基于人教版教材分析與使用的晶體教學關鍵問題探討

韓建豐 高凌蕊

摘? ?要：晶體內容是高中化學教與學的難點，結合高考評價體系、《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》、人教版《化學選擇性必修2物質結構與性質》進行分析，可以得出晶體教學的關鍵問題及突破策略。充分研讀與利用教材是開展晶體內容教學改進的保證，是學生進行深度學習的基礎。通過梳理教材形成晶體知識結構化體系、通過關鍵問題的整理和突破形成解決晶體實際問題的思維方法、通過教材素材的歸納提出教學建議，可以促進課堂改革及學生化學核心素養提升與思維進階。

關鍵詞：晶體的結構與性質；教材分析與使用；教學關鍵問題；四新高考；教學建議

教材分析是教師開展教學研究與改進的保障，是學生進行學習的基礎。有效的高中化學課堂需要教師在教學設計中對核心問題進行創建，這一過程需要把握住教材的教學關鍵問題，重視課堂中學生自主和可持續的學習特征對教材進行深度挖掘。

1 晶體單元教學內容與考查方向

“晶體結構與性質”是高中化學教與學的重難點，教師需要深化研究教學內容梳理關鍵問題，幫助學生理解教材抓住核心。基于教師引領的關鍵問題教學，是在教師完成教材分析前提下，引導學生進行自主學習體驗，教師需要對教材內容進行規劃與整合，完善學生的主動學習和結構化、系統化晶體知識體系構建過程。對教材進行梳理后，可知晶體內容在教材中的邏輯結構與考查方向，見圖1、2。

2? 晶體單元核心內容梳理

高考題命制源于高考評價的一核四層四翼體系，命題從“知識立意”轉變為“能力立意”再到“素養立意”^{[ 1 ]}。以《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》為依據，以化學學科核心素養為導向，以情境、知識、能力、素養為四大核心要素，重在考查必備知識和關鍵能力發展學生化學學科核心素養。素養層面主要考查的是宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想和證據推理與模型認知。《化學選擇性必修2物質結構與性質》是高考重要考點，出題時會緊扣教材中的基本概念、原理和規律，注重對學生基礎知識和主干內容的理解進行考查。高考試題“晶體結構與性質”部分常通過真實的、最新的、陌生功能材料等真實情境進行問題設置，學生需要運用化學思維解決結構、性質、用途等知識解決以上實際問題^{[ 2 ]}。為實現從低階思維到高階思維的考查，通過信息提示、圖文展示等多種信息提示創新設問角度，啟發和發展學生落實化學核心素養。通過對全國各地高考試題的研究不難發現，晶體部分試題有：聯系教材基礎知識緊密、創設問題情境新穎這兩大特點。高考試題明確為教學指明了方向：深度研究教材、梳理核心內容和觀念。

舊教材（《普通高中化學課程標準（2017版）》）在晶體內容上更加關注：知識點的具體落實（學生水平1、2），新教材及《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》則更加關注：化學科學認識、研究物質的思維方法和學生的思維進階、素養落地（學生水平3、4）^{[ 3 ]}。因此教師引導學生深度挖掘、深層次地理解教材內容在四新高考背景下非常重要。對新舊教材對比分析后發現，新教材增加晶體部分最新成就，明確了舊教材一些不準確說法。例如明確了混合型晶體和過渡型晶體是普遍存在的（P89-P90正文內容），與舊教材相比新人教版教材增加些內容。如第一節：等離子體和液晶（P68-P69科學·技術·社會）、準晶（P74探究）、晶體結構的測定的X射線衍射實驗（P75正文內容）；第二節：石英晶體中的硅氧四面體相連構成螺旋鏈和石英晶體的左、右型晶體（P86正文內容）；第三節：離子液體（P88科學·技術·社會）、過渡晶體（P89正文內容）、硅酸鹽（P91資料卡片）、納米晶體（P91科學·技術·社會）。第四節：AgCl溶于氨水（P97實驗3-5）、超分子和分子識別、自組裝（P98-P100正文內容）。同時發現新教材刪除了如下內容：金屬晶體的原子堆積模型、金屬晶體的四種堆積方式及對比、離子晶體配位數及影響因素、CaF2晶胞結構、碳酸鹽分解、晶格能、巖漿晶出規則等知識點。非常明顯新教材更加關注科技前沿與更加準確地表達，但原子堆積模型等刪去的內容是學生深度認識典型晶體結構特點的核心知識，其是“晶體結構與性質”知識體系結構化構建的紐帶。教師應在教學中加以重視，將以上刪除的知識點作為處理關鍵問題的良好補充，可以幫助學生深度學習晶體部分內容，以晶體結構認知為大概念統領單元教學后得出核心內容，見圖3。

