基于常见材料建构并应用化学模型

韩晓+王朝晖

摘要：用生活中常见的塑料串珠等材料建构了两种化学模型，一种用来表示路易斯理论中的电子式模型，另一种用来表示有机物分子结构模型。通过学生动手操作，提高学生对模型的理解水平，培养学生的建模能力和模型认知素养。

关键词：化学模型；电子式；分子结构模型；模型认知素养

文章编号：1005–6629（2016）12–0029–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 概述

模型是科学认知的一种特殊形式，是人们为了某种特定的目的而对客观对象原型所做的一种简化描述。模型也是人们实现认知的工具，在高中化学新课程标准修订过程中，将模型认知作为高中生化学学科的核心素养之一[1]。在化学学习过程中，学生借助模型这一媒介，可以沟通科学理论和真实的世界，并对化学现象作出合理的解释和描述，促进科学知识的理解。模型是学生理解知识的一种重要手段，通过模型，可以将抽象的、难以理解的问题形象化、具体化。教学中应用模型有利于学生掌握知识，构建知识网络框架，为学生接受知识、理解知识提供方便[2]。

学生结合所学的化学知识，建立模型，解决相关问题，再将解决问题的分析思路与策略方法进行抽象概括，就是化学建模过程[3]。建模过程有助于学生自主建构知识，通过建模，学生体会到化学模型的产生过程，并根据自己的学习经验和背景，自主建构知识网络，再经过加工和处理，学习到更多的科学知识，建立科学理论与经验之间的联系以及解决复杂化学问题的方法。

化学模型可分为思想模型和物质模型。物质模型生动直观，将抽象的内容形象化，增加学生的感性认识，从而降低概念和理论教学的难度。高中教学中常用的物质模型多为球棍模型，类型比较单一，有些分子和晶体结构的模型体积较大，不易搬运，而且不易拆解，也不利于学生亲自体验。一些教师在教学实践中，通过自制物质模型，如陈克刚[4]以廢弃的包装家用电器的泡沫塑料、牙签等材料制作了金刚石晶体、碳酸根离子和乙烷等物质模型；刘振琼等人[5]以硬纸片为底版，制作了C60分子的模型，为球棍模型等物质模型提供了有益的补充。这些自制的物质模型，使学生对分子的形状及结构有比较直观的认识，利于学生自主建构模型，激发学生的求知欲望和探索精神。不过，泡沫塑料制作的模型坚固性和耐磨性较差，比较容易损坏，而且体积较大，不易搬运。硬纸片做的C60分子模型，不易拆解和重新组装，也不利于学生亲自体验建模的过程。

笔者在教学中，利用塑料串珠、绒线绳、鱼线等生活中常见的材料自制了两种化学模型。制作方法简单，容易操作，学生可以亲自制作，体验建模的过程，从而调动学生学习化学的积极性和创造性。自制的模型较为真实地反映了物质的结构，容易让学生认识到模型与原型的异同，准确地反映教学内容，利于学生轻松地理解和掌握相关知识。自制的模型坚固耐用，体积小，易于携带，还可以轻松地拆解和重新组装，有利于学生加深对相关知识的理解，帮助学生自主建构知识体系[6]。在课堂上，笔者让每个学生动手制作或装配出相关的化学自制模型，引导学生共同探讨，共同体验建模过程，通过学生动手操作，充分发挥学生的主观能动性和创造性，激发学生的参与热情，同时培养了学生的建模能力和模型认知素养。

