基于“模型思想”的高中化學(xué)教學(xué)新思路
——以“價(jià)層電子對(duì)互斥理論”為例

陳柏帆 薛 蓉 張萬(wàn)舉 朱立紅

（黃岡師范學(xué)院 湖北 黃岡 438000）

一、前言

1.背景

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)新課標(biāo)）重視“素養(yǎng)為本”的教學(xué)，要求教師能夠利用實(shí)驗(yàn)事實(shí)和數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行分析討論，以此引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行解釋?zhuān)偈箤W(xué)生反思原有概念模型的局限性，從而深化對(duì)微粒間相互作用模型的認(rèn)識(shí)。［1］在教學(xué)中，教師應(yīng)適當(dāng)借助現(xiàn)代技術(shù)手段，利用實(shí)物模型、計(jì)算機(jī)軟件模擬等多種方法，并合理組織課堂活動(dòng)，充分發(fā)揮學(xué)生主體作用，降低教學(xué)內(nèi)容的抽象性，促進(jìn)學(xué)生對(duì)相關(guān)內(nèi)容的理解和認(rèn)識(shí)。同時(shí)選用學(xué)生熟悉的生活現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)事實(shí)，及工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)前沿研究中的相關(guān)案例為素材，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生建立結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的聯(lián)系，發(fā)展“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

模型實(shí)為一種重要的“科學(xué)證據(jù)”，在進(jìn)行科學(xué)論證的過(guò)程中，存在對(duì)模型的建構(gòu)、檢驗(yàn)和不斷修改，是重要的科學(xué)研究方法。在化學(xué)教學(xué)中的模型有實(shí)物模型、理論模型等，其中理論模型的應(yīng)用范圍最廣。［2］“價(jià)層電子對(duì)互斥理論”是一種適用于ABm型分子或離子空間構(gòu)型的理論模型，在高中階段的教學(xué)中，許多學(xué)生對(duì)該理論存在著一定的質(zhì)疑或誤解，為引導(dǎo)學(xué)生能以化學(xué)思維理解理論概念，教師應(yīng)在授課過(guò)程中使用模型進(jìn)行教學(xué)，將抽象的知識(shí)具體化，并結(jié)合模型加以詮釋?zhuān)訌?qiáng)學(xué)生對(duì)概念性知識(shí)的深入理解。

2.問(wèn)題的提出

新課標(biāo)將《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》的內(nèi)容由選修模塊調(diào)整為選擇性必修模塊，凸顯了《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》在高中化學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)中的重要性。“價(jià)層電子對(duì)互斥模型”是判斷分子構(gòu)型及中心原子雜化方式的一種方法，部分教師在教學(xué)中僅僅強(qiáng)調(diào)計(jì)算公式的應(yīng)用，在教學(xué)評(píng)價(jià)中亦是通過(guò)判斷得分率的高低進(jìn)行。在這樣的標(biāo)準(zhǔn)下，部分學(xué)生對(duì)此概念的理解僅僅停留在公式套用層面，缺乏對(duì)公式背后所包含的模型的深入思考，阻礙了學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)的發(fā)展。因此，教師在教學(xué)時(shí)應(yīng)重視對(duì)學(xué)生的學(xué)法指導(dǎo)，借助“模型思想”這一教學(xué)策略，模擬化學(xué)微粒的主要特征，提高學(xué)生的空間想象力，循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生理解并掌握相關(guān)化學(xué)知識(shí)［3～4］。

二、價(jià)層電子對(duì)互斥理論蘊(yùn)含的模型思想

價(jià)層電子對(duì)互斥理論作為判斷簡(jiǎn)單分子構(gòu)型的理論工具被納入教科書(shū)，為理解分子幾何模型提供了基礎(chǔ)。該理論的發(fā)展和形成緊緊圍繞著模型的構(gòu)建，緊密地結(jié)合了化學(xué)學(xué)科中“宏、微、符”的三重表征，深入理解和學(xué)習(xí)該理論，對(duì)發(fā)展學(xué)生“模型認(rèn)知”水平具有重要意義。

