基于建構認知模型的“晶體結構與性質”復習課研究

摘 要：“晶體結構與性質”是中學物質結構與性質的核心內容，改進和優化“晶體結構與性質”復習教學至關重要。筆者基于建構認知模型，設計了“晶體結構與性質”復習課教學，并進行了教學實踐，取得了較好的教學效果。本文在此基礎上對有效的教學策略展開了研究，希望能為相關工作者提供借鑒。

關鍵詞：晶體結構與性質;復習課;模型認知;高中化學

中圖分類號：G427? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：095-624X（2020）02-0082-03

引 言

“物質結構與性質”是高中化學課程的選修模塊，側重于幫助學生了解人類探索物質結構的重要意義和基本方法，研究物質構成的奧秘，認識物質結構與性質之間的關系，提高分析和解決問題的能力[1]。“晶體結構與性質”是這一模塊的重點教學內容，也是學生學習的難點和考試易失分點。由于受到晶體結構自身復雜、抽象性的制約，加上學生的空間想象能力、計算遷移能力、知識表征能力等比較欠缺，因此，基于構建認知模型是完成“晶體結構與性質”相關知識教學目標的重要途徑之一。

《美國國家科學教育標準》對模型的表述為：“模型是與真實物體、單一事件或一類事物相對應的，且具有解釋力的試探性體系或結構。”模型認知分為兩類，第一類是利用模型認識事物，即實物模型;第二類是通過建構認知模型建立解決問題的思考框架，即理論模型。第一類是科學的模型，第二類是科學的認知模型，既可以是實物、現象和過程的抽象表現形式，也可以是我們所描述的對象及分析其行為方式的抽象表現形式，又叫觀念模型[2]。

在“晶體結構與性質”的授課過程中，筆者充分借助實物模型，清晰直觀地展示晶體中粒子的相對位置關系，幫助學生構建空間想象能力，了解掌握晶體結構特點，并鼓勵學生利用乒乓球、熱塑膠等材料自己動手制作實物模型。所用材料廉價易得，制作安全簡單，模型清晰穩定。在這一過程中，學生體會到了學習的樂趣，收獲了較為扎實的知識。“晶體結構與性質”這一課的核心是“類型—結構—性質”，其復習教學的主要目標是發展學生的認知，讓零散的知識結構化，并將知識整合到“類型—結構—性質”的認知模型中，使學生能夠應用認知模型解決問題[3]。在上述思路的指導下，筆者進行了基于建構認知模型的“晶體結構與性質”復習課的教學研究。

一、教材內容分析

在必修2中，學生已初步掌握了物質結構和元素周期表、離子鍵、共價鍵、分子間作用力等微粒間作用力的知識，也初步了解了離子晶體、分子晶體和原子晶體等結構知識。本專題內容是在學生學習必修2和從原子、分子水平上認識物質構成的基礎上，以“如何認識一個晶體”為問題線索，以“晶體類型、晶體結構、晶體性質、晶體相關計算”為知識線索，幫助學生建立分析晶體的思維模型，使學生能夠從更深層次上認識物質的結構與性質之間的關系[4]，幫助學生進一步深化“結構決定性質”的認知。

二、學情分析

學生學完選修三“晶體結構與性質”的基礎知識，已初步掌握了關于晶體的常識，了解了晶胞的概念，能夠簡單計算晶胞微粒個數;了解了分子晶體與原子晶體、金屬晶體及離子晶體的基本堆積模型、結構特征、結構與性質的關系等基礎知識，也具備了一定的分析問題的能力，但對四大晶體的宏觀性質和微觀結構尚未進行深入的探究。教師應挖掘這部分知識，使學生形成更深層次的認識，提煉解決晶體問題的一般思維模型，并能夠在陌生情境中加以應用[5]。

三、教學目標

1.宏觀辨識與微觀探析

學生應了解晶體微觀粒子規則排列，能從微觀角度解釋晶體具有規則幾何外形的原因;能利用圖表信息與討論，判斷四類常見晶體構成微粒、微粒間作用力，了解其對某些物理性質的影響[6]。學生應能從宏觀特征入手對物質進行辨識、分類和表征;能從晶體的微觀排列上解釋說明晶體的宏觀共性;能從原子、分子水平解釋不同類型晶體宏觀性質特征與差異。

2.證據推理與模型認知

學生應借助常見晶體模型，了解常見晶體結構特點，能夠識別常見晶體的結構模型;根據陌生晶體宏觀性質數據（證據）推測所屬晶體的類別，能夠結合宏觀性質感知微觀結構差異，利用微觀結構解釋、預測可能的宏觀性質。

3.科學精神與社會責任

教師應利用多媒體資源，使學生了解晶體相關微觀結構，激發學生探究知識的興趣，使學生保持對生活中的化學現象的好奇心。此外，教師要引導學生與同伴分享學習成果，并反思自己的不足，進一步認識到化學的魅力，學會與他人合作。

四、教學過程片段

1.創設情境，提出問題

引入：借助禪宗三境界“看山是山，看水是水;看山不是山，看水不是水;看山還是山，看水還是水”，讓學生體會自己對晶體結構與性質的認識層次。

設疑：展示晶體圖片（見圖1），如何認識和分析晶體？

設計意圖：通過展示漂亮的晶體圖片，激發學生的學習興趣，引導其回顧已有認知，初步嘗試歸納分析認識晶體的模型。通過師生共同協作補充，建構分析認識晶體的模型（見圖2）。

