指向大概念的高三化学复习教学设计与实践

［摘 要］针对高中生在学习化学过程中遇到的“分子形成”和“分子变化”问题，在高三复习阶段，基于学生已有的知识储备和问题感知能力，引入分子轨道理论，以更深入地揭示这两个问题的本质。同时，运用大概念教学理念来解构这些本质问题，引导学生完成基于本质问题设计的驱动性任务，从而真正形成大概念，提升核心素养。

［关键词］大概念；化学复习教学；分子轨道理论；分子形成；分子变化

［中图分类号］" " G633.8" " " " " " " " ［文献标识码］" " A" " " " " " " " ［文章编号］" " 1674-6058（2024）35-0059-05

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》提出，化学课程要结合人类探索物质及其变化的历史与化学科学发展的趋势，引导学生进一步学习化学的基本原理和方法，形成化学学科的核心观念[1]。在高中化学“分子结构”的教学中帮助学生认识共价键的本质，是一个极具挑战性的课题。“结构决定性质”，学生是否真的能将分子结构与化学性质进行关联，进而对分子结构形成深层次认知，是教师需要关注的问题。在学习分子结构时，学生不仅要思考共价键是怎样形成的，还要思考共价键在什么情况下无法形成，这两个方面分别对应着分子的形成和分子的变化，而这也是学生较为困惑的知识点。大概念教学要求学生在真实情境下像专家一样深入思考[2]。因此，在化学教学中，教师应以大概念为抓手，充分发挥大概念的统摄作用，帮助学生梳理并解决“分子结构”学习中的诸多问题，促使学生形成深度认知，提升核心素养。

一、教学现状分析

长期以来，高中生对分子形成与分子变化中的诸多问题存在疑惑。尽管他们通过学习原子轨道理论和杂化轨道理论，能够分析分子的立体结构，并理解共价键的形成是因为轨道重叠，但对轨道重叠的意义却不甚理解。例如，他们不清楚原子轨道重叠时，轨道上电子数是否存在限制，为什么两个电子共用轨道才能稳定成键，轨道重叠后发生了什么变化，以及轨道重叠对化学键的形成有什么意义等。这些困惑导致他们在理解许多物质的形成与变化时存在困难，如对共轭体系大π键中的电子数存在疑问，不明白N[-5]中为什么可以额外有一个电子参与形成大π键。此外，由于学生基本不具备从微观动态视角解释分子变化过程的能力，因此难以根据分子结构推测其性质。例如，学生在学习“有效碰撞理论”后，依然对粒子碰撞过程认识不清，尤其对“合适的取向”深感困惑。

这一系列问题都源于高中化学教学对“分子形成”和“分子变化”的内容剖析不够全面，相关问题的解释体系尚不完整。学生在有较大认知缺陷的情况下，很难理解大π键、过渡态、氢键等有关分子形成与分子变化的概念，同时也难以理解有机反应的简单机理，这对后续深入学习有机反应造成困难。教学中主要缺失的是对分子形成时轨道重叠的完整描述，以及重叠后轨道完整形态的展示与分析。分子轨道理论正好可以弥补这些缺失，能对分子变化过程中轨道的作用进行基本阐述。

二、教学主题内容

杂化轨道理论解释了原子间如何形成共价键，而分子轨道理论则进一步补充说明了什么情况下共价键无法形成，并阐释了某些化学反应中断键与成键是如何发生的。这两种理论具有互补性。虽然高中化学教材中没有涉及分子轨道理论，但在高三复习阶段引入该理论，有助于更深入地探究共价键的本质问题。

高三学生经过物质性质、分子结构、反应原理三个板块的复习，对分子变化的基础知识有了深入的了解和思考，进而迫切地想了解分子变化更深入、更微观的过程，以拓宽视野，提升分析解决问题的能力。为了满足学生的这一需求，本教学设计尝试以常见的化学事实为切入点引入分子轨道理论，利用其中蕴含的成键轨道和反键轨道概念，以迭代逻辑引导学生完成对一系列化学事实的分析，并抽提出大概念，帮助学生对相关概念形成深层次的认知。最终，在大概念的统摄下，将诸多与分子的形成和变化有关的事实与概念整合成新的知识网络。

