融合全息交互技術的化學課堂教學實踐與研究

10.3969/j.issn.1671-489X.2022.05.133

摘 要 以人教版高中化學選擇性必修2《物質結構與性

質》中“共價鍵”一課為例，通過梳理共價鍵內容的進階認識、學生學習過程中的困難以及以往教學中存在的問題，同時借助全息交互技術使學生主動探究共價鍵的形成及特點，學生通過“模型假設—評價模型—修正模型—應用模型”，從原子軌道重疊的角度發(fā)展對共價鍵的認識，形成對于σ鍵和π鍵的更深層次的認知。

關鍵詞 全息交互技術；化學；共價鍵；教學設計

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）05-0133-05

1 共價鍵的核心內容與教學價值

化學鍵是中學化學從微觀視角認識化學問題的重要內容，而共價鍵的學習更是涉及原子結構、分子性質、晶體結構以及化學反應。共價鍵的認識在中學不同的階段認識程度與目的不同，且由于概念的抽象性使掌握難度增大。《普通高中化學課程標準（2017年版）》在必修部分明確提出化學鍵這一內容[1]。共價鍵理論在中學化學中起著承前啟后的作用。通過梳理不同階段對于化學鍵的學習內容標準（見表1），可以看到學生之前學習了原子結構的相關知識（核外電子排布、價電子、原子軌道等），之后將學習晶體結構、配合物結構及性質。共價鍵的極性以及認識分子構型是學習晶體物理性質的基礎。

選擇性必修對于共價鍵的學習，不僅發(fā)展了對于“位—構—性”核心思維的理解與提升，同時增加了從共價鍵極性的角度認識有機化學反應中σ鍵和π鍵的特征反應，有助于歸納總結有機反應機理。

義務教育階段對于原子結構、化合價、原子結構示意圖等的認識，為學生打開了認識物質的微觀視角，簡單了解原子結構與其化合價的關系、分子式的關系。當然，教學過程中對這部分的處理常有要求學生機械記憶的情況，這種處理方式不利于發(fā)展學生認識物質的微觀視角。

高中階段必修1第一章首先認識電解質、非電解質的相關概念，第四章認識化學鍵，區(qū)分離子鍵與共價鍵，這樣處理使學生首先從客觀事實上認識物質的電離，而對化學鍵的認識有助于加深對電解質、非電解質的理解，在學習化學鍵后建議梳理兩對概念的關聯與區(qū)別。化學鍵的學習也是從微觀角度認識化學反應與熱能的基本要求。

選擇性必修2《物質結構與性質》中對于原子結構的學習，發(fā)展了對原子結構的認識，由原子光譜發(fā)展了對能層與能級的認識，對于電子云的認識有利于對共價鍵的形成以及對分子的空間構型的認識（需要雜化軌道理論的支持）。共價鍵的認識也是認識晶體結構、物質的物理性質（溶解性、熔沸點等）的前提，同時，σ鍵和π鍵的學習也是認識典型有機反應機理的新視角。

教師在了解不同階段學生需要掌握相關內容的基礎上，需要將這些知識、概念打通，能站在高位理解概念之間的關系，做到高屋建瓴。將中學階段與化學鍵相關聯的概念梳理清楚，如圖1所示。

2 學生學習共價鍵的基礎與困難分析

學生在初中階段已經知道物質是由分子或原子構成的，并且知道發(fā)生化學反應是原子的重新組合，除了有新物質生成之外，還伴隨吸熱和放熱的現象，但對于原子間的相互作用，如何組成物質，沒有知識基礎。高中必修階段化學鍵的內容，正是基于學生的認知基礎認識微粒之間具有相互作用，建立化學鍵的概念，從而建立微觀視角，從化學鍵的斷裂與生成認識化學中的物質變化及能量變化。學生在物質與結構中學習了原子軌道，對抽象的電子運動有了相對具象的印象，為從軌道重疊的角度認識共價鍵奠定基礎。通過對化學鍵概念的梳理以及對學生學習化學鍵學情反饋梳理，發(fā)現學生學習化學鍵的困難。

2.1 化學鍵前后知識不夠連貫，概念間的聯系不夠

明顯

教材不同階段關于化學鍵的內容有各自的教學目的，而不梳理又難以理解其中的相互關聯。如必修階段認識化學鍵，區(qū)分離子鍵、共價鍵，通過學習能加深對電解質、非電解質的認識，從共價化合物、離子化合物的角度認識物質的分類，有利于從微觀的視角分析物質的性質。選擇性必修對于化學鍵的認識，尤其是對共價鍵的認識，有利于理解微粒之間的相互作用方式，理解分子的空間構型，從極性的角度認識微粒的性質（對有機反應機理的理解）、物質的物理性質（溶解性、熔沸點等）以及物質的晶體構型等。而這些知識間的關聯需要引導學生思考、梳理，從而形成整體的知識網絡。

