全息交互技術支持下建構晶體結構與性質認知模型

杜銳英 趙研

10.3969/j.issn.1671-489X.2022.03.119

摘 要 采用全息交互課件輔助教學，可自主操控的、立體的、動態的、關聯的晶體空間結構影像可以降低微觀結構的抽象性，為學生探究分子晶體的結構和性質提供技術支撐，為建構晶體結構認知模型和“結構—性質—應用”認知模型提供思維發展環境。

關鍵詞 高中化學；晶體結構與性質；全息交互技術；分子晶體；認知模型；核心素養

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）03-0119-06

1 問題的提出

高中化學選擇性必修2《物質結構與性質》第三章“晶體結構與性質”是從原子、分子水平研究晶體不可見的抽象的微觀結構和堆積模型。與看得見摸得著的宏觀世界相比，微觀世界需要更多的想象力，圖片和實物模型展示不足以讓每一位學生都深入、準確地認識物質的微觀結構。學習晶體結構對于多數學生而言挑戰性很高，不僅需要學生從微觀視角認識物質，還需要其具有相關的立體幾何知識和豐富的空間想象能力。如何實現晶體微觀結構可視化，是目前亟待解決的問題。

本文利用全息交互技術，學習終端如圖1所示，模擬典型分子晶體的微觀結構，全息屏中呈現立體結構影像，使抽象不可見的微觀結構可視化、動態化、具體化。多角度觀察并分析建構分子晶體立體模型過程中建立微觀結構的空間立體感，提升學生的空間思維能力，幫助學生深入理解微觀世界，自主建立晶體的認知模型。

2 分子晶體核心內容及其教學價值

《普通高中化學課程標準（2017年版 2020年修訂）》[1]指出：物質結構與性質課程模塊從原子、分子水平上認識物質構成的規律，以微粒之間不同的作用力為線索，逐級深入認識物質結構與性質之間的關系，建立對物質結構的統攝性觀念，提高學生分析問題和解決問題的能力，發展學生化學學科核心素養。在新課標指導下，“物質結構與性質”知識內容整體分析如圖2所示。

第三章“晶體結構與性質”是構建“原子—分子—晶體”三位一體內容的第三個重要組成部分。以幾種典型的晶體結構模型的形成和發展為主線，通過引導學生依次從物質的構成微粒、微粒間的相互作用、微粒的空間排布方式、微粒的聚集狀態有序研究物質結構，并從晶體結構視角聯系地、宏觀地認識物質性質，進一步擴展物質結構認識的尺度層次，完善“物質結構與性質”的系統思維框架，建立系統、完整的物質結構觀。本章既為學生認識物質結構建立一個完整、有序、科學的認知結構，也是對前兩章內容和思路的延續、整合和應用?！熬w結構與性質”知識內容分析如圖3所示。

分子晶體位于人教版高中化學選擇性必修2《物質結構與性質》（2020年出版）[2]第三章第二節第1課時，是學習幾種典型晶體內容的開端。分子晶體的知識內容分析如圖4所示，是在第二章“分子結構與性質”基礎上，建構分子晶體結構與性質的認知模型，為認識其他典型晶體提供認識框架和分析思路，為全面認識物質結構及結構對物質性質的影響奠定基礎。

3 學生學習分子晶體的基礎和困難分析

通過前兩章和第三章第一節的學習，學生在知識上已掌握原子結構與性質的關系、分子結構與性質的關系，以及物質的聚集狀態與晶體的常識；在方法上能夠從原子、分子視角認識物質構成的規律，能從這兩個層面分析元素性質和物質性質，還能夠從“晶胞大小和形狀，微粒種類、數目、空間位置”有序認識晶胞；在能力上初步形成認識分子結構與性質的微觀視角，建立“結構—性質—應用”思維框架，具備一定分析和解決問題的能力：

在學習分子晶體時，學生的主要障礙是以下兩個方面。

1）微觀結構抽象性強，需要具備相關的立體幾何知識和豐富的空間想象能力。分子晶體的構成微粒是分子，多原子分子體積大，分子結構、極性、取向、堆積方式各不相同，觀察難度大，數出并理解每個分子周圍的緊鄰分子是學習難點，不僅影響對分子密堆積特征的理解，也對探究氫鍵對冰的結構和性質的影響造成障礙。

本節課利用全息交互技術呈現立體的、動態的、直觀的干冰、冰、可燃冰的晶體結構，降低微觀結構的抽象性，為學生多角度觀察、分析、認識分子晶體結構特征提供思維載體，促進學生對分子晶體結構的認識和理解，突破難點，實現能力進階。

