《物質結構與性質》模塊的學科認知理解及其教學啟示*

高曉偉 王秀紅

摘要： 現(xiàn)代物理實驗技術是物質結構研究的重要手段，理論與實驗事實相互擬合與佐證是物質結構研究的基本范式，作用與能量是物質結構研究的核心話題，解釋與預測是物質結構理論的功能旨向。高中《物質結構與性質》模塊的教學要以這種本原性和結構化的認識為依托，用“技術—方法—創(chuàng)新”、“實驗—數(shù)據(jù)—推理”、“微?！饔谩芰俊焙汀敖Y構—性能—應用”等觀念統(tǒng)整教學，讓學生充分認識和理解學科認知與推理方式，實現(xiàn)素養(yǎng)為本的課堂教學。

關鍵詞： 技術方法創(chuàng)新; 實驗數(shù)據(jù)推理; 微粒作用能量; 結構性能應用; 物質結構與性質

文章編號： 1005-6629（2021）02-0015-06

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

高中化學選擇性必修2《物質結構與性質》將從原子、分子水平上認識物質構成的規(guī)律，以微粒之間不同的作用力為線索，側重研究不同類型物質的有關性質，進一步豐富物質結構的知識，提高分析問題和解決問題的能力[1]。關于該模塊課標在修訂過程中整合了內容主題，注重形成統(tǒng)攝性認識;發(fā)展學生對研究物質的不同尺度的認識;注重結構模型的發(fā)展過程和研究方法[2]。修訂后，“粒子之間的相互作用”“尺度”“研究物質結構的方法與價值”等核心概念得到了加強。

對照2017年版課程標準的要求，反思10多年來教學的實際情況，可喜的是一線教師接納了該模塊的知識體系，積累了很多的教學經驗，多數(shù)學生在高考中也愿意選考該模塊，但也出現(xiàn)了識記性教學內容偏多，分析解決問題、方法觀念類問題相關的教學滲透較少的情況。查閱文獻也發(fā)現(xiàn)已有關于物質結構與性質的研究主要集中在三方面，一是對《物質結構與性質》教材編寫、內容選擇的相關研究[3]，二是對本模塊教學實施狀況的調查研究[4]，三是對疑難概念的澄清解讀[5，6]，其中涉及學科本體理解及教學策略的研究較為少見，但也不乏從物質結構思維進行學科思維的認識[7]?？梢?，從學科上位加強對《物質結構與性質》的理解，從而對教學實踐進行指導仍需全面而深入的思考。本文試圖從研究方法和研究范式角度構建對該模塊的本原性認知理解，剖析物質結構與性質的認知特點及其帶來的教學啟示，對增進化學教師的學科理解、落實素養(yǎng)為本的課堂教學有著重要的意義。

1? 物質結構理論認知特點的剖析與理解

1.1? 光譜分析打開物質結構研究的大門、推動物質結構理論不斷發(fā)展

結構化學是化學科學中一門重要的基礎學科，是一門直接應用多種近代實驗手段測定分子靜態(tài)、動態(tài)性能的實驗科學。近代測定物質結構的實驗物理方法的建立，對于結構化學的發(fā)展起了決定性的推動作用。

量子力學現(xiàn)已證實，原子軌道是量子化的，分子軌道能級也是量子化的，微觀粒子的運動普遍具有量子化的特征，而光譜分析法的基本原理就是將一定波長的電磁輻射作用于待測物質后，激發(fā)能級之間的躍遷，通過檢測其所產生的輻射信號而建立的分析方法。我們透過各種譜圖分析可研究物質在各個尺度、空間和能量層面上的結構信息（見表1）。

實驗技術的創(chuàng)新有時甚至帶來科學的巨變?，F(xiàn)今，光譜分析的核心部件（如光源）及分析方法仍在不斷創(chuàng)新改造中，使得測定對象越來越復雜，不再局限于結構穩(wěn)定的物質，甚至包括生物大分子以及復雜多變的溶液中“活的”生物大分子的形態(tài)和結構，測定的速度也由過去的數(shù)年或數(shù)月縮短到現(xiàn)在的數(shù)天或數(shù)小時。相信不久的將來，技術的不斷發(fā)展進步會給人們帶來更多關于物質結構的驚奇發(fā)現(xiàn)。