2.2 與共價鍵關聯概念抽象，學習過程多屬于機械

記憶

學生在初中階段對于原子、分子的認識是抽象的，且不具備原子如何形成分子（離子）的概念；高中必修階段認識共價鍵與離子鍵，從而區(qū)分電解質與非電解質，由于反常物質（氯化鋁、硫酸銨等）的存在，很多學生只是機械記憶。對于共價鍵的描述，用電子式來描述原子形成分子的過程，將對共價鍵的認識發(fā)展到共用電子對的水平，然而共用電子對的作用更是抽象與難以描述的。

2.3 學習過程多為被動接受，學生難以用探究的方

式自動生成新知

傳統的原子軌道模型能幫助學生建立三維空間中原子軌道模型，但是在軌道相互作用的過程中傳統模型起不到演示作用。多媒體動畫能夠模擬軌道重疊形成共價鍵的過程，對學生認識其形成有一定的幫助，但是對于知識的傳授仍然是灌輸式的，學生沒有參與感，更無法調動自我能動性，也無法引起更多的思考。

2.4 相關知識具有一定難度，需要較強邏輯思維

共價鍵相關理論涉及電子排布、原子軌道、重疊方式等[3]，雖然電子云的概念使得學生能從立體角度對電子的認識更加具象，但是，由于不同軌道的立體形狀以及不同的空間分布，理解起來需要較強的空間想象能力及較強的邏輯思維能力，學生明顯感覺吃力。

2.5 學生頭腦中自我形成的對化學鍵的迷思概念也是化學鍵學習的干擾

需要通過設計相關的概念考查、教學設計的前測與后測了解學生對概念的認識、掌握程度，驅除迷思概念，形成正確認知。

3 教學流程

在化學概念教學中，為幫助學生構建科學的化學概念，可以從直觀事物或現象入手，對化學概念進行深度分析，幫助學生抓住概念的內涵和外延，通過對比分析概念之間的關聯與矛盾對概念進行科學認識。另外，一些相關概念之間的內在聯系的梳理，可使學生對概念進行正確應用，通過不同環(huán)境的應用練習加以鞏固。

在化學鍵教學設計中進行知識的梳理，通過對學情的了解解決學生的迷思概念，形成對化學鍵的正確認識，同時兼顧學生在不同階段的認識水平、不同層次學生的認識差異。本節(jié)教學設計期望通過學生調用已有知識對概念作出自我表達，分析給定材料發(fā)展對化學鍵的認識，借助全息交互技術使學生自我探究、糾錯，形成對共價鍵的發(fā)展與概念的深入了解。本節(jié)教學設計的流程圖如圖2所示。

4 全息交互技術支持共價鍵教學活動設計

環(huán)節(jié)一：復習引入

【復習學案】描述共價鍵的定義，用電子式表示H2、HCl、Cl2、H2O、N2等物質的形成過程。學生分享課前學案，同學互評，糾錯。

【設計意圖】回顧對共價鍵的已有認知。

環(huán)節(jié)二：理論預測共價鍵的形成

1）畫出H、Cl原子電子排布軌道表示式，指出形成分子時分別是哪個能級上的電子參與成鍵。

2）資料：形成共價鍵時，參與成鍵的原子軌道發(fā)生“重疊”，把兩個原子“黏結”在一起，使分子能量最低，以達到穩(wěn)定結構。

學生呈現的軌道重疊模型如表2所示。

【設計意圖】學生通過分析參與成鍵的能級軌道，從而鎖定原子軌道形狀，然后根據最大重疊原則，預測原子軌道重疊的可能性，師生共同探討可能性。

環(huán)節(jié)三：探究σ鍵、π鍵的形成

任務1：全息影像探究σ鍵的形成。

學生通過全息交互技術自主探究H2、HCl、Cl2分子形成時軌道相互作用的情況，更正預測的軌道重疊圖，并分析變化原因。學生展示、表達，圖3所示為σ鍵與π鍵重疊方式及能量圖。

