三重表征視野下“金屬晶體”內容分析與教學過程設計

蘭祥春+高成

摘要：化學三重表征是指人們依靠化學宏觀物質世界為媒介來呈現可感知的宏觀化學知識；依靠現代科學技術手段所展現出的模擬景象為媒介來呈現需想象的微觀化學知識；以化學符號語言來呈現化學科學知識的三種知識替代形式?；瘜W三重表征應用于化學教學有利于學生真正認清化學學科本質；給化學教學變革帶來了新的視角；是學生學好化學的重要突破口三方面的價值。文章以“金屬晶體”為例進行了三重表征的教學設計。

關鍵詞：三重表征；金屬晶體；內容分析；教學過程設計

文章編號：1008-0546（2016）12-0070-04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.12.024

19世紀末，英國約翰斯頓教授（A.H.Johnstone）對學生學習化學為什么感到困難這一問題進行了思考，并提出化學三重表征理論的最初形式。此后，眾多化學教育研究者對化學三重表征理論進行研究，使其得以發展，并成為化學教育研究的理論基礎。對學生來說，在化學學習過程中發展化學三重表征思維，有利于幫助學生更好地理解化學學科本質。對教師來說，以促進學生發展化學三重表征思維為教學目標，為學生創設體驗化學三重表征的學習情境是其面臨的當代化學教育的挑戰。鑒于此，本文以化學三重表征為視野，對金屬晶體這一節進行內容分析與教學過程設計。

一、化學三重表征內涵及其對化學教學的價值

1. 化學三重表征內涵

眾所周知，宏觀、微觀及符號三種水平的知識構成了化學的知識系統。宏觀水平知識指向人們能憑知覺感知到的現象所形成的知識世界；微觀水平知識指向“原子及其衍生物，如：離子、分子所形成的世界，這是一個不可見的世界，只能憑想象來進行理解”[1]。符號水平知識指向用來幫助人們交流的符號所構成的化學語言知識世界。因“表征是一種經反映而被構造出來的、作為認知對象的替代物而存在的在思維中被加工的形式”[2]，故化學不同水平的知識具有不同的呈現形式，對應起來則有宏觀表征、微觀表征及符號表征三種表征形式。據上述分析，我們認為化學三重表征即為人們依靠化學宏觀物質世界為媒介來呈現可感知的宏觀化學知識；依靠現代科學技術手段所展現出的模擬景象為媒介來呈現需想象的微觀化學知識；以化學符號語言來呈現化學科學知識的三種知識替代形式。

2. 化學三重表征對化學教學的價值

“化學的三重表征思維方式體現了化學科學的特點和化學科學獨特的魅力，它具有較強的可遷移性和強大的解釋力量”[3]。首先，化學三重表征利于學生真正認清化學學科本質，即化學是研究物質在宏觀、微觀、符號三重世界及其變化關系的一門學科。其次，化學三重表征給化學教學變革帶來了新的視角，要求化學教師必須以化學三重表征的思維方式來開展化學教學工作。傳統化學教學往往重視符號表征為代表的知識點的講解，缺乏將宏觀、微觀、符號表征相聯系的視野來進行化學教學設計。最后，化學三重表征是學生學好化學的重要突破口。化學學習不能只停留在代表最終化學研究結果的符號表征上，而應通過體驗宏觀表征的化學，理解微觀表征的化學，再進而能用符號來表征所謂的宏觀與微觀的化學。學生只有能夠以宏觀、微觀、符號三重表征來認識化學，才能保證真正掌握所學化學知識。

二、化學三重表征視野下“金屬晶體”內容分析

人教版化學選修3《物質結構與性質》第三章第三節“金屬晶體”主要介紹了金屬鍵及金屬晶體原子堆積模型的相關內容。從化學三重表征視野下對其進行分析，“金屬晶體”這節內容包含了以金屬晶體所呈現出來的系列物理性質為代表的宏觀水平知識；以模擬金屬原子堆積方式所呈現出來的金屬晶體微觀結構為代表的微觀水平知識；以為簡化金屬晶體微觀結構而抽象出來的晶胞符號為代表的符號水平知識這三類知識。學生接受不同水平知識的難易程度不同，即“學生宏觀表征較好，但微觀表征、符號表征薄弱，并難以在不同表征間建立有效聯系[4]?！本唧w來說，學生對金屬的宏觀表征，如金屬通常具有導熱性、延展性、導電性等性質易接受，但對模擬金屬晶體的空間堆積方式等抽象微觀表征則難以深刻理解，對模擬的堆積模型與抽象出的晶胞符號難以聯系，在面對利用金屬晶體的微觀結構來解釋宏觀性質的問題時亦顯得十分困惑。

