融合全息交互技術(shù)的化學(xué)課堂教學(xué)實(shí)踐與研究

10.3969/j.issn.1671-489X.2022.05.133

摘 要 以人教版高中化學(xué)選擇性必修2《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性

質(zhì)》中“共價(jià)鍵”一課為例，通過(guò)梳理共價(jià)鍵內(nèi)容的進(jìn)階認(rèn)識(shí)、學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的困難以及以往教學(xué)中存在的問(wèn)題，同時(shí)借助全息交互技術(shù)使學(xué)生主動(dòng)探究共價(jià)鍵的形成及特點(diǎn)，學(xué)生通過(guò)“模型假設(shè)—評(píng)價(jià)模型—修正模型—應(yīng)用模型”，從原子軌道重疊的角度發(fā)展對(duì)共價(jià)鍵的認(rèn)識(shí)，形成對(duì)于σ鍵和π鍵的更深層次的認(rèn)知。

關(guān)鍵詞 全息交互技術(shù)；化學(xué)；共價(jià)鍵；教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）05-0133-05

1 共價(jià)鍵的核心內(nèi)容與教學(xué)價(jià)值

化學(xué)鍵是中學(xué)化學(xué)從微觀視角認(rèn)識(shí)化學(xué)問(wèn)題的重要內(nèi)容，而共價(jià)鍵的學(xué)習(xí)更是涉及原子結(jié)構(gòu)、分子性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)以及化學(xué)反應(yīng)。共價(jià)鍵的認(rèn)識(shí)在中學(xué)不同的階段認(rèn)識(shí)程度與目的不同，且由于概念的抽象性使掌握難度增大。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》在必修部分明確提出化學(xué)鍵這一內(nèi)容[1]。共價(jià)鍵理論在中學(xué)化學(xué)中起著承前啟后的作用。通過(guò)梳理不同階段對(duì)于化學(xué)鍵的學(xué)習(xí)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表1），可以看到學(xué)生之前學(xué)習(xí)了原子結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識(shí)（核外電子排布、價(jià)電子、原子軌道等），之后將學(xué)習(xí)晶體結(jié)構(gòu)、配合物結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。共價(jià)鍵的極性以及認(rèn)識(shí)分子構(gòu)型是學(xué)習(xí)晶體物理性質(zhì)的基礎(chǔ)。

選擇性必修對(duì)于共價(jià)鍵的學(xué)習(xí)，不僅發(fā)展了對(duì)于“位—構(gòu)—性”核心思維的理解與提升，同時(shí)增加了從共價(jià)鍵極性的角度認(rèn)識(shí)有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中σ鍵和π鍵的特征反應(yīng)，有助于歸納總結(jié)有機(jī)反應(yīng)機(jī)理。

義務(wù)教育階段對(duì)于原子結(jié)構(gòu)、化合價(jià)、原子結(jié)構(gòu)示意圖等的認(rèn)識(shí)，為學(xué)生打開(kāi)了認(rèn)識(shí)物質(zhì)的微觀視角，簡(jiǎn)單了解原子結(jié)構(gòu)與其化合價(jià)的關(guān)系、分子式的關(guān)系。當(dāng)然，教學(xué)過(guò)程中對(duì)這部分的處理常有要求學(xué)生機(jī)械記憶的情況，這種處理方式不利于發(fā)展學(xué)生認(rèn)識(shí)物質(zhì)的微觀視角。

高中階段必修1第一章首先認(rèn)識(shí)電解質(zhì)、非電解質(zhì)的相關(guān)概念，第四章認(rèn)識(shí)化學(xué)鍵，區(qū)分離子鍵與共價(jià)鍵，這樣處理使學(xué)生首先從客觀事實(shí)上認(rèn)識(shí)物質(zhì)的電離，而對(duì)化學(xué)鍵的認(rèn)識(shí)有助于加深對(duì)電解質(zhì)、非電解質(zhì)的理解，在學(xué)習(xí)化學(xué)鍵后建議梳理兩對(duì)概念的關(guān)聯(lián)與區(qū)別。化學(xué)鍵的學(xué)習(xí)也是從微觀角度認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)與熱能的基本要求。

