基于“微粒观”建构的化学教学

卓高峰　魏樟庆

摘要：化学是一门在原子、分子层次上研究物质的组成、结构、性质及其变化规律的科学，“微粒观”是重要的化学基本观念之一。文章以“不同类型的晶体”为例，从教学论问题分析、基于观念建构的教学设计两个方面建构以“微粒观”为本的教学。

关键词：化学观念；微粒观；微粒间作用力；晶体

文章编号：1008-0546（2014）04-0009-03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

一、问题提出

化学观念不是具体的化学知识，也不是化学知识的简单组合，它是学生通过化学学习后在头脑中留存的，在考察相关的化学问题时所具有的基本的概括性认识。它决定着学生对化学知识的深入理解和灵活应用，对提高学生的科学素养具有重要的价值。因此，化学教学不能只停留在对具体事实性知识和概念、原理的定义内容的教学，更要关注具体性知识背后的化学基本观念。

化学学科区别于其他自然学科最基本的特征是什么？化学是一门在原子、分子层次上研究物质的组成、结构、性质及其变化规律的科学，所以“微粒观”是重要的化学基本观念之一，从微观视角认识和考察物质世界也是学生学习化学后应掌握的重要思维方法。高中化学可从两个方面认识和建构物质的微粒观，一是物质是由原子、分子或离子等层次的微粒构成的，强调微粒的大小、间距、数量和重组，以及微粒的结合方式、顺序、空间排列和作用力；二是化学反应是原子、分子、离子等层次的微粒之间的相互作用，如离子反应中的离子重组，氧化还原反应中的电子转移等等[1]。

苏教版教材提供了大量的“微粒观”教学内容，如：丰富多彩的化学世界、原子的构成、微粒之间的相互作用、从微观结构看物质的多样性、化学能与电能的转化等等。其中，《化学2》专题1“微观结构与物质的多样性”第三单元“从微观结构看物质的多样性”，该单元以同素异形现象、同分异构现象、不同类型的晶体，帮助学生认识和建立物质多样性与微观结构的关系的基本观念。教材“不同类型的晶体”从构成晶体的微粒、微粒间作用力的类型不同，使学生认识微观结构与物质多样性的关系。

二、“不同类型的晶体”教学论问题分析

1. 两种基本认识

（1）物质是由微粒组成的，微粒间存在相互作用力

物质的形态和种类多种多样，从化学元素组成来说，都是有百余种元素所组成；从结构上，都有统一的基本粒子结构。所谓结构就是物质的组成要素之间的关系，如原子是怎样形成分子和晶体的？分子与分子之间是如何影响的？这种关系，反映着物质分子中原子之间直接或间接的相互作用。用化学术语来说，这种关系就是“键”。物质分子中直接联结的原子之间因形成离子键或共价键而发生相互作用；不直接联结的原子之间通过分子间相互作用力、氢键等发生相互作用[2]。这两种力的强弱是不同的。

（2）微粒是运动的和变化的

物质是微粒组成的，微粒是运动的，有间隔的。在固态、液态、气态物质中，微粒的运动方式、微粒之间的距离是不同的。不同聚集状态的物质微观结构上的差异导致了物质性质的不同。如二氧化碳气体，微粒间的距离很大，CO2分子可以自由移动，在降低温度、增大压强时，由于分子间的作用力，二氧化碳可凝结成固态晶体，CO2分子只能在固定的位置上振动。同理，若给CO2晶体加热，提供了能量，CO2分子破坏了分子间作用力，可以自由移动，但CO2分子内的化学键是没有变化的。

