談如何進行有想象力的物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學

宋凡凡

（南京航空航天大學附屬高級中學 江蘇 南京 210007）

愛因斯坦說：“想象力比知識更重要，因為知識是有限的，而想象力概括著世界上一切，推動著進步，并且是知識進化的源泉。嚴格地說，想象力是科學研究中的實在因素?！痹谡n堂教學中教師要重視學生想象力的培養(yǎng)。想象力常常是建立在對已有知識牢固掌握和深刻領(lǐng)悟基礎(chǔ)上的。沒有基礎(chǔ)知識的積累，想象力只會成為“不結(jié)果實的花朵”。我們在教學的過程中應努力實現(xiàn)二者的協(xié)調(diào)發(fā)展。

物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論研究表明，化學微觀空間想象是學習和認知微觀化學世界的重要方法和手段，有利于培養(yǎng)和開發(fā)學生的想象力，有利于學生更好地理解化學、發(fā)展空間想象、感受化學世界。本人在化學課堂教學中注重挖掘教材，思考如何解決空間的無限性與學生本身思維局限性的兩者的矛盾；在教學中有意在開拓學生思維空間、擴大空間視野上下功夫；能夠在不同物質(zhì)的空間構(gòu)型之間展開聯(lián)想，學生在解題時做到觸類旁通，取得較理想的教學效果。具體的方法如下：

一、深入觀察

想象力的培養(yǎng)并非空穴來風，教師要引導學生多接觸事物、多觀察事物，豐富知識，增加表象儲備。想象的內(nèi)容可以千奇百怪，但都以已有表象為基礎(chǔ)。深入觀察事物有利于激活學生頭腦中的表象，使學生的想象力得以充分提升。教師應首先指引學生對建筑物、雕塑造形、模型等客觀事物的外在形象進行全方位、細致觀察，再通過分析、整理、整合、假設(shè)、驗證、歸納、演繹等思維活動，獲取對化學微觀粒子的空間構(gòu)型的科學認識，推動微觀表象的建立，為發(fā)展科學而廣闊的想象力奠定基礎(chǔ)。

1．通過二維圖形進行三維空間想象

想象力的建立往往離不開對于文字材料、圖像的理解、記憶、分析、推理。教師應配合課本充分利用圖表、圖形、模型、多媒體演示等，為學生認識和探索微觀化學世界提供生動的形象，也為知識的再現(xiàn)提供依據(jù)；指導和訓練學生通過觀察及分析，從中提取最具特征的信息；逐步建立起將二維平面圖在腦海中轉(zhuǎn)化為三維實物的空間想象能力。教材中有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)的教學內(nèi)容，是進行三維想象教學的絕好教材。如原子晶體部分講授金剛石的結(jié)構(gòu)時，教師可自制球棍模型并結(jié)合課本示意圖（如下圖），師生共同從中挖掘出下列隱含信息：

信息①：本圖僅“提取”了金剛石（宏觀物質(zhì)）的極小部分，成比例 “擴大”（合理想象）后，顯示的碳原子（微觀粒子）之間的空間聯(lián)接方式。

信息②：每個碳原子所處的化學環(huán)境相同：被相鄰的4個碳原子包圍，處于4個碳原子的中心，通過共價鍵相連構(gòu)成正四面體結(jié)構(gòu)。其鍵能、鍵長、鍵角（109°28′）均完全相同。

信息③：想象這樣的正四面體作為“微粒”，通過共用碳原子相互聯(lián)結(jié)，向空間無限發(fā)展，就構(gòu)成了一種穩(wěn)定的、空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。從而完成由客觀事物（圖形）→微觀粒子（碳原子）構(gòu)型→宏觀物質(zhì)（金剛石）的空間想象思維過渡（主要思路如下圖）。通過這樣的教學過程學生普遍感到眼中有物、腦中有景，不僅對金剛石晶體構(gòu)型理解透徹，印象深刻，而且有效地激發(fā)想象能力。

如：（11年全國理綜37題）（5）六方氮化硼在高溫高壓下，可以轉(zhuǎn)化為立方氮化硼，其結(jié)構(gòu)與金剛石相似，硬度與金剛石相當，晶胞邊長為361．5pm，立方氮化硼晶胞中含有 個氮原子、 個硼原子，立方氮化硼的密度是 g·cm-3。

