基于火花學(xué)院APP的高中化學(xué)配合物教學(xué)設(shè)計(jì)

張學(xué)宇 張瑩

摘? 要? 當(dāng)今信息技術(shù)高度發(fā)達(dá)，衍生出許多軟件可用于輔助教學(xué)?；鸹▽W(xué)院APP中可用的教學(xué)資源豐富，可在課堂中利用iPad植入更加直觀的三維虛擬動(dòng)畫(huà)，使得教學(xué)更形象生動(dòng)。以高中化學(xué)“配合物”教學(xué)內(nèi)容為例，利用與APP交互，通過(guò)視覺(jué)和觸覺(jué)相結(jié)合的個(gè)性化探究來(lái)提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

關(guān)鍵詞? 高中化學(xué)；配合物；火花學(xué)院；核心素養(yǎng)；實(shí)驗(yàn)；教學(xué)資源

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

文章編號(hào)：1671-489X（2023）09-0054-04

1? 研究背景

“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”板塊是高中化學(xué)中理論性最強(qiáng)的部分，需要借助大量抽象理論來(lái)支撐所學(xué)內(nèi)容。其中在分子構(gòu)型的理論中，學(xué)生對(duì)于各種基團(tuán)構(gòu)型原貌的想象能力嚴(yán)重不足。通過(guò)教師的講解及書(shū)本圖片展示，多數(shù)學(xué)生只能學(xué)懂簡(jiǎn)單的分子構(gòu)型，對(duì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的配合物分子構(gòu)型理解較為模糊。探尋幫助學(xué)生構(gòu)建模型思想，是每個(gè)化學(xué)教師的重要工作。目前相關(guān)專業(yè)三維結(jié)構(gòu)軟件主要有Mate-rials Studio，Diamond，Mercury，Gauss View，Unity 3D，Chem3D等，黃劍芳等人認(rèn)為利用三維結(jié)構(gòu)軟件進(jìn)行輔助教學(xué)，可以在突破教學(xué)難點(diǎn)的同時(shí)提高教學(xué)效率[1-5]。

以上專業(yè)軟件在制作模型時(shí)會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間，教師在實(shí)際工作中很難完成對(duì)教材涉及的模型的全部繪制。筆者發(fā)現(xiàn)：火花學(xué)院擁有足量高中化學(xué)學(xué)習(xí)中會(huì)涉及物質(zhì)的3D模型，省去了運(yùn)用三維結(jié)構(gòu)軟件繪制模型的時(shí)間；同時(shí)具備與Unity 3D等軟件同樣的優(yōu)勢(shì)——可在PC、平板、手機(jī)等多平臺(tái)運(yùn)行，突破常用可視化軟件運(yùn)行環(huán)境苛刻的瓶頸。因此，筆者運(yùn)用火花學(xué)院完成“配合物與超分子”的教學(xué)，在教學(xué)過(guò)程中最大限度地培養(yǎng)學(xué)生宏觀辨識(shí)與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

2? 確定教學(xué)主題與教材分析

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版 2020年修訂）》的學(xué)業(yè)要求中提出：能夠說(shuō)出共價(jià)鍵的主要類型、特征和實(shí)質(zhì)；能夠運(yùn)用配位鍵模型解釋配合物的典型性質(zhì)[6]。學(xué)生需要在已有認(rèn)知基礎(chǔ)上認(rèn)識(shí)配位鍵并與共價(jià)鍵知識(shí)相聯(lián)系，并且深入學(xué)習(xí)配位化合物的性質(zhì)。教材首先進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)展示：第一個(gè)實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)比固體和溶液顏色，得出銅離子水溶液顯藍(lán)色的結(jié)論，為學(xué)生總結(jié)了四水合銅離子，引出配位鍵和配位化合物的概念；第二個(gè)實(shí)驗(yàn)展示了硫酸銅溶液中加入氨水的過(guò)程；第三個(gè)實(shí)驗(yàn)展示了氯化鐵溶液中加入硫氰化鉀溶液的過(guò)程；第四個(gè)實(shí)驗(yàn)展示出氯化鈉溶液中滴加硝酸銀溶液和氨水的過(guò)程。通過(guò)介紹典型配合物理解其性質(zhì)，可以形成良好的邏輯框架。

