科學(xué)模型具有三個(gè)功能：一是使物體和抽象概念簡(jiǎn)單化，二是使復(fù)雜現(xiàn)象可視化，三是提供對(duì)科學(xué)現(xiàn)象的解釋和預(yù)測(cè)。化學(xué)模型作為科學(xué)模型的一種，具有同樣的功能。“模型認(rèn)知”是化學(xué)核心素養(yǎng)之一，它要求學(xué)生建構(gòu)模型并運(yùn)用模型解決化學(xué)問(wèn)題，形成化學(xué)思維方法。這反映出理解模型和創(chuàng)建模型對(duì)化學(xué)學(xué)習(xí)的重要性。已有研究參照《美國(guó)國(guó)家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》將高中化學(xué)涉及的模型分為物理模型、概念模型、數(shù)學(xué)模型三類。其中，物理模型是以實(shí)物或圖畫形式直觀表達(dá)認(rèn)識(shí)對(duì)象特征的模型，它通過(guò)將抽象的微觀粒子及化學(xué)概念具體化、宏觀化，幫助學(xué)生更好地理解知識(shí)本質(zhì)，發(fā)展模型認(rèn)知素養(yǎng)。實(shí)際教學(xué)中，教師可依托以下四類模型促進(jìn)上述素養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。

一、球棍模型助力有機(jī)分子結(jié)構(gòu)認(rèn)知

在高中化學(xué)中，球棍模型廣泛用于描述各種有機(jī)化合物的分子結(jié)構(gòu)。搭建球棍模型是學(xué)生認(rèn)識(shí)有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的重要方法，能為后續(xù)有機(jī)物性質(zhì)的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

在“搭建分子球棍模型”學(xué)習(xí)活動(dòng)中，教師先引導(dǎo)學(xué)生搭建結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的甲烷、乙烷等分子的球棍模型，進(jìn)而認(rèn)識(shí)其分子結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)烷烴中碳原子成鍵特征，即每個(gè)碳原子都形成四個(gè)單鍵且呈現(xiàn)以碳原子為中心的四面體結(jié)構(gòu)。接著，教師引導(dǎo)學(xué)生搭建乙烯、乙炔等分子的球棍模型，感受烯烴、炔烴中碳原子成鍵特征：烯烴有碳碳雙鍵，雙鍵碳原子及其直接相連的原子在一個(gè)平面上；炔烴有碳碳三鍵，三鍵碳原子及其直接相連的原子在一條直線上。然后，學(xué)生通過(guò)對(duì)比甲烷、乙烷、乙烯、乙炔的分子結(jié)構(gòu)，體會(huì)分子結(jié)構(gòu)式與分子空間結(jié)構(gòu)的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生自主搭建CH2Cl2的球棍模型，通過(guò)對(duì)比辨析發(fā)現(xiàn)CH2Cl2只有一種結(jié)構(gòu)，從而更好地理解甲烷的四面體結(jié)構(gòu)。最后，教師引導(dǎo)學(xué)生搭建含4個(gè)碳原子的烴類球棍模型，探究有機(jī)物種類繁多的原因。通過(guò)以上教學(xué)活動(dòng)，學(xué)生直觀感知了有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)的特征，發(fā)展了模型認(rèn)知素養(yǎng)。

有機(jī)物分子中原子共線、共面問(wèn)題是常見題型，由于存在線面、面面交叉問(wèn)題，學(xué)生解答有一定難度，教師可引導(dǎo)學(xué)生借助球棍模型直觀地解決問(wèn)題。例如：圖1有機(jī)物分子中最多有多少個(gè)原子在一條直線上？最多有多少個(gè)原子在一個(gè)平面上？

