高中化学电子式教学困境及他山之石

付勇 许志勤 黄波

摘要： 高中化学电子式教学面临缺乏规范和耗时低效的困境，引入点叉图是解决电子式教学困境的途径之一。经实践研究发现，点叉图和电子式在学习结构式中的功能相同。点叉图相对于电子式更容易被化学学习水平较低的学生掌握，建议在化学必修阶段的学习中引入，有助于解决目前电子式教学的困境。

关键词： 电子式; 教学困境; 点叉图

文章编号： 10056629（2022）07008905

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

电子式是我国高中化学课程中一直存在的教学内容，目前主要版本的高中化学教材中都有呈现电子式。但值得注意的是，《普通髙中化学课程标准（實验）》和《普通高中化学课程标准（2017年版）》中却没有直接提及电子式，更无明确的教学要求，课程中似乎“无名无分”，教学中却又必须要面对。这种情况给电子式的教学带来困惑： 电子式在高中化学课程中是否还有其他选择？怎样解决电子式教学的困境？

1 电子式在高中化学中的功能简析

首先，电子式作为一种符号模型，是认识化学键的思维工具。电子式最初是由路易斯提出电子对概念时，用两点放在两个原子之间，表示共用电子对，一个共用电子对即一个共价键，依据的原理是经典八偶体电子理论。这种表示方法后来逐渐演变为今天化学学习和研究中的电子式[1]。电子式一方面融入了形象思维，把抽象的化学键以直观和简洁的形式表征出来，是学生学习化学知识的思维工具。另一方面，电子式在原子结构示意图的基础上进行了抽象和简化，使用起来更加方便。教学实践表明，运用电子式能够帮助学生辨识原子在形成化合物的过程中电子的转移方式和变化规律，促进对化学键的认识。因此，目前三个版本的高中化学教材在讲授化学键时，都引入了电子式[2～4]。

其次，电子式是学习结构式的基础，能够促进其他符号模型的学习。在学生学会电子式的基础上，把共用电子对用短线代替，其他省略掉，即形成结构式。我们知道，结构式能够很清楚地表达原子之间的连接方式，是学生学习有机化合物性质与分子空间构型的基础。所以从某种程度上来说，电子式是学习有机化学的基础之基础。由电子式过渡到结构式非常自然，学生很容易学习结构式，电子式对有机化学与结构化学学习来说相当于加涅教学设计理论中的支持性知识[5]。

2 电子式在教学中的困境

2.1 电子式规范缺失的困境

电子式作为一种科学符号，它应该具有科学符号所应具有的规范性、国际通用性特征，在教学上应该让学生学习规范的化学符号。但高中化学中电子式恰恰缺少规范，不仅课程标准没有提及，而且在化学教材中也是语焉不详。在目前几个主要版本的高中化学教材中，电子式的定义大致相同，采用的都是描述性定义，如苏教版教材把电子式定义为“为了方便表示离子或原子的最外层电子，我们可以在元素符号周围用小黑点或者“×”来表示离子或原子的最外层电子，这种式子称为电子式”[6]。这样的描述没有对电子式书写的具体规范做任何说明，虽然教材也列举了一些电子式的例子，但很难涵盖电子式书写的规则。电子式缺乏规范给化学教学带来了困境——电子式的规范需要化学教师的解释，教师的不同理解可能产生不同的书写规则，并且教师的理解通常也是根据自己的教学经验，一方面很难保证规范性，另一方面让电子式承担了过多的功能。

2.2 电子式教学耗时低效的困境

电子式是在原子结构示意图的基础上，简化了内层电子，用点或“×”代替最外层电子。经过简化，电子式失去了原子结构示意图的形象成分，抽象程度大为提高，造成学生在掌握和应用电子式时产生了困难，尤其是对于刚从初中升入高中学习的学生而言更是如此。电子式教学通常是教师给出相应的规则，然后学生按照规则书写原子、离子、化合物的电子式，这是一种基于规则的技能学习，属于浅层次的学习[7]。由于电子式承担了其他的结构知识，如成键之后的电子成对，在选择性必修模块中才涉及，故必修模块的学生很难深层次地理解电子式书写的规则。从高中化学知识体系来看，电子式除了在认识化学键和进一步学习结构式之外，必修模块的学习几乎用不到，也导致电子式学习之后遗忘现象比较普遍。但是在教学实践中，电子式又是教学评价中的重要内容，化学教师需要花费大量的时间进行电子式教学，过于强调电子式的书写，反而忽视了电子式认知工具的功能。这种情况对于大部分不选化学学科继续学习的学生而言，花费大量的时间学习抽象的电子式并不是必要的。