下面介绍这两种用塑料串珠等材料建构的化学模型，供同行参考。

2 电子式模型

2.1 电子式模型建立的意义

共价键的最初模型是美国化学家路易斯提出的“共用电子对”概念，用电子式表示原子价层电子的共用情况。传统的球棍模型，用小球代表原子，短棍代表共价键，表示共价化合物的分子结构，却无法直观地表示原子的价层电子和共用电子的情况。在电子式知识的教学中，教师常采用板书书写电子式，用粉笔画点表示不同原子的价电子，或者使用动画模拟分子的形成过程，学生理解起来较为困难，而且无法亲自体验。笔者选用绒线绳和塑料串珠作为建构电子式模型的材料，根据Kristy L. Turner[7]以价层电子和电子的共用情况建构模型的想法来建构电子式模型。用绒线绳代表原子的价电子层，塑料串珠代表原子的价电子，这种模型对于学生理解共价化合物的电子式和共价键理论模型，以及分子的形成过程具有重要的作用。教学中将共价键理论的思维模型的建立过程和电子式模型的物质模型建立相结合，让学生体会模型在学习化学知识中的重要作用，培养学生自主建构模型的能力。

2.2 电子式模型使用材料和制作过程

材料：不同颜色的绒线绳若干，不同颜色的具有合适孔径的塑料珠，见图1。

以简单的H2的电子式模型为例，首先，选取2根白色的绒线绳代表两个氢原子的价电子层，选择2颗红色的塑料串珠分别代表两个氢原子的价电子，将2颗红色串珠分别穿在两根白色绒线绳上，如图2所示。

将两颗红色串珠用绒线绳串连起来，并将绒线绳弯曲成圆形，代表氢原子的价电子层，再将绒线绳扭曲固定，H2的电子式模型就建立起来了。

2.3 电子式模型的应用

建构H2的电子式模型之后，学生自行设计了氯化氢分子的电子式模型。通过讨论氯化氢分子电子式和H2电子式的不同，以及氯原子半径和氢原子半径大小的比较，并分析氯原子和氢原子价层电子数目多少。学生在建构氯化氢分子电子式模型时，选择了正确的串珠个数代表价层电子数目，合适长度和比例的绒线绳代表氢原子和氯原子的价电子层。如图3所示的氯化氢分子模型，学生选取7颗串珠代表氯原子的7个价电子，穿在蓝色的绒线绳上，1颗串珠代表氢原子的1个价电子，穿在白色的绒线绳上，并根据氢原子和氯原子原子半径不同，建构氯化氢分子模型时，使得蓝色的绒线绳比白色的绒线绳长，代表它们不同的半径大小。

美国斯坦福大学化学系系主任Richard Zare指出，化学家是最想真实地看到分子以及分子间的转换过程的。课堂上，学生通过讨论发现，利用塑料串珠电子式模型，能模拟氯化氢分子的形成过程，如图4所示。

大部分学生在模拟共价化合物分子形成的过程中，选择建构NH3、H2O、CH4等分子。有个别学生选择BF3分子进行建构，如图5所示。建构过程中，发现BF3分子的中心原子不满足“八隅律”规则，学生共同讨论了路易斯共用电子对模型的局限性，并上网查阅价键理论，分子轨道理论和杂化轨道理论，了解共价键理论的发展历史。

3 有机物分子结构模型

3.1 有机物分子结构模型建立的意义

在进行有机物结构教学时，很多有机物的结构比较抽象，学生凭简单的语言文字，以及平面图形很难进行空间想象，在解答有机物的题目时，也常因不理解有机物分子的结构而出现偏差。笔者在教学中用编织手工艺品的塑料串珠来建构有机化合物分子模型，用塑料串珠代表共价键，用柔软的鱼线连接串珠，串珠共用的点表示原子。通过学生动手操作建构有机物分子结构模型，有效地展示了有机物的分子结构，学生可以更好地理解有机物的结构。有机物分子结构的串珠模型，直径大约2cm，小巧，轻便，建构方法简单，利于学生亲自操作和体验，可以作为学生学习有机化合物分子结构的常用工具。

3.2 有机物分子结构模型使用材料和制作过程

材料：不同颜色的具有合适孔径的塑料串珠，鱼线若干，如图6所示。

以有机物苯分子为例，取6颗串珠用鱼线穿起来，如图7-（2）所示，将6颗串珠分别标号为1到6，如串珠模型示意图7-（3）所示，将鱼线两端标号为a和b，为了便于观察，将鱼线a端的前端标注为红色。

