以“发展学生核心素养”为导向的高二化学教学研究——微观模型在《选修3》教学中的运用

吴晓娟

（广东省广州市第四中学，广东 广州）

一、《物质结构与性质》教材分析

结构化学是研究物质的结构及结构与性能之间关系的一门基础科学。人教版《物质结构与性质》分3章，分别以三个水平对物质结构与性质的关系进行学习：首先，在原子水平上进行研究，教科书中体现为第1章“原子结构与元素性质”；其次，以微粒间的相互作用为第二水平进行研究，在教科书中体现为第2章“分子结构与性质”；最后，在此基础上专门讨论了物质的聚集，以微粒的种类、微粒间相互作用力的种类以及微粒的聚集程度为线索，在教科书中体现为第3章“晶体结构与性质”。在内容的组织上，教材以促进学生科学素养的发展为目标来构建教科书体系，从微观到宏观、从现象到本质、从定性到定量，勾勒出人类对结构化学的认识。

在该模块的学习过程中，由于微观粒子是肉眼看不见的，学生必须进行微观想象，再加上理解难度大，学生想象力的发展水平有限以及个体差异性，学生对物质结构理论的理解及科学构建需要辅助手段来模拟微观世界。而微观模型是可视化、最直接的辅助手段，包括实物微观模型及计算机模拟微观模型。模型引路在前，展开理论在后，降低学生理解的难度，帮助学生准确地把握理论，做到理解性学习，避免记忆性学习。

二、微观模型应用于教学的几个课例

1.共价键成键特点及规律

共价键根据成键过程中电子云重叠方式的不同分为σ键和π键，并且有如下规律：共价单键是σ键，共价双键中一个是σ键，另一个是π键，共价三键中一个是σ键，另两个为π键。

如何让学生理解σ键沿轴方向“头碰头”和π键平行方向“肩并肩”的重叠过程，最有效的方式就是将这个动态过程演示出来。这里列举两种微观模型呈现方式。第一种，利用软件绘制成键动态过程。这种方式的优势在于可以形象地看到电子云在成键过程中的变化及最终形态，很好地展示了σ键和π键电子云的对称性，也很形象地说明了为何σ键可以旋转而π键不行。而缺点是动画是事先绘制好的，内容固定，课堂使用的灵活性较低。第二种，制作实物微观模型。图2.1.1是笔者在教学过程中使用常见材料制作微观模型的图示。

实物模图2.1.1

实物模型的优势是可根据课堂需要进行展示，灵活性较强，能形象展示p轨道成键时只能形成一个σ键。如图2.1.2所示，当pX以头碰头的重叠方式形成σ键时，旋转σ键，pY的原子轨道要不不重叠，要不只能以肩并肩的方式重叠，学生也就不难理解此时pY和pZ只能形成π键，进而归纳出原子键形成双键和三键时均有且只有一个σ键，其余为π键。而实物模型的劣势是无法展示成键过程中电子云的动态变化。

图2.1.2

在教学过程中，可同时结合两种微观模型呈现方式，帮助学生理解成键的规律。

2.VSEPR理论与分子构型

价层电子对互斥模型是判断分子立体构型的一种简单的理论模型。在学习过程中，学生不难运用公式计算出孤电子对数和价层电子对数，进而判断出分子的价层电子对构型。但从价层电子对构型推导出分子构型，部分学生出现了困难。在学习的初始阶段，可绘制直观的分子价层电子对构型和分子构型，让学生看到两者的联系，帮助学生培养抽象思维，降低学生理解的难度。

图2.2.1

3.晶胞结构的分析

“晶体结构与计算”是高考理综的常考试题，解题需要运用立体集合知识建模，再进行计算。这是学生学习本模块的难点之一。很多学生在学习时很难想象晶胞的立体结构，对晶胞的分析也经常束手无策。因此，在教学中使用微观模型，帮助学生了解晶胞的结构，在观察中分析、认识晶胞。

许多学校都配备相应的晶胞模型供老师上课使用，然而市面上的晶胞模型往往都是固定的，在使用过程中无法拆卸，使用起来不够灵活。相对而言，由Diamond软件绘制的晶胞模型不仅简洁清晰，而且可根据需要突出配位粒子、旋转观察等。图2.3.1展示的是氯化钠晶胞及绘制出钠离子及氯离子配位离子的晶胞模型。使用这样的晶胞模型可以让学生清晰地看到粒子的配位粒子，在获得直观认知后再进行思考：如何从一个晶胞中找出一个粒子周围的配位粒子？同时，可以提高学生的学习兴趣，减轻学生对微观结构学习的畏惧感。

图2.3.1 NaCl晶胞

当晶胞较为复杂时，绘制的晶胞模型的观察难度也会增大。例如，在金属晶体的教学中，常见的金属堆积方式及其对应的晶胞，再到晶胞空间利用率的计算，都需要学生有较强的空间想象能力和观察能力才能准确分析。此时，自制微观模型能达到更好的教学效果。

例如，在讲解面心立方最密堆积时，很多学生难以从原子堆积中找到晶胞，这会增加学生学习的畏难情绪。笔者在教学中采用泡沫球和双面胶，提前做好了每层的原子堆积，如图2.3.2所示，共4层。上课时，按图所示顺序进行叠加，形成了金属铜的局部分子堆，借助自制的微观模型，只需要将最上层和最下层的原子拆掉，每层仅留下最中间的原子，再将剩余的原子堆稍做旋转，便可看到面心立方晶胞。通过这一系列的展示，帮助学生理解面心立方最密堆积的晶胞划分，也为后续晶胞空间利用率的计算做好铺垫。

图2.3.2