構建化學模型體系 體驗微觀模擬世界
——以《物質結構與性質》教學為例

余小耿

（漳浦第一中學，福建 漳浦 363200）

高中化學學科核心素養是高中學生發展核心素養的重要組成部分，是學生必備的科學素養，是學生綜合素質的具體體現，反映了社會主義核心價值觀下化學學科育人的基本要求，全面展現了化學課程學習對學生未來發展的重要價值。[1]高中生的化學學科核心素養培養的落腳點在哪兒？教學實際中，化學學科核心素養的五個維度在不同的模塊內容、不同的教學環節中如何體現，如何落實？“證據推理與模型認知”這一學科核心素養的維度在《物質結構與性質》這一模塊中如何落實，如何構建模型體系，如何讓學生體驗模擬世界的神奇呢？

一、構建模型體系的必要性

化學是在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、性質、轉化及其應用的一門基礎學科，其特征是從微觀層次認識物質，以符號形式描述物質，在不同層面創造物質。[2]《物質結構與性質》模塊從原子結構與元素性質、微粒間作用力與物質性質、分子間作用力與物質性質等幾個專題探索物質構成的奧秘，研究不同類型物質結構與性質的關系，理解物質變化的本質，預測物質性質，設計新分子、合成新材料、創造新物質。但是這部分知識內容豐富，理論知識邏輯嚴謹，概念多，比較抽象，對空間想象力等能力要求較高，學生覺得枯燥和晦澀難懂，普遍感覺難度較大，導致學習興趣不高，學習效果不理想。一些微觀的過程，比如共價鍵的形成是一個肉眼無法可視的世界，只能通過想象來感悟；比如晶體結構中各種晶粒的堆積和離子之間的相對位置，即使教科書上有插圖，學生仍然一頭霧水。所以需要以物質組成、結構及其變化的事實作為構建模型的基礎，研究構建認識物質的模型體系，通過構建實物模型（具體模型）、理論模型（抽象思維模型）等多種模型來認識和理解物質結構與性質，體驗微觀模擬世界的神奇，掌握《物質結構與性質》模塊學習上的重點和突破學習上的難點。

二、構建物質結構實物模型，讓學生能認知、理解、描述物質結構與性質

《物質結構與性質》模塊中首先重點學習了解分子、原子這一類型的微觀世界，這些知識點在之后的學習中會經常地、反復地被運用到，所以在一開始的基礎學習中就必須要對這些基礎知識點熟悉掌握。但是，因為分子和原子這些物質是非常細微的，用肉眼不可能觀察到，但卻是確確實實存在的，所以這里就不能再像小學、初中那樣用觀察的手法來進行分析探索，或只是停留在觀察書上的模型圖或者教師畫模型圖，而是應該讓學生主動構建模型想象，自主形成微觀認識。比如在雜化軌道理論的教學中，為了形象的體會SP3雜化軌道形狀和空間伸展方式，教師可以在教學設計中讓學生構建模型想象，動手畫模型，教導學生依據雜化理論等采用橡皮泥、球棍模型或比例模型來搭建可能存在的實物模型，然后再依據雜化軌道間的夾角這一知識點來理解“甲烷是正四面體結構”這一結論。

晶體結構的教與學是困惑高中教師和學生的一大難題，而通過構建晶體結構模型，可以讓學生深刻理解晶體的結構和晶粒之間的相對位置。教師可以采用購買的晶體實物模型進行教學，讓每個學生動手搭建各種晶體模型；這些模型能夠直觀清晰地展示晶粒子之間的相對位置，很好地理解金剛石的正四面體的空間網狀結構，理解NaCl型和CsCl型晶體的體心、面心、棱邊等，幫助學生構建空間想象能力，理解并掌握晶體結構。也可以用多媒體演示結構模型或采用模型軟件，讓學生全方位地觀察晶體結構模型中微粒的構成特點，增強學生分析問題的直觀性，建立比較完整的空間立體比例模型，培養學生的空間想象能力和抽象思維能力。教師還可以提供或讓學生自己制作泡沫塑料球、棉花條、扭扭棒，根據書上提供的各種晶體結構，用502膠水或AB膠動手黏合制作各種晶胞模型。比如在動手制作金屬晶體過程中，讓學生體會非密置層、密置層的二維堆積過程；了解六方堆積、面心立方堆積、體心立方堆積的區別，對難以用語言描述的三維空間ABABAB的六方密堆積方式和ABCABCABC的立方密堆積方式有了更深刻的體會。在實物模型的幫助下，學生很好地理解小球的相切情況，突破了晶胞結構中粒子間的距離與晶胞棱長的關系，高考中有關晶胞的綜合計算也就不是難點了。

三、構建系統模型、關系模型等理論模型（抽象思維模型），體驗微觀世界的神奇

化學家以實驗事實為基礎，借助想象和相關理論在分子、原子水平上建立了一整套關于物質及其變化規律性的化學微觀認識體系。化學微觀認識的表征形態及其解釋機制本質上是一種模型構建。分子、原子是具有抽象性和不可觀測性的，因此需要根據有限的實驗事實對原子、分子構建模型想象，通過推論思維和想象思維對原子、分子進行猜測性的描述。科學家對原子結構模型的探索歷史就是一種抽象思維模型的提出、修正和完善的過程。因此，在不影響科學性的前提下，構建合理的微觀模型體系，可以增加微觀世界的可視性，增強學生對微觀世界的體驗，相當于提供學生一雙觀看微觀世界的眼睛，使微觀世界可視化、抽象過程形象化，讓學生深切體會到模擬微觀世界的神奇與豐富多彩。

科學家抓住了元素研究的主要因素構建了元素原子結構——元素在周期表中的位置——元素性質之間關系的系統模型，反映不同元素之間內在的聯系，這就是元素周期律的本質。探索原子結構與元素性質之間的關系需要建構原子結構模型，需要探究不同元素原子結構相關變量之間即核電荷數、原子半徑、電子層數、最外層電子數、化合價等隨原子序數變量的改變而變化的趨勢的關系模型，即認識元素周期律的性質。通過構建虛擬模型對化學元素周期表中每種元素進行的認識，讓學生建立基于“位—構—性”關系的系統認知模型，把視野從書中拓展到模擬體系的構建當中去。引導學生建構“位—構—性”的系統認知模型是元素周期律的教學核心，建構認知模型可以促進學生對元素及其化合物的階段性認識發展，應用認知模型可以分析和解決有關元素及其化合物的實際問題。因此，《物質結構與性質》模塊的教學既是高中化學學習的重要內容，也是培養學生證據推理與模型認知等化學核心素養的主要載體。