2. 学生认识发展障碍点分析

由氯化钠、金刚石和干冰等典型晶体，非常有限地扩展到常见物质，使学生的认识发展存在一定的障碍点：常见物质晶体类型的判断；由微粒间作用力说明晶体的性质等。

（1）不同晶体是由不同微粒构成（同种微粒也可以形成不同晶体），晶体与物质的类别关系

学生学习了同素异形现象和同分异构现象后对物质世界的多样性有了初步了解，并且知道物质是由原子、分子、离子构成，微粒之间存在不同的作用力：离子键、共价键、分子间作用力。但在学习过程中会遇到原子还是分子的区分，例如石英晶体中是原子连结而不是分子连结，有没有分子？微粒之间通过什么作用力而形成晶体？学生难以判断具体物质属于哪种晶体以及晶体类型与构成微粒、微粒间作用力之间的关系。

（2）晶体熔化或气化，破坏何种作用力

在共价键的学习中，学生已建立起“物质发生化学反应的本质是旧键的断裂与新键的形成”的观念，认为物质发生变化时化学键就会发生变化。如干冰气化时需要破坏什么作用力？ 干冰晶体的化学性质是活泼还是稳定取决于哪一种作用力？干冰晶体的熔沸点高低、硬度大小等物理性质取决于哪一种作用力？这种认识判断的模糊在于没有真正认清微粒间的作用与物质性质的关系。

三、基于观念建构的教学设计

1.以观念建构为本的教学内容分析

“微观结构与物质多样性的关系”是本节内容的核心观念，从微粒的结合与排列分析同素异形现象、同分异构现象、晶体类型及其性质，从晶体微粒及相互作用力分析晶体的多样性。其知识间的层级关系如图1和图2：

2. 以观念为本的教学设计

不同类型晶体的“微粒观”建构，要充分利用晶体模型，分析晶体的构成微粒与微粒间作用力；物理性质与微粒间作用力的关系；晶体类型与物质类别的关系。教学过程中采用模型展示、问题驱动、学生自主建构与教师引导相结合，学生能从晶体模型的分析认识晶体的构成微粒与微粒间作用力，理解结构决定性质。从而促进学生基于微粒观建构下的“不同晶体类型”的理解。关键活动设计如下：

（1）离子晶体

[实验]测量熔融氯化钠和氯化钠晶体的导电性，分析NaCl晶体的构成微粒。

设计意图：通过实验引出氯化钠晶体中存在Na+和Cl-，并为氯化钠晶体熔化破坏何种作用力作好铺垫。

[展示]播放食盐晶体的图片及模型并旋转其模型，从各个方向观察立方体。

[问题1]（1）哪种微粒是Na+、Cl-？Na+和Cl-之间的作用力是什么？（2）氯化钠晶体中，Na+、Cl-的排列有什么规则？每个Na+周围吸引多少个Cl-？（3）氯化钠晶体结构中存在单个氯化钠分子吗？化学式NaCl表示什么意思？

设计意图：从构成微粒（微粒大小、排列规则、微粒间的作用力）认识离子晶体，考虑排列方式（离子球形，尽可能吸引相反离子），空间构型（与晶体形状不一定相同）。相反电荷之间存在作用力，再依据阴阳离子相对大小，引出吸引数量，最后得出氯化钠的化学式（结合选修教材：从晶胞的角度获得化学式），建构“阴阳离子通过离子键形成离子晶体，离子晶体中不存在单个分子”的观念。

[问题2]（1）NaCl晶体为什么不能导电？怎样才能导电？（2）为什么氯化钠晶体在水溶液或熔化状态能够导电？（3）氯化钠晶体熔化需要破坏什么作用力？

设计意图：从微粒间的作用力解释离子晶体的物理性质。建构“离子晶体的熔沸点、硬度、导电性等物理性质与离子键有关”。

[问题3]哪些物质是离子晶体？从物质类别（金属单质、非金属单质、离子化合物、共价化合物）来分，分别属于哪类物质？

设计意图：明确离子晶体与物质类别之间的关系，用以判断常见物质是否是离子晶体（不考虑配合物）。

（2）分子晶体

[展示]展示分子晶体（CO2）的图片及三维空间模型。

[问题4]（1）构成干冰的基本微粒是什么？化学式CO2表示什么？（2）CO2分子通过什么作用力结合成晶体？（3）以CO2、C60、Ne分子为例，从分子类型（单分子、多原子分子）、微粒间的作用力（分子内、分子间）分析分子形成晶体的过程。