鑒于以上內容特點，有學者認為“利用可視化技術可以將抽象的知識轉變成為易于被人們接受認知的圖形圖像，有助于促進知識傳播和理解”[5]。盡管多數教師在處理這節內容時，利用可視化技術手段減小微觀表征的學習難度，但卻將宏觀、微觀、符號三種水平的知識孤立地進行講解。而“真實的化學學習不會僅僅停留在宏觀表征、微觀表征、符號表征這些單一的層面，往往需要學習者在不同表征之間進行轉換”[6]，故教師對教材內容進行深度挖掘，為學生創造利于三重表征思維發展的學習情境，實現學生形成化學三重表征思維方式的教學目標，是“金屬晶體”這一節內容學習的關鍵所在。

三、三重表征視野下“金屬晶體”教學過程設計

“金屬晶體”這節內容我們的設計思路總體來說按介紹金屬典型的宏觀物理性質，到探究金屬晶體微觀結構的4種基本堆積模型，再到利用晶體的微觀結構解釋其宏觀性質進行設計。教師在進行教學時可將其劃為兩個課時完成，第一課時可完成金屬宏觀物理性質及模擬金屬晶體微觀結構的學習，第二課時則繼續深入學習4種基本堆積模型的配位數及空間利用率知識，掌握從微觀粒子視角來理解宏觀物質性質的真正本質。為了體現設計思路的連貫性，筆者將兩課時的教學過程設計從教學過程大的環節進行拆分，主要從教師活動、學生活動及設計意圖進行分析，具體情況如下：

1. 宏觀表征、微觀表征、符號表征學習階段（第一課時）

（1）宏觀表征學習階段

教師：用ppt向學生展示常見的不同形狀、不同原料的金屬器件。

學生：集中注意力關注展示內容。

設計意圖：從學生熟悉的宏觀物質入手，引導學生歸納出金屬共同的宏觀物理性質，如（導電性、導熱性及延展性等）。選擇具有代表性的宏觀性質為宏微觀相聯系的學習作鋪墊。

教師：為什么金屬晶體具有以上共同的物理性質，而分子晶體及原子晶體沒有？它們的結構有什么差異？

學生：積極思考問題，出現疑惑，并總結概括。

設計意圖：通過提問的方式引導學生思考問題，讓學生初步有物質的宏觀性質與微觀結構相聯系的意識，明確通過微觀結構來解釋宏觀性質的學習目標。

（2）微觀表征及符號表征學習階段

① 探討平面堆積環節

教師：將乒乓球在桌面上進行一層緊密堆積。

學生：動手堆積。

教師：提醒學生利用事先準備好的紙板將乒乓球固定住，不讓其隨處移動。堆積好后再觀察堆積方式的原子配位數及形成的空隙如何？

學生：分兩組合作完成不同的堆積方式，并觀察、討論、回答問題。

教師：用ppt進行展示如下：

設計意圖：可視化展現不可見微觀粒子的有序排列，讓學生初步觀察金屬晶體的微觀結構，為后續金屬原子微觀結構的三維堆積做鋪墊。

②探討簡單立方及體心立方堆積方式及晶胞抽取環節

教師：在非密置層堆積基礎上，第二層如何堆積？第三層又如何？

學生：用紙板在桌面上圍成方形后將第一層乒乓球按非密置層堆積方式固定住。第二層的第一種堆積方式是采用同顏色的乒乓球進行球對球堆積；第二層的另一種堆積則按球對空隙的方式采用不同顏色球進行堆積，第三則重復一層。（在老師引導下完成）

教師：如何劃取晶胞？

學生：觀察兩種堆積方式的最小重復單元。

教師：用ppt展示如下堆積過程及晶胞抽象過程，具體如下（簡單立方堆積：第一層為非密置層堆積，第二層球對球重復第一層，故選取兩層觀察最小重復單元，劃取簡單立方晶胞；體心立方堆積：第一層仍為非密置層堆積，第二層填充第一層空隙，第三層堆積則與第一層堆積重復，故選取三層來觀察最小重復單元，劃取體心立方晶胞）

