谈如何进行有想象力的物质结构教学

宋凡凡

（南京航空航天大学附属高级中学 江苏 南京 210007）

爱因斯坦说：“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。严格地说，想象力是科学研究中的实在因素。”在课堂教学中教师要重视学生想象力的培养。想象力常常是建立在对已有知识牢固掌握和深刻领悟基础上的。没有基础知识的积累，想象力只会成为“不结果实的花朵”。我们在教学的过程中应努力实现二者的协调发展。

物质结构理论研究表明，化学微观空间想象是学习和认知微观化学世界的重要方法和手段，有利于培养和开发学生的想象力，有利于学生更好地理解化学、发展空间想象、感受化学世界。本人在化学课堂教学中注重挖掘教材，思考如何解决空间的无限性与学生本身思维局限性的两者的矛盾；在教学中有意在开拓学生思维空间、扩大空间视野上下功夫；能够在不同物质的空间构型之间展开联想，学生在解题时做到触类旁通，取得较理想的教学效果。具体的方法如下：

一、深入观察

想象力的培养并非空穴来风，教师要引导学生多接触事物、多观察事物，丰富知识，增加表象储备。想象的内容可以千奇百怪，但都以已有表象为基础。深入观察事物有利于激活学生头脑中的表象，使学生的想象力得以充分提升。教师应首先指引学生对建筑物、雕塑造形、模型等客观事物的外在形象进行全方位、细致观察，再通过分析、整理、整合、假设、验证、归纳、演绎等思维活动，获取对化学微观粒子的空间构型的科学认识，推动微观表象的建立，为发展科学而广阔的想象力奠定基础。

1．通过二维图形进行三维空间想象

想象力的建立往往离不开对于文字材料、图像的理解、记忆、分析、推理。教师应配合课本充分利用图表、图形、模型、多媒体演示等，为学生认识和探索微观化学世界提供生动的形象，也为知识的再现提供依据；指导和训练学生通过观察及分析，从中提取最具特征的信息；逐步建立起将二维平面图在脑海中转化为三维实物的空间想象能力。教材中有关晶体结构的教学内容，是进行三维想象教学的绝好教材。如原子晶体部分讲授金刚石的结构时，教师可自制球棍模型并结合课本示意图（如下图），师生共同从中挖掘出下列隐含信息：

信息①：本图仅“提取”了金刚石（宏观物质）的极小部分，成比例 “扩大”（合理想象）后，显示的碳原子（微观粒子）之间的空间联接方式。

信息②：每个碳原子所处的化学环境相同：被相邻的4个碳原子包围，处于4个碳原子的中心，通过共价键相连构成正四面体结构。其键能、键长、键角（109°28′）均完全相同。

信息③：想象这样的正四面体作为“微粒”，通过共用碳原子相互联结，向空间无限发展，就构成了一种稳定的、空间网状结构。从而完成由客观事物（图形）→微观粒子（碳原子）构型→宏观物质（金刚石）的空间想象思维过渡（主要思路如下图）。通过这样的教学过程学生普遍感到眼中有物、脑中有景，不仅对金刚石晶体构型理解透彻，印象深刻，而且有效地激发想象能力。

如：（11年全国理综37题）（5）六方氮化硼在高温高压下，可以转化为立方氮化硼，其结构与金刚石相似，硬度与金刚石相当，晶胞边长为361．5pm，立方氮化硼晶胞中含有 个氮原子、 个硼原子，立方氮化硼的密度是 g·cm-3。

该题要求考生根据金刚石的结构答出立方氮化硼晶胞里的氮原子、硼原子数及立方烷的密度。却并未给出金刚石晶体结构示意图，这正体现命题者匠心独具：中学化学教学应回归课本，重视能力。考生只须掌握金刚石的“基本结构单元”是正四面体，并具有一定的微观三维想象能力和分析推理能力，即可顺利得出答案。

2．培养学生创造性思维能力

创造性思维：开拓认识新领域、开创认识新成果的思维活动。一项创造性思维成果的取得，往往要经过长期的探索、刻苦的钻研、甚至多次的挫折之后才能取得。而创造性思维能力也要经过长期的知识积累、素质磨砺才能具备，创造性思维的培养过程，离不开推理、想象、联想、直觉等思维活动。因此在课堂教学活动中，教师应有意识激发学生的创造想象意识。如教材在“离子晶体”中给出的氯化纳晶体结构示意图（如下图），通过观察学生发现：图中表示Na+的小球有14个，而表示Cl-的小球只有13个，并不相等，怎么与氯化钠的化学式不符？ 教师应帮助学生克服思维的局限性，充分揭示其结构特点：

图1

图2

特点① NaCl晶体结构是由Na+和Cl-各自构成的立方面心结构穿插而成。图一只是表示构成NaCl晶体的一个“微粒”即晶胞 ，晶胞在空间无限重复就产生了宏观晶体。