3? 晶體單元教學關鍵問題及突破

3.1? 熔沸點比較

四類典型晶體熔沸點比較是高考中對晶體內容的常見考查，若以晶體概念“晶胞中的晶格結點”進行統攝分析，能夠較好地突破學生四種晶體熔沸點橫向比較的迷思^{[ 4 ]}。原子晶體：其晶格結點上的質點熔沸點較高，因原子間通過共價鍵結合，整個晶體可看做大分子。離子晶體：其晶格結點是陰陽離子，離子間通過靜電作用（離子鍵）結合，因離子的三維空間排布不同，離子晶體的空間結構也不同，一般對離子晶體熔沸點起到決定性作用的是晶格能（新教材需補充）。金屬晶體：其晶格結點是金屬陽離子，金屬陽離子和電子通過金屬鍵結合，金屬鍵是晶體中的離域鍵，熔沸點直接受金屬鍵鍵能影響。分子晶體：其晶格結點是分子，分子與分子之間以微弱的分子間作用力（范德華力或氫鍵）結合，因分子間作用力小于化學鍵的作用力，分子晶體熔點低。

同類型晶體中熔沸點比較需要學生對四種典型晶體類型的特點進行深入研究和歸納整理，如圖4。

3.2? 均攤法與計算晶體密度

高考試題中對晶體結構的考查要求學生能夠運用均攤法快速計算晶胞內粒子個數、能夠運用數學和化學知識用所給棱長求晶胞密度、能夠計算空間利用率、能夠準確找到配位數等^{[ 5 ]}。在突破均攤法計算晶胞中粒子個數時，需要學生先理解原子堆積模型^{[ 6 ]}。

簡單立方堆積（SC）、體心立方堆積（BCC）、面心立方堆積（FCC）、六方密堆積（HCP）等四種堆積模型的關鍵問題可以采用學生動手搭建的形式突破（結合教材P85：9）。簡單立方堆積：將大小相同的8個橡皮泥球用牙簽串聯，先將4個球緊密排列成正方形并用牙簽連接構成A1層，后同樣操作構成A2層，最后將A2層垂直地疊放在A1層上。體心立方堆積：將大小相同的9個橡皮泥球用牙簽串聯，先將4個球排列成正方形但球之間不緊密接觸，用牙簽連接，構成A1層，A2層，剩余的1個橡皮泥球作B層，堆積時先將B層放在A1層的空隙中心，再將A2層中心空隙對準B層疊加在B層上。面心立方堆積：將大小相同的14個橡皮泥球用牙簽串聯，先將5個橡皮泥球緊密排列為十字形并用牙簽連接構成A1層，同樣操作構成A2層，剩余4個球緊密排列成正方形并用牙簽連接構成B層；堆積時先將B層果實疊放放在A1層上，讓B層中心空隙對準A層中心球，最后將A2層中心球對準B層中心空隙疊加在B層上。六方密堆積：將大小相同的17個橡皮泥球的用牙簽串聯，然后先將7個橡皮泥球緊密排列成正六角形用牙簽連接構成A1層，同樣操作構成A2層，再將3個球緊密排列成正三角形用牙簽連接構成B層；堆積時B層中心空隙對準A層中心球再將先將B層疊放放在A1層上，最后將A2層中心球對準B層中心空隙疊加在B層上。以上“做中學”的學生行動學習可以促進學生三維空間想象能力，自主在搭建堆積模型的過程中構建晶體知識體系。

結合以上學生作品完成均攤法教學，先明確均攤法概念：在計算晶胞的粒子個數時需分析一個粒子被多少個晶胞共享，若一個粒子被n個晶胞共享，則該粒子屬于每一個晶胞的占1/n。再以四種典型堆積模型為例，引導學生在學習過程中計算四種堆積方式內部的原子數，簡單立方堆積：8×1/8=1（個）；體心立方堆積：8×1/8+1×1=2（個）；面心立方堆積：8×1/8+6×1/2=4（個）；六方堆積：12×1/6+2×1/2+3×1=6（個）。以此作為延伸，再結合各晶體類型特點和晶胞結構，學生可以比較容易的通過均攤法確定晶體化學式，這是晶體部分內容強調的必備能力也是進行晶胞密度計算的先決條件。

