基于大單元教學的自制教具作業設計
——以“物質模型搭建”為例

趙延軍

青海師范大學附屬實驗中學 (810008)

1 問題的提出

《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》在多處提出搭建球棍模型或實物模型,通過模型認識物質的結構,降低學習內容的抽象性,促進學生對相關內容的理解和認識[1],其所在模塊、要求及核心知識間的對應關系見表1。針對化學學習中的晶體結構、有機物分子結構等微觀抽象的內容,借助實物模型可以將微觀結構宏觀化、抽象內容直觀化,幫助學生全面地認識物質的結構,實現化學思維的有效進階。

表1 新課標中模型搭建活動所在模塊及要求與核心知識間的關系

馬薇提出:“如果能讓學生利用簡單的材料親自動手組裝晶體模型,保證人手一個,對于加深學生對晶體結構的理解、構建合理的空間想象力、同時激發學生的學習興趣有十分積極的作用”[2]。趙旭東認為:“學生親自動手制作的模型,不僅直觀,而且在制作過程中就解決了有機物分子結構特點的絕大部分問題。學生能輕松突破原子共面、共線難點。搭建球棍模型的實驗活動非常有意義,是其他學習方式無法代替的”[3]。為了讓學生徹底理解晶體結構和有機物分子的結構特點,在學生充分學習雜化軌道理論、價層電子對互斥理論、晶體結構、有機物分子結構的基礎上設計了以“物質模型搭建”為大單元教學主題的自制教具作業。將模型搭建作為明線,將滲透其中的學科思想方法作為暗線,為學生創造自主動手、動腦的探究機會[4],讓學生利用生活中常見的橡皮泥、泡沫球等作為小球,以牙簽、鐵絲、吸管等作為化學鍵搭建晶體結構和有機物分子的結構模型,學生在自己搭建模型的過程中可以內化物質結構、突破學習難點,強化對晶體結構和有機物分子結構的深度認識,同時在制作模型的過程中能提高學生的動手能力、協作能力和空間想象能力,幫助學生建立系統的思維邏輯[5],利用搭建的模型分析物質具體性質,強化“結構決定性質”的化學思維,最終提升學生“證據推理和模型認知”等維度的化學學科核心素養。

2 作業設計方案

2.1 作業目的

激發學生對化學的學習興趣,幫助學生深入理解物質的空間結構與性質的關系,培養學生的動手能力、協作能力、空間想象能力,豐富學生的課余生活,擴大學生的化學知識面,落實化學學科“證據推理與模型認知”的核心素養。

2.2 材料選擇

學生根據自己的特長自行選擇搭建模型的材料,可以用橡皮泥、乒乓球、牙簽、小木棒等。不建議從網上購買制作好的模型或已經打好孔的小球搭建模型,因為這種小球打孔后方向已經固定,學生搭建模型時對原子的位置關系、鍵角等產生思維定勢,不利于發展學生的空間想象能力。

2.3 搭建模型范圍

分子晶體、原子晶體、金屬晶體、離子晶體等物質的晶體結構以及有機物的分子模型(球棍模型、比例模型)或自己感興趣的物質模型。

2.4 搭建思路

(1)晶體結構模型搭建思路:選擇要搭建的晶體→分析晶體類型→分析晶體的成鍵微粒→查找教材及網絡模型→搭建晶體骨架結構→進行美觀處理。

(2)有機物分子模型搭建思路:選擇要搭建的有機物分子→分析分子組成和不飽和度→搭建碳骨架結構→分析官能團的結構及連接方式→依據碳四價原則補齊氫原子數→進行美觀處理。

模型搭建時要充分挖掘課本原型,從教材中尋找素材,也可以從網絡資源中尋找創作靈感,確定好創作模型和所用材料,充分發揮空間想象能力,通過小組合作科學準確搭建出美觀且趣味性較強的模型。搭建過程中要注意原子間的比例大小、化學鍵的長短、鍵角的度數等,制作的模型大小不限,最好配有簡潔的文字解釋說明。

3 作業收集展示

3.1 晶體模型

學生搭建的晶體模型如圖1所示,主要有NaCl的晶胞結構,石墨、金剛石和C60的空間結構,也有個別小組搭建了金屬原子在三維空間的六方最密堆積模型。

圖1 學生搭建的晶體模型

3.2 有機物分子模型

如圖2所示,在有機物分子模型中學生搭建最多的有甲烷的球棍模型、乙烯的比例模型、苯的球棍模型、乙酸乙酯的比例模型等,最吸引眼球的當屬一組同學制作的預防及治療深靜脈血栓及肺栓塞的藥物法華林鈉的球棍模型。

圖2 學生搭建的有機物分子模型

4 總結

本作業設計以 “物質模型搭建”作為大單元教學主題,以學生所學的晶體結構、有機物分子結構、雜化軌道理論、價層電子對互斥理論等具體核心知識作為載體,利用生活中常見的材料設計搭建了各種物質的模型。從學生的展示情況看,學生在模型搭建時根據課堂所學的晶體結構的特點及各種有機物的分子結構,充分利用價層電子對互斥理論及雜化軌道理論分析鍵長、鍵角的關系,搭建了各種有趣的結構,這些模型有課堂所學的結構,如石墨、金剛石、甲烷、乙烯、苯等,也有課堂之外的拓展性物質,如多巴胺、法華林鈉等。在材料選擇上學生們的想象力也非常豐富,除了用橡皮泥、乒乓球、牙簽外,也有部分同學用到了泡沫球、彈力球、磁力球、塑料吸管、鐵絲、銅絲等,甚至有一組同學用棒棒糖制作了甲烷的球棍模型,最讓人意想不到的是有一個小組的同學自己電腦上3D建模后利用3D打印技術搭建了C60的空間構型。

采用實物模型探究教學,給學生創造了動手、動腦、自主探究的機會,可以激發學生的學習興趣,引發和保持學生良好的學習動機[6]。學生在搭建模型時要系統回顧自己所學的知識,充分發揮空間想象力,對不同類型的晶體結構、雜化軌道理論、碳原子的成鍵特點、鍵角等非常熟悉才能正確美觀地制作出相關物質的模型,制作過程中需要充分發揮各小組同學的動手能力、協作能力、空間想象能力,借助球棍模型搭建作業,還可以將外在的搭建活動和內在的思維活動緊密結合起來,并遷移到具體物質的符號表征和性質分析中,使結構模型成為分析物質化學符號和性質的有效手段[7]。學生通過搭建晶體模型和有機物分子模型能深度認識各種晶體結構、粒子的堆積方式、有機物碳骨架特點、原子共線共面、官能團的空間結構等,突破了晶體結構和有機物分子結構的空間認知障礙,強化對物質的結構認知,幫助學生建立晶體和有機物分子的空間思維邏輯,深入理解物質的空間結構與性質的關系,體會“結構決定性質”的化學核心思想。