三、教学目标分析

（一）基于概念地图确定大概念和本质问题

大概念源自对本质问题的解构[3]。基于对分子形成和分子变化一系列事实的理解、解释与迁移的需求，我们梳理出了如图1所示的概念地图。这张概念地图旨在清晰地展现概念与概念、概念与事实之间的关系。

这张概念地图展示了大π键、过渡态、氢键这三个概念与一系列事实之间的举证关系，而与这三个概念呈直接因果关系的是反键轨道概念。学生以往理解的轨道重叠的结果其实就是成键轨道，它与并列的反键轨道一起，从属本课的焦点概念——分子轨道。原子轨道与分子轨道之间存在因果关系，电子填入原子轨道时需遵循能量最低原理，同时，分子轨道的数量应与参与重叠的原子轨道数量相同。据此，我们可以将本节复习课涉及的学科大概念确定为“原子轨道重叠时，轨道数量守恒，能量分化”和“电子填入分子轨道遵循能量最低原理”。

基于以上分析，本节课确定了三个需要深入探究的本质问题：1.原子轨道重叠后会发生什么？2.在分子形成过程中，电子数有什么限制？3.在分子变化过程中，反键轨道起到了怎样的作用？

（二）制订教学目标（如表1）

四、指向大概念的教学设计

探究问题一：原子轨道重叠后会发生什么？

指向的大概念：原子轨道重叠时，轨道数量守恒，能量分化。

【环节一】

[教学内容]电子大概率在原子轨道的重叠区域运动是形成共价键的关键。

[教师活动]开门见山，直击学生长久以来的疑惑：大π键中π电子数为何多变？分子发生有效碰撞时产生了怎样的变化？造成氢键具有方向性的原因是什么？并指出要解决上述问题，需要更深入地认识分子是如何形成的。接着，通过手绘展示氢原子s轨道重叠形成氢分子的过程，并提出问题1：为什么轨道重叠会形成共价键？

[学生活动]利用对原子轨道的认识，分析原子轨道重叠对形成共价键的意义，说明共价键这种作用力的来源，进而加深对原子轨道重叠的理解。

[评价目标]诊断学生是否理解原子轨道重叠的意义。

评析：本环节旨在将学生对分子形成的思考引向更微观的维度。纵观共价键概念的学习历程，共用电子对概念突出了原子如何基于八隅律对价电子进行重新组合，而原子轨道重叠则揭示了重叠部分电子云密度的增大。原子轨道重叠就是形成共用电子对的具象化表达。但是，还需要进一步探究：为什么原子轨道重叠会使重叠部分电子云密度增大？原子轨道与电子有怎样的关联？电子在原子轨道的范围内出现的概率高，可以理解为原子核在原子轨道范围内对电子产生较大的作用力，因此学生可将原子轨道理解为“原子核的控制范围”。当两个原子核的控制范围重叠时，必然会产生更强的作用力。这引发了学生新的疑问：没有电子的轨道，还是一个真实存在的轨道吗？形成共价键的两原子还有其他的控制范围吗？这些疑问将驱动学生继续探索。

【环节二】

[教学内容]原子轨道重叠后会分裂变形。

[教师活动]展示一些大学教材中的共价键轨道图片，引导学生将其与高中教材中的插图进行对比，从而发现轨道重叠后会产生形变。基于此，提出问题2：大学教材中的共价键轨道与高中教材中的相比有哪些差异？轨道的分布有什么特点？

[学生活动]将新素材与高中教材进行对比分析，发现除了两原子之间存在轨道，两原子外侧也存在轨道，并通过分析归纳得出：两原子轨道重叠后会发生分裂变形。

[评价目标]诊断并发展学生的观察与分析能力水平。

评析：本环节旨在引导学生发现反键轨道的存在，并将其与已有的成键轨道概念进行对比分析。学生通过对比发现差异，从而认识到高中教材中的插图并不是完整的轨道图，在成键原子两侧也存在轨道，原子轨道重叠会引起轨道分裂变形。通过分析氢原子s轨道重叠的实例（如图2），学生认识到共用电子对处于核间轨道的原因是核间作用力最大，而外侧轨道由于受到的核吸引力相对较小，电子填入的可能性小，进而认识到轨道是原子核可以“控制”的空间，是否有电子进入并不影响轨道的存在。如此一来，学生对轨道就有了更深入和更具象的理解。