1.2? 理論與實驗相互擬合、互為佐證是物質結構獨特的研究范式

理論與實驗的大量擬合是結構化學不斷向前發(fā)展的重要推動力量，量子力學的發(fā)展歷程最能體現(xiàn)這種特點。量子力學包含若干基本假設，由此出發(fā)建立起整個體系，推導出許多重要結論，這些基本假設不能用邏輯方法證明，其正確性只能由實踐檢驗[9]?；谶@種理論與實踐的擬合，哥本哈根學派所建立的波動力學與原子光譜實驗的擬合從而確定了電子既作為粒子又作為波的存在;自洽場法對多電子原子進行了理論計算，并與原子光譜實驗相結合，逐步闡明了多電子原子的結構，即“構造原理”;研究分子對稱性的群論與分子光譜實驗的擬合從而確定了大量分子的結構;研究晶體的點陣理論與X射線、電子衍射、中子衍射實驗的擬合從而確定了多種晶體的結構。

伴隨著物質結構理論和實驗事實的相互成功擬合，科學家定義了很多具有量化特征的概念，構成了理論研究和學習交流的重要話語體系（見表2）。

概念實驗來源及數(shù)學解釋

原子軌道原子中單電子的一種運動狀態(tài)，可用一個狀態(tài)函數(shù)（或稱波函數(shù)）ψ（q， t）（q為坐標變量，t為時間）描述，ψ（q， t）包含著體系的全部可測物理量。根據(jù)電子的波粒二象性及一系列處理解析狀態(tài)函數(shù)可得到n（主量子數(shù)），l（角量子數(shù)），m（磁量子數(shù)），后經光譜實驗又引入自旋量子數(shù)ms，共4個量子數(shù)來描述原子軌道。

原子半徑原子間距離可通過實驗準確測定，但對原子半徑的劃分和推求又受所給條件的制約?？煞譃楣矁r單鍵半徑、共價雙鍵半徑、離子半徑、金屬原子半徑和范德華半徑等。其數(shù)值具有統(tǒng)計平均的含義。

電負性（Pauling）電負性標度χp是用兩元素形成化合物時的生成焓的數(shù)值來計算的。Pauling認為若A和B兩個原子的電負性相同，A—B鍵的鍵能應為A—A鍵和B—B鍵鍵能的幾何平均值，而大多數(shù)A—B鍵的鍵能均超過此平均值，此差值可用以測定A原子和B原子電負性的依據(jù)。（χA-χB）2=EAB-EAA·EBB，式中EAB、 EAA、 EBB分別是以eV度量的化學鍵A—B、 A—A、 B—B的鍵能數(shù)值，Pauling指定F的電負性為4，其他元素的電負性即可相應地從鍵能求出[10]。

鍵能按照熱化學的觀點，鍵能是指在1個標準大氣壓和298K時，反應體系AB（g）A（g）+B（g）焓的增量?？芍苯訌臒峄瘜W測量中得到。從微觀分析，鍵能可理解為A（g）和B（g）從無限遠處彼此逐漸靠近，達到平衡距離時體系減少的能量。二者經過計算處理基本吻合[11]。

分子解離能雙原子分子的解離能即為鍵能。多原子分子中僅僅拆斷一個鍵，所需的能量稱為該鍵的解離能D，它是很有價值的數(shù)據(jù)。但需要注意，鍵的解離能不能代表鍵能，因為拆開一個鍵，剩下的部分都可能發(fā)生鍵或電子的重排。把一個分子分解為組成它的全部原子時所需要的能量稱為分子解離能，可以估算平均鍵能[12]。

晶格能測定結合蓋斯定律計算，但由于電子親和能數(shù)據(jù)不夠準確，因此晶格能數(shù)據(jù)使用也不夠廣泛。

電子親和能電子親和能的絕對數(shù)值一般約比電離能小一個數(shù)量級，加之數(shù)據(jù)測定的可靠性較差，重要性不如電離能[13]。

電離能原子光譜實驗測定不同譜線，結合數(shù)學推理計算。

鍵角、鍵長可以通過衍射光譜實驗測定[14]。

1.3? 作用與能量是物質結構研究的核心話題

薛定諤建立的波動力學、海森伯提出的矩陣力學以及狄拉克建立的算符力學統(tǒng)稱為量子力學，為什么這里都用了“力”字？“力”表達出理論在建立之初充分考慮到了微觀粒子的作用以及伴隨的能量問題。作為量子力學的奠基人玻爾在成功解釋氫原子光譜后馬上投入到元素周期表的規(guī)律探討中，因為他敏感地意識到了原子核與核外電子的作用規(guī)律。

在原子內部原子核與核外電子、核外電子與核外電子之間的作用，在能量的高低上表現(xiàn)為不同元素的獨特的原子光譜譜線;分子內部則表現(xiàn)為原子核之間、價電子之間、成鍵電子與孤對電子之間的作用，主要作用形式（σ鍵和π鍵）的不同帶來了共價鍵力學常數(shù)鍵長、鍵能、鍵角的不同;不同的聚集態(tài)如晶體、非晶體、超分子等內部粒子之間又表現(xiàn)為共價鍵、氫鍵、范德華力、離子鍵、金屬鍵等，作用力強弱不同又帶來了熔沸點、溶解性、反應溫度等不同的理化性質。

