基于本體分類學和微觀結構圖的離子鍵教學設計

徐志軍 鄭哲楷 李振俊 王存寬

摘要：?眾多研究表明，學生對化學鍵概念存在學習困難并容易產生各種迷思概念。針對化學鍵概念的復雜性與抽象性等問題，以離子鍵為例，重新設計化學鍵的教學。實施結果顯示，基于本體分類學和微觀結構圖的離子鍵教學設計，能幫助學生避免產生常見的離子鍵迷思概念、形成離子鍵的靜電力認知模型、建立物質微觀結構影響物質宏觀性質的核心觀念。

關鍵詞：?教學設計;?本體分類學;?微觀結構圖;?離子鍵;?結構與性質

文章編號：?1005-6629（2021）09-0044-07

中圖分類號：?G633.8

文獻標識碼：?B

化學鍵是化學學科的核心概念之一，學生對此概念的掌握程度會影響他們對于物質的結構與性質、化學反應能量變化等內容的學習。因此，化學鍵在高中化學課程中的地位十分重要。但眾多研究表明，由于化學鍵概念本身的復雜性與抽象性，常規的化學鍵教學會讓學生不自覺地形成各種相關的迷思概念，阻礙學生對相關新概念的理解與掌握，不利于化學學科核心素養的進一步落實[1～3]。

針對化學鍵及物質結構與性質方面迷思概念的形成，不少學者提出了應對建議，大致分為三種取向：?一

是通過重新調整化學鍵、離子鍵和共價鍵的教學順序及教材內容安排來避免學生產生相關的迷思概念[4];二是通過選擇與學生前概念密切相關的教學資源，創設合理情境對化學鍵進行教學[5，6];三是從學生元認知視角出發，通過提升學生元認知水平來實現學生對迷思概念的自我糾正[7]。以上研究和建議雖然能避免學生產生某些常見的化學鍵迷思概念，但它們都沒有從化學鍵概念本身的屬性角度考慮，真正從化學學科理解的角度解決學生對化學鍵及物質結構與性質方面的學習困難。

為此，針對化學鍵概念復雜性與抽象性的問題，本課時將基于本體分類學與物質微觀結構圖，以離子鍵及離子化合物的結構與性質為知識載體，重新進行教學設計，并在教學實施后進一步探討學生在課堂上的表現、遇到的問題以及獲得的成效。

1??理論基礎

1.1??本體分類學與復雜概念的學習

本體分類學（Ontological?Categories）是由美國亞利桑那州立大學Chi教授提出的[8]。他在研究中指出：?通過概念本體含義的分析及分類能有效實現迷思概念的轉變，從而進一步促進復雜概念的學習[9]。具體而言，從概念的本體屬性出發對概念進行分類，如圖1所示。

實體類概念是指關于物質的概念，它具有一定的質量，占據一定的體積。例如氯化鈉具有質量和體積，形成氯化鈉的鈉離子、氯離子也具有質量與體積。因此，氯化鈉、鈉離子、氯離子均為實體類概念。而過程類概念的根本屬性為：?變化或影響會持續存在。例如在氯化鈉晶體中，鈉離子與氯離子之間的靜電作用力會一直持續，產生的離子鍵（靜電作用力）會持續存在，故離子鍵是過程類概念。

實體類概念與過程類概念的分類錯誤是學生產生化學鍵迷思概念的重要原因之一。研究發現，學生若把化學鍵、離子鍵等過程類概念錯誤地理解為實體類概念，就會錯誤地認為氯化鈉球棍模型中鈉離子連接的6根“棒子”為1個離子鍵和5個實體鍵[10]，或離子鍵中存在著共用電子對。

