10.3969/j.issn.1671-489X.2022.05.133

摘 要 以人教版高中化學選擇性必修2《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性

質(zhì)》中“共價鍵”一課為例，通過梳理共價鍵內(nèi)容的進階認識、學生學習過程中的困難以及以往教學中存在的問題，同時借助全息交互技術(shù)使學生主動探究共價鍵的形成及特點，學生通過“模型假設(shè)—評價模型—修正模型—應用模型”，從原子軌道重疊的角度發(fā)展對共價鍵的認識，形成對于σ鍵和π鍵的更深層次的認知。

關(guān)鍵詞 全息交互技術(shù)；化學；共價鍵；教學設(shè)計

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）05-0133-05

1 共價鍵的核心內(nèi)容與教學價值

化學鍵是中學化學從微觀視角認識化學問題的重要內(nèi)容，而共價鍵的學習更是涉及原子結(jié)構(gòu)、分子性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)以及化學反應。共價鍵的認識在中學不同的階段認識程度與目的不同，且由于概念的抽象性使掌握難度增大?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（2017年版）》在必修部分明確提出化學鍵這一內(nèi)容[1]。共價鍵理論在中學化學中起著承前啟后的作用。通過梳理不同階段對于化學鍵的學習內(nèi)容標準（見表1），可以看到學生之前學習了原子結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識（核外電子排布、價電子、原子軌道等），之后將學習晶體結(jié)構(gòu)、配合物結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。共價鍵的極性以及認識分子構(gòu)型是學習晶體物理性質(zhì)的基礎(chǔ)。

選擇性必修對于共價鍵的學習，不僅發(fā)展了對于“位—構(gòu)—性”核心思維的理解與提升，同時增加了從共價鍵極性的角度認識有機化學反應中σ鍵和π鍵的特征反應，有助于歸納總結(jié)有機反應機理。

義務(wù)教育階段對于原子結(jié)構(gòu)、化合價、原子結(jié)構(gòu)示意圖等的認識，為學生打開了認識物質(zhì)的微觀視角，簡單了解原子結(jié)構(gòu)與其化合價的關(guān)系、分子式的關(guān)系。當然，教學過程中對這部分的處理常有要求學生機械記憶的情況，這種處理方式不利于發(fā)展學生認識物質(zhì)的微觀視角。

高中階段必修1第一章首先認識電解質(zhì)、非電解質(zhì)的相關(guān)概念，第四章認識化學鍵，區(qū)分離子鍵與共價鍵，這樣處理使學生首先從客觀事實上認識物質(zhì)的電離，而對化學鍵的認識有助于加深對電解質(zhì)、非電解質(zhì)的理解，在學習化學鍵后建議梳理兩對概念的關(guān)聯(lián)與區(qū)別?；瘜W鍵的學習也是從微觀角度認識化學反應與熱能的基本要求。

選擇性必修2《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》中對于原子結(jié)構(gòu)的學習，發(fā)展了對原子結(jié)構(gòu)的認識，由原子光譜發(fā)展了對能層與能級的認識，對于電子云的認識有利于對共價鍵的形成以及對分子的空間構(gòu)型的認識（需要雜化軌道理論的支持）。共價鍵的認識也是認識晶體結(jié)構(gòu)、物質(zhì)的物理性質(zhì)（溶解性、熔沸點等）的前提，同時，σ鍵和π鍵的學習也是認識典型有機反應機理的新視角。

教師在了解不同階段學生需要掌握相關(guān)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，需要將這些知識、概念打通，能站在高位理解概念之間的關(guān)系，做到高屋建瓴。將中學階段與化學鍵相關(guān)聯(lián)的概念梳理清楚，如圖1所示。

