指向大概念的高三化學復習教學設計與實踐

［摘 要］針對高中生在學習化學過程中遇到的“分子形成”和“分子變化”問題，在高三復習階段，基于學生已有的知識儲備和問題感知能力，引入分子軌道理論，以更深入地揭示這兩個問題的本質。同時，運用大概念教學理念來解構這些本質問題，引導學生完成基于本質問題設計的驅動性任務，從而真正形成大概念，提升核心素養。

［關鍵詞］大概念；化學復習教學；分子軌道理論；分子形成；分子變化

［中圖分類號］" " G633.8" " " " " " " " ［文獻標識碼］" " A" " " " " " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2024）35-0059-05

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》提出，化學課程要結合人類探索物質及其變化的歷史與化學科學發展的趨勢，引導學生進一步學習化學的基本原理和方法，形成化學學科的核心觀念[1]。在高中化學“分子結構”的教學中幫助學生認識共價鍵的本質，是一個極具挑戰性的課題。“結構決定性質”，學生是否真的能將分子結構與化學性質進行關聯，進而對分子結構形成深層次認知，是教師需要關注的問題。在學習分子結構時，學生不僅要思考共價鍵是怎樣形成的，還要思考共價鍵在什么情況下無法形成，這兩個方面分別對應著分子的形成和分子的變化，而這也是學生較為困惑的知識點。大概念教學要求學生在真實情境下像專家一樣深入思考[2]。因此，在化學教學中，教師應以大概念為抓手，充分發揮大概念的統攝作用，幫助學生梳理并解決“分子結構”學習中的諸多問題，促使學生形成深度認知，提升核心素養。

一、教學現狀分析

長期以來，高中生對分子形成與分子變化中的諸多問題存在疑惑。盡管他們通過學習原子軌道理論和雜化軌道理論，能夠分析分子的立體結構，并理解共價鍵的形成是因為軌道重疊，但對軌道重疊的意義卻不甚理解。例如，他們不清楚原子軌道重疊時，軌道上電子數是否存在限制，為什么兩個電子共用軌道才能穩定成鍵，軌道重疊后發生了什么變化，以及軌道重疊對化學鍵的形成有什么意義等。這些困惑導致他們在理解許多物質的形成與變化時存在困難，如對共軛體系大π鍵中的電子數存在疑問，不明白N[-5]中為什么可以額外有一個電子參與形成大π鍵。此外，由于學生基本不具備從微觀動態視角解釋分子變化過程的能力，因此難以根據分子結構推測其性質。例如，學生在學習“有效碰撞理論”后，依然對粒子碰撞過程認識不清，尤其對“合適的取向”深感困惑。

這一系列問題都源于高中化學教學對“分子形成”和“分子變化”的內容剖析不夠全面，相關問題的解釋體系尚不完整。學生在有較大認知缺陷的情況下，很難理解大π鍵、過渡態、氫鍵等有關分子形成與分子變化的概念，同時也難以理解有機反應的簡單機理，這對后續深入學習有機反應造成困難。教學中主要缺失的是對分子形成時軌道重疊的完整描述，以及重疊后軌道完整形態的展示與分析。分子軌道理論正好可以彌補這些缺失，能對分子變化過程中軌道的作用進行基本闡述。

二、教學主題內容

雜化軌道理論解釋了原子間如何形成共價鍵，而分子軌道理論則進一步補充說明了什么情況下共價鍵無法形成，并闡釋了某些化學反應中斷鍵與成鍵是如何發生的。這兩種理論具有互補性。雖然高中化學教材中沒有涉及分子軌道理論，但在高三復習階段引入該理論，有助于更深入地探究共價鍵的本質問題。

高三學生經過物質性質、分子結構、反應原理三個板塊的復習，對分子變化的基礎知識有了深入的了解和思考，進而迫切地想了解分子變化更深入、更微觀的過程，以拓寬視野，提升分析解決問題的能力。為了滿足學生的這一需求，本教學設計嘗試以常見的化學事實為切入點引入分子軌道理論，利用其中蘊含的成鍵軌道和反鍵軌道概念，以迭代邏輯引導學生完成對一系列化學事實的分析，并抽提出大概念，幫助學生對相關概念形成深層次的認知。最終，在大概念的統攝下，將諸多與分子的形成和變化有關的事實與概念整合成新的知識網絡。

