楊濤 王興田

摘要：高中化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)模塊的教學(xué)中可以較好地培養(yǎng)學(xué)生的宏觀辨識(shí)與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知等核心素養(yǎng)。在具體教學(xué)中如何落實(shí)，如何借助信息技術(shù)手段突破傳統(tǒng)教學(xué)方法難以完成的物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學(xué)，都是值得在教學(xué)中思考和探索的問題。文章以雜化軌道理論的教學(xué)為例，探索落實(shí)核心素養(yǎng)的策略和方法。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);物質(zhì)結(jié)構(gòu);智慧課堂

文章編號(hào)：1008-0546（ 2020） 04-0042-03

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.04.01l

一、問題的提出

核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受相應(yīng)學(xué)段的教育過程中，逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終生發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力[1]。高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是高中學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的重要組成部分，主要包含宏觀辨識(shí)與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)、科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任等五個(gè)維度?；瘜W(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的載體是教學(xué)內(nèi)容和知識(shí)，如何在課堂教學(xué)中滲透化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，逐步培養(yǎng)學(xué)生形成與化學(xué)學(xué)科相關(guān)的品格和能力是教師在教學(xué)設(shè)計(jì)中應(yīng)該重點(diǎn)思考的問題。物質(zhì)結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識(shí)與宏觀辨識(shí)與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知等核心素養(yǎng)密切相關(guān)，本文以物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學(xué)中的重要內(nèi)容“雜化軌道理論”為例探究物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學(xué)與化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)融合的策略。

二、案例分析

1.學(xué)習(xí)內(nèi)容與任務(wù)分析

《高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)本課教學(xué)內(nèi)容的要求是認(rèn)識(shí)共價(jià)分子的多樣性和復(fù)雜性，能根據(jù)有關(guān)理論判斷簡單分子或離子構(gòu)型。根據(jù)雜化軌道理論和價(jià)層電子對(duì)互斥理論判斷分子或離子構(gòu)型是高考化學(xué)選修3模塊必考內(nèi)容之一。教學(xué)重點(diǎn)是sp、sp₂、sp₃雜化軌道的形成過程。教學(xué)難點(diǎn)：用雜化軌道理論解釋分子構(gòu)型及物質(zhì)性質(zhì)。

2.設(shè)計(jì)思想

根據(jù)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論和翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)理論，應(yīng)用智慧課堂的教學(xué)手段，并且充分靈活地將信息技術(shù)運(yùn)用于課堂教學(xué)，將雜化軌道這一抽象晦澀的教學(xué)內(nèi)容形象地展示出來。同時(shí)也運(yùn)用多種模型創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生更加深刻地理解雜化軌道理論在解釋分子結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用。在化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)方面，學(xué)習(xí)雜化軌道理論并且學(xué)會(huì)解釋分子構(gòu)型可以培養(yǎng)學(xué)生宏觀辨識(shí)與微觀探析的核心素養(yǎng)，用數(shù)字化傳感器進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究可以培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。

3.教學(xué)模式與策略設(shè)計(jì)

本節(jié)課教學(xué)采用的是智慧課堂[2]的教學(xué)模式，微課內(nèi)容為共價(jià)鍵的軌道重疊理論和共用電子對(duì)理論，同時(shí)也包括鍵參數(shù)鍵能、鍵長、鍵角的介紹。學(xué)生學(xué)習(xí)微課后完成微課練習(xí)，主要針對(duì)微課知識(shí)及本節(jié)課的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)分析學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備情況，有針對(duì)性地進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)。在課堂教學(xué)中運(yùn)用智慧課堂的教學(xué)模式可以通過多種互動(dòng)方式與學(xué)生交流，包括隨機(jī)提問、搶答、拍照上傳等等，并且學(xué)生練習(xí)的情況可以即時(shí)反饋，提高教學(xué)效率。最后再運(yùn)用習(xí)題智能推送技術(shù)，根據(jù)學(xué)生的錯(cuò)題情況發(fā)送針對(duì)性的習(xí)題，每位學(xué)生的習(xí)題都不一樣，充分體現(xiàn)了因材施教。

運(yùn)用AR技術(shù)展示甲烷的球棍模型和比例模型，創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，讓學(xué)生聯(lián)系舊知分析甲烷的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，再由甲烷的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)引入sp₃雜化軌道的知識(shí)。在學(xué)習(xí)過程中通過動(dòng)畫模型和實(shí)物模型（氣球模擬）多種教學(xué)手段來模擬雜化軌道的形成過程和構(gòu)型，讓學(xué)生能更加直觀地感受到虛擬的雜化軌道。解決sp₃雜化軌道之后，sp₂雜化軌道和sp雜化軌道分別通過乙烯分子和乙炔分子來創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，在實(shí)例中學(xué)習(xí)，在模型中理解（圖1）。

