車銘妍

摘要： 化學鍵的教學要實現概念向能力素養(yǎng)的轉化，發(fā)展學生對物質構成的認知，需基于化學學科觀念的建構，建立概念模型。利用化學鍵發(fā)展史與“太空天梯”材料的尋找兩條情景線，認識化學鍵在物質構成、能量變化、化學反應本質中的作用，建構微粒觀與元素觀、化學價值觀、“結構決定性質”的思想觀念，打造素養(yǎng)統(tǒng)領、觀念統(tǒng)攝、情景統(tǒng)一、認知發(fā)展合理進階的課堂，達成能力與素養(yǎng)的培育目標。

關鍵詞： 核心素養(yǎng)； 觀念建構； 化學鍵； 概念教學； 認知發(fā)展

文章編號： 1005-6629（2023）09-0046-05???中圖分類號： G633.8???文獻標識碼： B

1? 研究背景

化學鍵的概念和原理對于元素化合物、化學反應原理及有機化學的教學起到起承轉合的作用，可以有效促進學生形成“結構決定性質”的思想觀念，是理解化學反應實質的根本，也是培養(yǎng)“宏觀辨識與微觀探析”“證據推理與模型認知”核心素養(yǎng)的重要知識生長點。

在課堂教學中，一般教師輕化學鍵而重離子鍵和共價鍵，沒有充分發(fā)揮化學鍵概念、原理的教育功能。本文基于魯科版教材必修第二冊第二章第一節(jié)“化學鍵與物質構成”的第1課時“化學鍵”的教學設計，以化學鍵的發(fā)展史為情景，揭示其概念意義；在第2課時再進行共價鍵和離子鍵的教學，更符合建構主義思想和學生認知發(fā)展規(guī)律，著重從化學鍵的視角認識物質結構和化學反應實質，建立起解釋與分析物質的性質的意識［1］。

2? 學情分析

高中學生已經建立起了初步的微粒觀：了解原子的基本結構，知道原子是由帶正電的原子核和帶負電的核外電子構成的，了解微粒之間存在一定的作用力，了解保持物質化學性質的最小微粒是分子，化學反應中的最小微粒為原子。但這種微粒觀只是對微粒自身、微粒和物質構成、微粒和化學變化的認識，尚未建立起微粒之間的作用和變化、微粒的結構與化學性質的關聯等認識。

同時，學生也形成了一定的化學變化觀：對化學反應中的物質變化有一定的認識，認識到化學反應的本質是分子分解成原子、原子重新組合成新的分子的過程，對燃燒等放熱反應也有較深的印象。

在魯科版高中化學必修第二冊第一章已經學習了“原子結構與元素周期律”，對原子的構成有了更深入的了解，已經建立起了“原子核外電子排布對元素性質會產生影響”的基本認知，形成了“結構決定性質”觀念的初步意識，但仍然是停留在性質的宏觀認知層面，對于原子之間如何結合成新分子、離子之間如何形成新物質尚未完全了解。

3? 教學思路

3.1? 教學框架

化學鍵的概念和原理抽象且不易理解，高中教學應立足于微觀粒子之間的作用，進一步建構微粒觀、“結構決定性質”的觀念（后面簡稱“構性觀”）、變化觀、化學價值觀等學科核心觀念。從物質構成到反應實質以及能量變化逐步揭示化學鍵的概念本質與意義，建立觀點、證據、結論之間的合理邏輯。整節(jié)課的教學設計圍繞以下兩種情境展開。

情境1：通過化學鍵發(fā)展史，模擬科學探究發(fā)展過程以認識化學鍵。從“分子間作用力”到相鄰原子、離子之間的作用，從“親和力”到“庫侖力”，不斷挖掘微粒之間的作用力的過程中，形成概念模型，逐步構建微粒觀、元素觀和構性觀（見圖1）。

情境2：嫦娥五號登月。從宏觀應用認識物質，將宏觀情景轉化為微觀探索欲。以“嫦娥五號”探月為背景，探求“太空天梯”材料，從“力”的角度尋找材料，必然從“力”的方向認識物質，引入化學鍵概念。利用長征五號的發(fā)動機燃料不同，構建化學鍵與能量模型。揭示神秘材料“碳納米管”，導入碳的同素異形體，構建化學鍵與物質構成關系模型。因為化學鍵的斷裂和形成帶來了能量變化，使得“長征五號”不同部位的發(fā)動機燃料選擇有了數據依據，揭示化學反應的三個特征：物質變化、能量變化與化學鍵變化，形成化學反應的微觀角度模型，提升學生對化學反應的認知，推動變化觀的建構。