设计意图：从构成微粒（分子种类、微粒间的作用力）认识分子晶体，建构两种观念：（1）微粒是运动的，有间隔的。在固态、液态、气态物质中，微粒的运动方式、微粒之间的距离是不同的。（2）原子通过共价键形成分子，稀有气体不需要化学键就能形成分子，分子晶体中存在单个分子，分子通过分子间作用力形成分子晶体。

[问题5]（1）取出一小块干冰，放在空气中直至全部气化，让同学们想象，晶体中和气体中的微粒成分，以及微粒之间的作用力。（2）干冰晶体的化学性质是活泼还是稳定取决于哪一种作用力？干冰晶体的熔沸点高低、硬度大小等物理性质取决于哪一种作用力？（3）固态或液态的CO2能不能导电？

设计意图：从分子间的作用力解释分子晶体的物理性质。建构“分子晶体的熔沸点、硬度、导电性等物理性质与分子间作用力有关”的观念。

[问题6]哪些物质是分子晶体？从物质类别来分，分别属于哪几类物质？

设计意图：明确分子晶体与物质类别之间的关系，用以判断常见物质是否是分子晶体。

（3）原子晶体

[展示]播放碳原子形成金刚石的过程。

[问题7]（1）构成金刚石晶体的微粒是什么？每个碳原子通过什么方式结合在一起？

（2）用Si代替C原子，分析硅晶体的形成；在硅晶体中，Si原子间插入O原子，分析二氧化硅晶体的形成。（3）什么是原子晶体？SiO2晶体中存在SiO2分子吗？化学式SiO2表示什么意思？

设计意图：从构成微粒（原子成键个数、排列规则、微粒间的作用力）认识原子晶体，从金刚石晶体到二氧化硅的晶体的衍变中建构 “原子通过共价健形成彼此连接的空间网状结构的原子晶体，原子晶体中不存在单个分子”的观念。

[问题8]（1）CO2和SiO2的一些物理性质（如下）有很大差异，为什么？

干冰：熔点-78.4℃；沸点-56.2℃

SiO2：熔点1723℃；沸点2230℃

（2）SiO2晶体熔化时，需克服什么作用力？熔化状态的原子晶体能导电吗？

设计意图：从微粒间的作用力角度解释原子晶体的物理性质。建构“原子晶体的熔沸点、硬度、导电性等物理性质与共价键有关”的观念。

[问题9]哪些物质是分子晶体？从物质类别来分，分别属于哪几类物质？

设计意图：明确原子晶体与物质类别之间的关系，用以判断常见物质是否是原子晶体。

（4）归纳与总结

[问题10]晶体类型与构成微粒、微粒间的作用力有什么关系？晶体类型与物质类别之间有什么关系？

设计意图：从微粒观的角度梳理晶体类型与构成微粒、微粒间作用力之间的关系（如图5）；从各种晶体实例中梳理晶体类型与物质类别之间的关系（如图6）。

四、讨论与建议

基于微粒观建构的教学最关键的步骤是：“微粒观” 教学论问题分析，注意学生已有的“微粒观”知识以及在进一步建构“微粒观”过程中认识的基本问题与认知障碍；“微粒观”建构为本的教学内容分析，要将“微粒观”的基本内涵内化在知识分析中；外显的教学环节设计，使教师明确每一步教学环节的设计意图是如何帮助学生将认识角度从宏观向微观、从现象向本质转变，丰富和发展学生从微观角度认识和理解晶体的结构与性质，逐渐将具体概念知识的学习转化为学生的化学观念。