過程類概念可以進一步分成突現過程類概念和順序過程類概念。在順序過程中，系統的個體行為會按一定的順序進行。例如，

鈉原子失去電子，同時氯原子得到電子，電子發生轉移后，鈉原子和氯原子分別形成鈉離子與氯離子，體現了順序過程，強調了變化的先后過程，即先得失電子后形成陰陽離子。而突現過程是指系統中的個體均同時并持續地進行相同的變化。例如在氯化鈉中鈉離子/氯離子與相鄰的氯離子/鈉離子存在著正負離子間的相互靜電作用力，而這種作用力是相同的且會一直持續，除非鈉離子和氯離子受到其他因素影響而發生改變。

如果學生將過程類概念錯誤分類，也會直接導致復雜概念的學習困難。例如，當問及對離子鍵概念的理解時，很多學生解釋離子鍵是“原子得失電子，形成離子的過程”，但科學的化學理解應該是“陰陽離子間的靜電作用力”（突現過程理解為順序過程）[11]。

Chi教授建議，教師在進行相關復雜概念教學時，可從概念的本體分類出發，強調概念的本體屬性從而幫助學生理解和區分概念、加深對概念本質的認識[12]。也有學者在研究中指出，通過強調化學鍵概念的本體分類，能有效地避免某些化學鍵迷思概念的形成[13]。因此，本課時以本體分類學作為教學設計的理論基礎。

1.2??微觀結構圖與抽象概念的學習

化學鍵及物質的結構與性質無法被直接觀察與觸摸，其概念的抽象性是造成學生學習困難的重要原因之一。要想幫助學生有效學習此類抽象概念，使用有效的可視化工具（Visual?Tools）是一個上選之策。

新西蘭懷卡托大學的鄭文偉教授在其研究中發現，現在大部分教材對于物質結構與性質的描述和解釋，很多僅停留于用圖示表示物質的微觀結構以及文字解釋化學鍵及物質的結構與性質的關系上。這些均未能將物質結構變化時，化學鍵如何影響這些微觀粒子并反映為宏觀現象解釋清楚。鄭教授進一步研究發現，通過微觀結構圖展現物質變化時的微觀情況，能讓學生在頭腦中形成物質微觀結構決定宏觀性質的概念框架[14];利用微觀結構圖還可以有效促進學生形成化學鍵的靜電力模型。例如，學生可以通過離子鍵的作用力分析（如圖2所示），用雙箭頭來理解氯化鈉中的離子鍵為相鄰陰陽離子間的相互作用力，用單箭頭來表示氯化鈉中相同離子間的斥力;由于離子鍵的存在，鈉離子與氯離子可以無限延伸，形成巨大的離子化合物結構（如圖3所示）。

因此，本課時采用物質微觀結構圖來展現物質變化時的微觀情況及內部作用力（化學鍵）[15，16]，并基于此進行離子鍵及離子化合物結構與性質的教學設計。

2??教學設計

2.1??教學分析

本課時“離子鍵、離子化合物的結構與性質——以NaCl為例”內容選自普通高中人教版化學必修第一冊（2019年6月第1版）第四章第三節，課型為新授課。課程標準中關于化學鍵的學習要求為“認識構成物質的微粒之間存在相互作用，結合典型實例認識離子鍵和共價鍵的形成，并能夠理解物質的結構與性質的關系”。化學鍵在不同學業質量水平下的具體質量描述如表1所示[17]。

離子鍵內容是在學習了原子結構、元素周期律和元素周期表等內容后，在微粒結構的基礎上對構成物質作用力知識的學習。通過對照浙教2012版初中科學七年級上冊、八年級下冊相關內容的學習，學生已具有如下概念：

（1）?物質的三態變化及三種狀態的微觀結構圖;

（2）?離子的概念和離子的形成過程（鈉離子與氯離子）;

（3）?異種電荷相互吸引，而同種電荷相互排斥。

2.2??教學目標

（1）?能識別、描述微觀簡單粒子圖，包括固液氣三態的微觀粒子圖;