将鱼线a端自身绕一圈，再穿入第6号串珠，穿入方法如图8-（1）所示；将鱼线b端穿入由鱼线a端和6号串珠构成的圈内，如图8-（2）所示；紧拉鱼线a端，此时在6号串珠内部自动打一个结，如图8-（3）所示；用力紧拉鱼线a端和b端，将此六元环固定，就建构成了苯分子的串珠模型，如图8-（4）所示。在苯分子模型中，塑料串珠代表碳碳键，串珠之间相连的点代表碳原子，省略碳氢键。

3.3 有机物分子结构模型的应用

建构苯分子模型之后，学生利用不同颜色的串珠建构苯的取代物模型，如图9-（1）所示；用绿色的串珠代表碳氯键，将鱼线穿入绿色串珠和相邻的两颗红色串珠内，建构成如图9-（2）所示的氯苯的串珠模型。学生又以氯苯为参考，通过串珠模型，探讨苯的二氯取代物的种类。

学生起初认为图10所示的结构中，a、b、c是间二氯苯的3种同分异构体，在学生对间二氯苯分子的串珠模型的建构过程中，发现只要进行简单的旋转，就可以理解图10中a、b、c的3个结构事实上是同种物质。

塑料串珠除了可以建构苯这类平面型分子，还可以建构如立方烷、C60以及厦门大学谢素原教授课题组在2004年《科学》杂志上发表的C50Cl10等结构模型，如图11所示，串珠模型对于这类笼状立体结构的分子，有较高的适用性。教学中，笔者给学生展示了自己建构的笼子立体结构分子，学生很惊奇。学生第一次发现原来分子结构也可以如此美丽，激发了他们的参与热情和探索精神。

4 总结与反思

目前高中教学，对于学生模型认知素养的培养还处于起步阶段，文献也较少涉及。采用生活中常见的材料建构化学模型，是对传统的球棍模型等物质模型的补充，将塑料串珠模型的建构方法运用于教学之中，从简单的物质模型出发，利于培养学生的建模兴趣和模型认知素养。在学生学习化学的过程中，多为学生建构适宜于自己的模型创造条件，通过简单易于操作的串珠模型这类物质模型的建构，在教学过程中有意识地教授学生一些建模的思路、方法，让学生体验模型建构的过程，因为建立模型的過程要比模型结果更为重要。

学生亲自动手制作模型可以丰富学生的感觉、知觉和表象，使学生的想象空间得到扩展，想象力得到发挥。在教学中，教师指导学生制作模型应注意以下几点：（1）简单耐用。制作的模型力求简洁，不能过于复杂，便于学生拆解和组装。（2）尽量真实。模型要尽量真实，以达到逼真的效果，这样能更准确地反映教学过程，有助于加深学生对学习内容的理解。（3）易于操作。建立模型过程简单易行有助于排除干扰，能清晰地反映原型的反应过程，有助于学生掌握学习内容。学生模型建构的培养不是一蹴而就，教师应注重学生模型建构能力的培养，发挥学生的主观能动性，提高他们的实践能力，推动该领域的教学研究的开展，促进化学模型建构教学体系的完善。

参考文献：

[1]王云生.基础教育阶段学科核心素养及其确定——以化学学科核心素养为例[J].福建基础教育研究，2016，（2）：7～9.

[2]薛勇军.高中化学教学中开展模型教学的研究与实践[D].苏州：苏州大学硕士学位论文，2013.

[3]卢胜彬.高中化学建模教学的研究[D].南宁：广西师范大学硕士学位论文，2015.

[4]陈克刚.自制模型在中学化学教学中的作用[J].实验与教具改革，1997，（6）：6～7.

[5]刘振琼，廉蠡. C60分子模型的简易制作方法[J].化学教学，2003，（3）：12.

[6]谭小青，曾汉泰.自制化学模型对中学生创新能力培养的实践探索[J].化学教育，2004，（12）：29～31.

[7] KristyL.Turner. A Cost-Effective Physical Modeling Exercise to Develop Students Understanding of Covalent Bonding. J. Chem. Educ，2016，93（6）：1073～1080.