1.價(jià)層電子對(duì)互斥理論的形成

該理論的提出可以追溯到1916年路易斯（G.N.Lewis）提出的靜態(tài)原子構(gòu)造模型，即“八隅律”。1940年西德威克（N.V.Sidgwick）和鮑威爾（H.M.Powell）在路易斯假設(shè)的基礎(chǔ)上對(duì)理論進(jìn)行了發(fā)展，關(guān)聯(lián)起了分子結(jié)構(gòu)和價(jià)層電子的數(shù)量。1956年，吉萊斯皮（R.J.Gillespie）受到西德威克和鮑威爾論文的啟發(fā)，于1957年發(fā)表論文對(duì)該思想進(jìn)行了進(jìn)一步拓展，并于1963年最終正式命名為價(jià)層電子對(duì)互斥理論［5］。

2.價(jià)層電子對(duì)互斥理論中的模型思想

價(jià)層電子對(duì)互斥理論的形成和發(fā)展的過(guò)程中，伴隨著對(duì)模型思想的不斷發(fā)展，從理論的歷史發(fā)展歷程中可總結(jié)出“模型思想”在理論發(fā)展中的重要作用，同時(shí)也可歸納出模型和真實(shí)粒子之間的聯(lián)系：（1）研究微觀粒子需要建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ汀＃?）模型只是認(rèn)識(shí)理解微觀粒子的工具，并不能反映真實(shí)的微觀粒子。（3）模型是不斷發(fā)展和完善的，需要更多科學(xué)事實(shí)作為基礎(chǔ)。價(jià)層電子對(duì)互斥理論發(fā)展得較為完善，其對(duì)應(yīng)的分子模型能夠在一定程度上反映真實(shí)微觀粒子的結(jié)構(gòu)，在教學(xué)中可以有效利用這一關(guān)鍵點(diǎn)，提供實(shí)例，以實(shí)物模型為載體發(fā)展學(xué)生的“模型認(rèn)知”水平。另一方面，剖析模型的物理意義，可以側(cè)重于強(qiáng)調(diào)該理論的局限性，補(bǔ)充相關(guān)內(nèi)容，發(fā)展學(xué)生在“模型思想”方面的發(fā)散思維，突破“實(shí)物模型”的局限性。

3.“模型思想”的學(xué)科價(jià)值

“宏-微-符”三重表征，是化學(xué)學(xué)科的核心觀念，化學(xué)學(xué)科是通常以符號(hào)和模型表示微觀粒子，從而表征物質(zhì)及其變化的科學(xué)。在化學(xué)教學(xué)中合理運(yùn)用模型，將微觀物質(zhì)放大，將化學(xué)思維進(jìn)行科學(xué)抽象，有助于學(xué)生形成理性的認(rèn)知。

模型認(rèn)知就是模型思想在化學(xué)學(xué)科中的具體化，是化學(xué)學(xué)習(xí)必須經(jīng)歷的一個(gè)過(guò)程，隨著對(duì)化學(xué)學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)，運(yùn)用符號(hào)和模型來(lái)解釋化學(xué)現(xiàn)象的過(guò)程越來(lái)越深入，這就需要在教學(xué)中更合理，更高效地穿插模型的概念。［6］通過(guò)深入學(xué)習(xí)“模型思想”，學(xué)生能夠發(fā)展“性構(gòu)相依”這一化學(xué)思想，能夠深入理解原子層次、分子層次、宏觀物質(zhì)與分子層次之間的性質(zhì)聯(lián)系，能夠預(yù)測(cè)、解釋相關(guān)物質(zhì)性質(zhì)和宏觀現(xiàn)象，這利于發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。［7］

三、“價(jià)層電子對(duì)互斥理論模型”的計(jì)算方法

1.普通高中教科書(shū)提供的計(jì)算方法

人教版、魯科版、蘇教版的高中化學(xué)教材都給出了具體的計(jì)算方法（如表1所示），三個(gè)版本的教材都從原子結(jié)構(gòu)、成鍵的角度出發(fā)，通過(guò)中心原子的價(jià)層電子對(duì)數(shù)和孤電子對(duì)數(shù)建構(gòu)VSEPR模型和分子（或離子）空間構(gòu)型。

