也是一門較為系統的學科，之所以感覺零碎還是處于學習的初級階段，當學習的內容相對寬厚之后就可以通過“大概念”予以說明，所以大概念的教學在高三二輪復習更有市場。除了“相互作用力”之外，“能量觀”“能量守恒規律”“平衡觀”的“平衡移動”“穩定性”中的“能量最低原理”等，現象只是外部的、表觀的，并非本質，但是透過現象看本質，一系列顏色變化的背后體現出來的就是相互作用力的變化。

參考文獻

[1]張發新.大概念：學習進階與教學策略[J].中學化學教學參考，2017（4）：6-9.

[2]何彩霞.化學學科核心素養導向的大概念單元教學探討[J].化學教學，2019（1）：44-48.