3? 學(xué)情分析

學(xué)生對(duì)典型的化學(xué)鍵相關(guān)內(nèi)容中離子鍵、共價(jià)鍵、分子間作用力以及它們的微觀結(jié)構(gòu)都有一定認(rèn)知，通過(guò)類比學(xué)習(xí)可以清楚了解配合物特點(diǎn)、簡(jiǎn)單配合物成鍵特征和配合物應(yīng)用，但學(xué)生不容易理解配位鍵與其他化學(xué)鍵的異同、配位鍵的形成本質(zhì)。本節(jié)課正是通過(guò)融入三維虛擬技術(shù)，采用與相應(yīng)模型交互的方式對(duì)配合物進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生初步理解配合物。

4? 教學(xué)思想與創(chuàng)新點(diǎn)

4.1? 教學(xué)思想

借助實(shí)驗(yàn)的手段“觀察硫酸銅、氯化銅、溴化銅溶液的顏色→替換陰離子→觀察無(wú)水硫酸銅、無(wú)水氯化銅、無(wú)水溴化銅的顏色→觀察五水硫酸銅和二水合氯化銅的顏色→進(jìn)行對(duì)比和邏輯推理”，最后通過(guò)補(bǔ)充配合物的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行講解。在火花學(xué)院中獲取微觀結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行觀察，借助圖片、利用虛擬三維模型和視頻幫助學(xué)生進(jìn)行理解。

4.2? 創(chuàng)新點(diǎn)：利用火花學(xué)院APP開(kāi)展交互式學(xué)習(xí)

在化學(xué)教學(xué)中利用率最高的多媒體交互軟件是PowerPoint等。在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生通過(guò)圖片及視頻引發(fā)思考和討論，在一系列的活動(dòng)中僅僅調(diào)動(dòng)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)，并未達(dá)到對(duì)所學(xué)知識(shí)的親身實(shí)踐[7]。

火花學(xué)院APP中包含眾多學(xué)科教學(xué)資源，化學(xué)學(xué)科實(shí)驗(yàn)視頻和配合物球棍模型資源較為全面，符合多模態(tài)智慧課堂優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共享的理念[8]。其3D模型為一大特色，學(xué)生可以通過(guò)自主選擇視角去觀察配合物的構(gòu)成，通過(guò)旋轉(zhuǎn)視角來(lái)確定配合物的全貌。在其成套的免費(fèi)教學(xué)資源支撐下，教學(xué)趨向于簡(jiǎn)單便捷，使得配合物知識(shí)內(nèi)容更加直觀，克服了二維圖片的失真感，便于學(xué)生理解，并且在學(xué)習(xí)某一知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)可以觀看評(píng)論區(qū)中大家對(duì)該知識(shí)的探討和相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的推送。在教學(xué)過(guò)程中，教師可以根據(jù)學(xué)生的需要利用iPad調(diào)出相應(yīng)實(shí)驗(yàn)視頻或者相應(yīng)模型，學(xué)生同時(shí)可利用手中的iPad觀察相應(yīng)的教學(xué)資源。

5? 教學(xué)目標(biāo)與重難點(diǎn)

5.1? 教學(xué)目標(biāo)

1）能理解配合物的形成條件，融入火花學(xué)院APP中的配合物模型，通過(guò)觀察法學(xué)習(xí)配合物的基本性質(zhì)。

2）創(chuàng)設(shè)科學(xué)探究活動(dòng)對(duì)硫酸銅溶液顏色進(jìn)行探究，培養(yǎng)合作意識(shí)；面對(duì)已知問(wèn)題提出自己的猜想，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。

3）通過(guò)創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)和模型情境培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和崇尚真理的意識(shí)。

5.2? 教學(xué)重難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)：理解配體、中心離子、配位鍵、配位數(shù)、配合物等相關(guān)概念，并能說(shuō)出它們?cè)谌我馀浜衔镏写淼暮x。