【环节三】

[教学内容]成键轨道与反键轨道在位置、性质、能量上的区别。

[教师活动]提出问题3：不同位置的轨道对共价键的形成有什么影响？不同位置的轨道能量有什么区别？在学生讨论过后进行小结：两个原子轨道重叠会形成一个低能量成键轨道和一个高能量反键轨道，合称为分子轨道;反键轨道会对共价键的形成起抵消作用。

[学生活动]根据已有知识，确定分析推测的角度，如利用点电荷作用力的方向来判断不同位置的轨道对共价键形成的影响，以及通过对比不同能层能量的高低来判断轨道能量的高低。在听取教师对成键轨道和反键轨道的定义后，总结归纳它们的相关性质。

[评价目标]诊断并发展学生的微观探析素养与科学精神。

评析：本环节旨在引导学生深入分析两种轨道的性质，并抽提相关大概念。学生通过点电荷受力分析，可以判断出原子外侧的反键轨道的情况。如果反键轨道有电子填入，会削弱两个原子的键合。电子填入越多，对共价键的削弱作用越大；如果无电子填入，则不会影响共价键。核间轨道受到的核作用力大故而能量低，核外侧轨道则相反，所以当原子轨道重叠时，不仅形状会改变，能量也会分化。进而生成新的问题：分化后的轨道一共算几个轨道？能量分化是否遵循能量守恒定律？在这个环节中，学生根据已有经验和新获取的信息进行证据推理。在教师补充说明核间和核外侧共有两个轨道（即成键轨道与反键轨道），且能量分化遵循能量守恒定律后，学生总结抽提出大概念：原子轨道重叠时，轨道数量守恒，能量分化。

探究问题二：在分子形成过程中，电子数有什么限制？

指向的大概念：电子填入分子轨道遵循能量最低原理。

【环节四】

[教学内容]电子填入分子轨道的顺序及电子数的限制。

[教师活动]提出问题4：为什么H[+2]和H[-2]能够存在，而He2不存在？

[学生活动]根据给出的事例，从轨道数量与性质、电子数的角度，对三个分子式进行对比，得出它们最大的差异是电子数。猜想电子优先填入低能量的成键轨道，若电子继续填满高能量的反键轨道，则共价键无法形成。

[评价目标]诊断并发展学生的证据推理与模型建构素养。

评析：本环节旨在引导学生思考电子数对分子稳定性的影响。学生初步分析：两个H能够形成一个成键轨道和一个反键轨道，电子填入成键轨道有利于分子稳定，填入反键轨道不利于分子稳定，且每个轨道最多只能填入两个电子。学生继续深入分析：H[+2]的电子只填入成键轨道，H[-2]的成键轨道填满、反键轨道只有单电子。当成键轨道的电子数大于反键轨道的电子数时分子能够存在；而He2的成键轨道和反键轨道都填满了电子，导致形成共价键的作用被抵消，故He2不能存在。学生在利用基础概念解决问题后，总结并抽提出大概念：电子填入分子轨道遵循能量最低原理。