（2）?能理解微粒（簡單粒子、離子）是通過粒子間作用力或陰陽離子間的靜電作用力，才能聚集形成不同狀態（固、液、氣）的，相鄰陰陽離子之間的強靜電相互作用力是離子鍵;

（3）?能理解離子鍵和離子化合物的結構對離子化合物熔沸點的影響;

（4）?能將離子鍵（靜電力模型）的學習經驗遷移到金屬鍵的學習中，并解釋金屬鍵與金屬的性質之間的關系。

2.3??教學對象

本研究基于上述教學設計，隨機抽取了浙江義烏市某中學高一共83名學生，進行了1課時（45分鐘）的教學，并于課后實施了離子鍵及離子化合物物質結構與性質的測試。學生之前未學習過離子鍵及離子化合物、物質的結構與性質等相關知識，符合抽樣要求。

2.4??教學過程

2.4.1??環節一：?引入

[學生活動1]描述物質固液氣三態微觀結構圖（略）中微粒的排布特征，回答問題：?這些微粒又是如何聚集形成固液氣三態的？

[學生表現]大多數學生都能答出“固體微觀結構圖中微粒排列較為緊密，而氣體微觀結構圖中微粒排列較為松散”，但他們不能很好地回答“微粒如何組成物質”這一問題。于是便適時提供支架：如果把這些微粒類比成一粒粒的沙子，一堆松散的沙子怎樣才能搭成一座緊密的城堡呢？學生從已有經驗出發會想到：?可以使用膠水、水泥等粘合劑，而這些粘合劑就是通過力的作用，將沙子結合在一起。進而想到微粒組成物質，也需要某種力的作用。

[學生活動2]觀看金屬鈉在氯氣中燃燒的演示實驗，描述觀察到的現象并回答問題：?白煙是什么？這種固態物質如何形成？

設計意圖：?喚起學生對物質結構的已有認知，并以氯化鈉為例，引入離子鍵的學習。

2.4.2??環節二：?離子鍵教學

[學生活動3]分析氯化鈉的3D和2D微觀結構圖（見圖4），通過小組合作學習，回答以下5個問題。

問題1：?圖4為氯化鈉固體的微觀結構圖，指出圖中不同粒子是什么？

問題2：?鈉離子和氯離子為什么能夠組合成氯化鈉固體？是什么作用力使它們組合在一起？

問題3：?請在固態氯化鈉的2D微觀結構圖上畫出鈉離子與氯離子之間的相互作用力？

問題4：?這種相互作用力有什么特點？

問題5：?圖中離子的排列方式有什么特點？

設計意圖：?本活動意圖通過物質微觀結構圖，強調離子鍵概念的本體（陰陽離子間的相互靜電作用力），促進學生對離子鍵概念的理解。根據文獻[18～20]，學生對離子鍵的迷思概念主要有：

（1）?離子鍵和金屬鍵是有方向的;

（2）?離子鍵包括共用電子對;

（3）?離子鍵是由于電子轉移而形成的;

（4）?只有當原子發生電子轉移的時候才會產生離子鍵，因此一個鈉離子與一個氯離子可形成一個離子鍵;

（5）?鈉離子和氯離子形成化學鍵是為了達到各自的穩定結構;

（6）?氯化鈉以分子/離子對形式存在。

本體分類學強調，要想避免學生產生相關迷思概念，概念教學應從概念本身的屬性出發。離子鍵是指相鄰陰陽離子之間持續的強靜電相互作用力，應是突現過程概念。因此，我們建議在教學中不應強調順序過程概念，即把離子鍵描述為“原子先得失電子后形成離子，然后離子相互作用再形成離子鍵”。而是強調離子鍵的特征，即陰陽離子相互作用的靜電作用力，且具有不飽和性和無方向性。

[學生表現]