2）知識內容綜合性強，要求激活的內容量大，激活內容的層次多。認識分子晶體結構和性質需要調用“原子結構與性質”“分子結構與性質”“晶胞”等多層認識視角和分析思路。學生雖然有相關知識儲備，但無法將認識晶胞與認識晶體結構有機關聯起來，還不能主動調用分子結構與性質認識視角來分析分子密堆積的本質原因，通過晶體結構預測物質性質時，依然呈現無序性。

本節課設置開放度不同的驅動問題，引導并激發學生的思維，使學生將零散的認識整合建構在晶體結構認知模型中。任務一的設問給出提示角度，在指向明確問題提示下，逐層逐點激活原有認知，建立認識角度間的推理關聯，形成完整系統的認識思路。任務二不再給提示角度，學生自主調用認知模型認識冰的晶體結構。任務四進一步延長問題的思維路徑，學生基于可燃冰的分子結構，主動激活晶體結構認知模型、“結構—性質—應用”認知模型，預測可燃冰的晶體結構、性質，并解釋相關問題。

4 全息交互技術支持的分子晶體教學活動

設計

4.1 整體教學分析

本節課將從“構成微粒→微粒間相互作用→微粒的空間排布”認識分子晶體結構特點，建構通過晶胞結構認識晶體結構的認知模型，形成認識晶體結構的微觀視角和分析思路。并借助分子晶體模型說明分子晶體中的粒子及粒子間的相互作用，以及范德華力與氫鍵對分子晶體結構與性質的影響，從晶體結構視角認識分子晶體的微觀結構與宏觀性質之間的關系，建構“物質結構與性質”的思維框架，如圖5所示，形成結構決定性質的觀念，發展“宏觀辨識與微觀探析”和“證據推理與模型認知”“科學態度與社會責任”核心素養。本節課的整體教學結構如圖6所示。

4.2 全息交互技術支持的問題設計

本節課在“認識干冰的晶體結構”和“認識冰的晶體結構”兩個環節兩次采用全息交互課件觀察分子晶體的空間結構。將靜態的抽象的復雜的平面結構模擬轉化為動態的形象的直觀的立體結構，促進學生對分子晶體結構的理解和認識，幫助學生建立空間立體感，培養學生的空間想象力。相關的驅動問題和學生活動如表1所示。

4.3 關鍵教學環節

引入：初步感知分子晶體

問題1：在不同的晶體中，構成晶體的微粒是什么？

素材1：四種典型晶體的晶體結構，如圖7所示。

問題2：生活中哪些是分子晶體？舉例說明。

素材2：元素周期表和價態—類別二維圖，如圖8所示。

【學生活動】觀察四種典型晶體的外觀、晶體結構、晶胞及構成微粒，了解晶體分類。調用元素周期表、價態—類別認識模型有序尋找常見分子晶體。

【設計意圖】從宏觀到微觀、由表象到本質呈現對物質的認識規律，建立通過構成微粒認識晶胞，通過晶胞結構認識晶體的微觀視角。激活元素周期表、價態—類別認識模型，為后續尋找其他類型晶體，建立晶體間關聯提供方法支持。

任務一：認識干冰的晶體結構

問題1：依據晶胞的認識思路，觀察并思考干冰的晶體結構特征。

素材1：干冰晶胞的立體圖和實物球棍模型。

【學生活動】有序觀察干冰晶胞的立體圖和實物模型，依據認識晶胞的思路，有序描述干冰晶胞的結構特點：干冰晶胞的構成微粒是CO2分子，分子間相互作用是范德華力；晶胞呈立方體，每個頂點和面心各一個分子，每個晶胞中有四個分子。

問題2：在無方向性和飽和性范德華力作用下，每個CO2周圍有多少個緊密相鄰的分子？依據分子結構與性質關系分析為什么。

素材2：干冰晶體全息交互課件，如圖9所示。

素材3：由乒乓球模擬的面心立方密堆積模型、中心分子與12個緊鄰分子模型。

素材4：碘晶體和C60晶體的晶胞立體圖。

【學生活動】

1）觀察干冰晶胞的立體圖和實物模型，分小組分別以面心或頂角分子為中心，數出一個CO2周圍的緊鄰分子數是12個。

2）觀察干冰晶體的全息交互課件，分析并修正干冰晶體結構特點，歸納尋找緊密相鄰分子的思路，得出干冰晶體中CO2堆積方式是分子密堆積。

3）依據分子結構與性質的關系，分析干冰晶體具有分子密堆積特征的本質原因是分子間相互作用只有范德華力。

4）通過乒乓球結構模型、碘晶體和C60晶體的晶胞立體圖，體會分子密堆積。

問題3：總結歸納認識分子晶體結構的思路。

【學生活動】回顧干冰晶體結構的認識過程，總結通過晶胞結構認識晶體結構的基本思路：晶胞的構成微粒→微粒間的相互作用→微粒的空間排列方式（外觀←位置←數目←堆積緊密程度）。

