基于火花学院APP的高中化学配合物教学设计

张学宇 张莹

摘  要  当今信息技术高度发达，衍生出许多软件可用于辅助教学。火花学院APP中可用的教学资源丰富，可在课堂中利用iPad植入更加直观的三维虚拟动画，使得教学更形象生动。以高中化学“配合物”教学内容为例，利用与APP交互，通过视觉和触觉相结合的个性化探究来提高学生的自主学习能力。

关键词  高中化学；配合物；火花学院；核心素养；实验；教学资源

中图分类号：G633.8    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2023）09-0054-04

1  研究背景

“物质结构与性质”板块是高中化学中理论性最强的部分，需要借助大量抽象理论来支撑所学内容。其中在分子构型的理论中，学生对于各种基团构型原貌的想象能力严重不足。通过教师的讲解及书本图片展示，多数学生只能学懂简单的分子构型，对结构较为复杂的配合物分子构型理解较为模糊。探寻帮助学生构建模型思想，是每个化学教师的重要工作。目前相关专业三维结构软件主要有Mate-rials Studio，Diamond，Mercury，Gauss View，Unity 3D，Chem3D等，黄剑芳等人认为利用三维结构软件进行辅助教学，可以在突破教学难点的同时提高教学效率[1-5]。

以上专业软件在制作模型时会耗费大量时间，教师在实际工作中很难完成对教材涉及的模型的全部绘制。笔者发现：火花学院拥有足量高中化学学习中会涉及物质的3D模型，省去了运用三维结构软件绘制模型的时间；同时具备与Unity 3D等软件同样的优势——可在PC、平板、手机等多平台运行，突破常用可视化软件运行环境苛刻的瓶颈。因此，笔者运用火花学院完成“配合物与超分子”的教学，在教学过程中最大限度地培养学生宏观辨识与微观探析、證据推理与模型认知的化学学科核心素养。

2  确定教学主题与教材分析

《普通高中化学课程标准（2017年版 2020年修订）》的学业要求中提出：能够说出共价键的主要类型、特征和实质；能够运用配位键模型解释配合物的典型性质[6]。学生需要在已有认知基础上认识配位键并与共价键知识相联系，并且深入学习配位化合物的性质。教材首先进行了实验展示：第一个实验通过对比固体和溶液颜色，得出铜离子水溶液显蓝色的结论，为学生总结了四水合铜离子，引出配位键和配位化合物的概念；第二个实验展示了硫酸铜溶液中加入氨水的过程；第三个实验展示了氯化铁溶液中加入硫氰化钾溶液的过程；第四个实验展示出氯化钠溶液中滴加硝酸银溶液和氨水的过程。通过介绍典型配合物理解其性质，可以形成良好的逻辑框架。

3  学情分析

学生对典型的化学键相关内容中离子键、共价键、分子间作用力以及它们的微观结构都有一定认知，通过类比学习可以清楚了解配合物特点、简单配合物成键特征和配合物应用，但学生不容易理解配位键与其他化学键的异同、配位键的形成本质。本节课正是通过融入三维虚拟技术，采用与相应模型交互的方式对配合物进行系统学习，引导学生初步理解配合物。

4  教学思想与创新点

4.1  教学思想

借助实验的手段“观察硫酸铜、氯化铜、溴化铜溶液的颜色→替换阴离子→观察无水硫酸铜、无水氯化铜、无水溴化铜的颜色→观察五水硫酸铜和二水合氯化铜的颜色→进行对比和逻辑推理”，最后通过补充配合物的应用实验进行讲解。在火花学院中获取微观结构模型进行观察，借助图片、利用虚拟三维模型和视频帮助学生进行理解。

4.2  创新点：利用火花学院APP开展交互式学习

在化学教学中利用率最高的多媒体交互软件是PowerPoint等。在传统教学中，学生通过图片及视频引发思考和讨论，在一系列的活动中仅仅调动视觉、听觉，并未达到对所学知识的亲身实践[7]。

火花学院APP中包含众多学科教学资源，化学学科实验视频和配合物球棍模型资源较为全面，符合多模态智慧课堂优质教学资源共享的理念[8]。其3D模型为一大特色，学生可以通过自主选择视角去观察配合物的构成，通过旋转视角来确定配合物的全貌。在其成套的免费教学资源支撑下，教学趋向于简单便捷，使得配合物知识内容更加直观，克服了二维图片的失真感，便于学生理解，并且在学习某一知识点的同时可以观看评论区中大家对该知识的探讨和相关知识点的推送。在教学过程中，教师可以根据学生的需要利用iPad调出相应实验视频或者相应模型，学生同时可利用手中的iPad观察相应的教学资源。