参考文献

[1] 魏樟庆. 新课程高中化学“微粒性”观念的建构[J].化学教育，2008，（10）：14

[2] 魏樟庆等.实施以观念建构为本的化学教学[J].化学教育， 2007，（7）：20

[3] 陈瑞雪.以微粒观促进学生对化学知识的深入理解[J].化学教育， 2013，（1）：21

[问题1]（1）哪种微粒是Na+、Cl-？Na+和Cl-之间的作用力是什么？（2）氯化钠晶体中，Na+、Cl-的排列有什么规则？每个Na+周围吸引多少个Cl-？（3）氯化钠晶体结构中存在单个氯化钠分子吗？化学式NaCl表示什么意思？

设计意图：从构成微粒（微粒大小、排列规则、微粒间的作用力）认识离子晶体，考虑排列方式（离子球形，尽可能吸引相反离子），空间构型（与晶体形状不一定相同）。相反电荷之间存在作用力，再依据阴阳离子相对大小，引出吸引数量，最后得出氯化钠的化学式（结合选修教材：从晶胞的角度获得化学式），建构“阴阳离子通过离子键形成离子晶体，离子晶体中不存在单个分子”的观念。

[问题2]（1）NaCl晶体为什么不能导电？怎样才能导电？（2）为什么氯化钠晶体在水溶液或熔化状态能够导电？（3）氯化钠晶体熔化需要破坏什么作用力？

设计意图：从微粒间的作用力解释离子晶体的物理性质。建构“离子晶体的熔沸点、硬度、导电性等物理性质与离子键有关”。

[问题3]哪些物质是离子晶体？从物质类别（金属单质、非金属单质、离子化合物、共价化合物）来分，分别属于哪类物质？

设计意图：明确离子晶体与物质类别之间的关系，用以判断常见物质是否是离子晶体（不考虑配合物）。

（2）分子晶体

[展示]展示分子晶体（CO2）的图片及三维空间模型。

[问题4]（1）构成干冰的基本微粒是什么？化学式CO2表示什么？（2）CO2分子通过什么作用力结合成晶体？（3）以CO2、C60、Ne分子为例，从分子类型（单分子、多原子分子）、微粒间的作用力（分子内、分子间）分析分子形成晶体的过程。

设计意图：从构成微粒（分子种类、微粒间的作用力）认识分子晶体，建构两种观念：（1）微粒是运动的，有间隔的。在固态、液态、气态物质中，微粒的运动方式、微粒之间的距离是不同的。（2）原子通过共价键形成分子，稀有气体不需要化学键就能形成分子，分子晶体中存在单个分子，分子通过分子间作用力形成分子晶体。

[问题5]（1）取出一小块干冰，放在空气中直至全部气化，让同学们想象，晶体中和气体中的微粒成分，以及微粒之间的作用力。（2）干冰晶体的化学性质是活泼还是稳定取决于哪一种作用力？干冰晶体的熔沸点高低、硬度大小等物理性质取决于哪一种作用力？（3）固态或液态的CO2能不能导电？

设计意图：从分子间的作用力解释分子晶体的物理性质。建构“分子晶体的熔沸点、硬度、导电性等物理性质与分子间作用力有关”的观念。

[问题6]哪些物质是分子晶体？从物质类别来分，分别属于哪几类物质？

设计意图：明确分子晶体与物质类别之间的关系，用以判断常见物质是否是分子晶体。

（3）原子晶体

[展示]播放碳原子形成金刚石的过程。

[问题7]（1）构成金刚石晶体的微粒是什么？每个碳原子通过什么方式结合在一起？

（2）用Si代替C原子，分析硅晶体的形成；在硅晶体中，Si原子间插入O原子，分析二氧化硅晶体的形成。（3）什么是原子晶体？SiO2晶体中存在SiO2分子吗？化学式SiO2表示什么意思？

设计意图：从构成微粒（原子成键个数、排列规则、微粒间的作用力）认识原子晶体，从金刚石晶体到二氧化硅的晶体的衍变中建构 “原子通过共价健形成彼此连接的空间网状结构的原子晶体，原子晶体中不存在单个分子”的观念。