2 學生學習共價鍵的基礎(chǔ)與困難分析

學生在初中階段已經(jīng)知道物質(zhì)是由分子或原子構(gòu)成的，并且知道發(fā)生化學反應是原子的重新組合，除了有新物質(zhì)生成之外，還伴隨吸熱和放熱的現(xiàn)象，但對于原子間的相互作用，如何組成物質(zhì)，沒有知識基礎(chǔ)。高中必修階段化學鍵的內(nèi)容，正是基于學生的認知基礎(chǔ)認識微粒之間具有相互作用，建立化學鍵的概念，從而建立微觀視角，從化學鍵的斷裂與生成認識化學中的物質(zhì)變化及能量變化。學生在物質(zhì)與結(jié)構(gòu)中學習了原子軌道，對抽象的電子運動有了相對具象的印象，為從軌道重疊的角度認識共價鍵奠定基礎(chǔ)。通過對化學鍵概念的梳理以及對學生學習化學鍵學情反饋梳理，發(fā)現(xiàn)學生學習化學鍵的困難。

2.1 化學鍵前后知識不夠連貫，概念間的聯(lián)系不夠

明顯

教材不同階段關(guān)于化學鍵的內(nèi)容有各自的教學目的，而不梳理又難以理解其中的相互關(guān)聯(lián)。如必修階段認識化學鍵，區(qū)分離子鍵、共價鍵，通過學習能加深對電解質(zhì)、非電解質(zhì)的認識，從共價化合物、離子化合物的角度認識物質(zhì)的分類，有利于從微觀的視角分析物質(zhì)的性質(zhì)。選擇性必修對于化學鍵的認識，尤其是對共價鍵的認識，有利于理解微粒之間的相互作用方式，理解分子的空間構(gòu)型，從極性的角度認識微粒的性質(zhì)（對有機反應機理的理解）、物質(zhì)的物理性質(zhì)（溶解性、熔沸點等）以及物質(zhì)的晶體構(gòu)型等。而這些知識間的關(guān)聯(lián)需要引導學生思考、梳理，從而形成整體的知識網(wǎng)絡(luò)。

2.2 與共價鍵關(guān)聯(lián)概念抽象，學習過程多屬于機械

記憶

學生在初中階段對于原子、分子的認識是抽象的，且不具備原子如何形成分子（離子）的概念；高中必修階段認識共價鍵與離子鍵，從而區(qū)分電解質(zhì)與非電解質(zhì)，由于反常物質(zhì)（氯化鋁、硫酸銨等）的存在，很多學生只是機械記憶。對于共價鍵的描述，用電子式來描述原子形成分子的過程，將對共價鍵的認識發(fā)展到共用電子對的水平，然而共用電子對的作用更是抽象與難以描述的。

2.3 學習過程多為被動接受，學生難以用探究的方

式自動生成新知

傳統(tǒng)的原子軌道模型能幫助學生建立三維空間中原子軌道模型，但是在軌道相互作用的過程中傳統(tǒng)模型起不到演示作用。多媒體動畫能夠模擬軌道重疊形成共價鍵的過程，對學生認識其形成有一定的幫助，但是對于知識的傳授仍然是灌輸式的，學生沒有參與感，更無法調(diào)動自我能動性，也無法引起更多的思考。

2.4 相關(guān)知識具有一定難度，需要較強邏輯思維

共價鍵相關(guān)理論涉及電子排布、原子軌道、重疊方式等[3]，雖然電子云的概念使得學生能從立體角度對電子的認識更加具象，但是，由于不同軌道的立體形狀以及不同的空間分布，理解起來需要較強的空間想象能力及較強的邏輯思維能力，學生明顯感覺吃力。

2.5 學生頭腦中自我形成的對化學鍵的迷思概念也是化學鍵學習的干擾

需要通過設(shè)計相關(guān)的概念考查、教學設(shè)計的前測與后測了解學生對概念的認識、掌握程度，驅(qū)除迷思概念，形成正確認知。

3 教學流程

在化學概念教學中，為幫助學生構(gòu)建科學的化學概念，可以從直觀事物或現(xiàn)象入手，對化學概念進行深度分析，幫助學生抓住概念的內(nèi)涵和外延，通過對比分析概念之間的關(guān)聯(lián)與矛盾對概念進行科學認識。另外，一些相關(guān)概念之間的內(nèi)在聯(lián)系的梳理，可使學生對概念進行正確應用，通過不同環(huán)境的應用練習加以鞏固。