2.拆解模型，各個擊破

教師設疑：如何確定晶體的類型？

學生交流討論晶體類型的判斷方法，完成表1，分析適用的情況。

設計意圖：針對晶體認知模型中第一步，學生對晶體類型的判斷展開討論。教師提供三種不同的情境：已知化學式，即組成元素;已知相關物理性質信息;已知構成微粒及微粒間作用力，幫助學生從多角度判斷晶體類型，培養學生分析和解決問題的能力。

教師設疑：如何分析晶體的結構？展示常見晶體結構圖片（見圖3）。

學生激活已有認知，感悟晶體結構分析要點，明確晶體結構分析中，應關注晶體晶胞結構中微粒的相對位置、微粒的個數等要點。

教師設疑：如何分析晶體的物理性質（見表2）？

設計意圖：受高中結構與性質相關知識局限性的影響，在此模塊中，晶體的相關性質只涉及物理性質，教師應歸納整合，幫學生明確如何聯系微粒間的作用力解決物理性質的問題。

教師設疑：如何解決晶體的計算問題？

學生總結：第一，利用均攤法解決具體晶胞結構中的微粒個數計算;第二，借助金剛石的實物模型，解決晶胞坐標參數問題（見圖4）;第三，根據公式進行密度和空間利用率的計算（見圖5）。

設計意圖：在晶胞的計算問題教學中，教師除了要凸顯晶體晶胞結構的特點，還應特別注意學科知識點交叉，提醒學生應用相關數學知識，如球體的計算公式、立方體的面對角線與棱長的關系、立方體的體對角線與棱長的關系。另外，數學知識能夠較為簡潔明晰地展示晶體結構特點。例如，金剛石晶胞特點是重難點知識，如果把金剛石立方體晶胞切割為上下兩層8個完全相同的小立方體，則四個內部點可以看成上層1、3象限兩個小立方體的體心，下層2、4象限兩個小立方體的體心，這樣就可以比較輕松地得出金剛石兩個碳原子之間的最短距離。

3.回歸模型，鞏固解決問題的思路

師生共同梳理歸納分析晶體結構與性質的一般思路。

設計意圖：通過之前的拆解，學生在認識研究晶體的本質特征、構成要素及其相互關系的基礎上，建構了認知模型，為解決陌生復雜的問題提供思考框架，形成解決問題的思路與方法[7]。

五、結論及反思

科學教育的主要目的是培養和發展學生的認知素養[8]。想要促進學生認識素養的發展，教師不僅要讓學生清楚化學知識說明的是什么，而且要將化學知識轉化為學生觀察、分析現象和問題的方式和思路，并通過具體的認識實踐活動，讓學生形成穩定的認識方式，從而培養其化學認知素養。晶體結構與性質模塊是整個中學化學教學課程中不可缺少的組成部分，是中學化學學習的核心主題內容，改進和優化其教學至關重要，教師應特別關注其在復習教學中實現學生的認知發展[9]。根據現代教學的需求和學生在求學過程對切實有效的教學方法的渴求，教師應對此加以重視，解決傳統教學中的弊端，有效深化教學改革成果，提高課堂教學效率。復習課作為學生學習過程中至關重要的環節，可以使學生對前期所學知識進行系統化的整合，并在此基礎上查漏補缺，使學生加強對所學知識的理解，起到鞏固和提升的作用。復習課還可以進一步完善、提升學生的基本技能，進而使學生遷移運用所學知識。基于建構模型的復習課，可以有效打破“灌輸多于互動”“多練習少探究”的傳統復習課模式。在缺乏新理念支撐的復習課中，基本教學模式是教師對所學知識進行梳理，并搭配大量習題練習。這一模式下，知識的梳理以知識點的羅列為主，學生缺少自主思考和總結的過程，對知識點間深層次的聯系把握不到位，無法在思想上形成知識間的脈絡圖，不利于自己的發現、分析和解決問題能力的培養[10]，忽視了知識與生活生產的融合。

教學實踐研究表明，晶體結構與性質分析模型對學生學習晶體的意義主要有兩方面。（1）“結構決定性質”學科思想能在教學中得到落實，可以轉化為分析結構、解釋和預測性質的方法;幫助學生理解“結構決定性質”的學科思想和方法，促進學生對晶體結構與性質的認識上升到微觀本質。建構分析模型能提高學生的認識水平，使學生加深對這一學科思想方法的理解和應用，有利于將其轉化為問題解決的理解和應用。（2）晶體結構與性質分析模型可以作為橋梁，將相關知識串聯起來，將空間結構與晶體性質聯系起來，既可以解釋已有的熟悉物質的結構與性質，又可以分析陌生復雜物質的結構，并為結構推斷、性質預測等復雜問題的解決提供方法。

結 語

建構模型的教學策略可以幫助學生掌握應用模型分析晶體結構與性質的思路和方法，促進學生的認識水平從宏觀物質發展到微觀結構，使學生形成微粒觀，幫助學生做到自主分析，提高學生解決問題的能力。在筆者課后與學生的討論中，學生給出反饋：“通過本次復習課，知道了遇到陌生晶體該如何入手分析”“用這個模型，相當于一個思維程序，按步驟一步一步來，就可以分析得比較清楚”“用這個認知模型，更加明確了結構決定性質的意義”。這說明學生對建構模型的需要，表明學生認同模型建構的功能。由此可見，基于建構模型的“晶體結構與性質”復習課教學效果良好，教學實踐思路清晰，針對性強，值得提倡。

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作者簡介：馬娜（1988.12—），女，甘肅武威人，碩士研究生，中學一級教師，研究方向：化學教育。