3 解决电子式困境的他山之石——点叉图

解决目前电子式教学困境的主要途径有两种： 一是对电子式进行规范，形成统一的电子式书写规范。这种方式的困难在于电子式书写规范目前很难得到统一，也无法解决电子式抽象程度较高的问题;二是采取其他形式的化学符号代替。剑桥大学出版社出版的英国比较流行的高中化学教材采用了一种点叉图（dot-and-cross diagrams），类似于我国高中化学教材中的电子式，但又有不同于电子式的特点，可以给我们提供有益的参考。该教材是配合英国剑桥考试（Cambridge International Exam）的专用教材，在我国开设A-level课程的国际学校也在广泛使用。这套教材分为IGCSE和AS&A2两种水平，前者相当于我国的必修教材，后者相当于选择性必修教材。两种水平都在学习化学键知识中引入了点叉图，以离子键和共价键分类，分别给出了点叉图的书写规则，并配以丰富的例子[8]。

3.1 离子型点叉图

与电子式相似，离子型化合物中的离子点叉图只画出最外的电子层，所不同的是阳离子最外层电子失去之后，不保留电子层，用方括号的形式，离子的电荷写在右上角。阴离子最外层电子同样是成对出现，占据上下左右四个方位。离子化合物及其形成的点叉图以二维方式排列，具有“图画”的特征，如图1、图2为NaCl、 CaCl2离子化合物形成的点叉图。

3.2 共价型点叉图

共价型点叉图用点表示其中一个原子的最外层电子，用叉表示另一个原子的最外层电子，如果超过两种元素的原子则用小圆圈或者小三角形。在两个原子之间电子层交叉部分，画出共用的电子，如图3所示。剩余未共用的电子也以成对的形式出现，但不必在上下左右的方位分布，如图4中CO2中的氧原子。点叉图用圆圈表示原子，一般来说，原子半径较大，圆圈也较大。需要指出的是点叉图在特殊情况下不局限于8电子稳定结构，多原子分子也以二维方式排列，如图5所示。

4 高中化学必修课程引入点叉图的可行性研究

4.1 研究目的

分别通过电子式和点叉图的教学，比较不同化学学习水平的学生学习电子式和点叉图效果的差异，分析在高中化学必修阶段教学引入点叉图的可行性。

4.2 研究设计与实施

研究对象选择研究者所带的江苏省泰州市某中学的两个班作为实验班，其他14个班作为对照班。所有班级的学生均按中考入校成绩随机分班，构成情况如表1所示。

如表2對实验班和对照班期中考试成绩描述性统计所示，两种班级平均值分别为68.83和68.52;两者均值比较，没有显著性差异（如表3所示，P=0.979>0.05）。

实验班按一般电子式教学的模式进行点叉图的教学，主要教学环节包括复习原子结构示意图、引入点叉图、介绍点叉图的书写规范、练习点叉图，教学时长1个课时40分钟。教学以NaCl的点叉图书写为例展开，教师先引导学生复习钠原子和氯原子结构示意图。然后给学生示范，把两种示意图的数字改成点或者“×”表示电子数目，把电子层改成圆形。经过电子转移之后，最外层电子数量都发生改变，形成钠离子和氯离子，但都保留最外层。阴阳离子外面用方括号，右上角注明电荷数目，同时省去内层电子之后得到阴阳离子的点叉图，再将阴阳离子排列在一起，即形成化合物的电子式。介绍NaCl的点叉图之后，总结点叉图须注意的规范问题，学生按规范写出KI、 MgO、 CaCl2的点叉图。由钠原子和氯原子结构示意图转化为离子化合物的点叉图的基本过程如图6所示。

共价型点叉图的教学以Cl2为例，展示Cl2的点叉图，介绍共价型点叉图;然后以H2O的点叉图书写为例，总结共价型点叉图的书写规范;学生再按书写规范练习HCl和NH3的点叉图书写。在学习离子型和共价型物质的点叉图之后，给学生介绍既有离子键又有共价键的物质如NaOH的写法。

对照班实施与点叉图相似的教学流程进行电子式教学，教学时间同为40分钟。实验班由研究者实施教学，其他班级由另外6位化学教师实施教学。由钠原子和氯原子结构示意图转化为离子化合物的电子式基本过程如图7所示。

教学之后，通过测试卷测查学生对两种符号模型的教学功能和可接受性并进行比较： 教学功能通过结构式的得分来判断;可接受性由电子式或点叉图的得分来判断。实验班和对照班测试卷由10道题目组成，每道题目均为直接写出常见的10种物质的点叉图或电子式，其中离子型和共价型各5个，离子化合物包括Na2S、 CaCl2、 MgO、 Na3N、 Na2O2，共价型包括N2、 H2S、 H2O2、 CO2、 PCl3。实验班完成点叉图，对照班完成电子式，两类班级完成之后，根据点叉图或者电子式分别写出物质结构式。

测试卷采用记名的方式，要求学生填写班级、姓名和学号等基本信息。每一道题目完全正确记1分，错误不计分，完成时间均为10分钟。对照班学生按本学期期中考试化学成绩为标准，前、中、后各257名学生分别作为A（优秀）组、B（中间）组和C（后进）组。实验班学生同样以期中考试为标准，把前、中、后各37名学生分为三组。