需要注意的是，《物質結構與性質》模塊中涉及的原子、分子、離子等靜態(tài)的結構往往是多種相互作用使得體系能量達到最低的結果，可簡稱為能量最低原理。能量最低原理既是實驗事實，也是量子化學計算的結果，是原子、分子、離子等微粒處于基態(tài)時作用的中心原理。能量最低原理在高中物質結構與性質學習中的舉例如表3所示。

原子軌道按照構造原理、洪特規(guī)則和泡利不相容原理排布的電子才能使整個原子體系的能量處于最低，所以習慣叫“原子軌道”，而不叫“電子軌道”。這既是光譜分析的結果，也有量子理論計算的功勞。

價鍵理論現(xiàn)代價鍵理論認為成鍵原子的電子云只有正負匹配、對稱性一致，才能實現(xiàn)最大重疊，電子云作為波的疊加效應才更明顯;同時電子自旋相反才能使成鍵后體系能量降低，共價鍵才最穩(wěn)定。

分子構型價層電子對互斥模型認為中心原子價層電子對互相排斥，進而導致遠離，從而使得分子體系能量最低，從而穩(wěn)定存在。

晶體結構分子晶體、原子晶體、金屬晶體、離子晶體的結構看似復雜多樣，但都是根據(jù)微粒半徑大小、微粒所帶電荷以及微粒間作用力的不同所采取的使整個晶體體系能量最低的排布方式。例如范德華力沒有方向性，所以分子晶體為了使整個體系能量最低，采取分子密堆積的方式;又因為分子形狀各異，有長的、圓的、扁的等各種形狀，所以又有分子取向的問題，如碘單質晶體中有2種取向的分子，二氧化碳晶體中則有4種取向的分子等等。

1.4? 解釋與預測是物質結構理論重要的功能旨向

量子力學以及在此基礎上建立的價鍵理論、分子軌道理論、配合物理論等數(shù)學復雜、概念抽象的深奧理論，只有少數(shù)的理論化學工作者精通計算、熟練運用，但它們卻能成為整個化學研究工作者的理論基礎，關鍵在于這些理論能在物質結構、性質和應用之間架起解釋與論證的橋梁。人們在運用物質結構理論解釋物質的性質、預測指引藥物的合成、新材料的開發(fā)、高效催化劑的尋找等方面屢試不爽，解釋與預測是結構化學理論重要的功能旨向。高中階段物質結構理論的相關應用舉例如表4所示。

原子結構理論的重大應用（1） 能級躍遷理論可應用于銫原子鐘的制作，銫原子鐘與一個國家的國防、衛(wèi)星通信、軍事等領域有重大的關系。

（2） 二戰(zhàn)期間，納粹德國看重量子理論的奠基人——玻爾，想讓玻爾為其效力。玻爾逃亡到美國后與愛因斯坦等眾多科學家參與了曼哈頓計劃——投到日本的原子彈，從而導致了二戰(zhàn)的及早結束。由此可見，原子結構理論并不抽象，其實際應用具體顯見，威力巨大。

分子間作用力的實際應用（1） 水分子的極性與微波爐。微波振蕩的電磁場對極性分子中正電荷和負電荷的兩極發(fā)生靜電相吸，結果造成這些分子發(fā)生振蕩。由于分子的動能增大，則分子的溫度也隨著升高，水分子將其熱能傳遞給食物，從而達到食物的加熱目的。

（2） 壁虎的腳和日常生活的膠帶的原理。壁虎的腳底上長有大量細毛，當接觸物體表面時，這些細毛與物體表面的分子產生分子間作用力，而分子間力不太強，這樣壁虎就可以行走自如。

（3） 氫鍵與植物吸水的原理。植物細胞里的纖維素、淀粉顆粒、蛋白質等親水物質與極性水分子靠氫鍵的作用而引起細胞吸水。

（4） 波長為30nm的紫外線光子的能量為399kJ·mol-1，結合鍵能數(shù)據(jù)可分析出物質吸收這一波長的紫外線后易發(fā)生光化學反應，從而導致皮膚曬傷。

化學鍵的特點及實際應用（1） 陶瓷刀一般為原子晶體，雖然其硬度大，切菜鋒利，但一旦遇到錘擊的敲打，造成共價鍵的斷裂，從而造成整個晶體的坍塌，因此使用時不能剁骨頭，容易崩。

