全息交互技术支持下建构晶体结构与性质认知模型

杜锐英 赵研

10.3969/j.issn.1671-489X.2022.03.119

摘 要 采用全息交互课件辅助教学，可自主操控的、立体的、动态的、关联的晶体空间结构影像可以降低微观结构的抽象性，为学生探究分子晶体的结构和性质提供技术支撑，为建构晶体结构认知模型和“结构—性质—应用”认知模型提供思维发展环境。

关键词 高中化学；晶体结构与性质；全息交互技术；分子晶体；认知模型；核心素养

中图分类号：G633.8 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）03-0119-06

1 问题的提出

高中化学选择性必修2《物质结构与性质》第三章“晶体结构与性质”是从原子、分子水平研究晶体不可见的抽象的微观结构和堆积模型。与看得见摸得着的宏观世界相比，微观世界需要更多的想象力，图片和实物模型展示不足以让每一位学生都深入、准确地认识物质的微观结构。学习晶体结构对于多数学生而言挑战性很高，不仅需要学生从微观视角认识物质，还需要其具有相关的立体几何知识和丰富的空间想象能力。如何实现晶体微观结构可视化，是目前亟待解决的问题。

本文利用全息交互技术，学习终端如图1所示，模拟典型分子晶体的微观结构，全息屏中呈现立体结构影像，使抽象不可见的微观结构可视化、动态化、具体化。多角度观察并分析建构分子晶体立体模型过程中建立微观结构的空间立体感，提升学生的空间思维能力，帮助学生深入理解微观世界，自主建立晶体的认知模型。

2 分子晶体核心内容及其教学价值

《普通高中化学课程标准（2017年版 2020年修订）》[1]指出：物质结构与性质课程模块从原子、分子水平上认识物质构成的规律，以微粒之间不同的作用力为线索，逐级深入认识物质结构与性质之间的关系，建立对物质结构的统摄性观念，提高学生分析问题和解决问题的能力，发展学生化学学科核心素养。在新课标指导下，“物质结构与性质”知识内容整体分析如图2所示。

第三章“晶体结构与性质”是构建“原子—分子—晶体”三位一体内容的第三个重要组成部分。以几种典型的晶体结构模型的形成和发展为主线，通过引导学生依次从物质的构成微粒、微粒间的相互作用、微粒的空间排布方式、微粒的聚集状态有序研究物质结构，并从晶体结构视角联系地、宏观地认识物质性质，进一步扩展物质结构认识的尺度层次，完善“物质结构与性质”的系统思维框架，建立系统、完整的物质结构观。本章既为学生认识物质结构建立一个完整、有序、科学的认知结构，也是对前两章内容和思路的延续、整合和应用。“晶体结构与性质”知识内容分析如图3所示。

分子晶体位于人教版高中化学选择性必修2《物质结构与性质》（2020年出版）[2]第三章第二节第1课时，是学习几种典型晶体内容的开端。分子晶体的知识内容分析如图4所示，是在第二章“分子结构与性质”基础上，建构分子晶体结构与性质的认知模型，为认识其他典型晶体提供认识框架和分析思路，为全面认识物质结构及结构对物质性质的影响奠定基础。

3 学生学习分子晶体的基础和困难分析

通过前两章和第三章第一节的学习，学生在知识上已掌握原子结构与性质的关系、分子结构与性质的关系，以及物质的聚集状态与晶体的常识；在方法上能够从原子、分子视角认识物质构成的规律，能从这两个层面分析元素性质和物质性质，还能够从“晶胞大小和形状，微粒种类、数目、空间位置”有序认识晶胞；在能力上初步形成认识分子结构与性质的微观视角，建立“结构—性质—应用”思维框架，具备一定分析和解决问题的能力：

在学习分子晶体时，学生的主要障碍是以下两个方面。

1）微观结构抽象性强，需要具备相关的立体几何知识和丰富的空间想象能力。分子晶体的构成微粒是分子，多原子分子体积大，分子结构、极性、取向、堆积方式各不相同，观察难度大，数出并理解每个分子周围的紧邻分子是学习难点，不仅影响对分子密堆积特征的理解，也对探究氢键对冰的结构和性质的影响造成障碍。

本节课利用全息交互技术呈现立体的、动态的、直观的干冰、冰、可燃冰的晶体结构，降低微观结构的抽象性，为学生多角度观察、分析、认识分子晶体结构特征提供思维载体，促进学生对分子晶体结构的认识和理解，突破难点，实现能力进阶。

2）知识内容综合性强，要求激活的内容量大，激活内容的层次多。认识分子晶体结构和性质需要调用“原子结构与性质”“分子结构与性质”“晶胞”等多层认识视角和分析思路。学生虽然有相关知识储备，但无法将认识晶胞与认识晶体结构有机关联起来，还不能主动调用分子结构与性质认识视角来分析分子密堆积的本质原因，通过晶体结构预测物质性质时，依然呈现无序性。