表1 三個(gè)版本教材中對(duì)“價(jià)層電子對(duì)”的計(jì)算方法

2.教科書(shū)中不同計(jì)算方法特點(diǎn)分析

“人教版”和“魯科版”計(jì)算方法基本一致，均是基于原子的核外電子數(shù)目來(lái)解決分子空間構(gòu)型問(wèn)題，配位原子的未成對(duì)電子數(shù)實(shí)際就是配位原子最多能接受的電子數(shù)（按配位原子能達(dá)2電子或8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)計(jì)算）。學(xué)生通過(guò)判斷出中心原子和配位原子能接受的價(jià)電子數(shù)目后可以計(jì)算出結(jié)果、得出分子的空間構(gòu)型。而教材中對(duì)計(jì)算公式的含義介紹不足，許多學(xué)生不能完全理解計(jì)算公式所表述的物理意義。而“蘇教版”與前兩者的差異較大，其表述的方法，計(jì)算起來(lái)十分簡(jiǎn)便，大部分學(xué)生在計(jì)算時(shí)得心應(yīng)手，但學(xué)生很難將計(jì)算方法與分子構(gòu)型的本質(zhì)聯(lián)系起來(lái)，具有一定的局限性，同時(shí)也阻礙了學(xué)生對(duì)“模型”的建構(gòu)。

由此可見(jiàn)，三個(gè)版本教材都存在對(duì)計(jì)算方法的解讀較少，理論公式和模型被割裂的問(wèn)題，需要教師補(bǔ)充相關(guān)知識(shí)彌補(bǔ)教材中的不足，發(fā)展學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的核心素養(yǎng)。

四、教學(xué)實(shí)施建議

1.認(rèn)識(shí)模型，解讀概念

對(duì)于該理論的學(xué)習(xí)，教師應(yīng)首先引導(dǎo)學(xué)生明確“價(jià)層電子對(duì)數(shù)”的實(shí)際含義：價(jià)電子對(duì)數(shù)即用于參與構(gòu)型的電子對(duì)數(shù)。需要教師對(duì)成鍵的原子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析講解，重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生理解并分析解釋對(duì)于分子構(gòu)型只需要計(jì)算σ鍵的數(shù)目緣由。其次應(yīng)當(dāng)明確計(jì)算出來(lái)的“VSEPR模型”與分子的空間構(gòu)型仍存在差異的緣由。孤電子對(duì)與成鍵電子對(duì)在本質(zhì)上都是電子，帶負(fù)電荷，之間存在斥力。學(xué)生已經(jīng)學(xué)過(guò)共價(jià)鍵，成鍵電子相當(dāng)于為兩個(gè)原子所共用，鍵長(zhǎng)這一參數(shù)亦可反映出共用電子對(duì)與中心原子間的距離，孤電子對(duì)是未成鍵電子，距離中心原子更近，孤電子對(duì)與成鍵電子對(duì)之間的斥力更大，故氨分子比甲烷分子的鍵角小。如圖1所示：

圖1 成鍵電子對(duì)、孤電子對(duì)斥力示意圖

通過(guò)對(duì)理論分析并結(jié)合分子模型進(jìn)行講解，為學(xué)生構(gòu)建起判斷分子結(jié)構(gòu)的“認(rèn)知模型”。流程如圖2所示：

圖2 確定分子空間構(gòu)型流程

對(duì)于蘇教版所提供的公式，學(xué)生的主要疑點(diǎn)就在于“配位原子提供的價(jià)電子數(shù)目”的取值是如何而來(lái)，所以對(duì)于該理論的講解則需側(cè)重這一問(wèn)題。O、S、H、N、鹵素原子為中學(xué)常見(jiàn)的配位原子，教材中直接概括了其作為配位原子在ABm型分子（或離子）中能夠?yàn)橹行脑犹峁┑膬r(jià)電子數(shù)目，我們可以結(jié)合路易斯成鍵理論分析出為何該計(jì)算方法要提供這樣的取值。鹵素原子最外層為7個(gè)電子，要達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)需要接受中心原子提供一個(gè)價(jià)電子共同形成成鍵電子對(duì)，中心原子提供了一個(gè)電子，對(duì)于O、S原子來(lái)說(shuō)，最外層是6個(gè)電子，中心原子需要提供兩個(gè)電子來(lái)形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，而在計(jì)算中規(guī)定，只計(jì)算一個(gè)σ鍵的成鍵電子數(shù)目，換而言之就是只計(jì)算兩個(gè)電子為成鍵電子，因此對(duì)O、S原子而言，相當(dāng)于自身并沒(méi)有提供需要參與計(jì)算的價(jià)電子數(shù)目。N原子同理，需中心原子提供3個(gè)電子來(lái)達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，而此理論中，只需計(jì)算兩個(gè)電子來(lái)判斷構(gòu)型，因此N作為配位原子時(shí)，中心原子又失去了一個(gè)能夠參與計(jì)算的價(jià)電子，故N為-1［11］。圖3以電子式展示了“提供價(jià)電子數(shù)目”與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