以銅晶胞為例設計習題如下：銅原子半徑為r，依據銅晶胞特點求一個晶胞中的銅原子數，配位數，密度和空間占有率。銅晶胞，見圖5（o代表銅原子）。

3.3? 基于典型晶胞的填隙衍生

“授人以漁”與“深度學習”是對教與學進行優化改進的要求，教師深入挖掘教材和學生對問題的追本溯源是新課改的高層次進階，對教材內容進行深度的思維辨析和推理演繹是學生化學核心素養形成與提升的必經之路。四新高考強調“教、學、評”一致性與一體化，快速而準確地解決問題是學習評價的重要體現。學生需要根據課堂學習形成發展思維，高考常利用典型晶胞填隙衍生的關鍵問題對學生“宏觀辨識與微觀探析”素養培養效果進行檢驗。突破這一問題需要教師引導學生從微觀上辨析典型晶體結構，建立宏微結合的辨識方法，利用遷移思想解決晶體內容的前沿問題考查^{[ 8 ]}。新教材中有很多圖片素材，需要教師合理使用素材進行教與學，例如銅晶胞（P73正文）和金剛石晶胞（P74思考與討論），見圖6。可以對兩者進行對比分析，幫助學生認知典型晶胞的填隙衍生晶胞特點與分析方法。

類比于銅的面心立方典型晶胞對金剛石晶胞進行延伸分析，發現金剛石晶胞是面心立方晶胞的填隙衍生。引導學生將大立方體切割成8個全等的小立方體并進行編號，下層（順時針）1、2、3、4；上層（順時針）5、6、7、8。在2、4、5、7四個小立方體的體心各有1個碳原子，基于此學生將對金剛石晶胞結構了解非常全面。再利用均攤法可以輕松求碳原子個數=8個頂點各有1個碳原子8×1/8=1；上下左右前后各有1個碳原子6×1/2=3；體心有4個碳原子。故一個晶胞含8個碳原子。繼續分析可知：每個碳原子都采取sp3雜化被相鄰的4個碳原子包圍，以共價鍵形式與4個碳原子結合形成正四面體，被包圍的碳原子處于正四面體的中心，故可求得碳原子配位數為4。

4? 基于教材的其他關鍵問題處理建議

實驗3-1（P71正文）是關于硫、碘、氯化鈉晶體的獲取實驗，硫磺是分子晶體，非典型晶胞結構，教學時不必擴展，主要引導學生認知晶體的宏觀特征；碘晶體是典型的面心立方堆積分子晶體，再此可以引導學生畫出晶胞示意圖；氯化鈉晶體是典型的離子晶體，氯化鈉型空間結構可以引導學生進行細致分析（結合P87正文）。

X射線衍射確定晶體結構（P75正文）是學生需要了解的晶體結構確定方法，這是晶體科學研究的必備手段。引導學生進行乙酸晶胞的截取，在學生理解晶胞周期性重復與可平移性上有很大幫助。另外可結合教材習題P77：7.8、P94：10、P103：14，教師應說明晶胞示意圖其實都來源于X射線衍射實驗的確定。

教材中“*”內容的處理可以鍛煉學生知識遷移能力與思維進階。P77：9碘晶體中碘分子的排列取向種類（分析后可知2種），鍛煉學生對晶胞示意圖的觀察能力。思考與討論（P79）：一個硫化氫分子周圍配位數為12，而水晶體配位數為4，原因為水分子鍵以氫鍵（具有方向性和飽和性）、硫化氫分子以范德華力（不具有方向性和飽和性），借此引導學生充分理解氫鍵對分子晶體晶胞結構的影響。P93研究與實踐：學習飽和溶液法制備大晶體的方法，引導學生在實踐中體會明礬晶體等大晶體制備的注意事項。如：晶體生長階段、操作注意要點以及實驗操作能力創新精神等。P103：16冠醚與堿金屬離子之間的配位鍵類型判斷、晶體類型判斷，結合教材P99正文內容作為資料，學生可分析出：冠醚和堿金屬離子形成冠醚配合物屬于離子偶極相互作用（是一種分子間作用力），配位鍵屬于共價鍵。這類晶體是由陰陽離子結合形成的，因此屬于離子晶體。

結合以上分析，發現“晶體結構與性質”的教學存在很多關鍵問題，需要教師和學生一起深度研讀教材并充分利用教材進行學習活動。四新高考背景下的高考試題明確的指向了晶體內容的考查方向，因而在學習過程中應該充分重視教學評一致性的情境創設，利用好教材素材并以單元核心概念統領教學內容，合理補充舊教材中一些要點，使晶體知識體系化構建更加科學合理，從而真正達成教與學的改進提升。

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中國化學會教育委員會“十三五”規劃2020年一般課題：化學學科素養導向的學生單元深度學習研究（HJ20200033）研究成果；北京市教育科學規劃辦“十三五”規劃2017年度課題：基于學生核心素養培養的學府型學校建設的實踐研究（BDEB17056）研究成果；北京市教育學會“十四五”教育科研2022年度課題：基于“雙減”的化學大單元教學雙優研究（DC2022-029）研究成果