三、教學目標分析

（一）基于概念地圖確定大概念和本質問題

大概念源自對本質問題的解構[3]。基于對分子形成和分子變化一系列事實的理解、解釋與遷移的需求，我們梳理出了如圖1所示的概念地圖。這張概念地圖旨在清晰地展現概念與概念、概念與事實之間的關系。

這張概念地圖展示了大π鍵、過渡態、氫鍵這三個概念與一系列事實之間的舉證關系，而與這三個概念呈直接因果關系的是反鍵軌道概念。學生以往理解的軌道重疊的結果其實就是成鍵軌道，它與并列的反鍵軌道一起，從屬本課的焦點概念——分子軌道。原子軌道與分子軌道之間存在因果關系，電子填入原子軌道時需遵循能量最低原理，同時，分子軌道的數量應與參與重疊的原子軌道數量相同。據此，我們可以將本節復習課涉及的學科大概念確定為“原子軌道重疊時，軌道數量守恒，能量分化”和“電子填入分子軌道遵循能量最低原理”。

基于以上分析，本節課確定了三個需要深入探究的本質問題：1.原子軌道重疊后會發生什么？2.在分子形成過程中，電子數有什么限制？3.在分子變化過程中，反鍵軌道起到了怎樣的作用？

（二）制訂教學目標（如表1）

四、指向大概念的教學設計

探究問題一：原子軌道重疊后會發生什么？

指向的大概念：原子軌道重疊時，軌道數量守恒，能量分化。

【環節一】

[教學內容]電子大概率在原子軌道的重疊區域運動是形成共價鍵的關鍵。

[教師活動]開門見山，直擊學生長久以來的疑惑：大π鍵中π電子數為何多變？分子發生有效碰撞時產生了怎樣的變化？造成氫鍵具有方向性的原因是什么？并指出要解決上述問題，需要更深入地認識分子是如何形成的。接著，通過手繪展示氫原子s軌道重疊形成氫分子的過程，并提出問題1：為什么軌道重疊會形成共價鍵？

[學生活動]利用對原子軌道的認識，分析原子軌道重疊對形成共價鍵的意義，說明共價鍵這種作用力的來源，進而加深對原子軌道重疊的理解。

[評價目標]診斷學生是否理解原子軌道重疊的意義。

評析：本環節旨在將學生對分子形成的思考引向更微觀的維度。縱觀共價鍵概念的學習歷程，共用電子對概念突出了原子如何基于八隅律對價電子進行重新組合，而原子軌道重疊則揭示了重疊部分電子云密度的增大。原子軌道重疊就是形成共用電子對的具象化表達。但是，還需要進一步探究：為什么原子軌道重疊會使重疊部分電子云密度增大？原子軌道與電子有怎樣的關聯？電子在原子軌道的范圍內出現的概率高，可以理解為原子核在原子軌道范圍內對電子產生較大的作用力，因此學生可將原子軌道理解為“原子核的控制范圍”。當兩個原子核的控制范圍重疊時，必然會產生更強的作用力。這引發了學生新的疑問：沒有電子的軌道，還是一個真實存在的軌道嗎？形成共價鍵的兩原子還有其他的控制范圍嗎？這些疑問將驅動學生繼續探索。

【環節二】

[教學內容]原子軌道重疊后會分裂變形。

[教師活動]展示一些大學教材中的共價鍵軌道圖片，引導學生將其與高中教材中的插圖進行對比，從而發現軌道重疊后會產生形變。基于此，提出問題2：大學教材中的共價鍵軌道與高中教材中的相比有哪些差異？軌道的分布有什么特點？

[學生活動]將新素材與高中教材進行對比分析，發現除了兩原子之間存在軌道，兩原子外側也存在軌道，并通過分析歸納得出：兩原子軌道重疊后會發生分裂變形。

[評價目標]診斷并發展學生的觀察與分析能力水平。

評析：本環節旨在引導學生發現反鍵軌道的存在，并將其與已有的成鍵軌道概念進行對比分析。學生通過對比發現差異，從而認識到高中教材中的插圖并不是完整的軌道圖，在成鍵原子兩側也存在軌道，原子軌道重疊會引起軌道分裂變形。通過分析氫原子s軌道重疊的實例（如圖2），學生認識到共用電子對處于核間軌道的原因是核間作用力最大，而外側軌道由于受到的核吸引力相對較小，電子填入的可能性小，進而認識到軌道是原子核可以“控制”的空間，是否有電子進入并不影響軌道的存在。如此一來，學生對軌道就有了更深入和更具象的理解。

