基于Gauss View培养化学学科核心素养的宏观辨识与微观探析

张崇海洋，李雨遥，杨秀培

（西华师范大学 化学化工学院，四川 南充 637002）

目前，我国已进入了飞速发展的阶段，在这个时期，各行各业对新型人才的需求越来越紧迫。学校是人才培养的第一基地，而以往“重结果轻过程”的培养方式明显不能继续为国家提供更多、更优秀的人才，因此，教育方式的转变迫在眉睫。普通高中化学课程标准（2017年版）[1]于2018年1月发布之后，“五大核心素养”取代“三维教学目标”成为了新时代教育的指引方针。“宏观辨识与微观探析”是五大核心素养的第一条，其余四条分别是“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“科学精神与社会责任”“科学探究与创新意识”，其中第一条最具化学学科的特点，宏微观之间的联系与区别是新时代化学学科教学过程中的重中之重。

本研究先后界定“核心素养”与“宏观辨识与微观探析”之后，将实际课堂的教学片段与微观视图教学软件Gauss View 5.0结合起来，以人教版选择性必修3教材中的“有机化合物的结构特点与研究方法”为例，通过教学过程中具体知识点的重、难点的针对性教学，探讨了如何利用Gauss View来提升化学学科核心素养的培养质量，可为中学充分借助现代教学手段提升教学效果提供参考。

1 宏观辨识与微观探析核心素养培养现状

1.1 研究现状

核心素养一词最开始是从国外传进国内的。自从“核心素养”一词走进人们的视野后，各界学者就开始了对它的研究，以中国知网为数据来源，以“化学学科核心素养”为主题进行高级检索，近年来，每年的文章数量都在快速上涨。尤其是在2014年之后，变化最为明显。根据王晓芳【2]等人，对于核心素养的研究发文趋势如图1所示。由此可见，对核心素养的研究正在如火如荼地进行着。

图1 近年发表有关核心素养的文章趋势图

1.2 何为核心素养

时代变化，社会在发展，学校作为培养适合社会发展的人才的第一道战线，其教育方式方法也需要与时俱进。“唯分数论”的教育已经不合时宜，我们需要培养的是具有高素质、高标准并且能为社会进步作出贡献的人才。在以前的教学当中，我们都以三维目标作为课堂的教学目标，在2018年改革之后核心素养一词才渐渐出现在人们的视野当中。在时代的洪流中，我们需要大量的新型人才，以往的教学三维目标已经不足以支撑这种跨时代的需求，我们需要新的教学目标来作为人才输送的保障。五点核心素养之间的关系模型由图2所示。

图2 核心素养之间的关系

“核心素养”概念在其发展历程中有着不同的界定。早在1997年，经合组织（OECD）就开始了研究，提出了“素养的界定与遴选：理论和概念基础”。这是“素养”一词的开端。6年之后，OECD又出版了《核心素养促进成功的生活和健全的社会》。2005年，OECD 再次颁布《核心素养的界定与遴选：行动纲要》。[3]2006年，欧盟和欧洲议会在此基础上继续研究，将核心素养归为从知识、能力与态度三个维度进行定义的八个方面，分别为：母语、外语、数学与科学技术素养、创业精神、信息素养、学习能力、公民与社会素养及艺术素养。

国内学者对于核心素养一词的定义，不同的人有不同的看法，其中，以下几个观点是比较有影响力的。2013 年辛涛等人认为，核心素养最重要的应该是个人对社会未来的发展作出贡献时表现出来的关键能力等。[4]2015年，林小驹等人认为，高中化学的学科素养重点应该是完美人格和终身学习能力的培养。[5]最终在2018年，经过严格的讨论之后，我国教育部将化学学科的核心素养的定义决定为：化学学科核心素养是经过化学课程学习所形成和发展的正确态度价值观、关键能力和必备品格。无论是理论知识还是操作技能，科学态度还是情感价值，五大核心素养都将以往的三维目标涵盖在内，是新世纪背景下教学目标的新标杆。