教學(xué)難點(diǎn)：配位鍵形成的過(guò)程。

6? 教學(xué)過(guò)程

6.1? 課堂導(dǎo)入

教師取少量無(wú)水氯化銅溶解在水中，講解現(xiàn)象，提出問(wèn)題：“為何無(wú)水硫酸銅是白色的粉末，溶解進(jìn)水中則會(huì)變成藍(lán)色的溶液？”學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，對(duì)疑問(wèn)進(jìn)行各種猜想。教師根據(jù)學(xué)生的回答靈活講解，并引出本節(jié)課所學(xué)習(xí)的概念“配合物”。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)作為導(dǎo)入，烘托出化學(xué)實(shí)驗(yàn)奇妙的氛圍感，拋出問(wèn)題，為后續(xù)引出配合物的概念做好鋪墊。

6.2? 探究硫酸銅溶液顯藍(lán)色的原因

教師展示CuSO4溶液、CuCl2溶液、CuBr2溶液的顏色，全部為藍(lán)色，給出已知條件：K2SO4溶液、NaCl溶液、KBr溶液都是無(wú)色的。進(jìn)行對(duì)照，引導(dǎo)學(xué)生尋找顏色不同的原因。學(xué)生回答：“因?yàn)镃u2+是藍(lán)色的?！苯處熣故綜uSO4晶體、CuCl2晶體、CuBr2晶體分別是白色、棕色、深褐色，拋出疑問(wèn)：“根據(jù)這些物質(zhì)的顏色判斷，為何與之前結(jié)論沖突？”學(xué)生回答：“Cu2+在結(jié)晶當(dāng)中缺少了水?！苯處煹贸鼋Y(jié)論：“Cu2+在水溶液中呈現(xiàn)藍(lán)色?！崩^續(xù)拋出疑問(wèn)：“是否Cu2+要在水溶液中才顯藍(lán)色？”學(xué)生回答：“CuSO4·5H2O是藍(lán)色的晶體，所以猜測(cè)Cu2+與水結(jié)合顯藍(lán)色?！苯處熆隙ú孪氩⒆龀隹偨Y(jié)。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生對(duì)配合物學(xué)習(xí)重點(diǎn)“四水合銅離子”有初步的了解，通過(guò)拋出疑問(wèn)的形式對(duì)學(xué)生啟發(fā)誘導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生接近正確的結(jié)論，結(jié)合顏色的變化等奇妙的化學(xué)現(xiàn)象激發(fā)學(xué)生對(duì)本節(jié)課的學(xué)習(xí)興趣。

6.3? 探究Cu2+如何與水分子結(jié)合

教師依照之前所學(xué)過(guò)的離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵并不能很好地解釋出Cu2+與水分子的結(jié)合狀態(tài)，所以需要引導(dǎo)學(xué)生觀察水分子的成鍵情況。教師通過(guò)手中的iPad分享火花學(xué)院中教學(xué)素材的鏈接至學(xué)生手中的iPad，學(xué)生打開(kāi)后觀看火花學(xué)院中的3D模型動(dòng)畫(huà)素材，如圖1所示[9]。教師提問(wèn)：“觀察金閃閃的亮點(diǎn)是什么？”學(xué)生回答：“兩對(duì)孤電子對(duì)?！?/p>

教師講解：“每一對(duì)孤電子對(duì)都在一個(gè)軌道上運(yùn)動(dòng)，研究發(fā)現(xiàn)Cu2+是具有空軌道的。所以氧原子的孤電子對(duì)加上它本身所在的軌道加上Cu2+本身的空軌道，就會(huì)形成一個(gè)共價(jià)鍵，這個(gè)特殊的共價(jià)鍵被稱為配位鍵。之前所學(xué)過(guò)的經(jīng)典共價(jià)鍵是兩個(gè)原子各提供一個(gè)電子，而配位鍵是一個(gè)原子提供兩個(gè)電子。水分子中的氧原子提供一對(duì)孤電子對(duì)，稱之為配體；而Cu2+提供空軌道不提供電子，稱之為中心離子（如果中心是原子，就叫中心原子）。”