【環節三】

[教學內容]成鍵軌道與反鍵軌道在位置、性質、能量上的區別。

[教師活動]提出問題3：不同位置的軌道對共價鍵的形成有什么影響？不同位置的軌道能量有什么區別？在學生討論過后進行小結：兩個原子軌道重疊會形成一個低能量成鍵軌道和一個高能量反鍵軌道，合稱為分子軌道;反鍵軌道會對共價鍵的形成起抵消作用。

[學生活動]根據已有知識，確定分析推測的角度，如利用點電荷作用力的方向來判斷不同位置的軌道對共價鍵形成的影響，以及通過對比不同能層能量的高低來判斷軌道能量的高低。在聽取教師對成鍵軌道和反鍵軌道的定義后，總結歸納它們的相關性質。

[評價目標]診斷并發展學生的微觀探析素養與科學精神。

評析：本環節旨在引導學生深入分析兩種軌道的性質，并抽提相關大概念。學生通過點電荷受力分析，可以判斷出原子外側的反鍵軌道的情況。如果反鍵軌道有電子填入，會削弱兩個原子的鍵合。電子填入越多，對共價鍵的削弱作用越大；如果無電子填入，則不會影響共價鍵。核間軌道受到的核作用力大故而能量低，核外側軌道則相反，所以當原子軌道重疊時，不僅形狀會改變，能量也會分化。進而生成新的問題：分化后的軌道一共算幾個軌道？能量分化是否遵循能量守恒定律？在這個環節中，學生根據已有經驗和新獲取的信息進行證據推理。在教師補充說明核間和核外側共有兩個軌道（即成鍵軌道與反鍵軌道），且能量分化遵循能量守恒定律后，學生總結抽提出大概念：原子軌道重疊時，軌道數量守恒，能量分化。

探究問題二：在分子形成過程中，電子數有什么限制？

指向的大概念：電子填入分子軌道遵循能量最低原理。

【環節四】

[教學內容]電子填入分子軌道的順序及電子數的限制。

[教師活動]提出問題4：為什么H[+2]和H[-2]能夠存在，而He2不存在？

[學生活動]根據給出的事例，從軌道數量與性質、電子數的角度，對三個分子式進行對比，得出它們最大的差異是電子數。猜想電子優先填入低能量的成鍵軌道，若電子繼續填滿高能量的反鍵軌道，則共價鍵無法形成。

[評價目標]診斷并發展學生的證據推理與模型建構素養。

評析：本環節旨在引導學生思考電子數對分子穩定性的影響。學生初步分析：兩個H能夠形成一個成鍵軌道和一個反鍵軌道，電子填入成鍵軌道有利于分子穩定，填入反鍵軌道不利于分子穩定，且每個軌道最多只能填入兩個電子。學生繼續深入分析：H[+2]的電子只填入成鍵軌道，H[-2]的成鍵軌道填滿、反鍵軌道只有單電子。當成鍵軌道的電子數大于反鍵軌道的電子數時分子能夠存在；而He2的成鍵軌道和反鍵軌道都填滿了電子，導致形成共價鍵的作用被抵消，故He2不能存在。學生在利用基礎概念解決問題后，總結并抽提出大概念：電子填入分子軌道遵循能量最低原理。