测试时间选择在课后，所有班级均在同一时间内完成和回收。教学实验和测试得到了学校的同意和配合，提前告知学生测试的目的，实验班的电子式教学内容在随后的课堂中补上。实验班和对照班的测试卷回收之后由研究者统一批改，每一种物质的电子式或者点叉图书写完全正确记录为1分。所有数据均由SPSS25.0统计分析。本研究统计不同化学学习水平的学生在测试卷上的得分差异、教师因素、班级因素等通过统计概率可以得到比较有效的控制。

4.3 实验结果统计与分析

4.3.1 实验班和对照班结构式得分比较

对实验班和对照班结构式得分进行均值比较发现，两组学生结构式均分都在较高水平，如表4平均值，分别为4.55和4.63，即学生能够根据点叉图或电子式正确书写结构式，平均为4.55和4.63个。如表5所示，P=0.081>0.05，两组学生结构式正确数目之间没有显著性差异。分析结果表明，学生能够顺利利用点叉图或电子式书写结构式，两种符号模型在学生结构式学习中发挥了几乎相同的作用。

4.3.2 实验班和对照班电子式和点叉图得分比较

分别对实验班与对照班的点叉图和电子式得分进行总体和不同组别之间比较，如表6所示。总体平均值以及不同组别的学生的点叉图正确数都略高于电子式，总体离散程度小于电子式，总体标准差1.20<1.43。对不同学习水平的学生在电子式和点叉图的正确数目进行比较发现，如表7所示。优等生组间和中等生组间无显著性差异（P=0.21>0.05、 P=0.19>0.05），而后进生组间有显著性差异（P=0.01<0.05），说明点叉图相对电子式对化学学习水平较高的学生无显著影响，而对化学学习水平较低的学生有显著性影响。

两种符号模型教学对比，从原子结构示意图到点叉图的转化，保留了形象的成分，更容易被后进生接受。而电子式舍去了相应的形象成分，直接转换为抽象的化学符号，如图7所示。从学生练习的正确率来看，学习能力较强的优等生和中等生在理解原子结构示意图到点叉图或者电子式的差异不明显，但学习能力较弱的后进生更容易接受点叉图。例如，经过测试之后对学生的访谈，研究者进一步探索产生差异的原因。以CO2为例，后进生书写电子式的时候，往往先写出碳和氧的元素符号，在C原子和O原子之间错误地写成一对共用电子对，其他电子补在原子周围形成8电子结构。但书写点叉图时，由于C原子和O原子最外层电子归属非常清晰，学生能够由C原子和O原子之间的共用电子数目判断每一种原子是否各自达到稳定状态，从而提高书写的正确率。类似的差异多发生在两个原子间大于1对共用电子对的情况，例如测试卷中的N2，后进生点叉图正确率高于电子式。研究还发现，后进生在书写多个孤电子对时，遗忘率高于点叉图，例如PCl3中Cl原子的孤电子对，可能的原因是点叉图的圆圈提示了学生检查原子的最外层电子的数目。

5 研究结论与教学建议

由以上研究可以看出，点叉图相对于电子式，在学习结构式中的功能相同，但更易于化学学习水平较低的学生掌握。点叉图直接以原子结构示意图为起点，形象直观，与初中化学阶段的基础衔接比较紧密，更利于高中化学必修阶段学生接受。在必修阶段的化学学习中，点叉图可以代替电子式的教学功能。借他山之石，可以攻玉，建议我国高中必修阶段引入点叉图教学。在经过必修阶段的化学学习之后，学生的化学学习达到相对较高的水平，在化学选择性必修模块再学习电子式，这样的处理不失为克服目前电子式教学困境的简单可行的途径和方法。

参考文献：

[1]张嘉桐. 化学基本概念的演变[M]. 太原： 山西教育出版社， 1998： 123.

[2]人民教育出版社课程教材研究所. 普通高中教科书·化学必修第一册[M]. 北京： 人民教育出版社， 2019： 107～109.

[3]

[6]王祖浩主编. 普通高中课程标准实验教科书·化学1[M]. 南京： 江苏教育出版社， 2019： 128～129.

[4]北京师范大学基础教育化学教材编写委员会. 普通高中教科书·化学必修第二册[M]. 济南： 山东科技出版社， 2019： 48～49.

[5]加涅著. 王小明等译. 教学设计原理[M]. 上海： 华东师范大学出版社， 2018： 167.

[7]黄文军. 培养想象思维的教学思考与实践——以电子式书写教学为例[J]. 中学化学教学参考， 2017， （4）： 16～18.

[8]Lawrie Ryan， Roger Norris， Brian D. High. Chemistry [M]. London： Cambridge University Press， 2015： 49～58.