選擇性必修2《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》中對(duì)于原子結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，發(fā)展了對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，由原子光譜發(fā)展了對(duì)能層與能級(jí)的認(rèn)識(shí)，對(duì)于電子云的認(rèn)識(shí)有利于對(duì)共價(jià)鍵的形成以及對(duì)分子的空間構(gòu)型的認(rèn)識(shí)（需要雜化軌道理論的支持）。共價(jià)鍵的認(rèn)識(shí)也是認(rèn)識(shí)晶體結(jié)構(gòu)、物質(zhì)的物理性質(zhì)（溶解性、熔沸點(diǎn)等）的前提，同時(shí)，σ鍵和π鍵的學(xué)習(xí)也是認(rèn)識(shí)典型有機(jī)反應(yīng)機(jī)理的新視角。

教師在了解不同階段學(xué)生需要掌握相關(guān)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，需要將這些知識(shí)、概念打通，能站在高位理解概念之間的關(guān)系，做到高屋建瓴。將中學(xué)階段與化學(xué)鍵相關(guān)聯(lián)的概念梳理清楚，如圖1所示。

2 學(xué)生學(xué)習(xí)共價(jià)鍵的基礎(chǔ)與困難分析

學(xué)生在初中階段已經(jīng)知道物質(zhì)是由分子或原子構(gòu)成的，并且知道發(fā)生化學(xué)反應(yīng)是原子的重新組合，除了有新物質(zhì)生成之外，還伴隨吸熱和放熱的現(xiàn)象，但對(duì)于原子間的相互作用，如何組成物質(zhì)，沒(méi)有知識(shí)基礎(chǔ)。高中必修階段化學(xué)鍵的內(nèi)容，正是基于學(xué)生的認(rèn)知基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)微粒之間具有相互作用，建立化學(xué)鍵的概念，從而建立微觀視角，從化學(xué)鍵的斷裂與生成認(rèn)識(shí)化學(xué)中的物質(zhì)變化及能量變化。學(xué)生在物質(zhì)與結(jié)構(gòu)中學(xué)習(xí)了原子軌道，對(duì)抽象的電子運(yùn)動(dòng)有了相對(duì)具象的印象，為從軌道重疊的角度認(rèn)識(shí)共價(jià)鍵奠定基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)化學(xué)鍵概念的梳理以及對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)鍵學(xué)情反饋梳理，發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)鍵的困難。

2.1 化學(xué)鍵前后知識(shí)不夠連貫，概念間的聯(lián)系不夠

明顯

教材不同階段關(guān)于化學(xué)鍵的內(nèi)容有各自的教學(xué)目的，而不梳理又難以理解其中的相互關(guān)聯(lián)。如必修階段認(rèn)識(shí)化學(xué)鍵，區(qū)分離子鍵、共價(jià)鍵，通過(guò)學(xué)習(xí)能加深對(duì)電解質(zhì)、非電解質(zhì)的認(rèn)識(shí)，從共價(jià)化合物、離子化合物的角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)的分類，有利于從微觀的視角分析物質(zhì)的性質(zhì)。選擇性必修對(duì)于化學(xué)鍵的認(rèn)識(shí)，尤其是對(duì)共價(jià)鍵的認(rèn)識(shí)，有利于理解微粒之間的相互作用方式，理解分子的空間構(gòu)型，從極性的角度認(rèn)識(shí)微粒的性質(zhì)（對(duì)有機(jī)反應(yīng)機(jī)理的理解）、物質(zhì)的物理性質(zhì)（溶解性、熔沸點(diǎn)等）以及物質(zhì)的晶體構(gòu)型等。而這些知識(shí)間的關(guān)聯(lián)需要引導(dǎo)學(xué)生思考、梳理，從而形成整體的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。

2.2 與共價(jià)鍵關(guān)聯(lián)概念抽象，學(xué)習(xí)過(guò)程多屬于機(jī)械

記憶

學(xué)生在初中階段對(duì)于原子、分子的認(rèn)識(shí)是抽象的，且不具備原子如何形成分子（離子）的概念；高中必修階段認(rèn)識(shí)共價(jià)鍵與離子鍵，從而區(qū)分電解質(zhì)與非電解質(zhì)，由于反常物質(zhì)（氯化鋁、硫酸銨等）的存在，很多學(xué)生只是機(jī)械記憶。對(duì)于共價(jià)鍵的描述，用電子式來(lái)描述原子形成分子的過(guò)程，將對(duì)共價(jià)鍵的認(rèn)識(shí)發(fā)展到共用電子對(duì)的水平，然而共用電子對(duì)的作用更是抽象與難以描述的。

