“物质结构与性质”的综合主题式复习教学

李家彬 王全 肖珊珊 王艳丹

摘要：新课标要求学生从构成微粒、微粒间的相互作用和微粒的空间结构三个层次认识物质结构与性质之间的关系。以往物质结构的教学往往局限于教材中的典型物质与典型结构，困扰于填隙率、晶胞密度等计算问题，而忽视了物质结构与性质之间的密切关联。本研究以“传统硅酸盐陶瓷”为素材，选择工艺中的 “选土”、“制坯”、“烧窑”等关键步骤，开展“物质结构与性质”模块的主题式复习教学，帮助学生掌握研究物质结构的方法和技术手段。最后从“传统陶瓷”向“新型陶瓷”迁移，基于一般方法分析和解决实际问题，形成知识体系的迁移应用。

关键词：主题式教学；物质结构与性质；模块复习；硅酸盐；陶瓷

《普通高中化学课程标准（2017年版）》（以下简称“新课标”）针对物质结构与性质模块提出“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，侧重研究不同类型物质的有关性质，进一步丰富学生物质结构的知识，提高学生分析问题和解决问题的能力”[1]。要求学生从构成微粒、微粒间的相互作用和微粒的空间结构三个层次认识物质结构与性质之间的关系。而以往物质结构主题的教学常常局限于教材中的典型物质与典型结构，困扰于填隙率、晶胞密度等计算问题，而忽视了物质结构与性质之间的关联。新课标要求选取与现实生活和科学前沿密切相关的问题，促使学生认识研究物质结构的方法和技术，研究物质结构对于化学、材料科学和生产生活的价值。[2]

主题式教学以一个连贯、有机的主题为核心设计教学活动，充分调动学生的主观能动性，培养完善的思维能力，引导学生利用结构化的学科知识分析解决生产生活中的实际问题，形成能够解决一类问题的思路和模型[3-4]。陶瓷是我国传统文化中的瑰宝，材料种类繁多，结构丰富，广泛应用于各种工业、科研和日常生活中，非常适合作为主题式教学的素材。选取陶瓷工艺中的关键步骤“选土”、“制坯”、“烧窑”作为情境载体，综合利用所学物质结构知识，采用“宏观辨识和微观探析”相结合的方式进行科学探究，查找相关资料，寻找研究物质结构问题的一般思路和方法，借助化学前沿的理论和方法，培养“证据推理与模型认识”等方面的学科核心素养。

1  课程主题选择

1.1 整合模块主题，重视学科认识角度

新课标将“物质结构与性质”模块整合为“原子结构与元素性质”、“微粒间的相互作用与物质性质”、“研究物质结构的方法与价值”三个主题。分别从原子结构、分子结构、晶体结构、聚集态与超分子等层次由小到大闡述“结构（如何）决定性质，性质（如何）决定用途”。 物质结构与性质之间的认识关系如图1所示。在学习了教材中典型物质结构与性质之间的关系之后，基于学生已有的认知开展主题式教学，分析陌生物质的结构，预测或解释其性质。通过丰富的情境素材，有利于开阔学生视野，激发学生探索物质结构奥秘的热情，帮助学生形成认识角度，应用核心知识解决实际问题。

1.2 体现高中化学改革内容

以人民教育出版社普通高中教科书化学（2019版）为例，教材从多角度发挥物质结构的理论指导作用。原本的小节 “无机非金属材料的主角——硅”变为“无机非金属材料”，更多地将硅元素及化合物的教学融入在实际应用中。在选择性必修二的教学中新增了利用X射线单晶衍射和粉末衍射进行“晶体结构的测定”有关知识，呼应了第二章“分子是具有一定空间结构的，分子结构是可以实验测定的”，加强研究物质结构的方法和技术的教学，从证据推理和模型建构的角度认识研究物质结构的过程和意义。[2]

基于此，本课程以陶瓷的工艺流程为主题，突出硅元素特有的STSE教育价值。基于学生已有对硅和二氧化硅性质和结构的认知，从物质结构的视角分析硅酸盐变化多样的结构特点，解释其熔点、硬度、吸水性等特点，分析陶瓷在烧结过程中结构的改变，推测新型陶瓷的结构并解释其性质，体会物质结构的研究及其理论发展对化学学科发展的贡献。