5  教学目标与重难点

5.1  教学目标

1）能理解配合物的形成条件，融入火花学院APP中的配合物模型，通过观察法学习配合物的基本性质。

2）创设科学探究活动对硫酸铜溶液颜色进行探究，培养合作意识；面对已知问题提出自己的猜想，培养创新意识。

3）通过创设实验和模型情境培养严谨的科学态度和崇尚真理的意识。

5.2  教学重难点

教学重点：理解配体、中心离子、配位键、配位数、配合物等相关概念，并能说出它们在任意配合物中代表的含义。

教学难点：配位键形成的过程。

6  教学过程

6.1  课堂导入

教师取少量无水氯化铜溶解在水中，讲解现象，提出问题：“为何无水硫酸铜是白色的粉末，溶解进水中则会变成蓝色的溶液？”学生观察实验现象，对疑问进行各种猜想。教师根据学生的回答灵活讲解，并引出本节课所学习的概念“配合物”。

设计意图：通过观察实验作为导入，烘托出化学实验奇妙的氛围感，抛出问题，为后续引出配合物的概念做好铺垫。

6.2  探究硫酸铜溶液显蓝色的原因

教师展示CuSO4溶液、CuCl2溶液、CuBr2溶液的颜色，全部为蓝色，给出已知条件：K2SO4溶液、NaCl溶液、KBr溶液都是无色的。进行对照，引导学生寻找颜色不同的原因。学生回答：“因为Cu2+是蓝色的。”教师展示CuSO4晶体、CuCl2晶体、CuBr2晶体分别是白色、棕色、深褐色，抛出疑问：“根据这些物质的颜色判断，为何与之前结论冲突？”学生回答：“Cu2+在结晶当中缺少了水。”教师得出结论：“Cu2+在水溶液中呈现蓝色。”继续抛出疑问：“是否Cu2+要在水溶液中才显蓝色？”学生回答：“CuSO4·5H2O是蓝色的晶体，所以猜测Cu2+与水结合显蓝色。”教师肯定猜想并做出总结。

设计意图：引导学生对配合物学习重点“四水合铜离子”有初步的了解，通过抛出疑问的形式对学生启发诱导，引导学生接近正确的结论，结合颜色的变化等奇妙的化学现象激发学生对本节课的学习兴趣。

6.3  探究Cu2+如何与水分子结合

教师依照之前所学过的离子键、共价键、金属键并不能很好地解释出Cu2+与水分子的结合状态，所以需要引导学生观察水分子的成键情况。教师通过手中的iPad分享火花学院中教学素材的链接至学生手中的iPad，学生打开后观看火花学院中的3D模型动画素材，如图1所示[9]。教师提问：“观察金闪闪的亮点是什么？”学生回答：“两对孤电子对。”

教师讲解：“每一对孤电子对都在一个轨道上运动，研究发现Cu2+是具有空轨道的。所以氧原子的孤电子对加上它本身所在的轨道加上Cu2+本身的空轨道，就会形成一个共价键，这个特殊的共价键被称为配位键。之前所学过的经典共价键是两个原子各提供一个电子，而配位键是一个原子提供两个电子。水分子中的氧原子提供一对孤电子对，称之为配体；而Cu2+提供空轨道不提供电子，称之为中心离子（如果中心是原子，就叫中心原子）。”

设计意图：从微观角度解释配合物的形成，配合“水分子成键”素材解释配位键成键特点，发挥火花学院通过视觉感知提高学生学习效率的作用。

6.4  观察四水合铜离子模型

教师讲解：“这种配离子叫作四水合铜离子，通过iPad观察火花学院中的素材，如图2所示[10]。大家可以利用手中的iPad进行拖拽，在不同角度观察四水合铜离子的构型，同时可以切换球棍模型和空间填充模型进行观察。”学生利用火花学院中的素材进行观察，理解四水合铜离子的空间构型。

教师讲解：“结合模型观察教材中的化学方程式，Cu2+结合4个水分子代表配位数为4，球棍模型中的棍代表配位键，水分子被称为配离子，Cu2+被称为中心离子，把以配位键结合生成的化合物称为配位化合物，简称配合物。”学生完善笔记记录。

设计意图：充分利用火花学院中的素材来教学配合物相关知识，引导学生结合火花学院对配合物3D模型的展示进行360°观察，通过动手并且动脑的视觉、触觉相结合，从宏观实验现象联系微观模型，培养学生宏观辨识与微观探析的化学学科核心素养。