在化學鍵教學設(shè)計中進行知識的梳理，通過對學情的了解解決學生的迷思概念，形成對化學鍵的正確認識，同時兼顧學生在不同階段的認識水平、不同層次學生的認識差異。本節(jié)教學設(shè)計期望通過學生調(diào)用已有知識對概念作出自我表達，分析給定材料發(fā)展對化學鍵的認識，借助全息交互技術(shù)使學生自我探究、糾錯，形成對共價鍵的發(fā)展與概念的深入了解。本節(jié)教學設(shè)計的流程圖如圖2所示。

4 全息交互技術(shù)支持共價鍵教學活動設(shè)計

環(huán)節(jié)一：復習引入

【復習學案】描述共價鍵的定義，用電子式表示H2、HCl、Cl2、H2O、N2等物質(zhì)的形成過程。學生分享課前學案，同學互評，糾錯。

【設(shè)計意圖】回顧對共價鍵的已有認知。

環(huán)節(jié)二：理論預測共價鍵的形成

1）畫出H、Cl原子電子排布軌道表示式，指出形成分子時分別是哪個能級上的電子參與成鍵。

2）資料：形成共價鍵時，參與成鍵的原子軌道發(fā)生“重疊”，把兩個原子“黏結(jié)”在一起，使分子能量最低，以達到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

學生呈現(xiàn)的軌道重疊模型如表2所示。

【設(shè)計意圖】學生通過分析參與成鍵的能級軌道，從而鎖定原子軌道形狀，然后根據(jù)最大重疊原則，預測原子軌道重疊的可能性，師生共同探討可能性。

環(huán)節(jié)三：探究σ鍵、π鍵的形成

任務(wù)1：全息影像探究σ鍵的形成。

學生通過全息交互技術(shù)自主探究H2、HCl、Cl2分子形成時軌道相互作用的情況，更正預測的軌道重疊圖，并分析變化原因。學生展示、表達，圖3所示為σ鍵與π鍵重疊方式及能量圖。

1）s-s重疊時，電子云發(fā)生變化，是因為共享的一對電子分屬兩個原子，因此在原子之間出現(xiàn)的概率密度大。

2）s-p重疊時，沿著坐標軸的方向作用時重疊面積最大，能量最低。共用電子對在兩原子間出現(xiàn)概率密度變大，因此單獨出現(xiàn)于Cl原子一邊的概率密度變小。

3）p-p重疊時，沿鍵軸方向與垂直方向重疊均能形成相互作用，與預測的相同。分析氯氣分子的軌道空間分布，頭碰頭重疊在空間選擇上是唯一的重疊方式。

【設(shè)計意圖】借助全息交互技術(shù)認識σ鍵形成過程及特征，更正之前不正確的認識，并通過分析軌道變化的原因，認識由于軌道重疊導致電子出現(xiàn)的概率空間變化。

任務(wù)2：認識共價鍵的飽和性與方向性。

1）思考：為什么氫氣、氯化氫、氯氣分子

式不是H3、H2Cl、Cl3？總結(jié)：共價鍵的飽和性。

【設(shè)計意圖】運用已有知識分析解釋共價鍵的飽和性。

2）講解。s軌道與p軌道作用要實現(xiàn)最大重疊需滿足兩個條件：

①原子核間距要小；

②兩原子按合適的方向靠近。

因此，s-p重疊，當核間距一定時，只有以頭碰頭的形式作用，才能形成最大重疊，也就是說共價鍵具有方向性。

【設(shè)計意圖】通過呈現(xiàn)軌道重疊程度的重疊積分圖，如圖4所示，從理論上說明共價鍵方向性。

任務(wù)3：全息影像探究π鍵的形成。

1）寫出基態(tài)氮原子價電子排布式軌道表示式，指出形成分子的氮原子為哪個能級上的電子。

2）借助全息交互技術(shù)探究p-p軌道重疊與能量變化，分析氮氣分子形成過程中軌道重疊情況，引出π鍵定義。圖5所示為π鍵重疊方式及能量圖。圖6所示為px、py、pz的立體軌道圖。兩種作用方式均存在，且在氮氣分子三鍵中均存在，并從三維立體結(jié)構(gòu)層面認識三鍵的重疊。