大部分學生能指出鈉離子與氯離子分別帶有正電與負電，且正負電荷能相互吸引（如圖5a所示，學生A用兩個單箭頭表示兩個因帶異種電荷而產生的吸引力）;一部分學生發現若是只存在陰陽離子間的吸引力，最終會導致陰陽離子相互靠近并發生電荷中和。通過小組討論，部分學生能自主發現鈉離子與氯離子間也存在著原子核之間及電子之間同種電荷的斥力（如圖5b所示，學生B用F斥（核）表示因鈉離子與氯離子原子核中質子都帶正電所產生的斥力，用F斥（電）表示因核外電子都帶負電所產生的斥力，用單箭頭表示力的方向及相對大?。?。其他學生在教師引導下也可得出上述結論，從而得出鈉離子與氯離子間存在著靜電相互作用。但因為缺乏訓練，很多學生不知道如何在微觀結構圖上表達離子鍵的相互作用力。教師提供“庫倫定律”公式作為支架，大多數小組完成了任務。下圖是其中一個小組的匯報成果（如圖5c所示），用單箭頭表示鈉離子與氯離子間引力，用雙箭頭表示鈉離子與氯離子之間斥力。

此外，大多數學生也能分析固態氯化鈉的微觀結構圖以及3D固態微觀結構示意圖，得出固體中鈉離子與氯離子的排列方式是相間的，并可以在二維和三維空間無限延伸。學生C在小組匯報中說：“一個鈉離子可以同時和旁邊多個氯離子發生作用（不飽和性）;同時，它們間的作用力沒有特定的方向（無方向性）?！币虼?，學生通過對固態氯化鈉微觀結構圖的分析，能夠掌握離子鍵的無方向性和不飽和性。

[學生活動4]在分析固態氯化鈉微觀結構圖的基礎上，通過小組合作學習思考液態、氣態NaCl中是否存在離子鍵并作圖，如圖6。

[學生表現]大部分學生都能作圖并描述出液態氯化鈉中仍存在離子鍵，且學生的作圖中均反映了液態氯化鈉中離子鍵的不飽和性及無方向性。如圖6，學生以不同形式的箭頭表示相鄰鈉離子和氯離子之間的離子鍵。如圖6（a），學生用單箭頭表示鈉離子與氯離子之間的相互吸引力。而（b）中學生卻用雙箭頭表示離子間斥力，包括鈉離子與氯離子間原子核正電荷的斥力及原子中電子負電荷的斥力。（c）中學生用單箭頭表示鈉離子與氯離子的引力，用雙箭頭表示氯離子與氯離子間的斥力。

此外，所有學生都能指出氣態氯化鈉中沒有離子鍵。以下為部分學生的解釋：“因為沒有相鄰的離子（學生D）”;“氣態狀態下沒有相鄰離子，所以不存在離子鍵，但離子間有相互靜電作用力（學生E）”;“無離子鍵（全部被破壞），陰陽離子不相鄰，所有離子可自由移動（學生F）”。

2.4.3??環節三：?離子化合物性質教學

[學生活動5]根據背景信息（氯化鈉熔點是801℃，氯化鈉的沸點是1465℃），思考以下兩個問題：

問題6：?在氯化鈉熔融、甚至氣化的時候，氯化鈉的結構和離子鍵發生了什么變化？

問題7：?為什么需要這么高的溫度，氯化鈉才能發生熔融和氣化？你能得出什么結論？

設計意圖：?本活動通過將微觀結構變化（離子鍵的破壞）與宏觀觀象（氯化鈉的高熔沸點）主動聯結，培養學生宏觀辨識與微觀探析、證據推理與模型認知的化學學科核心素養，加深學生對物質結構與性質的理解。

[學生表現]

通過分析氯化鈉的微觀結構示意圖，大多數學生能意識到破壞鈉離子和氯離子間的相互作用需要一定的能量，而提供能量的強弱和環境溫度的高低有密不可分的聯系。例如學生F解釋道：“氯化鈉之所以熔沸點較高，是因為它熔融及氣化需要破壞眾多離子鍵，而離子鍵（鈉離子與氯離子之間的靜電作用力）較強，所以需要較高的溫度（較強的能量）才能打破眾多離子鍵的束縛?！?/p>