【环节五】

[教学内容]大π键中π电子数的限制。

[教师活动]提出问题5：N[-5]中的大π键为什么能存在？形成大π键对p轨道的电子数有什么限制？

[学生活动]根据以上的结论，推测形成大π键时不能让电子填满反键轨道，从而深入理解反键轨道对共价键形成的抵消作用。

[评价目标]诊断并发展学生的高通路迁移能力。

评析：大π键形成的稳定性问题具有一定的抽象性和理解难度。p轨道肩并肩重叠也会形成成键轨道与反键轨道，电子同样优先填入成键轨道。N[-5]中5个N共平面成环，5个p轨道重叠后会分化得到5个分子轨道（其中包括一个非键轨道，此处不作详细讨论）。N[-5]中参与形成大π键的p轨道共计含有6个电子，电子填满成键轨道后才会填入反键轨道，而N[-5]的p轨道中的6个电子无法填满5个轨道，反键轨道电子数少于成键轨道，无法抵消成键轨道的作用，所以N[-5]中的大π键能存在。理论上，大π键的p轨道电子数要低于p轨道数的两倍。通过对问题5的分析与讨论，既能够提升学生运用已有概念解决实际问题的能力，促进他们化学观念的形成，又能够对学生的学习活动进行过程性评价。根据学生对问题的思考与表达，教师可以判断学生是否真正理解了成键轨道和反键轨道这两个关键概念，以及是否具备对基础概念进行发散性思考的能力，进而了解学生的认知发展水平，帮助学生在概念学习中实现思维的迭代升级，最终完成高通路迁移的学习任务。

探究问题三：在分子变化过程中，反键轨道起到了怎样的作用？

指向的大概念：电子填入分子轨道遵循能量最低原理。

【环节六】

[教学内容]电子填入反键轨道会引发共价键变化。

[教师活动]根据有效碰撞理论，解释反应物分子经过有效碰撞后共价键会发生变化。展示过渡态的图片，并解释过渡态是两分子碰撞后旧键未断、新键未成的状态。提出问题6：分子通过怎样的碰撞才能形成过渡态进而产生分子变化？请尝试描述氢氧化钠与溴甲烷反应产生的过渡态。

[学生活动]根据对反键轨道性质的理解，建构电子填入反键轨道的新模型——两分子的轨道相互重叠。

[评价目标]诊断并发展学生的微观探析素养与模型建构素养。

评析：在大概念教学中，评价环节的核心在于评估学生是否真正掌握了大概念[3]。本环节中，学生基于本节课的大概念，解决新情境中的挑战性问题，并实现知识的迁移应用。学生对断键有了新的理解：当反键轨道填满电子时，会抵消成键轨道带来的稳定作用，从而导致断键。通过分子碰撞将两个分子的电子对与反键轨道重叠也是一种向反键轨道填入电子的方式，同样会导致旧键断裂；而这次轨道重叠会形成新的成键轨道并填入电子，形成新键。过渡态就是旧键未断、新键未成的状态，在这个状态下，旧键与新键存在竞争关系。通过学习，学生能够更深入地理解分子变化过程中反键轨道的作用。

【环节七】

[教学内容]氢键具有方向性的原因。

[教师活动]引导学生观察冰的结构（如图3），注意水分子间氢键的角度。提出问题7：氢键为什么会具有方向性？氢键为什么是一种强的分子间作用力？

[学生活动]对素材进行分析并提出猜想。猜想1：从氢键的稳定性角度看，氢键肯定不只是由正负电性原子相互吸引形成的；猜想2：从氢键的形成角度看，孤电子对正好指向反键轨道。形成观点：氢键与轨道重叠相关，带有一定共价键的性质。

[评价目标]诊断并发展学生的高通路迁移能力。

评析：本环节旨在引导学生继续在新情境中对概念进行迁移应用。通过探究冰中水分子间氢键的排列，学生可以发现O的孤电子对与H-O键的反键轨道形成头碰头的角度，呈现一定的成键趋势。正是这种成键趋势，使得氢键比一般分子间作用力强得多。此外，这一发现还有助于学生对水的自耦电离形成新的认识。

五、教学反思

通过以大概念为统领的化学复习教学，结合本质问题的驱动和真实问题情境的创设，引导学生完善认知，进而解决新的化学问题。在对共价键的本质、分子的形成与变化的探究中，学生不仅形成了大概念，还发现了问题内部的统一性，这促进了学生知识网络的建构，增强了学生解决问题的灵活度，切实发展了学生的化学学科核心素养。

［" "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[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]" 刘徽.大概念教学：素养导向的单元整体设计[M].北京：教育科学出版社，2022.

[3]" 张俊列，刘欢.评大概念教学之争[J].课程·教材·教法，2024，44（4）：51-58.

[4]" 岑素艳，范斌.核心素养背景下指向大概念的高中化学教学探析[J].广西教育，2023（5）：72-75.

（责任编辑" " 罗艳）