2.3 學(xué)習(xí)過(guò)程多為被動(dòng)接受，學(xué)生難以用探究的方

式自動(dòng)生成新知

傳統(tǒng)的原子軌道模型能幫助學(xué)生建立三維空間中原子軌道模型，但是在軌道相互作用的過(guò)程中傳統(tǒng)模型起不到演示作用。多媒體動(dòng)畫(huà)能夠模擬軌道重疊形成共價(jià)鍵的過(guò)程，對(duì)學(xué)生認(rèn)識(shí)其形成有一定的幫助，但是對(duì)于知識(shí)的傳授仍然是灌輸式的，學(xué)生沒(méi)有參與感，更無(wú)法調(diào)動(dòng)自我能動(dòng)性，也無(wú)法引起更多的思考。

2.4 相關(guān)知識(shí)具有一定難度，需要較強(qiáng)邏輯思維

共價(jià)鍵相關(guān)理論涉及電子排布、原子軌道、重疊方式等[3]，雖然電子云的概念使得學(xué)生能從立體角度對(duì)電子的認(rèn)識(shí)更加具象，但是，由于不同軌道的立體形狀以及不同的空間分布，理解起來(lái)需要較強(qiáng)的空間想象能力及較強(qiáng)的邏輯思維能力，學(xué)生明顯感覺(jué)吃力。

2.5 學(xué)生頭腦中自我形成的對(duì)化學(xué)鍵的迷思概念也是化學(xué)鍵學(xué)習(xí)的干擾

需要通過(guò)設(shè)計(jì)相關(guān)的概念考查、教學(xué)設(shè)計(jì)的前測(cè)與后測(cè)了解學(xué)生對(duì)概念的認(rèn)識(shí)、掌握程度，驅(qū)除迷思概念，形成正確認(rèn)知。

3 教學(xué)流程

在化學(xué)概念教學(xué)中，為幫助學(xué)生構(gòu)建科學(xué)的化學(xué)概念，可以從直觀事物或現(xiàn)象入手，對(duì)化學(xué)概念進(jìn)行深度分析，幫助學(xué)生抓住概念的內(nèi)涵和外延，通過(guò)對(duì)比分析概念之間的關(guān)聯(lián)與矛盾對(duì)概念進(jìn)行科學(xué)認(rèn)識(shí)。另外，一些相關(guān)概念之間的內(nèi)在聯(lián)系的梳理，可使學(xué)生對(duì)概念進(jìn)行正確應(yīng)用，通過(guò)不同環(huán)境的應(yīng)用練習(xí)加以鞏固。

在化學(xué)鍵教學(xué)設(shè)計(jì)中進(jìn)行知識(shí)的梳理，通過(guò)對(duì)學(xué)情的了解解決學(xué)生的迷思概念，形成對(duì)化學(xué)鍵的正確認(rèn)識(shí)，同時(shí)兼顧學(xué)生在不同階段的認(rèn)識(shí)水平、不同層次學(xué)生的認(rèn)識(shí)差異。本節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)期望通過(guò)學(xué)生調(diào)用已有知識(shí)對(duì)概念作出自我表達(dá)，分析給定材料發(fā)展對(duì)化學(xué)鍵的認(rèn)識(shí)，借助全息交互技術(shù)使學(xué)生自我探究、糾錯(cuò)，形成對(duì)共價(jià)鍵的發(fā)展與概念的深入了解。本節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)的流程圖如圖2所示。

4 全息交互技術(shù)支持共價(jià)鍵教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

環(huán)節(jié)一：復(fù)習(xí)引入

【復(fù)習(xí)學(xué)案】描述共價(jià)鍵的定義，用電子式表示H2、HCl、Cl2、H2O、N2等物質(zhì)的形成過(guò)程。學(xué)生分享課前學(xué)案，同學(xué)互評(píng)，糾錯(cuò)。