設計意圖：利用乒乓球模擬金屬原子的堆積方式，能將晶體的微觀結構可視化表征出來，從而幫助學生深刻理解金屬晶體的微觀結構，有效降低學習難度。而由微觀結構劃取晶胞內容，學生將體驗如何由微觀表征抽象符號表征的過程，將微觀表征與符號表征聯系起來進行深刻理解。

③探討六方最密堆積方式及晶胞抽取環節

教師：在密置層堆積基礎上，第二層及第三層又將如何堆積？提醒學生在堆積時應滿足緊密堆積（即將沿空隙進行堆積）。

學生：用紙板在桌面上圍成正方形后將第一層乒乓球按密置層堆積方式固定住，在用不同顏色的球按球對空隙進行第二層堆積。再討論第三層堆積。

教師：用ppt展示堆積方式（選擇密置層一部分為研究對象，觀察密置層堆積及空隙特點后，給空隙編號（左一），第二層占據第一層的1、3、5號空隙再給出第一層與第二層的球棍模型俯視圖，第三層與第一層相互重疊，隨后用A表示第一層B表示第二層，將其在空間中按ABAB依次拓展）。

教師：該堆積方式的重復單元如何？如何劃取晶胞？

學生：根據堆積方式觀察重復單元。

教師：用ppt展示晶胞抽取過程（展示重復單元六棱柱，再展示其六棱柱球棍模型）。

教師：從六棱柱的球棍模型中還能劃取出重復單元嗎？

學生：認真觀察六棱柱球棍模型結構。

教師：用ppt展示從六棱柱球棍模型中劃取的重復單元即六方最密堆積的晶胞符號。

設計意圖：該環節中微觀表征及符號表征的教學難度較大。在微觀表征教學時，教師需要“合理使用微觀模型，增強微觀世界的可視化，就相當于為學生提供可以觀看微觀世界的“眼睛”，使微觀過程直觀化、抽象過程形象化”[7]。在符號表征教學時，教師需借助多媒體將模擬微觀結構到晶胞抽取，即由微觀表征到符號表征轉化的思路清晰地向學生展現出來，讓學生能體驗到教師是如何在微觀表征與符號表征之間實現轉化的多重表征思維方式。加深學生頭腦里微觀表征與符號表征的融合程度。

④探討面心立方最密堆積方式及晶胞抽取環節

教師：在密置層基礎上還有其他的堆積方式嗎？

學生：認真思考問題，并嘗試堆積。

教師：用ppt展示堆積過程（前兩層與六方最密堆積方式相同，第三層則將球依次對準第一層所形成的2、4、6號空隙，第四層與第一層堆積相重合，其中一、二、三層分別用A、B、C表示，第四層及以后依次重復）。

教師：如何劃取晶胞？

學生：認真思考。

教師：用ppt展示較完整堆積過程（一層如圖1所示，二、三層模型如圖2所示，二層堆積在一層上，均占據圖1中頂角向左的空隙，如圖3所示，三層則在二層之上，均占據一層頂角向右的空隙，如圖4所示，第四層重復第一層）

學生：用事先準備好的實物乒乓球如圖1、2、3所示（用雙面膠粘貼好，再用彩色筆將乒乓球涂成不同顏色）進行實物堆積。

教師：用事先準備好的實物道具演示該堆積方式及晶胞抽取過程，再引導學生動手演練晶胞抽取過程，最后再用ppt展示過程和晶胞的比例及球棍模型。

設計意圖：為降低學生理解該種微觀結構的堆積方式及晶胞抽取過程的難度，教師不僅需要借助多媒體及實物展示將微觀表征及符號表征呈現出來，更需要按照學生深刻理解微觀結構的微觀表征之后，再過度到符號表征這一思路主線進行教學過程設計。因“微觀表征既有助于分析與理解宏觀現象，更有利于符號表征的提煉與符號含義的理解”[8]，故該教學過程按照多媒體展示及學生動手演練進行設計，將幫助學生深刻理解微觀表征及符號表征，為學生建立微觀表征與符號表征的有效聯系提供保障。