2  教学目标

新课标针对“物质结构与性质”模块提出的课程目标包括“从原子、分子水平上认识物质构成的规律，基于微粒间作用力研究不同类型物质的性质，提升学生有关物质结构的基本认识，深入认识物质结构与性质之间的关系，发展化学学科核心素养等”。本课程以“传统陶瓷”为主题帮助学生分析硅酸盐的构成微粒、微粒间的相互作用和微粒的空间排布，深入理解物质的结构与性质之间的关联。确定教学目标如下：

（1） 基于硅、氧等元素的原子结构，分析成键特点。利用晶体学信息文件（Crystallographic Information File，CIF）和晶体学软件（Mercury、Crystal Maker）帮助学生分析晶体中微粒的空间排布，学习并应用研究物质结构的一般工具和过程方法，发展宏观辨识与微观探析的学科核心素养。

（2） 从硅酸盐材料多变的结构出发，解释其差异化的性质，进一步理解“结构如何决定性质，性质如何决定功能”，发展证据推理与模型认知的学科核心素养。

（3） 从传统陶瓷的结构性质到新型陶瓷的结构性质，既追寻中华传统文化的根脉，增强学生的文化自信，弘扬爱国主义情怀；又引导学生关注科技前沿，结合新材料新技术成果，充分体现化学学科推动科技发展和社会进步的价值，发展科学精神与社会责任的核心素养。

3  教学任务及教学流程

本课程以深圳市某中学完成“物质结构与性质”模块学习的学生为授课对象，在学生完成选择性必修二一书的学习之后开展主题式复习教学。授课时间为一课时。根据物质结构的认识层次，以陶瓷中的硅酸盐结构为素材，设计学习活动，帮助学生认识物质结构如何决定性质，教学思路如图2所示。

4  课程实施及学生学习结果

4.1 情境引入——认识陶瓷

[教师介绍]利用图片和视频介绍传统硅酸盐陶瓷的发展历史、分类和加工工艺等。

[学生]总结硅酸盐陶瓷的性质和用途。

[教师追问]什么样的结构赋予了陶瓷的诸多的优良性能，如高熔点、绝缘性等，硅酸盐陶瓷是否具有独特的结构？下面我们从不同的层次和视角探究陶瓷材料。

[设计意图]以中华民族传统工艺陶瓷为引入，感受陶瓷承担的实用功能价值、科学价值和文化价值，激發学生进行学习探究的兴趣，引出教学核心任务。

4.2 基于物质结构的不同层次认识硅酸盐陶瓷

4.2.1 构成微粒和微粒间的相互作用——“选土”

[教师提问]制作陶瓷前首先要“选土”，其主要成分是硅酸盐（长石、高岭土、蒙脱土等）和石英，我们已经学习过二氧化硅和硅酸盐的基本结构单元是Si和O组成的四面体：每个Si结合4个O，Si在中心，O在四面体的4个顶角。硅原子什么样的电子轨道和杂化方式决定了硅酸盐的这一成键特点？

[学生]硅原子的价电子排布式为3s23p2，通过sp3杂化的方式与周围的四个氧原子结合，形成硅氧四面体。

[教师提问]硅氧四面体与硅氧四面体之间的关系是怎样的？

[学生]由于氧原子形成两个共价键，硅氧四面体之间以共顶点的方式相连接，每个氧被两个硅原子共用。

[教师补充] 硅氧四面体之间通过共用四面体顶点可以彼此连接成单链、双链或层状、网状的复杂硅氧骨架结构，除此之外硅酸盐中还含有K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Al3+等金属离子，这些特点决定了硅酸盐的多样性。

[教师提问]我们在有机化学模块中学习了碳原子的成键方式，硅原子的成键方式与其同主族的碳原子的成键方式有何不同？为什么会有这样的不同？

[学生]硅酸盐结构中都是硅氧单键，而不存在硅硅单键、硅硅双键和硅硅三键，也不存在硅氧双键，没有碳原子的成键形式丰富。可能由于硅原子较碳原子原子半径更大，共价键长，键能小。