該題要求考生根據(jù)金剛石的結(jié)構(gòu)答出立方氮化硼晶胞里的氮原子、硼原子數(shù)及立方烷的密度。卻并未給出金剛石晶體結(jié)構(gòu)示意圖，這正體現(xiàn)命題者匠心獨具：中學化學教學應回歸課本，重視能力。考生只須掌握金剛石的“基本結(jié)構(gòu)單元”是正四面體，并具有一定的微觀三維想象能力和分析推理能力，即可順利得出答案。

2．培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維能力

創(chuàng)造性思維：開拓認識新領(lǐng)域、開創(chuàng)認識新成果的思維活動。一項創(chuàng)造性思維成果的取得，往往要經(jīng)過長期的探索、刻苦的鉆研、甚至多次的挫折之后才能取得。而創(chuàng)造性思維能力也要經(jīng)過長期的知識積累、素質(zhì)磨礪才能具備，創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)過程，離不開推理、想象、聯(lián)想、直覺等思維活動。因此在課堂教學活動中，教師應有意識激發(fā)學生的創(chuàng)造想象意識。如教材在“離子晶體”中給出的氯化納晶體結(jié)構(gòu)示意圖（如下圖），通過觀察學生發(fā)現(xiàn)：圖中表示Na+的小球有14個，而表示Cl-的小球只有13個，并不相等，怎么與氯化鈉的化學式不符？ 教師應幫助學生克服思維的局限性，充分揭示其結(jié)構(gòu)特點：

圖1

圖2

特點① NaCl晶體結(jié)構(gòu)是由Na+和Cl-各自構(gòu)成的立方面心結(jié)構(gòu)穿插而成。圖一只是表示構(gòu)成NaCl晶體的一個“微粒”即晶胞 ，晶胞在空間無限重復就產(chǎn)生了宏觀晶體。

特點②：構(gòu)成晶胞的點、線、面、體所處的位置關(guān)系并不相同。如有的Na+處于晶胞的頂點，應想象出單元晶胞沿三維空間擴展時，每個處于頂點的Na+同時被8個晶胞所包圍和共用，故每個晶胞含有1／8個Na+；位于面心上的Na+只含1／2個Na+；處于棱邊上的Cl-只含1／4個Cl-；而處于體心的Cl-則不共用，完全屬于該晶胞。

特點③：晶體計算應以微粒所處位置對應比例為標準。如一個晶胞中含Na+數(shù)：12×1／4+1=4，含Cl-數(shù)： 8×1／8+6×1／2=4， 所以有 Na+∶Cl-=4∶4=1∶1→NaCl（化學式）。

在此基礎(chǔ)上，進一步發(fā)揮學生想象力。用 “分割”法，將NaCl的一個晶胞平均“切”成8等份，每份為一個小立方體（如圖2）。以此為依托，可設(shè)計思考題：已知NaCl晶體的密度為ag／cm3，阿伏加德羅常數(shù)為NA，求兩個最近的Na+中心間的距離（cm）。

上述題型在近幾年高試題中多有涉及，如：（08海南24題）已知X、Y、Z三種元素組成的化合物是離子晶體，其晶胞如結(jié)構(gòu)圖所示，問該化合物的化學式；（08年廣東27題）（2）已知MgO的晶體結(jié)構(gòu)屬于NaCl型。改正某同學畫的MgO晶胞結(jié)構(gòu)示意圖中的錯誤；以及（09年海南19題）已知CaF2的密度求晶胞的體積；（11年江蘇卷21題）求CuCl的化學式等。其解題思路基本類似求食鹽晶體的化學式及上述思考題，在教學中注重了該項能力的培養(yǎng)，學生在求解問題時都能得心應手。