三、教學(xué)過程設(shè)計(jì)

環(huán)節(jié)1 微課練習(xí)講解

學(xué)生課前在云平臺(tái)上完成微課練習(xí)，主要針對(duì)原子核外電子排布、球棍模型和比例模型、甲烷分子構(gòu)型、共價(jià)鍵的飽和性和方向性等知識(shí)。學(xué)生完成練習(xí)后，通過數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)答題正確率，在課前針對(duì)錯(cuò)誤率較高的習(xí)題進(jìn)行針對(duì)性講解。

環(huán)節(jié)2 引入新課

從甲烷分子的正四面體結(jié)構(gòu)引入，用AR技術(shù)直觀展示甲烷的球棍模型和比例模型，引導(dǎo)學(xué)生思考甲烷分子為什么形成正四面體構(gòu)型，引入新課——雜化軌道理論。

環(huán)節(jié)3 sp₃雜化軌道形成過程

引導(dǎo)學(xué)生從甲烷分子中碳原子的成鍵情況與碳原子價(jià)電子軌道表示式的沖突進(jìn)行思考。碳原子最外層未成對(duì)電子是2個(gè)，但甲烷分子中碳原子卻形成了四個(gè)共用電子對(duì);碳原子最外層四個(gè)電子能量不相同，但是甲烷分子中碳原子形成四個(gè)能量相同的C-H鍵。由此可以引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論，這是由于碳原子的原子軌道發(fā)生了某種變化，即原子軌道的雜化。然后講解sp₃雜化軌道的形成過程及四個(gè)sp₃雜化軌道的空間構(gòu)型。

通過對(duì)碳原子核外電子排布的分析及甲烷分子實(shí)際模型的觀察，可以讓學(xué)生明確分子的結(jié)構(gòu)與分子構(gòu)型間存在一定的聯(lián)系，認(rèn)識(shí)到化學(xué)學(xué)習(xí)中結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的重要思想，培養(yǎng)學(xué)生宏觀辨識(shí)與微觀探析的核心素養(yǎng)。在講解sp₃雜化軌道的空間構(gòu)型時(shí)可以采取氣球模型模擬的方法，將四個(gè)大小相同的氣球扎在一起擺成平面構(gòu)型，輕輕碰觸氣球后四個(gè)氣球立即變?yōu)檎拿骟w構(gòu)型，讓學(xué)生通過實(shí)物觀察認(rèn)知sp₃雜化軌道的構(gòu)型，學(xué)會(huì)用直觀模型推理微觀結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。

環(huán)節(jié)4 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究甲烷取代反應(yīng)

分析甲烷結(jié)構(gòu)可知甲烷分子中碳原子sp3雜化軌道與氫原子Is軌道形成σ鍵，所以甲烷性質(zhì)較穩(wěn)定，引導(dǎo)學(xué)生回顧甲烷的性質(zhì)，甲烷不會(huì)與強(qiáng)酸強(qiáng)堿反應(yīng)、不會(huì)使酸性高錳酸鉀溶液退色等，這都是由于甲烷分子性質(zhì)穩(wěn)定。但是甲烷可以在光照下和氯氣發(fā)生取代反應(yīng)，取代反應(yīng)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不是非常明顯且所需時(shí)間較長，可以用傳感器進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究。

用氣壓傳感器和溫度傳感器同時(shí)測(cè)量反應(yīng)過程中壓強(qiáng)和溫度的變化，得到兩條不同的曲線，讓學(xué)生分析圖像變化（圖2），得出結(jié)論。用定量實(shí)驗(yàn)的手段可以獲得定性傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法獲得的信息，分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的過程可以培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理的核心素養(yǎng)。

環(huán)節(jié)5 sp₂雜化軌道和sp雜化軌道形成過程和空間構(gòu)型

通過乙烯分子創(chuàng)設(shè)情境分析乙烯分子中碳原子sp₂雜化軌道形成過程及空間構(gòu)型，通過乙炔分子創(chuàng)設(shè)情境分析碳原子sp雜化軌道形成過程和空間構(gòu)型。引導(dǎo)學(xué)生類比于sp₃雜化軌道形成過程和空間構(gòu)型思考、討淪sp₂雜化軌道和sp雜化軌道形成過程和空間構(gòu)型，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)的能力，并且學(xué)會(huì)用雜化軌道理論解釋乙烯平面形結(jié)構(gòu)和乙炔直線形結(jié)構(gòu)。