[教师提问]除了硅氧单键外，硅酸盐中还可能含有哪些相互作用？成键条件是怎样的？

[学生] 如果O2-只与一个Si4+连接，那么O2-还会与其它金属阳离子形成离子键。

[教师提问]硅酸盐是由共价键和离子键组成的混合晶体，请总结不同晶体类型的作用力种类及性质，并解释为什么硅酸盐具有熔点高、绝缘性好，但是质脆、韧性差等特点。

[学生]（学生总结如表1所示）硅酸盐作为混合晶体兼具离子晶体和共价晶体的性质特点，熔点高、在固体状态下不导电。但是共价键骨架具有明显的方向性，在收到外力作用后很难像金属晶体一样发生滑移，导致质脆、韧性差。

4.2.2 微粒的空间排布——“制坯”

[教师过渡]“选土”之后需要将粉料“土”制成泥料或浆料即“制坯”，泥料、浆料品质好坏的核心指标是成型性和含水率，那么如何调节泥料和浆料的成形性和含水率？与硅酸盐的结构有怎样的关系？

[模型建构]晶体学文件CIF是记录晶体结构信息的标准文件格式，包含晶胞参数、原子坐标、键长、键角等关键信息。利用晶体学软件得到硅酸盐陶瓷的三种主要原料——长石（KAlSi3O8）、高岭土（Al2[Si2O5]（OH）4）和蒙脱土（（Na，Ca）0.33（Mg，Al）2[Si4O10]（OH）2·nH2O）的晶体结构，并用配位多面体及其连接方式进行描述（如图3所示）。学生用语言描述、结构绘制的方式说明三种硅酸盐的成键方式、空间结构、配位数等。

[学生展示]（学生绘制的硅酸盐结构作品见图4）钾长石由硅氧四面体和铝氧四面体共用顶点形成立体骨架，钾离子位于骨架的空隙中平衡电荷，配位数为9。

高岭土是由硅氧四面体和铝氧八面体共用顶点1：1形成的层状结构。除此之外，层间还存在O-H···O的氢键作用。

蒙脱土是由两层共顶点的硅氧四面体中间夹一层共边的铝氧八面体构成，层间还存在金属阳离子形成的离子键和水分子的氢键作用。

[教师提问] （进一步提供硅酸盐原料的性质对比资料，见表2）请从晶体结构的角度解释为什么钾长石的硬度较大，高岭土硬度小且具有强吸水性，蒙脱土吸水性更强且具有阳离子交换性？

[学生]钾长石为空间网格结构结构很难发生滑移，而高岭土和蒙脱土为层状结构，层与层之间可以发生滑移，质地较软。水分子可以进入到层与层之间，所以高岭土和蒙脱土具有吸水性。蒙脱土层与层间距更大，能够吸收结合的水分子更多，吸水性更强；层间的金属阳离子可以被其他金属阳离子置换。

4.2.3 微粒空间排布的转变——“烧窑”

[教师提问]陶坯最终如何变成坚硬的陶瓷呢？在经过“烧窑”（高温熔融冷却）后，观察PXRD（X射线粉末衍射）示意图（图5所示），说明结构发生什么样的变化？

[学生]由PXRD图谱看出，原本晶体具有的尖锐的衍生峰变弱宽化，可能是由晶体转化成非晶体，原本有序的晶体结构向无序转化。

[教师补充]在经过烧制后陶瓷发生一系列复杂的物理和化学变化，总的来说微观结构是由晶相、玻璃相和气相所组成（如图6所示）。其中玻璃相是非晶态的无定形物质，高岭土和蒙脱土原本的层状结构坍塌变形，也转变为坚硬的空间网格状结构。

[设计意图]对比“烧窑”前后的衍射图像，学生补充了解除晶态之外，其他的物质聚集状态如非晶态及多相聚集体等也会对物质的性质产生重要影响，拓宽科学视野。

[设计意图]在学生基于构成微粒、微粒间相互作用和微粒的空间排布三个角度认识硅酸盐，从由小到大的不同层面形成认识物质结构的一般思路，解释硅酸盐具有的性质和功能，突出结构和性质的密切关系。利用专业的晶体学软件，描述或绘制晶体模型，帮助学生不但能够掌握教材中的典型晶体结构，而且迁移发展分析复杂晶体结构的能力。发展宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知的学科核心素养。