[學生活動6]思考并回答問題8：?為什么氯化鈉固體不能導電？但熔融氯化鈉可以導電？

設計意圖：?如果只解釋離子鍵對離子化合物熔沸點的影響，學生仍不能全面理解物質微觀結構是如何影響宏觀性質的，所以這里加入了對離子化合物導電性條件的討論。學生通過分析物質三態微觀結構示意圖，理解了溫度和能量對離子鍵與氯化鈉內部微粒結構的影響（離子鍵斷裂，鈉離子與氯離子開始自由移動），并反映為宏觀可觀察的現象（導電）。學生的回答情況也可直接反映出他們對離子鍵相關性質的理解以及解釋離子化合物相關理化性質的能力。

[學生表現]

學生通過分析三態氯化鈉微觀結構圖中的離子鍵，指出氯化鈉固體不能導電的原因是鈉離子與氯離子仍受離子鍵的束縛不能自由移動;而在熔融氯化鈉中，部分離子鍵因足夠的能量被打破，引發了部分鈉離子與氯離子的自由移動，在宏觀上表現出了導電性。例如同學G在回答中說：“氯化鈉固體中沒有自由移動的離子，而熔融氯化鈉中因為（部分）離子鍵被打破了，所以有自由移動的離子，能發生電荷的定向移動（導電）?！?/p>

2.4.4??環節四：?歸納整合

[學生活動7]和教師一起參與歸納總結，鞏固剛剛建立的靜電力模型。

[學生表現]通過回顧學習任務的方式總結新知：?離子鍵是指相鄰陰陽離子之間的相互靜電作用力，離子鍵有不飽和性和無方向性;由離子鍵構成的化合物叫做離子化合物，由于離子鍵的存在和變化，離子化合物有熔沸點較高、在熔融狀態下可導電等性質。

3??教學效果

為了進一步評價教學效果，考察學生是否真正掌握離子鍵及離子化合物的物質結構與性質的相關知識，本研究根據教學分析及教學目標，經過預命題、相關學科專家把關及試測，篩選研制出6道測試樣題，并在課后以作業題的形式實施。具體測試題與考核水平如表2所示。

測試結果顯示：?絕大多數的學生均避免了前文中提及的文獻中報道的相關離子鍵的迷思概念，并能對常見物質（氯化鈉）及其三態變化進行描述和符號表征，能從構成物質的微粒、化學鍵等方面說明常見物質的主要性質（熔沸點高低，導電性強弱），達到了化學鍵學業質量水平1和水平2。超過一半的學生不僅能說明微粒間作用力的差異對物質宏觀性質的影響，還能根據物質的類別、組成、微粒的結構、微粒間作用力等說明或預測物質的性質，評估所作說明或預測的合理性，達到了化學鍵學業質量水平3和水平4。

測試結果和學生課堂表現表明，在本體分類學視角下，通過微觀結構圖，學生不僅能避免產生文獻提及的大部分相關迷思概念，形成化學鍵（離子鍵）的靜電力模型及化學鍵、物質結構與性質的認知模型，還能將此模型自主遷移至對別的離子化合物（如氧化鎂）以及金屬鍵、金屬性質的學習，從而實現深度學習。

需要說明的是，本課時重點關注學生對離子鍵及離子化合物結構和性質的學習，還沒有涉及關于陰陽離子原子核之間質子正電斥力的教學，也沒有強調如何判斷物質中是否存在離子鍵。計劃在學生學習并掌握三種化學鍵后，再對此進行教學;學生在初中《科學》中已經學過離子的形成，因此本課時沒有強調鈉離子和氯離子的形成過程，也沒有引出電子式。計劃在學生學習并掌握三種化學鍵后，再提出如何表述化學鍵，從而引出電子式。

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