設(shè)計(jì)意圖：從微觀角度解釋配合物的形成，配合“水分子成鍵”素材解釋配位鍵成鍵特點(diǎn)，發(fā)揮火花學(xué)院通過(guò)視覺(jué)感知提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率的作用。

6.4? 觀察四水合銅離子模型

教師講解：“這種配離子叫作四水合銅離子，通過(guò)iPad觀察火花學(xué)院中的素材，如圖2所示[10]。大家可以利用手中的iPad進(jìn)行拖拽，在不同角度觀察四水合銅離子的構(gòu)型，同時(shí)可以切換球棍模型和空間填充模型進(jìn)行觀察?！睂W(xué)生利用火花學(xué)院中的素材進(jìn)行觀察，理解四水合銅離子的空間構(gòu)型。

教師講解：“結(jié)合模型觀察教材中的化學(xué)方程式，Cu2+結(jié)合4個(gè)水分子代表配位數(shù)為4，球棍模型中的棍代表配位鍵，水分子被稱為配離子，Cu2+被稱為中心離子，把以配位鍵結(jié)合生成的化合物稱為配位化合物，簡(jiǎn)稱配合物?！睂W(xué)生完善筆記記錄。

設(shè)計(jì)意圖：充分利用火花學(xué)院中的素材來(lái)教學(xué)配合物相關(guān)知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合火花學(xué)院對(duì)配合物3D模型的展示進(jìn)行360°觀察，通過(guò)動(dòng)手并且動(dòng)腦的視覺(jué)、觸覺(jué)相結(jié)合，從宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象聯(lián)系微觀模型，培養(yǎng)學(xué)生宏觀辨識(shí)與微觀探析的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

6.5? 了解更多配合物

教師講解：“向硫酸銅溶液中加入氨水，先形成的是氫氧化銅沉淀；繼續(xù)加入過(guò)量的氨水，可以觀察到藍(lán)色的氫氧化銅溶液溶解，并且重新形成溶液，是深藍(lán)色?！碧岢鲆蓡?wèn)：“氫氧化銅是如何溶解的呢？”學(xué)生通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并能對(duì)教師提問(wèn)及時(shí)反饋，做出猜想。

教師在答疑后，引導(dǎo)學(xué)生觀察課本中的化學(xué)方程式，氫氧化銅中的銅原子可以和氨分子配位，形成四氨合銅離子，通過(guò)火花學(xué)院APP觀察四氨合銅離子的構(gòu)型[10]，利用iPad展示球棍模型。如果在深藍(lán)色的溶液中加入乙醇，降低溶劑的極性，可以使得硫酸四氨合銅溶解度降低析出。學(xué)生仔細(xì)觀察球棍模型，從球棍模型中理解到氨分子中存在孤對(duì)電子。

教師帶領(lǐng)學(xué)生回顧檢驗(yàn)Fe3+，通過(guò)iPad分享鏈接后一同觀看實(shí)驗(yàn)視頻。向含有Fe3+的溶液中滴加硫氰化鉀溶液，就可以得到紅色的溶液。實(shí)際上是SCN-作為配體與Fe3+配位，顯紅色，用于檢驗(yàn)Fe3+。方程式比較復(fù)雜，不要求大家掌握，因?yàn)镕e3+可以結(jié)合1～6個(gè)SCN-，只需要知道生成了配合物就可以了。而配位鍵有強(qiáng)有弱，像這個(gè)反應(yīng)中配位鍵較弱，配位反應(yīng)進(jìn)行得不徹底。學(xué)生理解、記錄。

教師與學(xué)生一起觀察實(shí)驗(yàn)視頻，向NaCl溶液中滴加AgNO3溶液，會(huì)得到氯化銀沉淀；繼續(xù)滴加氨水，發(fā)現(xiàn)又得到無(wú)色透明的溶液。請(qǐng)學(xué)生觀察課本中化學(xué)方程式，實(shí)則是生成新的配離子——二氨合銀離子，分析中心離子、配體、配位數(shù)是什么？學(xué)生回答：“中心離子是銀離子，配體是氨分子，配位數(shù)是2?！苯處熖崾荆骸叭绻蠹腋信d趣，可以隨時(shí)在火花學(xué)院中學(xué)習(xí)配合物的相關(guān)知識(shí)，其中有很多3D模型和微課，可以幫助大家理解更多配合物知識(shí)。”