4.3认识新型陶瓷的结构性质关系

[教师提问]除了传统的硅酸盐陶瓷外，近些年科学家还开发了诸多种类的新型结构陶瓷，如氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷等。从构成微粒、微粒间相互作用和晶体结构的角度分析氮化硅（Si3N4）陶瓷，预测其可能具有的结构和性能。

[学生]根据硅和氮的原子结构，硅原子与四个氮原子形成硅氮四面体，而每个氮连接三个硅，通过共用氮的方式形成空间网状结构。氮化硅晶体中Si-N之间的共价键键能较大，因此具有熔点高，硬度高，结构稳定等特点。

[教师补充]（教师展示氮化硅的晶体结构如图7所示，主要性质如表3所示）同学们的预测和解释基本正确，相信大家已经掌握了认识物质结构和性质的基本方法。

[设计意图]在学生掌握认识物质结构的三个角度后，对于陌生的物质氮化硅学生能否基于已有的知识方法进行合理预测和解释。同时带领学生了解材料科学前沿热点，提高学習兴趣，培养科学探究精神。

5  教学效果与反思

本主题式复习课以硅酸盐陶瓷的结构和性质的分析为主要线索，将物质结构模块进行有机统一整合，从不同的微观层次认识物质结构，学习研究物质结构的一般方法，进一步体会物质结构如何决定性质，性质如何决定功能，把视角聚焦在“材料”上，更多的体现物质结构的应用价值。硅酸盐陶瓷的三种原料（长石、高岭土、蒙脱土）都有同样的硅氧四面体，又各有结构特点（网状和层状），通过提供性质数据进行对比研究，这一过程中学生还可以与已学的教材内容（如金刚石和石墨）进行类比思考，更突出了结构和性质之间的紧密联系。

在晶体结构的教学过程中很多同学有“晶体恐惧症”，通过死记硬背记忆课本上典型的晶体模型和数据。学生面对未知的晶体结构一方面面对诸多原子无从下手，不知道从何看起；另一方面缺乏空间想象能力，容易分析位于晶胞特定位置的原子（顶点、楞上等）而难以分析晶胞空隙中的原子（如四面体空隙和八面体空隙）及其配位数。学生利用晶体学文件和软件，通过阅读结构信息，沿晶胞的不同轴向直接观察，分析硅酸盐的晶体结构，自己完成结构描述和晶体模型的绘制，直观感受X射线衍射这一技术对物质结构研究的巨大贡献。比起教师讲授或者传统的教具模型更加的简单直观，在这一过程中完成知识的转化和思维的外显。

最后以新型陶瓷Si3N4为例检验学生能否在新情境下迁移使用建构的认识角度和分析方法。在未知晶体结构的情况下，绝大多数学生通过原子结构和价键分析就能认识到氮化硅中存在硅氮四面体，每个氮连接三个硅。这点突破了在过去的二氧化硅晶体结构教学中，学生往往错误地认为二氧化硅同二氧化碳一样属于分子晶体。在解释和比较熔沸点、硬度等物质性质的过程中，学生可以从化学键类型和晶体结构等角度进行思考回答，说明学生具备了一定从不同层次解决陌生情境问题的能力。以后遇到其他类型的结构，如沸石的孔道结构，金属有机骨架化合物（MOFs）的骨架结构等，学生也可以对其应用进行大胆的猜想。

参考文献：

[1] 中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版，2018.1．

[2] 教育部基础教育课程教材专家工作委员会.普通高中化学课程标准（2017年版）解读 [S].北京：高等教育出版社.2018.9．

[3] 武衍杰，江合佩等.基于化学教学内容“结构化”的项目式教学[J].化学教学，2021（3）：44-50．

[4] 杨伏勇，武衍杰，江合佩.促进学生认识角度建构的项目式复习教学——以“探析石墨烯”进行“物质结构与性质”模块复习为例[J].化学教学，2022（11）：37-42.

[5] 北京师范大学无机化学教研室等.无机化学.下[S]. 北京：高等教育出版社.2003.

[6] Schneider J.， Frey F.， Johnson N.， Laschke K. Structure refinements of Si3N4 at temperatures up to 1360 °C by X-ray powder investigation. ZEITSCHRIFT FUER KRISTALLOGRAPHIE 1994（209）： 328-333.