【設(shè)計(jì)意圖】回顧對(duì)共價(jià)鍵的已有認(rèn)知。

環(huán)節(jié)二：理論預(yù)測(cè)共價(jià)鍵的形成

1）畫(huà)出H、Cl原子電子排布軌道表示式，指出形成分子時(shí)分別是哪個(gè)能級(jí)上的電子參與成鍵。

2）資料：形成共價(jià)鍵時(shí)，參與成鍵的原子軌道發(fā)生“重疊”，把兩個(gè)原子“黏結(jié)”在一起，使分子能量最低，以達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

學(xué)生呈現(xiàn)的軌道重疊模型如表2所示。

【設(shè)計(jì)意圖】學(xué)生通過(guò)分析參與成鍵的能級(jí)軌道，從而鎖定原子軌道形狀，然后根據(jù)最大重疊原則，預(yù)測(cè)原子軌道重疊的可能性，師生共同探討可能性。

環(huán)節(jié)三：探究σ鍵、π鍵的形成

任務(wù)1：全息影像探究σ鍵的形成。

學(xué)生通過(guò)全息交互技術(shù)自主探究H2、HCl、Cl2分子形成時(shí)軌道相互作用的情況，更正預(yù)測(cè)的軌道重疊圖，并分析變化原因。學(xué)生展示、表達(dá)，圖3所示為σ鍵與π鍵重疊方式及能量圖。

1）s-s重疊時(shí)，電子云發(fā)生變化，是因?yàn)楣蚕淼囊粚?duì)電子分屬兩個(gè)原子，因此在原子之間出現(xiàn)的概率密度大。

2）s-p重疊時(shí)，沿著坐標(biāo)軸的方向作用時(shí)重疊面積最大，能量最低。共用電子對(duì)在兩原子間出現(xiàn)概率密度變大，因此單獨(dú)出現(xiàn)于Cl原子一邊的概率密度變小。

3）p-p重疊時(shí)，沿鍵軸方向與垂直方向重疊均能形成相互作用，與預(yù)測(cè)的相同。分析氯氣分子的軌道空間分布，頭碰頭重疊在空間選擇上是唯一的重疊方式。

【設(shè)計(jì)意圖】借助全息交互技術(shù)認(rèn)識(shí)σ鍵形成過(guò)程及特征，更正之前不正確的認(rèn)識(shí)，并通過(guò)分析軌道變化的原因，認(rèn)識(shí)由于軌道重疊導(dǎo)致電子出現(xiàn)的概率空間變化。

任務(wù)2：認(rèn)識(shí)共價(jià)鍵的飽和性與方向性。

1）思考：為什么氫氣、氯化氫、氯氣分子

式不是H3、H2Cl、Cl3？總結(jié)：共價(jià)鍵的飽和性。

【設(shè)計(jì)意圖】運(yùn)用已有知識(shí)分析解釋共價(jià)鍵的飽和性。

2）講解。s軌道與p軌道作用要實(shí)現(xiàn)最大重疊需滿足兩個(gè)條件：

①原子核間距要小；

②兩原子按合適的方向靠近。

因此，s-p重疊，當(dāng)核間距一定時(shí)，只有以頭碰頭的形式作用，才能形成最大重疊，也就是說(shuō)共價(jià)鍵具有方向性。

【設(shè)計(jì)意圖】通過(guò)呈現(xiàn)軌道重疊程度的重疊積分圖，如圖4所示，從理論上說(shuō)明共價(jià)鍵方向性。

任務(wù)3：全息影像探究π鍵的形成。

1）寫(xiě)出基態(tài)氮原子價(jià)電子排布式軌道表示式，指出形成分子的氮原子為哪個(gè)能級(jí)上的電子。

2）借助全息交互技術(shù)探究p-p軌道重疊與能量變化，分析氮?dú)夥肿有纬蛇^(guò)程中軌道重疊情況，引出π鍵定義。圖5所示為π鍵重疊方式及能量圖。圖6所示為px、py、pz的立體軌道圖。兩種作用方式均存在，且在氮?dú)夥肿尤I中均存在，并從三維立體結(jié)構(gòu)層面認(rèn)識(shí)三鍵的重疊。