兩條情境線交織，形成了宏觀認知與理論發(fā)展的交替生長線。素養(yǎng)的發(fā)展與觀念的建構相輔相成，基于宏觀情景，探討微觀本質，轉化舊思維，形成新思想（見圖2）。

3.2? 教學基本流程

教學流程見圖3。

4? 化學鍵的概念教學設計

4.1? 建構化學鍵概念模型

［教師］嫦娥五號順利登月，長征五號功不可沒。是否存在建立“太空天梯”的材料，讓普通人也有機會登月？選擇“太空天梯”材料的關鍵是什么？

［學生］選擇材料的關鍵——微粒之間作用力要強！

［質疑］播放視頻：零下20℃的肥皂泡，產生漂亮的雪花。問：為什么肥皂泡不散落？

［學生］水分子間存在作用力。

［深度質疑］加熱至100℃時，水會沸騰變成水蒸氣。加熱至2200℃以上時，水會分解（見圖4）。

（1） 在這兩個變化過程中，外界提供的能量的作用是什么？使水分解和使水沸騰溫度不同說明什么？

（2） 你對“微粒之間是否存在著相互作用”這一問題有了哪些新的認識？

［學生］把水氣化，需外界提供44kJ·mol-1的能量，用于克服水分子間的作用力，把水分解，需外界提供918kJ·mol-1的能量，用于克服水分子內氫原子和氧原子之間的作用力。水分子內部氫原子與氧原子之間的作用力遠大于水分子間作用力，原子間存在強烈的相互作用（見圖5）。

［教師］水分子間與水分子內的氫氧原子之間作用力是否相同？你如何理解化學鍵？

［學生］（1） 不直接相鄰，作用力弱；直接相鄰，作用力強。

（2） 化學鍵是直接相鄰原子之間強烈的相互作用（見圖6）。

［教師］（1） 十七、十八世紀的一些自然科學家把牛頓力學推廣到化學領域，把化學元素能夠互相結合的能力單純看作引力。你同意他們的觀點嗎？

（2） 從原子結構的角度分析，HCl分子內H、 Cl之間存在哪些作用力？NaCl中Na+、 Cl-之間存在哪些作用力？你如何理解“化學鍵”與“作用力”的關系？

［學生］化學鍵是引力與斥力的平衡，不是單純的引力。化學鍵廣泛存在于分子內原子之間和相鄰離子之間。

［教師］“直接相鄰”與“強烈相互作用”是否存在關聯呢？

［提供信息］H、 Cl之間“距離與能量關系圖”（見圖7）。

［學生］能量越低越穩(wěn)定，化學鍵越牢固。H、 Cl之間距離較遠或者距離太近均能量高，不穩(wěn)定。只有達到“直接相鄰”能量最低，化學鍵穩(wěn)定。化學鍵是直接相鄰的微粒之間引力與斥力達到平衡時的強烈的相互作用。形成化學鍵，可以使分子穩(wěn)定性增強（見圖8）。

［教師］所有的物質中都存在化學鍵嗎？

［提供信息］破壞兩氦氣相鄰原子之間的作用力只需要0.167kJ·mol-1的能量［3］，遠小于斷裂化學鍵所需能量100～600kJ·mol-1的能量。

［學生］并非所有物質都存在化學鍵，稀有氣體相鄰原子間不存在化學鍵。

［小結］化學鍵概念模型：化學鍵是直接相鄰的微粒之間當引力與斥力達到平衡時產生的作用力?；瘜W鍵的存在使分子能量降低，是構成物質、使物質穩(wěn)定存在的本質原因。

4.2? 建構化學鍵與化學反應關系模型

［教師］請描述H2在O2中燃燒和H2在Cl2中燃燒的現象，說出兩個化學方程式中化學鍵的變化。

［學生］不同化學反應中化學鍵的變化不同。

［教師］（1） 室溫下，1mol H2在O2中完全燃燒生成液態(tài)水放出256kJ能量，1mol H2在Cl2中完全燃燒生成HCl放出185kJ能量。為什么不同的反應，釋放的能量不同？

（2） 化學鍵的斷裂和形成對化學反應的能量變化有什么影響？

［提供信息］展示H、 Cl之間“距離與能量關系圖”（見圖9）。

［學生］（1） 當兩原子由穩(wěn)定狀態(tài)逐漸遠離，能量升高，說明斷開化學鍵需要吸收能量；兩原子從較遠向穩(wěn)定狀態(tài)變化，能量逐漸降低，說明形成化學鍵要釋放能量。