2. 問題解決與知識遷移應用階段：加深宏觀、微觀、符號三重表征有機融合（第二課時）

（1）微觀表征與符號表征有機融合階段

教師：我們學習了四種堆積方式，其對應的原子配位數分別為多少？你如何思考？

學生：認真思考并討論

教師：用ppt向學生逐個演示，即選擇微觀結構的堆積方式進行分析。四種堆積方式都從一層堆積中選定一球為中心開始觀察最近球的個數，再到觀察上層與下層最近球的個數。從而得出以上四種堆積方式的配位數依次分別為6、8、12、12。

教師：各種堆積方式的空間利用率如何？

學生：認真思考空間利用率的計算方法

教師：教師用ppt向學生逐個演示，選擇晶胞比例模型來分析球半徑與晶胞邊長的關系，從而得出四種晶胞類型的空間利用率分別為52%、68%、74%、74%。

教師：配位數與空間利用率有何聯系？

學生：認真思考兩者的聯系

教師：配位數及空間利用率均揭示微觀結構堆積方式的緊密程度，配位數從定性方面理解，選擇微觀表征為分析對象，空間利用率則是定量理解，選擇晶胞符號表征為分析對象。

設計意圖：將配位數與空間利用率聯系起來設計有助于加深學生對微觀表征及符號表征的理解及相互融合。首先，配位數的分析過程將重現金屬晶體結構的微觀表征，促進學生對微觀表征的深刻理解。其次，空間利用率的分析過程將促進學生對抽取的晶胞符號表征的深刻理解。最后，分析配位數與空間利用率聯系的過程，將促進學生在微觀表征及符號表征之間進行轉換，加深兩者的融合程度。

（2）微觀表征與宏觀表征有機融合階段

教師：堆積過程中我們發現需要用外力才能將乒乓球聚集起來，巨大數目的金屬原子是靠什么力聚集起來的？

學生：認真思考問題并討論

教師： 金屬原子是靠金屬鍵聚集起來的，金屬鍵指的是金屬離子與電子之間的強相互作用，這種作用是沒有方向性及飽和性的，這就使得金屬原子盡可能有序緊密地排列起來，到達力平衡的狀態，金屬鍵亦可幫助我們解釋金屬某些宏觀性質。

教師：為什么金屬晶體具有許多共同的物理性質，而分子晶體及原子晶體沒有？

學生：認真思考問題并討論

教師：金屬晶體由金屬離子及電子構成，金屬離子按一定的堆積方式一層一層堆積起來，其脫落下來的電子則遍布于整個金屬離子形成的空隙中及周圍，故金屬晶體具有許多共同的物理性質。而分子晶體及原子晶體不具備自由移動的電子，其結構與金屬晶體也不同，故不具這些共同物理性質。（用ppt展示模擬圖像）

教師：學了金屬晶體的微觀結構，你如何解釋金屬的導電性、導熱性及延展性等物理性質？

學生：通過相互討論及閱讀教材信息進行思考

教師：金屬導電的原因主要是金屬晶體中有大量可自由移動的電子，在外加電場下定向移動形成電流；金屬導熱的原因主要是大量可自由移動的電子與金屬離子之間相互碰撞，迅速進行著熱交換，從而使整個金屬很快達到相同的溫度；金屬具有延展性需兩方面進行解釋，一是金屬晶體的結構，金屬晶體是金屬原子按照一定方式一層一層堆積而成的，在受到外力時，每一層可發生相對滑動；二是金屬鍵，金屬晶體在發生相對滑動后，晶體內部金屬離子與電子之間的強相互作用并沒有被破壞，即金屬鍵仍然存在，故金屬晶體受到外力可發生形變，但仍可被金屬鍵聚集在一起，所以金屬晶體具有良好的延展性。（用ppt展示模擬圖像）

設計意圖：這一環節通過設計問題鏈為學生創造利用微觀理論解釋宏觀現象的學習情境。利用金屬微觀結構解釋其宏觀性質，能幫助學生更好地理解化學學科本質。在熟悉的宏觀現象基礎上，利用微觀理論探討其背后的原因，是更深層次的思維轉換過程。該環節能幫助學生有效地在宏觀表征與微觀表征之間建立聯系，促進學生化學三重表征思維方式的形成，從而實現有意義的學習。

參考文獻

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