作答本題，教師可引導(dǎo)學(xué)生搭建球棍模型，直觀理解“苯環(huán)對(duì)位上的碳及其直接相連的原子在一條直線上、苯環(huán)及其直接相連的原子在一個(gè)平面上、碳碳三鍵及其直接相連的原子在一條直線上、碳碳雙鍵及其直接相連的原子在一個(gè)平面上、甲烷分子5個(gè)原子中最多有3個(gè)共面、氨分子4個(gè)原子中最多有3個(gè)共面”。同時(shí)，教師提醒學(xué)生單鍵可沿軸轉(zhuǎn)動(dòng)，因此要解決“最多共線”問(wèn)題，就要找苯環(huán)和碳碳三鍵。由此，學(xué)生可發(fā)現(xiàn)圖1有機(jī)物分子中最多有6個(gè)原子在一條直線上。由于單鍵可旋轉(zhuǎn)，教師可通過(guò)球棍模型幫助學(xué)生理解在解決“最多共面”問(wèn)題時(shí)，單鍵碳要去掉2個(gè)氫原子，單鍵氮要去掉1個(gè)氫原子，因此圖1有機(jī)物分子中最多共面原子數(shù)為原子總數(shù)減去3個(gè)氫原子，即最多有20個(gè)原子共面。需要注意的是，對(duì)于復(fù)雜的線面問(wèn)題，學(xué)生需要在直觀感知具體分子物理模型的基礎(chǔ)上，借助簡(jiǎn)單分子空間結(jié)構(gòu)的思維模型進(jìn)一步探析。

二、吸管積木模型助力晶體結(jié)構(gòu)理解

相較于球棍模型，吸管積木模型的搭建過(guò)程更簡(jiǎn)便，其體積較大，便于觀察，有助于學(xué)生理解晶胞結(jié)構(gòu)、晶胞中微粒的計(jì)算方法等晶體教學(xué)的難點(diǎn)。

例如，在晶體結(jié)構(gòu)的教學(xué)過(guò)程中，教師引導(dǎo)學(xué)生先利用吸管和積木構(gòu)建如圖2所示的若干簡(jiǎn)單的立方體晶胞模型，接著將搭建好的模型有序地堆砌成如圖3所示的小型晶體，并從頂角、棱、面和體心等角度觀察小型晶體模型，交流晶胞的特征，分析用晶胞搭建晶體時(shí)晶胞的頂角是否相同、平行面是否相同等問(wèn)題，然后比較不同微粒在空間中延伸的方向和距離，從微觀角度解釋晶體物理性質(zhì)的各向異性，最后進(jìn)一步觀察小型晶體模型，明確晶體中晶胞“無(wú)隙并置”的含義，進(jìn)而總結(jié)出計(jì)算晶胞中原子個(gè)數(shù)的“均攤法”。

三、氣球模型助力價(jià)層電子對(duì)互斥模型建構(gòu)

學(xué)生對(duì)價(jià)層電子對(duì)互斥模型（VSEPR模型）比較陌生，教師利用氣球模擬呈現(xiàn)價(jià)層電子對(duì)互斥模型，讓每個(gè)價(jià)層電子對(duì)對(duì)應(yīng)一個(gè)充氣氣球，能幫助學(xué)生直觀感知電子對(duì)之間的排斥作用所導(dǎo)致的分子或離子空間結(jié)構(gòu)的差異。實(shí)踐中，教師可通過(guò)以下三個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)達(dá)成上述目標(biāo)。

任務(wù)一，分別計(jì)算[CO2]、[SO2]、[CO2-3]、[CH4]、[NH3]、[H2O]、[PCL5]、[SF6]中心原子上的價(jià)層電子對(duì)數(shù)。該任務(wù)旨在引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)不同分子或離子中心原子上的價(jià)層電子對(duì)數(shù)存在差異，如[CH4]、[NH3]、[H2O]中心原子上的價(jià)層電子對(duì)數(shù)為4，[SO2]中心原子上的價(jià)層電子對(duì)數(shù)為3等。

任務(wù)二，利用充氣氣球搭建分子或離子的VSEPR模型。該任務(wù)旨在引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)氣球模型的搭建，了解中心原子上的價(jià)層電子對(duì)數(shù)與VSEPR模型間的關(guān)系。實(shí)踐中，學(xué)生先給若干個(gè)球形和橢球形小氣球吹滿氣，然后用橢球形氣球代表成鍵電子對(duì)，用球形氣球代表孤電子對(duì)，根據(jù)任務(wù)一的計(jì)算結(jié)果分別搭建分子、離子的VSEPR模型，如圖4是[CH4]分子的VSEPR模型，最后在教師引導(dǎo)下總結(jié)出如表1所示的5種模型，獲得對(duì)價(jià)層電子對(duì)數(shù)與分子、離子空間結(jié)構(gòu)關(guān)系的直觀認(rèn)知。