【設(shè)計意圖】借助信息交互認識π鍵形成的可能性，從空間作用的角度分析其成鍵的特點。

環(huán)節(jié)四：學以致用

觀察乙烷、乙烯和乙炔分子結(jié)構(gòu)，它們分子中的共價鍵由幾個σ鍵和幾個π鍵構(gòu)成？

思考：分析碳原子的成鍵軌道，對比以上得到的成鍵類型，你能提出哪些問題？

【設(shè)計意圖】能分析陌生分子的共價鍵的類

型，通過引導引發(fā)思考，認識新理論的科學性以及局

限性。

【教學反思】

1）全息交互技術(shù)的使用充分調(diào)動了學生的主體能動性，使得抽象概念的學習由學生被動地學變?yōu)橹鲃犹骄俊Ｍㄟ^全息交互技術(shù)從能量的角度探究σ鍵和π鍵的形成方式，一方面糾正之前的理論預測，同時造成認知沖突，引發(fā)學生深入思考，找到預測與科學模型之間的差距，并從電子云的角度給出合理的解釋，加深對共價鍵的認識。

2）通過“模型假設(shè)—評價模型—修正模型—應用模型”，從原子軌道重疊的角度重新認識共價鍵，形成對于σ鍵和π鍵的正確認知。

學生調(diào)用已有知識，結(jié)合提供材料（原子軌道相互作用，達到最大重疊，使體系能量最低，達到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)），分析典型分子的成鍵軌道。學生設(shè)想原子軌道重疊方式并畫圖表示，訓練提取新信息、加工應用以及符號表達的能力。教師引導學生分析其可能性，然后根據(jù)全息交互技術(shù)驗證設(shè)想，糾正錯誤認識，并分析軌道作用后發(fā)生變化的原因，達到加深對共價鍵的認識。學生自我修正模型，同時訓練規(guī)范表達的能力。

在分析p-p軌道重疊方式時，學生設(shè)想兩種合理的重疊方式，通過全息交互技術(shù)也驗證了其合理性。通過進一步分析氯氣和氮氣的p-p軌道重疊方式的差異，得出氯原子形成氯氣分子時，p-p軌道在空間上只能以頭碰頭的形式形成σ鍵；而對于氮原子，三個p軌道的三個單電子均參與成鍵，必定形成一個σ鍵、兩個π鍵。通過兩種情況的對比、追問、分析，引發(fā)學生深層思考。

3）全息交互技術(shù)使得學生探究學習更加開放主動，更具趣味性。本節(jié)課內(nèi)容較為抽象，相較以往通過模型講解，學生能夠認識到成鍵的整個過程以及軌道的變化情況。與動畫課件相比，全息交互技術(shù)能更好地發(fā)揮學生的能動性，問題設(shè)問可以更具開放性。教師展示并講解一個案例，在隨后探究s-p σ鍵和p-p σ鍵的形成以及講解過程，學生模仿，完整地描述其過程，開展學生互評加教師評價。另外，全息課件資源仍有改進的空間，比如：將原子軌道形成過程與能量坐標對應；p-p軌道缺少px、py、pz共同存在時相互作用的課件資源，有待后續(xù)開發(fā)。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準

（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2] 梁艷.高中化學“化學鍵”學習進階研究[D].山西：

山西師范大學，2019.

[3] 黃萍，冉鳴.利用基于交互技術(shù)的學習活動突破共

價鍵教學難點[J].化學教育，2014，35（17）：45-48.

作者：趙曉冉，北京景山學校遠洋分校（100040）；趙研，首都師大附屬蘋果園中學（100041）。