新课改下的教学观要求教学从“教会知识”转向“教会学习”，正是在说明教学要重视学生素养的培养，同时也在督促教师更新自己的教学观念，提高自身的教学水平。由此可以看出，核心素养不仅是学生通过在学校的学习需要具备的素质，同时也是每一位教师理应拥有的。明白什么是核心素养，什么是化学学科的核心素养，对于每一位站在教育一线的化学教师都是极为重要的，捷克教育学家夸美纽斯将老师比喻为太阳底下最光辉的职业，正是因为教师培育着一代又一代的人才。通过对此的研究，相信会有越来越多具备核心素养的教师，培育出越来越多具备核心素养的人才。

1.3 宏观辨识与微观探析

《自然辩证法》里说过，宏观世界与微观世界并不是两个完全独立的世界，它们在某种意义上有着必然的联系，即：宏观世界反映着复杂的微观世界，微观世界则组成着我们所见所闻的宏观世界。宏观辨识与微观探析素养作为学习化学的一个视角，是非常独特且重要的，也是学生在学习化学时必须通过的一道难关。学习化学时，需要将宏、微观联系起来，从宏观角度去辨识、说明、分析、推断与微观角度的联系，形成结构决定性质、性质反映结构的化学观念。[6]在高中阶段的化学学习中，习得宏观辨识与微观探析核心素养极为重要，是培养其余四个核心素养的基础。如若能习得这个核心素养，不仅能帮助基础化学的学习，将其内化为自身素养后，对于生活中的其他方面也有不小的帮助。

1.3.1 何为宏观辨识

宏观一词其实属于哲学术语，可以理解为用肉眼便能观察到，《辞海》中对“宏观”解释是“指自然学科中不考虑分子、原子、电子等物质内部结构或机制的”[7]。辨识则为辨认之意，通过对古词语的查阅，发现“辨识”一词最早出自明朝王世贞的《觚不觚录》：“觚之不为觚，几莫可辨识。”宏观辨识便可理解为：通过肉眼对某物质或者某化学反应宏观上变化的观察与辨识，对该物质或者该化学反应作出合理的判断。宏观上的现象或者变化一般可分为出现颜色、沉淀、生成气体或者水等现象。

我们以NO2为例，在宏观辨识层面上，表现为一种带有刺激性气味的红棕色气体，将该气体溶入水之后，红棕色慢慢褪去，加热溶液又会使红棕色气体出现，由这化学反应的宏观现象，结合学生们已经掌握的化学知识，我们可以推断出，该气体为NO2，这便是宏观辨识。

1.3.2 何为微观探析

“微观”一词在《辞海》中的解释为“深入到分子、原子、电子等极微小的基本粒子领域的”，“探析”则可理解为探讨、分析。[7]化学是一门在原子和分子的基础上研究物质的性质、结构以及变化的基础学科，微观层面可以说是化学学科的灵魂所在。对于中学阶段的化学物质来说，分子是保证物质化学性质的最基本单位，大部分为双原子分子，由原子组成，例如：O2、N2等。

但是为什么氧气与氮气就是以双原子构成，而稀有气体如氖气就只能是单原子分子呢？不少学生在学习的时候会出现这样的疑问。学习完“共价键”这一部分知识后，我们就会知道微观粒子为了达到较稳定的结构，最外层的电子最好是有8个。如此来看，氧原子最外层只有6个电子，构成氧气分子时为了达到最稳定结构，就需要两个氧原子各“共享”出2个电子，而对于氖气来说，最外层已有8电子，不需要第二个原子来和它共同组成稳定结构，因此稀有气体是单原子分子。这一知识点便是微观的体现，从微观的结构研究宏观的变化。

1.4 培养宏观辨识与微观探析素养时面临的难题

我们生活的世界，目所能及之处，皆为宏观，所以对于高中年龄段的学生来说，理解宏观并不是什么难事。但是化学最终是要研究人们肉眼所看不见的微观层面的，面对未曾想象过的世界，必然会与思维能力正在发展中的中学生所熟知的宏观世界产生冲突。例如，初中时化学老师告诉我们，一个氢气分子是由两个氢原子组成的，这时学生们的第一反应往往只是两个氢原子紧紧挨在一起。后来到了高中，我们会学到“化学键”一知识，知道是氢氢键将连个氢原子连在一起，但是这个所谓的“氢氢键”到底怎么理解呢？是真真实实有一个具有形状的物体将其连接吗？如果是，那么这个物体是由什么构成的呢？或者“化学键”仅仅是抽象出来的呢？这一系列问题，对于思维发展不够成熟的学生来说，就是学好化学的一道道难关。