（2） 金屬刀由于原子層滑動而金屬鍵不被破壞，所以金屬刀有一定的延展性，可以剁骨頭。

（3） 金屬晶體中自由電子可吸收波長范圍極廣的光，并重新反射出，所以金屬晶體不透明，且有金屬光澤，對輻射能有良好的反射性能。因此，醫(yī)院中核磁或X光照射檢查室的門都是用金屬制成的。

（4） 離子晶體比較脆，例如雞蛋殼易碎;大理石不易加工鑄型，只能做線雕等等。

2? 學科認知理解帶來的教學啟示

基于前述對物質結構與性質的學科認知理解，分析其對高中化學的教學策略啟示如圖1所示。

2.1? “技術—方法—創(chuàng)新”作為素材引入統(tǒng)整教學

光譜分析方法打開了物質結構研究的大門，物質結構分析中處處應用了高精尖的物理科技手段?！凹夹g”“方法”“創(chuàng)新”三個關鍵詞應作為教學引入的素材統(tǒng)整物質結構的全程教學?！皠?chuàng)新”是技術發(fā)展的關鍵詞，也是高中學生要領悟的學習方法的精華。因此，物質結構教學要引導學生利用技術創(chuàng)新的視角擴大學生的思想境界。例如在氫鍵的教學過程中，教師可借助下面的教學素材[15]增進學生對技術的理解，激發(fā)學生的家國情懷以及創(chuàng)新意識。

教學素材： 自從諾貝爾化學獎得主鮑林在1936年提出“氫鍵”這一概念后，化學家們就一直在爭論： 氫鍵僅僅是一種分子間弱的靜電相互作用，還是存在有部分的電子云共享？2013年，我國國家納米科學中心研究員裘曉輝和副研究員程志海領導的實驗團隊，以及中國人民大學物理系副教授季威領導的理論計算小組合作完成了對氫鍵的觀測。他們通過對非接觸原子力顯微鏡進行了核心部件的創(chuàng)新，極大提高了這種顯微鏡的精度，終于首次直接觀察到氫鍵，為爭論提供了直觀證據(jù)。

2.2? “實驗—數(shù)據(jù)—推理”作為證據(jù)推理統(tǒng)整教學

量子力學理論、對稱性理論、點陣理論與現(xiàn)代物理實驗相互擬合的證據(jù)推理過程在基礎教育階段中很難向學生介紹，但其基于實驗事實運用數(shù)學推導進而與實驗相吻合的定量化推理方式卻應是我們重點關注的教學方向?；趯嶒灐⑦\用數(shù)據(jù)、論證推理的“實驗—數(shù)據(jù)—推理”思想是落實證據(jù)推理與模型認知素養(yǎng)的關鍵舉措，應統(tǒng)整物質結構的課堂教學。下面展示了筆者在教學中利用“實驗—數(shù)據(jù)—推理”思想指導的“金屬鍵”教學片段。

[教師]原子化熱可理解為金屬離子掙脫金屬鍵的束縛重新將電子捕獲過來，成為金屬原子并相互遠離所吸收的能量，可通過實驗測定。你認為原子化熱與金屬鍵是怎樣的聯(lián)系？

[學生]金屬鍵是金屬內部原子與自由電子之間強烈的相互作用，相互作用的強弱可以通過原子化熱的實驗測量進行表征。原子化熱越大，證明金屬鍵越強。

問題鏈的教學意圖：促進學生運用實驗數(shù)據(jù)進行證據(jù)推理。

[教師]下表展示了Na、Mg、Al原子結構、原子化熱、熔點等信息。你能構建這些信息之間的關系嗎？

[學生]按照Na、Mg、Al的順序，原子化熱越大，說明金屬鍵越強。微觀上金屬鍵的強弱受制于原子半徑和外圍電子，價電子越多、原子半徑越小，金屬鍵越強;宏觀上金屬鍵影響了熔點，金屬鍵越強，熔點越高（也包括硬度）。

[教師]同學的回答非常好。那熔點、原子化熱又有什么區(qū)別和聯(lián)系？

[學生]熔點、原子化熱都是通過實驗測定的數(shù)據(jù)，和金屬鍵的強弱都有關系。熔點涉及金屬由晶體到液體的過程，金屬鍵并沒有完全消失;原子化熱涉及由金屬晶體到氣態(tài)的過程，金屬鍵完全斷開，可更好地表征金屬鍵的強弱。