【設(shè)計(jì)意圖】借助信息交互認(rèn)識(shí)π鍵形成的可能性，從空間作用的角度分析其成鍵的特點(diǎn)。

環(huán)節(jié)四：學(xué)以致用

觀察乙烷、乙烯和乙炔分子結(jié)構(gòu)，它們分子中的共價(jià)鍵由幾個(gè)σ鍵和幾個(gè)π鍵構(gòu)成？

思考：分析碳原子的成鍵軌道，對(duì)比以上得到的成鍵類型，你能提出哪些問(wèn)題？

【設(shè)計(jì)意圖】能分析陌生分子的共價(jià)鍵的類

型，通過(guò)引導(dǎo)引發(fā)思考，認(rèn)識(shí)新理論的科學(xué)性以及局

限性。

【教學(xué)反思】

1）全息交互技術(shù)的使用充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的主體能動(dòng)性，使得抽象概念的學(xué)習(xí)由學(xué)生被動(dòng)地學(xué)變?yōu)橹鲃?dòng)探究。通過(guò)全息交互技術(shù)從能量的角度探究σ鍵和π鍵的形成方式，一方面糾正之前的理論預(yù)測(cè)，同時(shí)造成認(rèn)知沖突，引發(fā)學(xué)生深入思考，找到預(yù)測(cè)與科學(xué)模型之間的差距，并從電子云的角度給出合理的解釋，加深對(duì)共價(jià)鍵的認(rèn)識(shí)。

2）通過(guò)“模型假設(shè)—評(píng)價(jià)模型—修正模型—應(yīng)用模型”，從原子軌道重疊的角度重新認(rèn)識(shí)共價(jià)鍵，形成對(duì)于σ鍵和π鍵的正確認(rèn)知。

學(xué)生調(diào)用已有知識(shí)，結(jié)合提供材料（原子軌道相互作用，達(dá)到最大重疊，使體系能量最低，達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)），分析典型分子的成鍵軌道。學(xué)生設(shè)想原子軌道重疊方式并畫(huà)圖表示，訓(xùn)練提取新信息、加工應(yīng)用以及符號(hào)表達(dá)的能力。教師引導(dǎo)學(xué)生分析其可能性，然后根據(jù)全息交互技術(shù)驗(yàn)證設(shè)想，糾正錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，并分析軌道作用后發(fā)生變化的原因，達(dá)到加深對(duì)共價(jià)鍵的認(rèn)識(shí)。學(xué)生自我修正模型，同時(shí)訓(xùn)練規(guī)范表達(dá)的能力。

在分析p-p軌道重疊方式時(shí)，學(xué)生設(shè)想兩種合理的重疊方式，通過(guò)全息交互技術(shù)也驗(yàn)證了其合理性。通過(guò)進(jìn)一步分析氯氣和氮?dú)獾膒-p軌道重疊方式的差異，得出氯原子形成氯氣分子時(shí)，p-p軌道在空間上只能以頭碰頭的形式形成σ鍵；而對(duì)于氮原子，三個(gè)p軌道的三個(gè)單電子均參與成鍵，必定形成一個(gè)σ鍵、兩個(gè)π鍵。通過(guò)兩種情況的對(duì)比、追問(wèn)、分析，引發(fā)學(xué)生深層思考。

3）全息交互技術(shù)使得學(xué)生探究學(xué)習(xí)更加開(kāi)放主動(dòng)，更具趣味性。本節(jié)課內(nèi)容較為抽象，相較以往通過(guò)模型講解，學(xué)生能夠認(rèn)識(shí)到成鍵的整個(gè)過(guò)程以及軌道的變化情況。與動(dòng)畫(huà)課件相比，全息交互技術(shù)能更好地發(fā)揮學(xué)生的能動(dòng)性，問(wèn)題設(shè)問(wèn)可以更具開(kāi)放性。教師展示并講解一個(gè)案例，在隨后探究s-p σ鍵和p-p σ鍵的形成以及講解過(guò)程，學(xué)生模仿，完整地描述其過(guò)程，開(kāi)展學(xué)生互評(píng)加教師評(píng)價(jià)。另外，全息課件資源仍有改進(jìn)的空間，比如：將原子軌道形成過(guò)程與能量坐標(biāo)對(duì)應(yīng)；p-p軌道缺少px、py、pz共同存在時(shí)相互作用的課件資源，有待后續(xù)開(kāi)發(fā)。

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作者：趙曉冉，北京景山學(xué)校遠(yuǎn)洋分校（100040）；趙研，首都師大附屬蘋(píng)果園中學(xué)（100041）。