构建化学模型体系 体验微观模拟世界——以《物质结构与性质》教学为例

余小耿

（漳浦第一中学，福建 漳浦 363200）

高中化学学科核心素养是高中学生发展核心素养的重要组成部分，是学生必备的科学素养，是学生综合素质的具体体现，反映了社会主义核心价值观下化学学科育人的基本要求，全面展现了化学课程学习对学生未来发展的重要价值。[1]高中生的化学学科核心素养培养的落脚点在哪儿？教学实际中，化学学科核心素养的五个维度在不同的模块内容、不同的教学环节中如何体现，如何落实？“证据推理与模型认知”这一学科核心素养的维度在《物质结构与性质》这一模块中如何落实，如何构建模型体系，如何让学生体验模拟世界的神奇呢？

一、构建模型体系的必要性

化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的一门基础学科，其特征是从微观层次认识物质，以符号形式描述物质，在不同层面创造物质。[2]《物质结构与性质》模块从原子结构与元素性质、微粒间作用力与物质性质、分子间作用力与物质性质等几个专题探索物质构成的奥秘，研究不同类型物质结构与性质的关系，理解物质变化的本质，预测物质性质，设计新分子、合成新材料、创造新物质。但是这部分知识内容丰富，理论知识逻辑严谨，概念多，比较抽象，对空间想象力等能力要求较高，学生觉得枯燥和晦涩难懂，普遍感觉难度较大，导致学习兴趣不高，学习效果不理想。一些微观的过程，比如共价键的形成是一个肉眼无法可视的世界，只能通过想象来感悟；比如晶体结构中各种晶粒的堆积和离子之间的相对位置，即使教科书上有插图，学生仍然一头雾水。所以需要以物质组成、结构及其变化的事实作为构建模型的基础，研究构建认识物质的模型体系，通过构建实物模型（具体模型）、理论模型（抽象思维模型）等多种模型来认识和理解物质结构与性质，体验微观模拟世界的神奇，掌握《物质结构与性质》模块学习上的重点和突破学习上的难点。

二、构建物质结构实物模型，让学生能认知、理解、描述物质结构与性质

《物质结构与性质》模块中首先重点学习了解分子、原子这一类型的微观世界，这些知识点在之后的学习中会经常地、反复地被运用到，所以在一开始的基础学习中就必须要对这些基础知识点熟悉掌握。但是，因为分子和原子这些物质是非常细微的，用肉眼不可能观察到，但却是确确实实存在的，所以这里就不能再像小学、初中那样用观察的手法来进行分析探索，或只是停留在观察书上的模型图或者教师画模型图，而是应该让学生主动构建模型想象，自主形成微观认识。比如在杂化轨道理论的教学中，为了形象的体会SP3杂化轨道形状和空间伸展方式，教师可以在教学设计中让学生构建模型想象，动手画模型，教导学生依据杂化理论等采用橡皮泥、球棍模型或比例模型来搭建可能存在的实物模型，然后再依据杂化轨道间的夹角这一知识点来理解“甲烷是正四面体结构”这一结论。

晶体结构的教与学是困惑高中教师和学生的一大难题，而通过构建晶体结构模型，可以让学生深刻理解晶体的结构和晶粒之间的相对位置。教师可以采用购买的晶体实物模型进行教学，让每个学生动手搭建各种晶体模型；这些模型能够直观清晰地展示晶粒子之间的相对位置，很好地理解金刚石的正四面体的空间网状结构，理解NaCl型和CsCl型晶体的体心、面心、棱边等，帮助学生构建空间想象能力，理解并掌握晶体结构。也可以用多媒体演示结构模型或采用模型软件，让学生全方位地观察晶体结构模型中微粒的构成特点，增强学生分析问题的直观性，建立比较完整的空间立体比例模型，培养学生的空间想象能力和抽象思维能力。教师还可以提供或让学生自己制作泡沫塑料球、棉花条、扭扭棒，根据书上提供的各种晶体结构，用502胶水或AB胶动手黏合制作各种晶胞模型。比如在动手制作金属晶体过程中，让学生体会非密置层、密置层的二维堆积过程；了解六方堆积、面心立方堆积、体心立方堆积的区别，对难以用语言描述的三维空间ABABAB的六方密堆积方式和ABCABCABC的立方密堆积方式有了更深刻的体会。在实物模型的帮助下，学生很好地理解小球的相切情况，突破了晶胞结构中粒子间的距离与晶胞棱长的关系，高考中有关晶胞的综合计算也就不是难点了。

三、构建系统模型、关系模型等理论模型（抽象思维模型），体验微观世界的神奇

化学家以实验事实为基础，借助想象和相关理论在分子、原子水平上建立了一整套关于物质及其变化规律性的化学微观认识体系。化学微观认识的表征形态及其解释机制本质上是一种模型构建。分子、原子是具有抽象性和不可观测性的，因此需要根据有限的实验事实对原子、分子构建模型想象，通过推论思维和想象思维对原子、分子进行猜测性的描述。科学家对原子结构模型的探索历史就是一种抽象思维模型的提出、修正和完善的过程。因此，在不影响科学性的前提下，构建合理的微观模型体系，可以增加微观世界的可视性，增强学生对微观世界的体验，相当于提供学生一双观看微观世界的眼睛，使微观世界可视化、抽象过程形象化，让学生深切体会到模拟微观世界的神奇与丰富多彩。

科学家抓住了元素研究的主要因素构建了元素原子结构——元素在周期表中的位置——元素性质之间关系的系统模型，反映不同元素之间内在的联系，这就是元素周期律的本质。探索原子结构与元素性质之间的关系需要建构原子结构模型，需要探究不同元素原子结构相关变量之间即核电荷数、原子半径、电子层数、最外层电子数、化合价等随原子序数变量的改变而变化的趋势的关系模型，即认识元素周期律的性质。通过构建虚拟模型对化学元素周期表中每种元素进行的认识，让学生建立基于“位—构—性”关系的系统认知模型，把视野从书中拓展到模拟体系的构建当中去。引导学生建构“位—构—性”的系统认知模型是元素周期律的教学核心，建构认知模型可以促进学生对元素及其化合物的阶段性认识发展，应用认知模型可以分析和解决有关元素及其化合物的实际问题。因此，《物质结构与性质》模块的教学既是高中化学学习的重要内容，也是培养学生证据推理与模型认知等化学核心素养的主要载体。