教學(xué)過程中通過智慧課堂云平臺(tái)和平板電腦與學(xué)生進(jìn)行隨機(jī)提問、搶答等互動(dòng)，學(xué)生也可以通過平板電腦進(jìn)行拍照上傳與同學(xué)和老師分享討論成果（圖3）。同時(shí)隨堂練習(xí)的結(jié)果也可以實(shí)時(shí)展示，用數(shù)據(jù)分析了解學(xué)生的掌握情況（圖4）。

環(huán)節(jié)6 自適應(yīng)練習(xí)

智能推送技術(shù)，根據(jù)每位學(xué)生不同的錯(cuò)題推送不同的習(xí)題，對(duì)做錯(cuò)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行再強(qiáng)化訓(xùn)練，因材施教，有針對(duì)性地進(jìn)行練習(xí)鞏固。學(xué)生完成練習(xí)后通過云平臺(tái)提交答案，分析答題情況（圖5）。

四、案例反思

本節(jié)課的設(shè)計(jì)重點(diǎn)就是如何將抽象的內(nèi)容具象化，幫助學(xué)生理解復(fù)雜抽象的雜化軌道，并學(xué)會(huì)用雜化軌道理論解釋分子構(gòu)型，理解分子結(jié)構(gòu)與分子構(gòu)型的聯(lián)系，培養(yǎng)宏觀辨識(shí)與微觀探析的核心素養(yǎng)。并且在教學(xué)過程中可以依據(jù)智慧課堂的特點(diǎn)及時(shí)反饋，了解學(xué)生的掌握情況，進(jìn)行針對(duì)性的講解和探究，充分地將信息技術(shù)與課堂教學(xué)充分融合，取得了非常好的教學(xué)效果。

在教學(xué)過程中，運(yùn)用智慧課堂的教學(xué)手段可以做到很多傳統(tǒng)課堂無法完成的事情，比如課堂練習(xí)的即時(shí)反饋和講解，課堂提問方式的多元化，與學(xué)生互動(dòng)方式的多樣化等等。但是智慧課堂對(duì)學(xué)校的硬件條件有較高的要求，學(xué)生平板、教師平板、微云服務(wù)器等都需要較大的投入，目前來說較難普及，只有少部分條件較好的學(xué)?？梢蚤_展。同時(shí)智慧課堂對(duì)教師的操作及教學(xué)設(shè)計(jì)都有較高的要求，如何制作微課，如何展開互動(dòng)，如何設(shè)計(jì)練習(xí)都需要教師投入較多的精力，而且對(duì)學(xué)生素質(zhì)也有一定的要求，學(xué)生能否正面地運(yùn)用平板電腦和老師充分互動(dòng)也是課堂教學(xué)成功與否的重要因素。

這節(jié)課充分利用了信息技術(shù)與課堂教學(xué)的融合，綜合運(yùn)用AR技術(shù)，動(dòng)畫模擬，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)等信息技術(shù)手段，力求讓學(xué)生直觀感受雜化軌道理論的形成過程，同時(shí)也采取翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，應(yīng)用智慧課堂的教學(xué)形式進(jìn)行教學(xué)，這樣教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)是：1.教學(xué)決策數(shù)據(jù)化。根據(jù)學(xué)生在云平臺(tái)的作業(yè)完成情況，選擇學(xué)生錯(cuò)誤率最高的兩道習(xí)題針對(duì)性進(jìn)行講解，并且在課堂教學(xué)的隨堂練習(xí)也可以用數(shù)據(jù)分析的方法直觀看到學(xué)生的答題情況。2.微觀結(jié)構(gòu)可視化。用AR技術(shù)直觀展示甲烷、乙烯和乙炔分子的球棍模型和比例模型，同時(shí)展示sp₃、sp₂、sp雜化軌道的形成過程，學(xué)生可以更直觀感受雜化軌道的形成過程，理解更加充分。3.證據(jù)推理數(shù)字化。甲烷分子中碳原子發(fā)生sp₃雜化，性質(zhì)穩(wěn)定，但是可以與氯氣在光照下發(fā)生取代反應(yīng)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段很難進(jìn)行，所以采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手段，用溫度傳感器和氣壓傳感器證明取代反應(yīng)的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

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[2]唐燁偉，龐敬文，鐘紹春，等.信息技術(shù)環(huán)境下智慧課堂構(gòu)建方法及案例研究[J].中國電化教育，2014（11）：23-30