任務(wù)三，根據(jù)搭建的模型推測(cè)分子、離子的空間結(jié)構(gòu)。該任務(wù)旨在讓學(xué)生理解價(jià)層電子對(duì)互斥理論能預(yù)測(cè)分子、離子的空間結(jié)構(gòu)。學(xué)生對(duì)比觀察自己搭建的價(jià)層電子對(duì)氣球模型與相應(yīng)的VSEPR模型發(fā)現(xiàn)：當(dāng)中心原子無(wú)孤電子對(duì)時(shí)，其分子或離子的空間結(jié)構(gòu)與VSEPR模型相同；當(dāng)中心原子有孤電子對(duì)時(shí)，略去孤電子對(duì)就得到分子或離子的空間結(jié)構(gòu)。[CH4]中心原子上無(wú)孤電子對(duì)，[NH3]中心原子上有一個(gè)孤電子對(duì)，[H2O]中心原子上有兩個(gè)孤電子對(duì)，因?yàn)楣码娮訉?duì)占據(jù)較大的空間，所以[CH4]、[NH3]、[H2O]的鍵角由大到小的順序是[CH4]＞[NH3]＞[H2O]。這為后續(xù)“鍵參數(shù)—鍵角大小的比較”教學(xué)奠定了認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)。

以上教學(xué)還能避免學(xué)生對(duì)分子、離子的空間結(jié)構(gòu)形成錯(cuò)誤認(rèn)知。例如，當(dāng)價(jià)層電子對(duì)數(shù)為4時(shí)，學(xué)生可能會(huì)主觀地認(rèn)為其結(jié)構(gòu)趨向正方形，但通過(guò)氣球模擬實(shí)驗(yàn)，他們會(huì)發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)實(shí)際上是正四面體，因?yàn)閷⑺膫€(gè)氣球壓在一個(gè)平面上，撤掉外力后，這四個(gè)氣球會(huì)自發(fā)地形成正四面體結(jié)構(gòu)。

四、竹簽胡蘿卜模型助力微粒鍵角大小比較

分子結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是認(rèn)識(shí)和掌握物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)規(guī)律的基礎(chǔ)。鍵角是描述分子結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)。關(guān)于微粒鍵角大小的比較，學(xué)生常常遇到這樣的問(wèn)題：中心原子不同、配原子相同且結(jié)構(gòu)相似的分子如[NCl3]與[PCl3]的鍵角大小比較；中心原子相同、配原子不同且結(jié)構(gòu)相似的分子如[NH3]與[NF3]的鍵角大小比較。在比較微粒中鍵角的大小時(shí)，為了解決氣球與中心原子的距離相對(duì)固定、不易移動(dòng)的問(wèn)題，教師可對(duì)氣球模型進(jìn)行改進(jìn)，構(gòu)建竹簽胡蘿卜模型（如圖5所示）。

此模型中，手代表中心原子，胡蘿卜代表價(jià)層電子。通過(guò)模型演示，學(xué)生發(fā)現(xiàn)胡蘿卜越靠近手，胡蘿卜之間的排斥力導(dǎo)致的竹簽夾角越大，進(jìn)而得出“價(jià)層電子對(duì)離中心原子越近，鍵角越大，反之鍵角越小”的結(jié)論。

比較[NCl3]與[PCl3]的鍵角大小時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生使用竹簽胡蘿卜模型直觀地觀察與分析。由于N-Cl鍵長(zhǎng)比P-Cl短，并且電負(fù)性關(guān)系為N＞Cl＞P，所以N-Cl共用電子對(duì)更靠近中心原子N，要將胡蘿卜撥到離手更近的位置；而P-Cl共用電子對(duì)更靠近配位原子Cl，要將胡蘿卜撥到離手更遠(yuǎn)的位置。由此，學(xué)生得出[NCl3]的鍵角大于[PCl3]的鍵角。多次比較后，教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)規(guī)律：一般情況下，對(duì)于中心原子不同、配位原子相同且結(jié)構(gòu)類似的分子，中心原子的電負(fù)性越強(qiáng)，成鍵電子離中心原子越近，鍵角越大。[NH3]與[NF3]的鍵角大小比較問(wèn)題與此類似，學(xué)生可借助模型直觀地觀察與分析，得出[NH3]的鍵角大于[NF3]的鍵角。

基于以上兩種類型鍵角大小比較的分析，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步總結(jié)規(guī)律：對(duì)于同種結(jié)構(gòu)的非直線形極性分子，分子的鍵角大小會(huì)受到原子電負(fù)性的影響——一般情況下，成鍵電子離中心原子越近，鍵角越大，反之鍵角越小。

（作者單位：利川市第一中學(xué)）

文字編輯" 劉佳