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)對(duì)配合物的舉例，了解本節(jié)課需要掌握的配合物的所有應(yīng)用，借助學(xué)生對(duì)知識(shí)探究的強(qiáng)大興趣，更有效率地完成該部分內(nèi)容的教學(xué)；借助火花學(xué)院中優(yōu)秀教學(xué)資源，使得本節(jié)課講授的微觀模型更加直觀，降低理解門(mén)檻，提升學(xué)生對(duì)配合物知識(shí)的理解程度。

7? 教學(xué)反思

課程在逐步革新，教學(xué)中的可視化可以為學(xué)生提供視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)相互融合的情境，通過(guò)讓學(xué)生感知物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)模型和自主探究實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入思考學(xué)習(xí)。本節(jié)課運(yùn)用火花學(xué)院APP結(jié)合iPad觸摸，給予學(xué)生充分觀察時(shí)間，在獨(dú)特新穎的教學(xué)過(guò)程中引發(fā)學(xué)生興趣以突破重難點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的構(gòu)型思維，實(shí)現(xiàn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。

8? 結(jié)束語(yǔ)

火花學(xué)院APP擁有初高中各門(mén)學(xué)科的視頻、微課、3D模型等教學(xué)資源，在平板及手機(jī)中可以運(yùn)行，在PC中以網(wǎng)頁(yè)的形式仍然可以展現(xiàn)，與Materials Studio、Diamond、Mercury、Gauss View、Unity 3D、Chem3D等相比，可以擺脫運(yùn)行環(huán)境的限制，就算沒(méi)有iPad，也可以用手機(jī)進(jìn)行教學(xué)，適用于化學(xué)教學(xué)實(shí)踐。其出色的可交互功能可以為學(xué)生提供自主探究的平臺(tái)，將配合物結(jié)構(gòu)的抽象思維形象化，從而提升學(xué)生對(duì)本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

9? 參考文獻(xiàn)

[1] 潘睿.Material Studio 7.0分子模擬軟件在結(jié)構(gòu)化學(xué)晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用[J].化學(xué)教育（中英文），2018，39（12）：73-77.

[2] 李華倩，洪梅，毛華強(qiáng)，等. 基于Unity 3D交互軟件輔助金屬晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)[J].化學(xué)教育（中英文），2019，40（19）：68-71.

[3] 張?jiān)娐畲骅?“發(fā)現(xiàn)”密堆積：基于3ds MAX軟件的金屬晶體教學(xué)設(shè)計(jì)[J].化學(xué)教育（中英文），2019，40（19）：72-79.

[4] 康逸，陳博殷.運(yùn)用Mercury軟件輔助高中晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)[J].化學(xué)教育（中英文），2021，42（01）：83-87.

[5] 黃劍芳.利用三維虛擬技術(shù)突破物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學(xué)：從演示型工具到探索型工具的轉(zhuǎn)變[J].化學(xué)教育（中英文），2022，43（3）：105-115.

[6] 中華人民共和國(guó)教育部.《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》[S].北京：人民教育出版社，2018：39-45.

[7] 馬仁標(biāo).“‘火花學(xué)院科學(xué)可視化教學(xué)內(nèi)容與工具庫(kù)”在地理教學(xué)中的應(yīng)用[J].中學(xué)地理教學(xué)參考，2021（19）：66-69.

[8] 蔡蘇，焦新月，楊陽(yáng)，等.5G環(huán)境下的多模態(tài)智慧課堂實(shí)踐[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究，2021，33（5）：103-112.

[9] 水分子成鍵[EB/OL].[2022-3-12].https：//www.huohuaschool.com/component/204002140.

[10] 四水合銅離子模型[EB/OL].[2022-3-12].https：//www.?huohuaschool.com/component/406000107.