【設計意圖】建構通過晶胞結構有序認識分子晶體結構的一般思路，建立分子晶體的認知模型，發展“宏觀辨識與微觀探析”和“證據推理與模型認知”等化學學科核心素養。

任務二：認識冰的晶體結構

問題1：觀察并思考冰的晶體結構特征。

素材1：微距鏡頭下冰花微視頻、冰塊和冰山圖片。

素材2：冰晶胞的立體圖和實物球棍模型。

素材3：底面為棱形的平行六面體幾何模型。

素材4：冰晶體全息交互課件，如圖10所示。

【學生活動】

1）運用認識晶體結構的基本思路，觀察冰晶胞的立體圖、球棍模型和平行六面體幾何模型，小組間討論交流冰的晶體結構特點及分析思路。

2）觀察冰晶體的全息交互課件，檢驗并修正自己的分析推理，得出冰晶體中H2O的堆積方式是分子非密堆積，分子非密堆積特征的本質是氫鍵（有方向性和飽和性）。

3）通過對比干冰和冰的晶胞模型、乒乓球模擬的密堆積和非密堆積模型，體會分子密堆積和非密堆積對晶體空間結構的影響。

問題2：總結歸納分子晶體的結構特征。

【學生活動】結合干冰和冰的結構特點，總結分子晶體的結構特征：晶體的構成微粒都是分子；微粒間的相互作用是分子間作用力即范德華力和氫鍵；范德華力使得分子采用密堆積的方式排列，氫鍵使得分子采用非密堆積的方式排列。

【設計意圖】運用分子晶體的認知模型，通過冰的晶胞結構認識冰的晶體結構，完善認知模型，進一步發展“宏觀辨識與微觀探析”和“證據推理與模型認知”等化學學科核心素養。

任務三：認識分子晶體的性質

問題1：根據分子晶體的結構特征，分析分子晶體的物理性質，說出預測依據。

素材1：某些分子晶體的熔點。

素材2：主族非金屬氫化物的熔點隨溫度變化圖。

素材3：范德華力、氫鍵、化學鍵的比較。

【學生活動】依據分子間的作用力都較弱，分析分子晶體的共同性質：熔點低，硬度小。依據范德華力比氫鍵弱，分析分子晶體的不同性質：同類物質中，含有分子間氫鍵的分子晶體比只含范德華力的分子晶體的熔點高。

問題2：分子的不同堆積方式會對物質的哪些物理性質造成影響？

素材4：0 ℃時冰和水的微觀結構圖。

素材5：冰和水的密度及其隨溫度變化圖。

【學生活動】先從微觀晶體結構角度，預測分子的不同堆積方式會影響到物質的密度，再分小組討論交流三個問題，并從微觀結構角度給出合理的解釋：

1）0 ℃時冰、水的密度相對大小；

2）冰剛剛融化時密度變大，4 ℃后又變小；

3）若水分子間沒有氫鍵，世界會變成什么樣子？

【設計意圖】認識氫鍵對冰的結構和性質的影響，對人類世界的重要性。構建微觀晶體結構與宏觀晶體性質之間的關系，形成結構決定性質的觀念。

任務四：（課后拓展）了解可燃冰

問題1：（拓寬視野）了解未來潛在新能源——可燃冰，作為化學工作者，對可燃冰的未來發展提出合理建議。

【學生活動】

1）閱讀教材P80“科學·技術·社會”，了解可燃冰；

2）各小組分別從可燃冰的晶體結構、形成條件、開采價值、開采危害等方面查閱資料，以視頻短片、課件、展報等形式進行分享交流；

3）對可燃冰未來產業發展提出建議。

【設計意圖】認識晶體結構知識在實際生產生活中的應用，培養化學知識服務人類的社會責任，發展“科學態度與社會責任”核心素養。

5 結束語

全息交互技術支持下的課堂教學使學習從平面向立體，從文本向視窗，從接受向探究式的觀察、體驗、推理、驗證、應用活動轉移，縮短了學習內容與學生的心理距離，為深度學習、遷移應用和創造性解決問題提供了支撐，促進了學生思維品質的發展。

參考文獻

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作者：杜銳英、趙研，首都師范大學附屬蘋果園中學（100144）。