吳曉娟

摘 要：結(jié)構(gòu)化學(xué)的學(xué)習(xí)很多時候需要學(xué)生進(jìn)行微觀想象，這對許多學(xué)生而言是個難題，對學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效率都產(chǎn)生了負(fù)面影響。為了解決這個問題，在教學(xué)中嘗試使用微觀模型作為教學(xué)輔助手段，取得了一定成效。通過幾個課例分析，分析了微觀模型在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的運用，展示了微觀模型在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的優(yōu)勢和作用。

一、《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》教材分析

結(jié)構(gòu)化學(xué)是研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的一門基礎(chǔ)科學(xué)。人教版《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》分3章，分別以三個水平對物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系進(jìn)行學(xué)習(xí)：首先，在原子水平上進(jìn)行研究，教科書中體現(xiàn)為第1章“原子結(jié)構(gòu)與元素性質(zhì)”；其次，以微粒間的相互作用為第二水平進(jìn)行研究，在教科書中體現(xiàn)為第2章“分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”；最后，在此基礎(chǔ)上專門討論了物質(zhì)的聚集，以微粒的種類、微粒間相互作用力的種類以及微粒的聚集程度為線索，在教科書中體現(xiàn)為第3章“晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”。在內(nèi)容的組織上，教材以促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展為目標(biāo)來構(gòu)建教科書體系，從微觀到宏觀、從現(xiàn)象到本質(zhì)、從定性到定量，勾勒出人類對結(jié)構(gòu)化學(xué)的認(rèn)識。

在該模塊的學(xué)習(xí)過程中，由于微觀粒子是肉眼看不見的，學(xué)生必須進(jìn)行微觀想象，再加上理解難度大，學(xué)生想象力的發(fā)展水平有限以及個體差異性，學(xué)生對物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論的理解及科學(xué)構(gòu)建需要輔助手段來模擬微觀世界。而微觀模型是可視化、最直接的輔助手段，包括實物微觀模型及計算機(jī)模擬微觀模型。模型引路在前，展開理論在后，降低學(xué)生理解的難度，幫助學(xué)生準(zhǔn)確地把握理論，做到理解性學(xué)習(xí)，避免記憶性學(xué)習(xí)。

二、微觀模型應(yīng)用于教學(xué)的幾個課例

1.共價鍵成鍵特點及規(guī)律

共價鍵根據(jù)成鍵過程中電子云重疊方式的不同分為σ鍵和π鍵，并且有如下規(guī)律：共價單鍵是σ鍵，共價雙鍵中一個是σ鍵，另一個是π鍵，共價三鍵中一個是σ鍵，另兩個為π鍵。

如何讓學(xué)生理解σ鍵沿軸方向“頭碰頭”和π鍵平行方向“肩并肩”的重疊過程，最有效的方式就是將這個動態(tài)過程演示出來。這里列舉兩種微觀模型呈現(xiàn)方式。第一種，利用軟件繪制成鍵動態(tài)過程。這種方式的優(yōu)勢在于可以形象地看到電子云在成鍵過程中的變化及最終形態(tài)，很好地展示了σ鍵和π鍵電子云的對稱性，也很形象地說明了為何σ鍵可以旋轉(zhuǎn)而π鍵不行。而缺點是動畫是事先繪制好的，內(nèi)容固定，課堂使用的靈活性較低。第二種，制作實物微觀模型。圖2.1.1是筆者在教學(xué)過程中使用常見材料制作微觀模型的圖示。

實物模型的優(yōu)勢是可根據(jù)課堂需要進(jìn)行展示，靈活性較強(qiáng)，能形象展示p軌道成鍵時只能形成一個σ鍵。如圖2.1.2所示，當(dāng)pX以頭碰頭的重疊方式形成σ鍵時，旋轉(zhuǎn)σ鍵，pY的原子軌道要不不重疊，要不只能以肩并肩的方式重疊，學(xué)生也就不難理解此時pY和pZ只能形成π鍵，進(jìn)而歸納出原子鍵形成雙鍵和三鍵時均有且只有一個σ鍵，其余為π鍵。而實物模型的劣勢是無法展示成鍵過程中電子云的動態(tài)變化。

在教學(xué)過程中，可同時結(jié)合兩種微觀模型呈現(xiàn)方式，幫助學(xué)生理解成鍵的規(guī)律。

2.VSEPR理論與分子構(gòu)型

價層電子對互斥模型是判斷分子立體構(gòu)型的一種簡單的理論模型。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生不難運用公式計算出孤電子對數(shù)和價層電子對數(shù)，進(jìn)而判斷出分子的價層電子對構(gòu)型。但從價層電子對構(gòu)型推導(dǎo)出分子構(gòu)型，部分學(xué)生出現(xiàn)了困難。在學(xué)習(xí)的初始階段，可繪制直觀的分子價層電子對構(gòu)型和分子構(gòu)型，讓學(xué)生看到兩者的聯(lián)系，幫助學(xué)生培養(yǎng)抽象思維，降低學(xué)生理解的難度。

3.晶胞結(jié)構(gòu)的分析

“晶體結(jié)構(gòu)與計算”是高考理綜的?？荚囶}，解題需要運用立體集合知識建模，再進(jìn)行計算。這是學(xué)生學(xué)習(xí)本模塊的難點之一。很多學(xué)生在學(xué)習(xí)時很難想象晶胞的立體結(jié)構(gòu)，對晶胞的分析也經(jīng)常束手無策。因此，在教學(xué)中使用微觀模型，幫助學(xué)生了解晶胞的結(jié)構(gòu)，在觀察中分析、認(rèn)識晶胞。

許多學(xué)校都配備相應(yīng)的晶胞模型供老師上課使用，然而市面上的晶胞模型往往都是固定的，在使用過程中無法拆卸，使用起來不夠靈活。相對而言，由Diamond軟件繪制的晶胞模型不僅簡潔清晰，而且可根據(jù)需要突出配位粒子、旋轉(zhuǎn)觀察等。圖2.3.1展示的是氯化鈉晶胞及繪制出鈉離子及氯離子配位離子的晶胞模型。使用這樣的晶胞模型可以讓學(xué)生清晰地看到粒子的配位粒子，在獲得直觀認(rèn)知后再進(jìn)行思考：如何從一個晶胞中找出一個粒子周圍的配位粒子？同時，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，減輕學(xué)生對微觀結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)的畏懼感。

當(dāng)晶胞較為復(fù)雜時，繪制的晶胞模型的觀察難度也會增大。例如，在金屬晶體的教學(xué)中，常見的金屬堆積方式及其對應(yīng)的晶胞，再到晶胞空間利用率的計算，都需要學(xué)生有較強(qiáng)的空間想象能力和觀察能力才能準(zhǔn)確分析。此時，自制微觀模型能達(dá)到更好的教學(xué)效果。

例如，在講解面心立方最密堆積時，很多學(xué)生難以從原子堆積中找到晶胞，這會增加學(xué)生學(xué)習(xí)的畏難情緒。筆者在教學(xué)中采用泡沫球和雙面膠，提前做好了每層的原子堆積，如圖2.3.2所示，共4層。上課時，按圖所示順序進(jìn)行疊加，形成了金屬銅的局部分子堆，借助自制的微觀模型，只需要將最上層和最下層的原子拆掉，每層僅留下最中間的原子，再將剩余的原子堆稍做旋轉(zhuǎn)，便可看到面心立方晶胞。通過這一系列的展示，幫助學(xué)生理解面心立方最密堆積的晶胞劃分，也為后續(xù)晶胞空間利用率的計算做好鋪墊。

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