基于“模型思想”的高中化學教學新思路
——以“價層電子對互斥理論”為例

陳柏帆 薛 蓉 張萬舉 朱立紅

（黃岡師范學院 湖北 黃岡 438000）

一、前言

1.背景

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂》（以下簡稱新課標）重視“素養為本”的教學，要求教師能夠利用實驗事實和數據，對其進行分析討論，以此引發學生的認知沖突并引導學生進行解釋，促使學生反思原有概念模型的局限性，從而深化對微粒間相互作用模型的認識。［1］在教學中，教師應適當借助現代技術手段，利用實物模型、計算機軟件模擬等多種方法，并合理組織課堂活動，充分發揮學生主體作用，降低教學內容的抽象性，促進學生對相關內容的理解和認識。同時選用學生熟悉的生活現象、實驗事實，及工業生產和科學前沿研究中的相關案例為素材，激發學生的學習興趣，幫助學生建立結構與性質之間的聯系，發展“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。

模型實為一種重要的“科學證據”，在進行科學論證的過程中，存在對模型的建構、檢驗和不斷修改，是重要的科學研究方法。在化學教學中的模型有實物模型、理論模型等，其中理論模型的應用范圍最廣。［2］“價層電子對互斥理論”是一種適用于ABm型分子或離子空間構型的理論模型，在高中階段的教學中，許多學生對該理論存在著一定的質疑或誤解，為引導學生能以化學思維理解理論概念，教師應在授課過程中使用模型進行教學，將抽象的知識具體化，并結合模型加以詮釋，加強學生對概念性知識的深入理解。

2.問題的提出

新課標將《物質結構與性質》的內容由選修模塊調整為選擇性必修模塊，凸顯了《物質結構與性質》在高中化學知識結構中的重要性。“價層電子對互斥模型”是判斷分子構型及中心原子雜化方式的一種方法，部分教師在教學中僅僅強調計算公式的應用，在教學評價中亦是通過判斷得分率的高低進行。在這樣的標準下，部分學生對此概念的理解僅僅停留在公式套用層面，缺乏對公式背后所包含的模型的深入思考，阻礙了學生“證據推理與模型認知”核心素養的發展。因此，教師在教學時應重視對學生的學法指導，借助“模型思想”這一教學策略，模擬化學微粒的主要特征，提高學生的空間想象力，循序漸進地引導學生理解并掌握相關化學知識［3～4］。

二、價層電子對互斥理論蘊含的模型思想

價層電子對互斥理論作為判斷簡單分子構型的理論工具被納入教科書，為理解分子幾何模型提供了基礎。該理論的發展和形成緊緊圍繞著模型的構建，緊密地結合了化學學科中“宏、微、符”的三重表征，深入理解和學習該理論，對發展學生“模型認知”水平具有重要意義。

1.價層電子對互斥理論的形成

該理論的提出可以追溯到1916年路易斯（G.N.Lewis）提出的靜態原子構造模型，即“八隅律”。1940年西德威克（N.V.Sidgwick）和鮑威爾（H.M.Powell）在路易斯假設的基礎上對理論進行了發展，關聯起了分子結構和價層電子的數量。1956年，吉萊斯皮（R.J.Gillespie）受到西德威克和鮑威爾論文的啟發，于1957年發表論文對該思想進行了進一步拓展，并于1963年最終正式命名為價層電子對互斥理論［5］。

2.價層電子對互斥理論中的模型思想

價層電子對互斥理論的形成和發展的過程中，伴隨著對模型思想的不斷發展，從理論的歷史發展歷程中可總結出“模型思想”在理論發展中的重要作用，同時也可歸納出模型和真實粒子之間的聯系：（1）研究微觀粒子需要建立適當的模型。（2）模型只是認識理解微觀粒子的工具，并不能反映真實的微觀粒子。（3）模型是不斷發展和完善的，需要更多科學事實作為基礎。價層電子對互斥理論發展得較為完善，其對應的分子模型能夠在一定程度上反映真實微觀粒子的結構，在教學中可以有效利用這一關鍵點，提供實例，以實物模型為載體發展學生的“模型認知”水平。另一方面，剖析模型的物理意義，可以側重于強調該理論的局限性，補充相關內容，發展學生在“模型思想”方面的發散思維，突破“實物模型”的局限性。

3.“模型思想”的學科價值

“宏-微-符”三重表征，是化學學科的核心觀念，化學學科是通常以符號和模型表示微觀粒子，從而表征物質及其變化的科學。在化學教學中合理運用模型，將微觀物質放大，將化學思維進行科學抽象，有助于學生形成理性的認知。

模型認知就是模型思想在化學學科中的具體化，是化學學習必須經歷的一個過程，隨著對化學學科知識的學習，運用符號和模型來解釋化學現象的過程越來越深入，這就需要在教學中更合理，更高效地穿插模型的概念。［6］通過深入學習“模型思想”，學生能夠發展“性構相依”這一化學思想，能夠深入理解原子層次、分子層次、宏觀物質與分子層次之間的性質聯系，能夠預測、解釋相關物質性質和宏觀現象，這利于發展學生的化學學科素養。［7］

三、“價層電子對互斥理論模型”的計算方法

1.普通高中教科書提供的計算方法

人教版、魯科版、蘇教版的高中化學教材都給出了具體的計算方法（如表1所示），三個版本的教材都從原子結構、成鍵的角度出發，通過中心原子的價層電子對數和孤電子對數建構VSEPR模型和分子（或離子）空間構型。