6.5  了解更多配合物

教师讲解：“向硫酸铜溶液中加入氨水，先形成的是氢氧化铜沉淀；继续加入过量的氨水，可以观察到蓝色的氢氧化铜溶液溶解，并且重新形成溶液，是深蓝色。”提出疑问：“氢氧化铜是如何溶解的呢？”学生通过观察实验记录实验现象，并能对教师提问及时反馈，做出猜想。

教师在答疑后，引导学生观察课本中的化学方程式，氢氧化铜中的铜原子可以和氨分子配位，形成四氨合铜离子，通过火花学院APP观察四氨合铜离子的构型[10]，利用iPad展示球棍模型。如果在深蓝色的溶液中加入乙醇，降低溶剂的极性，可以使得硫酸四氨合铜溶解度降低析出。学生仔细观察球棍模型，从球棍模型中理解到氨分子中存在孤对电子。

教师带领学生回顾检验Fe3+，通过iPad分享链接后一同观看实验视频。向含有Fe3+的溶液中滴加硫氰化钾溶液，就可以得到红色的溶液。实际上是SCN-作为配体与Fe3+配位，显红色，用于检验Fe3+。方程式比较复杂，不要求大家掌握，因为Fe3+可以结合1～6个SCN-，只需要知道生成了配合物就可以了。而配位键有强有弱，像这个反应中配位键较弱，配位反应进行得不彻底。学生理解、记录。

教师与学生一起观察实验视频，向NaCl溶液中滴加AgNO3溶液，会得到氯化银沉淀；继续滴加氨水，发现又得到无色透明的溶液。请学生观察课本中化学方程式，实则是生成新的配离子——二氨合银离子，分析中心离子、配体、配位数是什么？学生回答：“中心离子是银离子，配体是氨分子，配位数是2。”教师提示：“如果大家感兴趣，可以随时在火花学院中学习配合物的相关知识，其中有很多3D模型和微课，可以帮助大家理解更多配合物知识。”

设计意图：通过对配合物的举例，了解本节课需要掌握的配合物的所有应用，借助学生对知识探究的强大兴趣，更有效率地完成该部分内容的教学；借助火花学院中优秀教学资源，使得本节课讲授的微观模型更加直观，降低理解门槛，提升学生对配合物知识的理解程度。

7  教学反思

课程在逐步革新，教学中的可视化可以为学生提供视觉、听觉、触觉相互融合的情境，通过让学生感知物质结构与性质模型和自主探究实验，引导学生进行深入思考学习。本节课运用火花学院APP结合iPad触摸，给予学生充分观察时间，在独特新颖的教学过程中引发学生兴趣以突破重难点，培养学生的构型思维，实现学生化学学科核心素养的提升。

8  结束语

火花学院APP拥有初高中各门学科的视频、微课、3D模型等教学资源，在平板及手机中可以运行，在PC中以网页的形式仍然可以展现，与Materials Studio、Diamond、Mercury、Gauss View、Unity 3D、Chem3D等相比，可以摆脱运行环境的限制，就算没有iPad，也可以用手机进行教学，适用于化学教学实践。其出色的可交互功能可以为学生提供自主探究的平台，将配合物结构的抽象思维形象化，从而提升学生对本节内容的学习兴趣，增强学习效果。

9  参考文献

[1] 潘睿.Material Studio 7.0分子模擬软件在结构化学晶体结构教学中的应用[J].化学教育（中英文），2018，39（12）：73-77.

[2] 李华倩，洪梅，毛华强，等. 基于Unity 3D交互软件辅助金属晶体结构教学[J].化学教育（中英文），2019，40（19）：68-71.

[3] 张诗曼，李存璞.“发现”密堆积：基于3ds MAX软件的金属晶体教学设计[J].化学教育（中英文），2019，40（19）：72-79.

[4] 康逸，陈博殷.运用Mercury软件辅助高中晶体结构教学[J].化学教育（中英文），2021，42（01）：83-87.

[5] 黄剑芳.利用三维虚拟技术突破物质结构教学：从演示型工具到探索型工具的转变[J].化学教育（中英文），2022，43（3）：105-115.

[6] 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，2018：39-45.

[7] 马仁标.“‘火花学院科学可视化教学内容与工具库”在地理教学中的应用[J].中学地理教学参考，2021（19）：66-69.

[8] 蔡苏，焦新月，杨阳，等.5G环境下的多模态智慧课堂实践[J].现代远程教育研究，2021，33（5）：103-112.

[9] 水分子成键[EB/OL].[2022-3-12].https：//www.huohuaschool.com/component/204002140.

[10] 四水合铜离子模型[EB/OL].[2022-3-12].https：//www. huohuaschool.com/component/406000107.