2 微观视图（Gauss View）软件简介

高斯（Gaussian）是量子化学计算软件，也是目前最普及的量子化学计算软件，而Gauss View 是一款专门设计于高斯配套使用的绘图软件，能够将微观的分子或原子在三维的条件下放大化，并且可以对目标粒子进行编辑，例如添加或者删除原子，或者对目标原子进行着色等操作，还可以让它在三维空间里旋转，这一系列动态的过程展示，更加清晰地把微观粒子呈现在学生眼前。除此之外，Gauss View配套了包括计算在内的一系列功能。由于目前高中阶段不太涉及高斯的计算功能，所以本文只针对于Gauss View视图软件的介绍。

图3展示了Gauss View5.0的工作界面，由主界面和工作界面两个窗口构成，在主界面编辑好的分子原子最终可以呈现在工作界面里。图中甲烷分子的结构、键角与键长都被清晰地展示出来。表1 展示了Gauss View主要的菜单栏及其功能。传统的课堂教学中，教师可以用粉笔在黑板上画出教学中出现的各种分子，但是这种2D的图像效果必然并不如这样一个画图软件给出的3D效果，而且手动画图比较耗费时间，发放分子的模型给学生们观察也可能会使课堂难以管理，最终导致课堂效率下降。时代在进步，教育必然不能落后，将现代化的技术运用到课堂中来，学生可以更好地看清微观的粒子是如何存在的，帮助学生渡过想象能力这个难关，就可以在一定程度上提高课堂的效率。

图3 Gauss View5.0界面

表1 Gauss View主要的菜单栏及其功能

例如甲烷，甲烷是学生们最早接触到的标志性有机物，由一个碳原子和四个氢原子构成，它的键角为109°28′，它的键长为1.09×10-10m。什么是键角，什么又是键长呢？为了使这一知识点更加清晰地呈现在学生眼前，授课教师在讲课时就可以利用Gauss View画出甲烷分子的3D模型，在对分子中的各原子进行处理后，就可以将这个微观的分子清清楚楚地展示出来，甚至可以用扩大键角或者拉长键长的动态方式来加深学生对此知识点的印象，如图4与5所示。

图4 拉长C-H键长

3 例——Gauss View在化学教学中的应用

什么是化学呢？对于“化学”二字，不同派别的人有不同的看法，化学家、化学哲学家甚至是化学学科的教育家争论不休。新课标认为化学这一学科的本质就是“认识物质和创造物质”。我们将这一特征加以展开，即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。[8]化学在我国的教育体系当中，最早是在初三年级时开设，之所以作为最后一门开设的学科，是因为学生的年龄成长制约着头脑中的一些关键能力的发展，例如空间想象能力和一些逻辑思维能力。空间想象能力，对应的正是化学当中的微观层面，但是有不少学生在此时仍然不具备较高的空间思维能力，对于微观世界中的分子和原子结构，他们并不能很好地想象出来。不同的核心素养侧重点不同，培养方式也有差异，不能一概而论。结合以下案例，本文将具体论述Gauss View视图软件在哪些方面能起到积极作用。

图5 扩大甲烷键角

在人教版的教材中，初中时期的化学就让学生知道，分子有各种各样的组成与构成形式，不同的结构决定了不同的性质，反过来化学物质的性质也反映了其组成与微观结构，这一知识点在有机物的知识中尤为突出，在学习完这部分知识后，学生的“宏观辨识与微观探析”素养将得到大幅提高。

结合笔者对高中化学和核心素养的了解，最终选取“有机化合物的结构特点与研究方法”作为例子。在讲授有机物的结构，例如化学键和官能团时，班级里一定会有一部分学生的空间想象能力不足以支撑他们构想出有机物的立体构型，Gauss View的绘图功能在此就能得到足够的体现，不论是在空间中展示有机化合物的结构还是原子与原子之间的成键方式，它都能在一定程度上代替学生想象，直接地把已成型的分子呈现在学生面前，有助于更好地学习。