（2） 化學變化的特征之一是生成新的物質，在反應過程中必然伴隨著舊化學鍵的斷裂和新化學鍵的形成。當斷裂舊化學鍵吸收能量與形成新化學鍵釋放能量不相等時，化學反應就表現為對外吸收或釋放能量。這就是化學反應的實質（見圖10）。

［提供信息］長征五號芯級發(fā)動機采用地面推力50噸級的液氫—液氧燃料；助推器采用地面推力為120噸級的液氧—煤油發(fā)動機。為什么不同的燃料燃燒，放出的能量不同，對地面的推力不同。

［學生］有效利用化學鍵的斷裂與形成帶來的能量變化，給航空航天帶來燃料的多種選擇?；瘜W鍵的研究對人類探索能源提供了結構上的依據。

4.3? 探索化學鍵研究意義

［提供信息］（1） 視頻——碳納米管可用作“太空天梯”登月的材料，目前清華大學對碳納米管的科研與生產技術已經居于世界前列，相關成果發(fā)表于2020年8月28日《Science》。

（2） 金剛石堅硬、碳60有優(yōu)良的光電磁性能、石墨滑潤且有導電性、石墨烯和碳納米管強韌。碳所形成的多種同素異形體，結構與性質均不相同。

［教師］（1） 視頻中，碳納米管為什么可以做“太空天梯”？它的元素組成和化學鍵有什么特殊性？

（2） 碳的多種同素異形體化學性質不同的根本原因是什么？

（3） 經過本節(jié)課的學習，請你談一談，你對化學鍵有了哪些新的認識？

［學生］（1） 同樣的元素通過化學鍵形成了不同的物質且性質各異，說明化學鍵是物質結構不同的根本原因，物質結構決定了物質性質。

（2） 化學鍵決定了物質構成的多樣性，決定了化學反應的能量變化，是化學反應的本質（見圖11）。

［提供信息］（1） 化學鍵理論的發(fā)展歷程（見圖12）。

（2） 2012年北京大學成功實現了化學鍵的選擇性操控。對化學鍵的操控，可以對單電子分子設備、納米機電系統(tǒng)、化學合成和藥物輸送產生很大的影響。

［教師］（1） 你對化學鍵的發(fā)展史有哪些感受？對北京大學選擇性操控化學鍵有怎樣的認識？

（2） 中國科學院白春禮院士說，化學的發(fā)展支撐了人類社會的可持續(xù)發(fā)展。通過本節(jié)課的學習，你對這句話有了怎樣的感悟？

［學生］（1） 對化學鍵的選擇性操控，讓我們認識到化學鍵不是虛擬的，而是真實存在于物質內部，影響著物質構成。

（2） 我們用一節(jié)課了解的科學，是無數科學家百年薪火相傳的成果?；瘜W鍵的發(fā)展史，就是人類對物質結構認知的發(fā)展史。我們要遵循事物發(fā)展的一般規(guī)律，尊重科學事實，繼承并發(fā)揚科學家們的探索精神。

（3） 通過化學鍵的學習，認識化學對人類社會發(fā)展的重大貢獻，學好化學、用好化學，發(fā)展科學事業(yè)，創(chuàng)造更美好的生活！

5? 教學反思

從學習的視角出發(fā)，化學基本觀念是學生對化學學習進行深入反思和體驗的結果，這種反思和體驗包括對物質的組成、結構和變化規(guī)律等知識的概括性認識、對化學探究過程和方法的反思、對化學科學本質及其在社會發(fā)展中作用的認識和反思［5］。對于抽象概念的教學，更要立足觀念建構，滲透學科素養(yǎng)。在化學鍵的教學中，不僅要教會學生領會概念本身的含義，還要在微粒觀基礎上發(fā)展構性觀，揭示化學反應的本質，理解概念深層次的意義，認識化學鍵與物質結構、物質性質、能量變化、化學反應本質之間的關聯。

參考文獻：

［1］何彩霞. 在多重關聯中探尋知識的意義——以高中《化學2》“化學鍵”單元教學為例［J］. 化學教學， 2014， （8）： 46～49.

［2］廖正衡. 化學鍵理論發(fā)展的四個階段［J］. 化學教育， 1986， （6）： 54～57.

［3］夏澤吉. 關于范德華力本質的定量探索［J］. 川東學刊（自然科學版）， 1997， （4）： 84.

［4］王磊， 陳光巨. 普通高中教科書·化學必修第二冊［M］. 濟南： 山東科技出版社， 2019： 7.

［5］畢華林， 萬延嵐. 化學的魅力與化學教育的挑戰(zhàn)［J］. 化學教學， 2015， （5）： 4.