1）s-s重疊時，電子云發(fā)生變化，是因為共享的一對電子分屬兩個原子，因此在原子之間出現的概率密度大。

2）s-p重疊時，沿著坐標軸的方向作用時重疊面積最大，能量最低。共用電子對在兩原子間出現概率密度變大，因此單獨出現于Cl原子一邊的概率密度變小。

3）p-p重疊時，沿鍵軸方向與垂直方向重疊均能形成相互作用，與預測的相同。分析氯氣分子的軌道空間分布，頭碰頭重疊在空間選擇上是唯一的重疊方式。

【設計意圖】借助全息交互技術認識σ鍵形成過程及特征，更正之前不正確的認識，并通過分析軌道變化的原因，認識由于軌道重疊導致電子出現的概率空間變化。

任務2：認識共價鍵的飽和性與方向性。

1）思考：為什么氫氣、氯化氫、氯氣分子

式不是H3、H2Cl、Cl3？總結：共價鍵的飽和性。

【設計意圖】運用已有知識分析解釋共價鍵的飽和性。

2）講解。s軌道與p軌道作用要實現最大重疊需滿足兩個條件：

①原子核間距要小；

②兩原子按合適的方向靠近。

因此，s-p重疊，當核間距一定時，只有以頭碰頭的形式作用，才能形成最大重疊，也就是說共價鍵具有方向性。

【設計意圖】通過呈現軌道重疊程度的重疊積分圖，如圖4所示，從理論上說明共價鍵方向性。

任務3：全息影像探究π鍵的形成。

1）寫出基態(tài)氮原子價電子排布式軌道表示式，指出形成分子的氮原子為哪個能級上的電子。

2）借助全息交互技術探究p-p軌道重疊與能量變化，分析氮氣分子形成過程中軌道重疊情況，引出π鍵定義。圖5所示為π鍵重疊方式及能量圖。圖6所示為px、py、pz的立體軌道圖。兩種作用方式均存在，且在氮氣分子三鍵中均存在，并從三維立體結構層面認識三鍵的重疊。

【設計意圖】借助信息交互認識π鍵形成的可能性，從空間作用的角度分析其成鍵的特點。

環(huán)節(jié)四：學以致用

觀察乙烷、乙烯和乙炔分子結構，它們分子中的共價鍵由幾個σ鍵和幾個π鍵構成？

思考：分析碳原子的成鍵軌道，對比以上得到的成鍵類型，你能提出哪些問題？

【設計意圖】能分析陌生分子的共價鍵的類

型，通過引導引發(fā)思考，認識新理論的科學性以及局

限性。

【教學反思】

1）全息交互技術的使用充分調動了學生的主體能動性，使得抽象概念的學習由學生被動地學變?yōu)橹鲃犹骄俊Ｍㄟ^全息交互技術從能量的角度探究σ鍵和π鍵的形成方式，一方面糾正之前的理論預測，同時造成認知沖突，引發(fā)學生深入思考，找到預測與科學模型之間的差距，并從電子云的角度給出合理的解釋，加深對共價鍵的認識。

2）通過“模型假設—評價模型—修正模型—應用模型”，從原子軌道重疊的角度重新認識共價鍵，形成對于σ鍵和π鍵的正確認知。

學生調用已有知識，結合提供材料（原子軌道相互作用，達到最大重疊，使體系能量最低，達到穩(wěn)定結構），分析典型分子的成鍵軌道。學生設想原子軌道重疊方式并畫圖表示，訓練提取新信息、加工應用以及符號表達的能力。教師引導學生分析其可能性，然后根據全息交互技術驗證設想，糾正錯誤認識，并分析軌道作用后發(fā)生變化的原因，達到加深對共價鍵的認識。學生自我修正模型，同時訓練規(guī)范表達的能力。

在分析p-p軌道重疊方式時，學生設想兩種合理的重疊方式，通過全息交互技術也驗證了其合理性。通過進一步分析氯氣和氮氣的p-p軌道重疊方式的差異，得出氯原子形成氯氣分子時，p-p軌道在空間上只能以頭碰頭的形式形成σ鍵；而對于氮原子，三個p軌道的三個單電子均參與成鍵，必定形成一個σ鍵、兩個π鍵。通過兩種情況的對比、追問、分析，引發(fā)學生深層思考。

3）全息交互技術使得學生探究學習更加開放主動，更具趣味性。本節(jié)課內容較為抽象，相較以往通過模型講解，學生能夠認識到成鍵的整個過程以及軌道的變化情況。與動畫課件相比，全息交互技術能更好地發(fā)揮學生的能動性，問題設問可以更具開放性。教師展示并講解一個案例，在隨后探究s-p σ鍵和p-p σ鍵的形成以及講解過程，學生模仿，完整地描述其過程，開展學生互評加教師評價。另外，全息課件資源仍有改進的空間，比如：將原子軌道形成過程與能量坐標對應；p-p軌道缺少px、py、pz共同存在時相互作用的課件資源，有待后續(xù)開發(fā)。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準

（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2] 梁艷.高中化學“化學鍵”學習進階研究[D].山西：

山西師范大學，2019.

[3] 黃萍，冉鳴.利用基于交互技術的學習活動突破共

價鍵教學難點[J].化學教育，2014，35（17）：45-48.

作者：趙曉冉，北京景山學校遠洋分校（100040）；趙研，首都師大附屬蘋果園中學（100041）。