表1 三個版本教材中對“價層電子對”的計算方法

2.教科書中不同計算方法特點分析

“人教版”和“魯科版”計算方法基本一致，均是基于原子的核外電子數目來解決分子空間構型問題，配位原子的未成對電子數實際就是配位原子最多能接受的電子數（按配位原子能達2電子或8電子穩定結構計算）。學生通過判斷出中心原子和配位原子能接受的價電子數目后可以計算出結果、得出分子的空間構型。而教材中對計算公式的含義介紹不足，許多學生不能完全理解計算公式所表述的物理意義。而“蘇教版”與前兩者的差異較大，其表述的方法，計算起來十分簡便，大部分學生在計算時得心應手，但學生很難將計算方法與分子構型的本質聯系起來，具有一定的局限性，同時也阻礙了學生對“模型”的建構。

由此可見，三個版本教材都存在對計算方法的解讀較少，理論公式和模型被割裂的問題，需要教師補充相關知識彌補教材中的不足，發展學生“證據推理與模型認知”的核心素養。

四、教學實施建議

1.認識模型，解讀概念

對于該理論的學習，教師應首先引導學生明確“價層電子對數”的實際含義：價電子對數即用于參與構型的電子對數。需要教師對成鍵的原子的結構進行分析講解，重點引導學生理解并分析解釋對于分子構型只需要計算σ鍵的數目緣由。其次應當明確計算出來的“VSEPR模型”與分子的空間構型仍存在差異的緣由。孤電子對與成鍵電子對在本質上都是電子，帶負電荷，之間存在斥力。學生已經學過共價鍵，成鍵電子相當于為兩個原子所共用，鍵長這一參數亦可反映出共用電子對與中心原子間的距離，孤電子對是未成鍵電子，距離中心原子更近，孤電子對與成鍵電子對之間的斥力更大，故氨分子比甲烷分子的鍵角小。如圖1所示：

圖1 成鍵電子對、孤電子對斥力示意圖

通過對理論分析并結合分子模型進行講解，為學生構建起判斷分子結構的“認知模型”。流程如圖2所示：

圖2 確定分子空間構型流程

對于蘇教版所提供的公式，學生的主要疑點就在于“配位原子提供的價電子數目”的取值是如何而來，所以對于該理論的講解則需側重這一問題。O、S、H、N、鹵素原子為中學常見的配位原子，教材中直接概括了其作為配位原子在ABm型分子（或離子）中能夠為中心原子提供的價電子數目，我們可以結合路易斯成鍵理論分析出為何該計算方法要提供這樣的取值。鹵素原子最外層為7個電子，要達到穩定結構需要接受中心原子提供一個價電子共同形成成鍵電子對，中心原子提供了一個電子，對于O、S原子來說，最外層是6個電子，中心原子需要提供兩個電子來形成穩定結構，而在計算中規定，只計算一個σ鍵的成鍵電子數目，換而言之就是只計算兩個電子為成鍵電子，因此對O、S原子而言，相當于自身并沒有提供需要參與計算的價電子數目。N原子同理，需中心原子提供3個電子來達到穩定結構，而此理論中，只需計算兩個電子來判斷構型，因此N作為配位原子時，中心原子又失去了一個能夠參與計算的價電子，故N為-1［11］。圖3以電子式展示了“提供價電子數目”與結構的關系。

圖3 提供價電子數取值電子式示意圖

應特別注意的是，教材并未直接指出價層電子對的構型與分子構型之間的差別，所以仍需計算孤電子對數，而此缺陷則需要教師來進行補充說明。對于ABm型分子，在計算出價電子對數n后，孤電子對數l=n-m。判斷孤電子對對分子構型的影響，與上文一致。

2.建構模型，深入理解

2.1.帶孤電子對的結構式

電子式與結構式是高中階段常用來表示物質結構的示意圖，在價層電子對互斥理論的教學中，我們仍可以用電子式與結構簡式來表示物質的結構，用示意圖來輔助學生理解概念。如表2所示。

表2 常見物質的結構式與VSEPR模型

2.2.價電子互斥實物模型

“互斥模型”重點需要表現出電子對之間的“斥力”，可直接用小氣球來表現出“斥力”的效果，在教學中亦可讓學生自己動手模擬，從中感受“斥力”對于整體構型的影響，并直觀地表現出價電子之間互斥的關系。同時制作此模型材料簡單，學生能夠自主動手制作，并在自己動手制作的過程中感受“價層電子對互斥”，能夠深入理解這一抽象理論。“氣球模型”與“VSEPR模型”之間的對應關系如表3所示。

3.應用模型，特例研究

能夠正確地使用理論模型判斷分子構型，并能夠科學合理解釋，是診斷學生“模型認知”水平的重要方法。因此，引導學生對常見化合物的構型進行分析和判斷具有重要的意義和價值。

表4 高中階段常見物質VSEPR模型歸納

表5 VSEPR模型與結構模型

4.拓展模型，發散思維

在對“價層電子對互斥理論”的教學過程中，為了學生能夠更好地理解、記憶，能夠解決相應的問題，許多學者從不同的角度出發，思考、推導、優化該理論的計算方法和公式的表達。各種計算方法如表6所示。

表6 其他的計算方法

這些方法在特定條件下使用各具優勢，教師可向學有余力的學生介紹此類計算方法，以拓展其思維，并可在解題思路突遇瓶頸時，提供另外的解題思路。亦可向其他理解困難的學生提供參考，輔助學生理解。

五、結語

“模型”利用簡化、抽象和類比等方法，反應研究對象的本質特征，在化學理論的發展和學習中具有重要的意義和使用價值。價層電子對互斥理論是判斷分子構型的重要理論，在化學學科的學習中具有重要地位，教師在對該部分進行教學時，應將“相關模型”與“數學公式”緊密結合，引導學生理解化學概念對應的“理論模型”，發展學生抽象思維，培養“證據推理與模型認知”的化學核心素養。