特点②：构成晶胞的点、线、面、体所处的位置关系并不相同。如有的Na+处于晶胞的顶点，应想象出单元晶胞沿三维空间扩展时，每个处于顶点的Na+同时被8个晶胞所包围和共用，故每个晶胞含有1／8个Na+；位于面心上的Na+只含1／2个Na+；处于棱边上的Cl-只含1／4个Cl-；而处于体心的Cl-则不共用，完全属于该晶胞。

特点③：晶体计算应以微粒所处位置对应比例为标准。如一个晶胞中含Na+数：12×1／4+1=4，含Cl-数： 8×1／8+6×1／2=4， 所以有 Na+∶Cl-=4∶4=1∶1→NaCl（化学式）。

在此基础上，进一步发挥学生想象力。用 “分割”法，将NaCl的一个晶胞平均“切”成8等份，每份为一个小立方体（如图2）。以此为依托，可设计思考题：已知NaCl晶体的密度为ag／cm3，阿伏加德罗常数为NA，求两个最近的Na+中心间的距离（cm）。

上述题型在近几年高试题中多有涉及，如：（08海南24题）已知X、Y、Z三种元素组成的化合物是离子晶体，其晶胞如结构图所示，问该化合物的化学式；（08年广东27题）（2）已知MgO的晶体结构属于NaCl型。改正某同学画的MgO晶胞结构示意图中的错误；以及（09年海南19题）已知CaF2的密度求晶胞的体积；（11年江苏卷21题）求CuCl的化学式等。其解题思路基本类似求食盐晶体的化学式及上述思考题，在教学中注重了该项能力的培养，学生在求解问题时都能得心应手。

二、善于联想，培养想象的发散性

联想是根据化学知识由此及彼、由表及里、纵横相交的特点，通过某些共同点而将相关事物联系起来想象的思维过程。分子的空间构型是培养学生三维想象力的广阔领域。教师要能抓住本质特征，启发学生纵横相联，将分散在教材中的相关分子空间构型的知识，以规律加以归纳，使之系统化，可增强学生想象的发散性及灵敏性，使创造思维能力得以提升。

（1）关于键角相等的相关联想： 键角是判断分子空间构型的一个重要数据，键角反映结构特点，而结构则决定键角的大小。若已知正离子CH3+中的4个原子是共平面的，且3个键角相等，可推断其空间构型应类似于BF3：以碳原子为中心呈平面正三角形结构，键角120°。根据键角相等的发散联想：如键角均为120°的乙烯、苯、石墨，利用数学中几何构型的点、面、体有机联为一体：

（2）根据结构相似的迁移联想：如怎样判断有机物CH3—CH=CH—C≡CCF3分子中6个碳原子是否同线或同面？ 若缺乏联想、迁移的能力，必然无从下手。该题突破口在于该分子中的碳碳键及碳碳三键，联想到课本中的CH2=CH2及CH≡CH的空间构型，乙烯中六个原子共平面，乙炔中四个原子共直线；再想像将产物中两端相应的H原子分别被-CH3和-CF3所取代，通过 “切割”、“拼接、“取代”等思维加工，即得出 CH3—CH=CH—C≡C—CF3的空间构型（如下图）。若再提出，该分子中所有的原子是否在同一平面上呢？ 可将学生的空间想象力进一步升华。

（3）根据空间构型相似的发散联想：充分调动学生头脑中的相关结构信息，通过梳理，将构型相似的一类物质，联成一体，例如：学生最为熟悉的CH4其结构是以碳原子为中心，4个氢原子为顶点的正四面体结构，C—H 键的夹角为109°28′， 以CH4的空间构型为联想的基础，可建立如下网络：

三、利用所给信息进行推理联想

推理联想是以一种事物的某种基本特征为依据，通过分析、推理等，推导出其他事物具有相应特征的想象方法。

①如已知1，2，3—三苯基环丙烷有2种同分异构体，则 1，2，3，4，5—五氯环戊烷有多少种同分异构体？ 该题要求学生有较强的空间想象能力，并能敏锐接受信息解决五元环空间异构的问题。本题的难点在于既要考虑氯原子的位置异构，还要想象氯原子位于环戊烷平面的下方或上方而形成的空间异构：①5上0下 ②4上1下 ③3上2下（邻） ④3上2下（间）

②如某共价化合物含有碳、氢、氮3种元素，已知分子内4个氮原子形成内空的正四面体，每2个氮原子间有1个碳原子；无C-C键，C=C键，C≡C键，求该共价化合物三维结构式。

本题的入手点在于4个氮原子的空间构型类似于白磷分子，从而可以将解题过程分解成4个思维步骤（如下图）。不难得出其结构中含有4个6元环，分子式为C6H12N4。

总而言之：教师应不断探索教学艺术，在对学生进行学科知识教学的同时应更为注重学生想象力的培养，让化学课堂插上想象力的翅膀，从整体上提高学生的综合素质。