本节课设置开放度不同的驱动问题，引导并激发学生的思维，使学生将零散的认识整合建构在晶体结构认知模型中。任务一的设问给出提示角度，在指向明确问题提示下，逐层逐点激活原有认知，建立认识角度间的推理关联，形成完整系统的认识思路。任务二不再给提示角度，学生自主调用认知模型认识冰的晶体结构。任务四进一步延长问题的思维路径，学生基于可燃冰的分子结构，主动激活晶体结构认知模型、“结构—性质—应用”认知模型，预测可燃冰的晶体结构、性质，并解释相关问题。

4 全息交互技术支持的分子晶体教学活动

设计

4.1 整体教学分析

本节课将从“构成微粒→微粒间相互作用→微粒的空间排布”认识分子晶体结构特点，建构通过晶胞结构认识晶体结构的认知模型，形成认识晶体结构的微观视角和分析思路。并借助分子晶体模型说明分子晶体中的粒子及粒子间的相互作用，以及范德华力与氢键对分子晶体结构与性质的影响，从晶体结构视角认识分子晶体的微观结构与宏观性质之间的关系，建构“物质结构与性质”的思维框架，如图5所示，形成结构决定性质的观念，发展“宏观辨识与微观探析”和“证据推理与模型认知”“科学态度与社会责任”核心素养。本节课的整体教学结构如图6所示。

4.2 全息交互技术支持的问题设计

本节课在“认识干冰的晶体结构”和“认识冰的晶体结构”两个环节两次采用全息交互课件观察分子晶体的空间结构。将静态的抽象的复杂的平面结构模拟转化为动态的形象的直观的立体结构，促进学生对分子晶体结构的理解和认识，帮助学生建立空间立体感，培养学生的空间想象力。相关的驱动问题和学生活动如表1所示。

4.3 关键教学环节

引入：初步感知分子晶体

问题1：在不同的晶体中，构成晶体的微粒是什么？

素材1：四种典型晶体的晶体结构，如图7所示。

问题2：生活中哪些是分子晶体？举例说明。

素材2：元素周期表和价态—类别二维图，如图8所示。

【学生活动】观察四种典型晶体的外观、晶体结构、晶胞及构成微粒，了解晶体分类。调用元素周期表、价态—类别认识模型有序寻找常见分子晶体。

【设计意图】从宏观到微观、由表象到本质呈现对物质的认识规律，建立通过构成微粒认识晶胞，通过晶胞结构认识晶体的微观视角。激活元素周期表、价态—类别认识模型，为后续寻找其他类型晶体，建立晶体间关联提供方法支持。

任务一：认识干冰的晶体结构

问题1：依据晶胞的认识思路，观察并思考干冰的晶体结构特征。

素材1：干冰晶胞的立体图和实物球棍模型。

【学生活动】有序观察干冰晶胞的立体图和实物模型，依据认识晶胞的思路，有序描述干冰晶胞的结构特点：干冰晶胞的构成微粒是CO2分子，分子间相互作用是范德华力；晶胞呈立方体，每个顶点和面心各一个分子，每个晶胞中有四个分子。

问题2：在无方向性和饱和性范德华力作用下，每个CO2周围有多少个紧密相邻的分子？依据分子结构与性质关系分析为什么。

素材2：干冰晶体全息交互课件，如图9所示。

素材3：由乒乓球模拟的面心立方密堆积模型、中心分子与12个紧邻分子模型。

素材4：碘晶体和C60晶体的晶胞立体图。

【学生活动】

1）观察干冰晶胞的立体图和实物模型，分小组分别以面心或顶角分子为中心，数出一个CO2周围的紧邻分子数是12个。

2）观察干冰晶体的全息交互课件，分析并修正干冰晶体结构特点，归纳寻找紧密相邻分子的思路，得出干冰晶体中CO2堆积方式是分子密堆积。

3）依据分子结构与性质的关系，分析干冰晶体具有分子密堆积特征的本质原因是分子间相互作用只有范德华力。

4）通过乒乓球结构模型、碘晶体和C60晶体的晶胞立体图，体会分子密堆积。

问题3：总结归纳认识分子晶体结构的思路。

【学生活动】回顾干冰晶体结构的认识过程，总结通过晶胞结构认识晶体结构的基本思路：晶胞的构成微粒→微粒间的相互作用→微粒的空间排列方式（外观←位置←数目←堆积紧密程度）。