【環節五】

[教學內容]大π鍵中π電子數的限制。

[教師活動]提出問題5：N[-5]中的大π鍵為什么能存在？形成大π鍵對p軌道的電子數有什么限制？

[學生活動]根據以上的結論，推測形成大π鍵時不能讓電子填滿反鍵軌道，從而深入理解反鍵軌道對共價鍵形成的抵消作用。

[評價目標]診斷并發展學生的高通路遷移能力。

評析：大π鍵形成的穩定性問題具有一定的抽象性和理解難度。p軌道肩并肩重疊也會形成成鍵軌道與反鍵軌道，電子同樣優先填入成鍵軌道。N[-5]中5個N共平面成環，5個p軌道重疊后會分化得到5個分子軌道（其中包括一個非鍵軌道，此處不作詳細討論）。N[-5]中參與形成大π鍵的p軌道共計含有6個電子，電子填滿成鍵軌道后才會填入反鍵軌道，而N[-5]的p軌道中的6個電子無法填滿5個軌道，反鍵軌道電子數少于成鍵軌道，無法抵消成鍵軌道的作用，所以N[-5]中的大π鍵能存在。理論上，大π鍵的p軌道電子數要低于p軌道數的兩倍。通過對問題5的分析與討論，既能夠提升學生運用已有概念解決實際問題的能力，促進他們化學觀念的形成，又能夠對學生的學習活動進行過程性評價。根據學生對問題的思考與表達，教師可以判斷學生是否真正理解了成鍵軌道和反鍵軌道這兩個關鍵概念，以及是否具備對基礎概念進行發散性思考的能力，進而了解學生的認知發展水平，幫助學生在概念學習中實現思維的迭代升級，最終完成高通路遷移的學習任務。

探究問題三：在分子變化過程中，反鍵軌道起到了怎樣的作用？

指向的大概念：電子填入分子軌道遵循能量最低原理。

【環節六】

[教學內容]電子填入反鍵軌道會引發共價鍵變化。

[教師活動]根據有效碰撞理論，解釋反應物分子經過有效碰撞后共價鍵會發生變化。展示過渡態的圖片，并解釋過渡態是兩分子碰撞后舊鍵未斷、新鍵未成的狀態。提出問題6：分子通過怎樣的碰撞才能形成過渡態進而產生分子變化？請嘗試描述氫氧化鈉與溴甲烷反應產生的過渡態。

[學生活動]根據對反鍵軌道性質的理解，建構電子填入反鍵軌道的新模型——兩分子的軌道相互重疊。

[評價目標]診斷并發展學生的微觀探析素養與模型建構素養。

評析：在大概念教學中，評價環節的核心在于評估學生是否真正掌握了大概念[3]。本環節中，學生基于本節課的大概念，解決新情境中的挑戰性問題，并實現知識的遷移應用。學生對斷鍵有了新的理解：當反鍵軌道填滿電子時，會抵消成鍵軌道帶來的穩定作用，從而導致斷鍵。通過分子碰撞將兩個分子的電子對與反鍵軌道重疊也是一種向反鍵軌道填入電子的方式，同樣會導致舊鍵斷裂；而這次軌道重疊會形成新的成鍵軌道并填入電子，形成新鍵。過渡態就是舊鍵未斷、新鍵未成的狀態，在這個狀態下，舊鍵與新鍵存在競爭關系。通過學習，學生能夠更深入地理解分子變化過程中反鍵軌道的作用。

【環節七】

[教學內容]氫鍵具有方向性的原因。

[教師活動]引導學生觀察冰的結構（如圖3），注意水分子間氫鍵的角度。提出問題7：氫鍵為什么會具有方向性？氫鍵為什么是一種強的分子間作用力？

[學生活動]對素材進行分析并提出猜想。猜想1：從氫鍵的穩定性角度看，氫鍵肯定不只是由正負電性原子相互吸引形成的；猜想2：從氫鍵的形成角度看，孤電子對正好指向反鍵軌道。形成觀點：氫鍵與軌道重疊相關，帶有一定共價鍵的性質。

[評價目標]診斷并發展學生的高通路遷移能力。

評析：本環節旨在引導學生繼續在新情境中對概念進行遷移應用。通過探究冰中水分子間氫鍵的排列，學生可以發現O的孤電子對與H-O鍵的反鍵軌道形成頭碰頭的角度，呈現一定的成鍵趨勢。正是這種成鍵趨勢，使得氫鍵比一般分子間作用力強得多。此外，這一發現還有助于學生對水的自耦電離形成新的認識。

五、教學反思

通過以大概念為統領的化學復習教學，結合本質問題的驅動和真實問題情境的創設，引導學生完善認知，進而解決新的化學問題。在對共價鍵的本質、分子的形成與變化的探究中，學生不僅形成了大概念，還發現了問題內部的統一性，這促進了學生知識網絡的建構，增強了學生解決問題的靈活度，切實發展了學生的化學學科核心素養。

［" "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2020年修訂[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]" 劉徽.大概念教學：素養導向的單元整體設計[M].北京：教育科學出版社，2022.

[3]" 張俊列，劉歡.評大概念教學之爭[J].課程·教材·教法，2024，44（4）：51-58.

[4]" 岑素艷，范斌.核心素養背景下指向大概念的高中化學教學探析[J].廣西教育，2023（5）：72-75.

（責任編輯" " 羅艷）