問題鏈的教學意圖：促進學生利用數(shù)據(jù)、辨析數(shù)據(jù)，進行宏微結合、證據(jù)推理。

[教師]好，通過同學們的分析，我們可以構建如下關于金屬鍵的分析模型：

金屬NaMgAl

外圍電子排布3s13s23s23p1

原子半徑/pm186160143

原子化熱/kJ·mol-1108.4146.4326.4

熔點/℃97.5650660

2.3? “微?！饔谩芰俊弊鳛楹诵脑掝}統(tǒng)整教學

微粒、作用和能量是貫穿《物質結構與性質》模塊的核心概念。雖然從微觀角度微粒及其作用不可見，但其物理化學意義卻非常真實。教學中要借助熔沸點、吸放熱、反應溫度等各種數(shù)據(jù)或反應事實充分揭示物質內部粒子之間的相互作用以及伴隨的能量問題。以水為例，水在0℃、 100℃、 1200℃的三種變化分別表現(xiàn)了氫鍵、范德華力、共價鍵等作用力的本質。教學中引導學生對比100℃和1200℃溫度能看出氫鍵以及范德華力的作用遠遠小于共價鍵的作用（見圖2）。

需要特別注意的是“微?！薄白饔谩薄澳芰俊比齻€核心概念是統(tǒng)一于一體的，而能量最低原理是理解微粒之間相互作用的重要觀念，教師要在充分理解這一概念的基礎上讓學生明晰構造原理、電子配對原理、價層電子對互斥模型、晶體的不同結構特征等等都是基于能量最低原理的體現(xiàn)，減少學生的死記硬背，加強學生的理解。

2.4? “結構—性質—應用”作為核心觀念統(tǒng)整教學

成功地發(fā)揮解釋和預測功能是結構化學理論不斷蓬勃發(fā)展的重要原因。教學中要充分發(fā)揮結構化學理論的這一功能旨向，也借此調動學生對結構化學的學習興趣。例如在氫鍵的教學中教師利用氫鍵解釋同主族氫化物的熔沸點規(guī)律、分子內和分子間氫鍵對熔沸點的影響、不同物質的溶解性、水楊酸二級電離的酸性、多聚體帶來分子量測定時的異常、氫鍵方向性帶來冰與水的密度比較，甘油、硫酸粘度較大，水的表面張力很大、植物細胞吸水、DNA的雙螺旋等，充分發(fā)揮氫鍵的解釋功能，引起學生對理論學習的超強價值體驗，提高學生分析問題和解決問題的能力。

綜上所述，結合物質結構與性質的認知理解，教學中用“技術—方法—創(chuàng)新”“實驗—數(shù)據(jù)—推理”“微?！饔谩芰俊薄敖Y構—性質—應用”等觀念統(tǒng)整教學，讓學生充分認識和理解學科認知與推理方式，構建對化學科研理解的真實圖景，形成可遷移到其他模塊或其他學科的學習能力和必備品格，為以后的學習研究打下堅實的基礎，是《物質結構與性質》模塊教學中教師要摸清的重要教學方向。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 1.

[2]教育部基礎教育課程教材專家工作委員會組織編寫. 房喻， 徐端鈞主編. 普通高中化學課程標準（2017年版）解讀[M]. 北京： 高等教育出版社， 2018： 133～136.

[3]華英利， 占小紅. 基于問題驅動的“物質結構與性質”模塊緒言課教學研究[J]. 化學教學， 2017， （1）： 48～52.

[4]顧曄. 辯證思維方法在高中化學“物質結構與性質”模塊教學中的應用[J]. 化學教學， 2013， （2）： 70～73.

[5]嚴業(yè)安. 《物質結構與性質》復習中若干疑難問題辨析[J]. 福建基礎教育研究， 2015， （11）： 57～59.

[6]王素珍. 《物質結構與性質》和《有機化學基礎》模塊的教學時序對“有機物分子結構與性質”學習影響的研究[J]. 化學教學， 2014， （6）： 16～19.

[7]吳俊明， 錢秋萍. 化學的物質結構思維與教學[J]. 化學教學， 2018， （11）： 7～16.

[8]黃承志主編. 基礎儀器分析[M]. 北京： 科學出版社， 2017： 16， 23， 65， 73.

[9][10][11]李炳瑞編著. 結構化學（第3版）[M]. 北京： 高等教育出版社， 2017： 14， 64， 92.

[12][13][14]周公度， 段連運. 結構化學基礎（第3版）[M]. 北京： 北京大學出版社。2002： 189～190， 51～53， 187.

[15]Jun Zhang， Pengcheng Chen， Bingkai Yuan， Zhihai Cheng， Xiaohui Qiu. RealSpace Identification of Intermolecular Bonding with Atomic Force Microscopy [J]. Science， 2013， 342（1）： 611～614.