[问题8]（1）CO2和SiO2的一些物理性质（如下）有很大差异，为什么？

干冰：熔点-78.4℃；沸点-56.2℃

SiO2：熔点1723℃；沸点2230℃

（2）SiO2晶体熔化时，需克服什么作用力？熔化状态的原子晶体能导电吗？

设计意图：从微粒间的作用力角度解释原子晶体的物理性质。建构“原子晶体的熔沸点、硬度、导电性等物理性质与共价键有关”的观念。

[问题9]哪些物质是分子晶体？从物质类别来分，分别属于哪几类物质？

设计意图：明确原子晶体与物质类别之间的关系，用以判断常见物质是否是原子晶体。

（4）归纳与总结

[问题10]晶体类型与构成微粒、微粒间的作用力有什么关系？晶体类型与物质类别之间有什么关系？

设计意图：从微粒观的角度梳理晶体类型与构成微粒、微粒间作用力之间的关系（如图5）；从各种晶体实例中梳理晶体类型与物质类别之间的关系（如图6）。

四、讨论与建议

基于微粒观建构的教学最关键的步骤是：“微粒观” 教学论问题分析，注意学生已有的“微粒观”知识以及在进一步建构“微粒观”过程中认识的基本问题与认知障碍；“微粒观”建构为本的教学内容分析，要将“微粒观”的基本内涵内化在知识分析中；外显的教学环节设计，使教师明确每一步教学环节的设计意图是如何帮助学生将认识角度从宏观向微观、从现象向本质转变，丰富和发展学生从微观角度认识和理解晶体的结构与性质，逐渐将具体概念知识的学习转化为学生的化学观念。

参考文献

[1] 魏樟庆. 新课程高中化学“微粒性”观念的建构[J].化学教育，2008，（10）：14

[2] 魏樟庆等.实施以观念建构为本的化学教学[J].化学教育， 2007，（7）：20

[3] 陈瑞雪.以微粒观促进学生对化学知识的深入理解[J].化学教育， 2013，（1）：21

[问题1]（1）哪种微粒是Na+、Cl-？Na+和Cl-之间的作用力是什么？（2）氯化钠晶体中，Na+、Cl-的排列有什么规则？每个Na+周围吸引多少个Cl-？（3）氯化钠晶体结构中存在单个氯化钠分子吗？化学式NaCl表示什么意思？

设计意图：从构成微粒（微粒大小、排列规则、微粒间的作用力）认识离子晶体，考虑排列方式（离子球形，尽可能吸引相反离子），空间构型（与晶体形状不一定相同）。相反电荷之间存在作用力，再依据阴阳离子相对大小，引出吸引数量，最后得出氯化钠的化学式（结合选修教材：从晶胞的角度获得化学式），建构“阴阳离子通过离子键形成离子晶体，离子晶体中不存在单个分子”的观念。

[问题2]（1）NaCl晶体为什么不能导电？怎样才能导电？（2）为什么氯化钠晶体在水溶液或熔化状态能够导电？（3）氯化钠晶体熔化需要破坏什么作用力？

设计意图：从微粒间的作用力解释离子晶体的物理性质。建构“离子晶体的熔沸点、硬度、导电性等物理性质与离子键有关”。

[问题3]哪些物质是离子晶体？从物质类别（金属单质、非金属单质、离子化合物、共价化合物）来分，分别属于哪类物质？

设计意图：明确离子晶体与物质类别之间的关系，用以判断常见物质是否是离子晶体（不考虑配合物）。

（2）分子晶体

[展示]展示分子晶体（CO2）的图片及三维空间模型。

[问题4]（1）构成干冰的基本微粒是什么？化学式CO2表示什么？（2）CO2分子通过什么作用力结合成晶体？（3）以CO2、C60、Ne分子为例，从分子类型（单分子、多原子分子）、微粒间的作用力（分子内、分子间）分析分子形成晶体的过程。