二、善于聯(lián)想，培養(yǎng)想象的發(fā)散性

聯(lián)想是根據(jù)化學知識由此及彼、由表及里、縱橫相交的特點，通過某些共同點而將相關(guān)事物聯(lián)系起來想象的思維過程。分子的空間構(gòu)型是培養(yǎng)學生三維想象力的廣闊領(lǐng)域。教師要能抓住本質(zhì)特征，啟發(fā)學生縱橫相聯(lián)，將分散在教材中的相關(guān)分子空間構(gòu)型的知識，以規(guī)律加以歸納，使之系統(tǒng)化，可增強學生想象的發(fā)散性及靈敏性，使創(chuàng)造思維能力得以提升。

（1）關(guān)于鍵角相等的相關(guān)聯(lián)想： 鍵角是判斷分子空間構(gòu)型的一個重要數(shù)據(jù)，鍵角反映結(jié)構(gòu)特點，而結(jié)構(gòu)則決定鍵角的大小。若已知正離子CH3+中的4個原子是共平面的，且3個鍵角相等，可推斷其空間構(gòu)型應類似于BF3：以碳原子為中心呈平面正三角形結(jié)構(gòu)，鍵角120°。根據(jù)鍵角相等的發(fā)散聯(lián)想：如鍵角均為120°的乙烯、苯、石墨，利用數(shù)學中幾何構(gòu)型的點、面、體有機聯(lián)為一體：

（2）根據(jù)結(jié)構(gòu)相似的遷移聯(lián)想：如怎樣判斷有機物CH3—CH=CH—C≡CCF3分子中6個碳原子是否同線或同面？ 若缺乏聯(lián)想、遷移的能力，必然無從下手。該題突破口在于該分子中的碳碳鍵及碳碳三鍵，聯(lián)想到課本中的CH2=CH2及CH≡CH的空間構(gòu)型，乙烯中六個原子共平面，乙炔中四個原子共直線；再想像將產(chǎn)物中兩端相應的H原子分別被-CH3和-CF3所取代，通過 “切割”、“拼接、“取代”等思維加工，即得出 CH3—CH=CH—C≡C—CF3的空間構(gòu)型（如下圖）。若再提出，該分子中所有的原子是否在同一平面上呢？ 可將學生的空間想象力進一步升華。

（3）根據(jù)空間構(gòu)型相似的發(fā)散聯(lián)想：充分調(diào)動學生頭腦中的相關(guān)結(jié)構(gòu)信息，通過梳理，將構(gòu)型相似的一類物質(zhì)，聯(lián)成一體，例如：學生最為熟悉的CH4其結(jié)構(gòu)是以碳原子為中心，4個氫原子為頂點的正四面體結(jié)構(gòu)，C—H 鍵的夾角為109°28′， 以CH4的空間構(gòu)型為聯(lián)想的基礎(chǔ)，可建立如下網(wǎng)絡：

三、利用所給信息進行推理聯(lián)想

推理聯(lián)想是以一種事物的某種基本特征為依據(jù)，通過分析、推理等，推導出其他事物具有相應特征的想象方法。

①如已知1，2，3—三苯基環(huán)丙烷有2種同分異構(gòu)體，則 1，2，3，4，5—五氯環(huán)戊烷有多少種同分異構(gòu)體？ 該題要求學生有較強的空間想象能力，并能敏銳接受信息解決五元環(huán)空間異構(gòu)的問題。本題的難點在于既要考慮氯原子的位置異構(gòu)，還要想象氯原子位于環(huán)戊烷平面的下方或上方而形成的空間異構(gòu)：①5上0下 ②4上1下 ③3上2下（鄰） ④3上2下（間）

②如某共價化合物含有碳、氫、氮3種元素，已知分子內(nèi)4個氮原子形成內(nèi)空的正四面體，每2個氮原子間有1個碳原子；無C-C鍵，C=C鍵，C≡C鍵，求該共價化合物三維結(jié)構(gòu)式。

本題的入手點在于4個氮原子的空間構(gòu)型類似于白磷分子，從而可以將解題過程分解成4個思維步驟（如下圖）。不難得出其結(jié)構(gòu)中含有4個6元環(huán)，分子式為C6H12N4。

總而言之：教師應不斷探索教學藝術(shù)，在對學生進行學科知識教學的同時應更為注重學生想象力的培養(yǎng)，讓化學課堂插上想象力的翅膀，從整體上提高學生的綜合素質(zhì)。