案例：有机化合物的结构特点

（1）教学目标

①了解有机化合物的分类方法——碳骨架分类和官能团分类

②了解有机化合物的共价键类型及其反应

③了解同分异构现象

④使学生掌握宏观辨识与微观探析核心素养

（2）教材及课标分析

对于有机化学的学习，分为两个阶段。第一个阶段为必修阶段，第二阶段为选择性必修阶段。本研究选取部分在第二阶段，其中分为三个主题：①有机化合物的组成与结构。②烃及其衍生物的性质与应用。③生物大分子及合成高分子。本文以第一个主题为案例，其中包含三个要求：①认识有机化合物的分子结构。认识有机物存在构造异构和立体异构等同分异构体现象。学会使用红外光谱和核磁共振等化学仪器。②认识官能团的种类及有机物的简单命名法。知道常见官能团的转化及其鉴别方法。③认识有机化合物化学键的类型、极性及其有机反应的关系，从化学键的角度认识官能团与有机化合物之间是如何转化的。

（3）学情分析

在学习选择性必修课程时，学生已经具备一定的化学知识与思维能力。在必修课程中，学生们已经初步学习过有关有机物的知识，了解了什么是有机物，常见的有机物有哪些及其立体构型和基本性质，为之后选择性必修3的学习做好了铺垫。但是选修课程的内容一定是比必修课程的内容困难的，不论是老师的教还是学生的学，都是更加难爬的一层阶梯。在开始本章的学习之前，一定要复习好之前的知识，并且由浅入深、循序渐进，这样课堂才能高效地进行。

（4）教学重点与难点

①共价键的类型：σ键与π键及其性质

②有机化合物的同分异构体现象

③不同的结构会有怎样的性质

设计思路：

在本章教学中，会出现不少学生难以理解的地方。例如“有机化合物的共价键这一知识点”，σ键在课本中解释为氢原子的1s轨道与碳原子的一个sp3杂化轨道沿着两个原子核间的键轴，以“头碰头”的形式相互重叠，形成σ键。而且σ键连接的两方可以绕轴旋转而不破坏化学键，但是π键就不行。在这不少学生便会产生疑问，为什么会是这样呢。在Gauss View画出的3D图像中，就可以清清楚楚地回答这个关于旋转的问题，如图6所示。从图6中可以明显地看到，如果以乙烷的2、3碳原子为轴旋转，单键扭转不会破坏结构，但是如果是以乙烯的2、3碳原子的双键为轴旋转，则会破坏化学键。

图6 化学键的旋转

微观的分子很小，对于高中阶段的学生来说，这些知识并不容易接受。在用Gauss View 辅助的课程教学中，微观分子的结构，无论是其组成、键长、键角还是空间构型，都可以在宏观的视角下一览无余，使原本肉眼看不见的结构变得清晰可见，成功化“无形”为“有形”。这一方法在一定程度与意义上帮助了学生进行想象，使原本不能想象出来图像的学生成功理解知识，使能够想象出图像的学生对有机物的构造更加清晰深刻，不仅能够有助于当下课程的进行，使学生习得宏观辨识与微观探析核心素养，还对之后更深的教学奠定了基础。

4 结语

归根到底，化学是在分子和原子层面上研究物质的一门基础学科，从来没想过微观世界生活在宏观世界的中学生，如果不能打破立在宏、微观之间的那面壁垒，那么化学的学习只会越来越困难。传统的教学手法不仅耗费更多时间，效果也不尽人意。引用现代的教学手段Gauss View来辅助教学，不仅仅能够改善教学效果，还能增添现代教学的气氛，一扫传统课堂的枯燥，来引起学生的学习兴趣。随着信息技术的不断发展，将信息技术和课堂教育结合起来的优势也越来越明显，特别是在高中化学的课堂教学中，如果能将信息技术充分利用起来，势必对我们的教学效果起到事半功倍的效果。[9]相信在这门技术的辅助下，越来越多的高中学生们可以攻克化学这道难关，乘上时代的巨浪，成为建设祖国的栋梁。