设计意图：从构成微粒（分子种类、微粒间的作用力）认识分子晶体，建构两种观念：（1）微粒是运动的，有间隔的。在固态、液态、气态物质中，微粒的运动方式、微粒之间的距离是不同的。（2）原子通过共价键形成分子，稀有气体不需要化学键就能形成分子，分子晶体中存在单个分子，分子通过分子间作用力形成分子晶体。

[问题5]（1）取出一小块干冰，放在空气中直至全部气化，让同学们想象，晶体中和气体中的微粒成分，以及微粒之间的作用力。（2）干冰晶体的化学性质是活泼还是稳定取决于哪一种作用力？干冰晶体的熔沸点高低、硬度大小等物理性质取决于哪一种作用力？（3）固态或液态的CO2能不能导电？

设计意图：从分子间的作用力解释分子晶体的物理性质。建构“分子晶体的熔沸点、硬度、导电性等物理性质与分子间作用力有关”的观念。

[问题6]哪些物质是分子晶体？从物质类别来分，分别属于哪几类物质？

设计意图：明确分子晶体与物质类别之间的关系，用以判断常见物质是否是分子晶体。

（3）原子晶体

[展示]播放碳原子形成金刚石的过程。

[问题7]（1）构成金刚石晶体的微粒是什么？每个碳原子通过什么方式结合在一起？

（2）用Si代替C原子，分析硅晶体的形成；在硅晶体中，Si原子间插入O原子，分析二氧化硅晶体的形成。（3）什么是原子晶体？SiO2晶体中存在SiO2分子吗？化学式SiO2表示什么意思？

设计意图：从构成微粒（原子成键个数、排列规则、微粒间的作用力）认识原子晶体，从金刚石晶体到二氧化硅的晶体的衍变中建构 “原子通过共价健形成彼此连接的空间网状结构的原子晶体，原子晶体中不存在单个分子”的观念。

[问题8]（1）CO2和SiO2的一些物理性质（如下）有很大差异，为什么？

干冰：熔点-78.4℃；沸点-56.2℃

SiO2：熔点1723℃；沸点2230℃

（2）SiO2晶体熔化时，需克服什么作用力？熔化状态的原子晶体能导电吗？

设计意图：从微粒间的作用力角度解释原子晶体的物理性质。建构“原子晶体的熔沸点、硬度、导电性等物理性质与共价键有关”的观念。

[问题9]哪些物质是分子晶体？从物质类别来分，分别属于哪几类物质？

设计意图：明确原子晶体与物质类别之间的关系，用以判断常见物质是否是原子晶体。

（4）归纳与总结

[问题10]晶体类型与构成微粒、微粒间的作用力有什么关系？晶体类型与物质类别之间有什么关系？

设计意图：从微粒观的角度梳理晶体类型与构成微粒、微粒间作用力之间的关系（如图5）；从各种晶体实例中梳理晶体类型与物质类别之间的关系（如图6）。

四、讨论与建议

基于微粒观建构的教学最关键的步骤是：“微粒观” 教学论问题分析，注意学生已有的“微粒观”知识以及在进一步建构“微粒观”过程中认识的基本问题与认知障碍；“微粒观”建构为本的教学内容分析，要将“微粒观”的基本内涵内化在知识分析中；外显的教学环节设计，使教师明确每一步教学环节的设计意图是如何帮助学生将认识角度从宏观向微观、从现象向本质转变，丰富和发展学生从微观角度认识和理解晶体的结构与性质，逐渐将具体概念知识的学习转化为学生的化学观念。

参考文献

[1] 魏樟庆. 新课程高中化学“微粒性”观念的建构[J].化学教育，2008，（10）：14

[2] 魏樟庆等.实施以观念建构为本的化学教学[J].化学教育， 2007，（7）：20

[3] 陈瑞雪.以微粒观促进学生对化学知识的深入理解[J].化学教育， 2013，（1）：21