圖3 提供價(jià)電子數(shù)取值電子式示意圖

應(yīng)特別注意的是，教材并未直接指出價(jià)層電子對(duì)的構(gòu)型與分子構(gòu)型之間的差別，所以仍需計(jì)算孤電子對(duì)數(shù)，而此缺陷則需要教師來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充說(shuō)明。對(duì)于ABm型分子，在計(jì)算出價(jià)電子對(duì)數(shù)n后，孤電子對(duì)數(shù)l=n-m。判斷孤電子對(duì)對(duì)分子構(gòu)型的影響，與上文一致。

2.建構(gòu)模型，深入理解

2.1.帶孤電子對(duì)的結(jié)構(gòu)式

電子式與結(jié)構(gòu)式是高中階段常用來(lái)表示物質(zhì)結(jié)構(gòu)的示意圖，在價(jià)層電子對(duì)互斥理論的教學(xué)中，我們?nèi)钥梢杂秒娮邮脚c結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式來(lái)表示物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，用示意圖來(lái)輔助學(xué)生理解概念。如表2所示。

表2 常見(jiàn)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)式與VSEPR模型

2.2.價(jià)電子互斥實(shí)物模型

“互斥模型”重點(diǎn)需要表現(xiàn)出電子對(duì)之間的“斥力”，可直接用小氣球來(lái)表現(xiàn)出“斥力”的效果，在教學(xué)中亦可讓學(xué)生自己動(dòng)手模擬，從中感受“斥力”對(duì)于整體構(gòu)型的影響，并直觀地表現(xiàn)出價(jià)電子之間互斥的關(guān)系。同時(shí)制作此模型材料簡(jiǎn)單，學(xué)生能夠自主動(dòng)手制作，并在自己動(dòng)手制作的過(guò)程中感受“價(jià)層電子對(duì)互斥”，能夠深入理解這一抽象理論。“氣球模型”與“VSEPR模型”之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。

3.應(yīng)用模型，特例研究

能夠正確地使用理論模型判斷分子構(gòu)型，并能夠科學(xué)合理解釋?zhuān)窃\斷學(xué)生“模型認(rèn)知”水平的重要方法。因此，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)常見(jiàn)化合物的構(gòu)型進(jìn)行分析和判斷具有重要的意義和價(jià)值。

表4 高中階段常見(jiàn)物質(zhì)VSEPR模型歸納

表5 VSEPR模型與結(jié)構(gòu)模型

4.拓展模型，發(fā)散思維

在對(duì)“價(jià)層電子對(duì)互斥理論”的教學(xué)過(guò)程中，為了學(xué)生能夠更好地理解、記憶，能夠解決相應(yīng)的問(wèn)題，許多學(xué)者從不同的角度出發(fā)，思考、推導(dǎo)、優(yōu)化該理論的計(jì)算方法和公式的表達(dá)。各種計(jì)算方法如表6所示。

表6 其他的計(jì)算方法

這些方法在特定條件下使用各具優(yōu)勢(shì)，教師可向?qū)W有余力的學(xué)生介紹此類(lèi)計(jì)算方法，以拓展其思維，并可在解題思路突遇瓶頸時(shí)，提供另外的解題思路。亦可向其他理解困難的學(xué)生提供參考，輔助學(xué)生理解。

五、結(jié)語(yǔ)

“模型”利用簡(jiǎn)化、抽象和類(lèi)比等方法，反應(yīng)研究對(duì)象的本質(zhì)特征，在化學(xué)理論的發(fā)展和學(xué)習(xí)中具有重要的意義和使用價(jià)值。價(jià)層電子對(duì)互斥理論是判斷分子構(gòu)型的重要理論，在化學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)中具有重要地位，教師在對(duì)該部分進(jìn)行教學(xué)時(shí)，應(yīng)將“相關(guān)模型”與“數(shù)學(xué)公式”緊密結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生理解化學(xué)概念對(duì)應(yīng)的“理論模型”，發(fā)展學(xué)生抽象思維，培養(yǎng)“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的化學(xué)核心素養(yǎng)。