【设计意图】建构通过晶胞结构有序认识分子晶体结构的一般思路，建立分子晶体的认知模型，发展“宏观辨识与微观探析”和“证据推理与模型认知”等化学学科核心素养。

任务二：认识冰的晶体结构

问题1：观察并思考冰的晶体结构特征。

素材1：微距镜头下冰花微视频、冰块和冰山图片。

素材2：冰晶胞的立体图和实物球棍模型。

素材3：底面为棱形的平行六面体几何模型。

素材4：冰晶体全息交互课件，如图10所示。

【学生活动】

1）运用认识晶体结构的基本思路，观察冰晶胞的立体图、球棍模型和平行六面体几何模型，小组间讨论交流冰的晶体结构特点及分析思路。

2）观察冰晶体的全息交互课件，检验并修正自己的分析推理，得出冰晶体中H2O的堆积方式是分子非密堆积，分子非密堆积特征的本质是氢键（有方向性和饱和性）。

3）通过对比干冰和冰的晶胞模型、乒乓球模拟的密堆积和非密堆积模型，体会分子密堆积和非密堆积对晶体空间结构的影响。

问题2：总结归纳分子晶体的结构特征。

【学生活动】结合干冰和冰的结构特点，总结分子晶体的结构特征：晶体的构成微粒都是分子；微粒间的相互作用是分子间作用力即范德华力和氢键；范德华力使得分子采用密堆积的方式排列，氢键使得分子采用非密堆积的方式排列。

【设计意图】运用分子晶体的认知模型，通过冰的晶胞结构认识冰的晶体结构，完善认知模型，进一步发展“宏观辨识与微观探析”和“证据推理与模型认知”等化学学科核心素养。

任务三：认识分子晶体的性质

问题1：根据分子晶体的结构特征，分析分子晶体的物理性质，说出预测依据。

素材1：某些分子晶体的熔点。

素材2：主族非金属氢化物的熔点随温度变化图。

素材3：范德华力、氢键、化学键的比较。

【学生活动】依据分子间的作用力都较弱，分析分子晶体的共同性质：熔点低，硬度小。依据范德华力比氢键弱，分析分子晶体的不同性质：同类物质中，含有分子间氢键的分子晶体比只含范德华力的分子晶体的熔点高。

问题2：分子的不同堆积方式会对物质的哪些物理性质造成影响？

素材4：0 ℃时冰和水的微观结构图。

素材5：冰和水的密度及其随温度变化图。

【学生活动】先从微观晶体结构角度，预测分子的不同堆积方式会影响到物质的密度，再分小组讨论交流三个问题，并从微观结构角度给出合理的解释：

1）0 ℃时冰、水的密度相对大小；

2）冰刚刚融化时密度变大，4 ℃后又变小；

3）若水分子间没有氢键，世界会变成什么样子？

【设计意图】认识氢键对冰的结构和性质的影响，对人类世界的重要性。构建微观晶体结构与宏观晶体性质之间的关系，形成结构决定性质的观念。

任务四：（课后拓展）了解可燃冰

问题1：（拓宽视野）了解未来潜在新能源——可燃冰，作为化学工作者，对可燃冰的未来发展提出合理建议。

【学生活动】

1）阅读教材P80“科学·技术·社会”，了解可燃冰；

2）各小组分别从可燃冰的晶体结构、形成条件、开采价值、开采危害等方面查阅资料，以视频短片、课件、展报等形式进行分享交流；

3）对可燃冰未来产业发展提出建议。

【设计意图】认识晶体结构知识在实际生产生活中的应用，培养化学知识服务人类的社会责任，发展“科学态度与社会责任”核心素养。

5 结束语

全息交互技术支持下的课堂教学使学习从平面向立体，从文本向视窗，从接受向探究式的观察、体验、推理、验证、应用活动转移，缩短了学习内容与学生的心理距离，为深度学习、迁移应用和创造性解决问题提供了支撑，促进了学生思维品质的发展。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准

（2017年版 2020年修订）[S].北京：人民教育出

版社，2020：36-45.

[2] 人民教育出版社课程教材研究所，化学课程教材研究

开发中心.普通高中化学教科书 化学 选择性必修2

物质结构与性质[M].北京：人民教育出版社，2020：

78-80.

[3] 普通高中化学课程标准修订组.普通高中化学课程

标准（2017年版）解读[M].北京：高等出版社，2019：

133-145.

[4] 冯品钰，何彩霞.发展学生模型认知的化学教学实

践：以“离子晶体”为例[J].教育与装备研究，

2018（4）：29-33.

[5] 赵河林，齐洪涛，王磊.从促进学生科学素养发展

的视角研究高中化学新课程教材：北师大“新世纪”

（山东科技版）选修模块教材《物质结构与性质》

的分析[J].中学化学教学参考，2009（12）：3-8.

[6] 王磊，齐洪涛，赵河林，等.高中化学选修模块教

材《物质结构与性质》对学生认识发展的影响研究

[J].化学教育，2008（1）：16-19，27.

作者：杜锐英、赵研，首都师范大学附属苹果园中学（100144）。