整合跨學科裝備　技術賦能化學可視化教學

摘要： 圍繞物質微觀結構與宏觀性質的探究，設計以新型液晶顯示材料為驅動性素材的“探秘液晶”主題教學，發展學生對物質聚集狀態的全面認識。教學中整合跨學科實驗裝備，同時借助多種信息化軟件，將抽象知識可視化，促進學生對物質結構與性質關系的理解。在綜合運用跨學科知識解決問題的過程中，感受技術賦能的跨學科學習，提升“宏觀辨識與微觀探析”“科學探究與創新意識”等化學學科核心素養。

關鍵詞： 高中化學； 跨學科； 學科核心素養； 物質結構與性質； 液晶

文章編號： 1005-6629（2024）07-0059-07 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 教學主題內容及教學現狀分析

本教學主題內容選自魯科版教材《物質結構與性質》第三章“不同聚集狀態的物質與性質”第3節“液晶、納米材料與超分子”中的液晶部分［1］。液晶顯示材料為化學材料前沿領域和熱點內容，其分子結構與宏觀性質的特點及其性質的測定等，涉及化學、物理、生物、材料等多學科知識內容的融合。液晶作為新型材料出現在《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標”）的選修課程系列1《實驗化學》主題4“STSE綜合實驗”例舉的素材中［2］。課標的選擇性必修課程模塊2《物質結構與性質》主題2“微粒間的相互作用與物質的性質”內容要求中提到“認識物質的性質與微觀結構的關系”，“知道物質的聚集狀態會影響物質的性質，通過改變物質的聚集狀態可能獲得特殊的材料”［3］。液晶顯示材料就是一種具有特殊聚集狀態的材料，其特殊的宏觀性質由液晶材料分子特殊的微觀結構所決定，因此液晶材料分子的相關知識，能夠承載課標中的上述要求，具有發展學生對物質聚集狀態的全面認識，促進學生對“結構決定性質”這一化學觀念深度理解的教學功能價值。

然而，液晶內容學科本體知識抽象難懂，許多教師沒有深入分析其教學價值，選擇回避或將其作為科普閱讀材料，致使許多學生并不了解這種生活中常見的新型材料所蘊含的化學知識、方法及觀念。

為了更好地發揮液晶內容的教學價值，本文以“探秘液晶”為主題展開研究，將魯科版教材《物質結構與性質》第三章“不同聚集狀態的物質與性質”內容進行重整，整合第1節“認識晶體”與第3節“液晶、納米材料與超分子”的相關內容［4］，從常見、典型的聚集狀態物質微觀結構與宏觀性質出發，初步構建物質微觀結構與宏觀性質之間的關聯，進而探究特殊聚集狀態物質液晶的微觀結構與宏觀性質的特點，進一步構建物質微觀結構與宏觀性質之間的深度關聯，發展物質聚集狀態新認識。除此之外，本次教學過程中，整合跨學科實驗裝備，借助多種信息化軟件，將抽象知識可視化，促進學生對“結構決定性質”這一觀念的理解，提升“宏觀辨識與微觀探析”“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”等化學學科核心素養。

2 教學思想

2.1 整合跨學科實驗裝備，助力化學實驗探究

教學通過整合生物與化學的實驗裝備，自制跨學科實驗儀器，綜合運用生物、物理、化學學科相關知識、方法及實驗資源，分析解決相關實驗探究問題。教學過程中利用生物學科的實驗裝備顯微鏡，創造性地自制偏光顯微鏡，來觀察物質宏觀物理性質中的光學性質，對宏觀物理性質的各向同性或各向異性進行外顯可視化，幫助學生加深理解新概念。跨學科實驗裝備的整合與運用，拓展了學生的實驗思路，打破了學科界限，引導學生在多學科背景下認識物質微觀結構與宏觀性質的特點，有效發展學生的科學素養及化學學科核心素養［5，6］。

2.2 技術賦能可視化教學，助力高效學習

教學使用可視化VESTA晶體結構軟件和scopelmage9.0圖像處理軟件。VESTA晶體結構軟件將晶體結構可視化，scopelmage9.0圖像處理軟件結合教學用數碼顯微鏡使用，將光學顯微鏡觀察的實時圖像進行凍結、預覽、捕捉，結合教學的多媒體電子屏外顯共享觀察到的圖像。可視化手段的使用，將物質微觀結構直觀地呈現出來，降低了教學內容的抽象性，促進了學生對知識內容的理解。同時將觀察物質宏觀性質的個體學習活動轉化為全體互動學習活動，使教學活動更具活力，提高了學生在全新學習氛圍下的學習效率。

3 教學目標

（1） 通過對水的不同聚集狀態微觀結構與宏觀外形特點的討論，初步建立物質微觀排布與宏觀外形之間的關聯。

（2） 通過跨學科探究活動，學會分析晶體與非晶體微觀結構及宏觀性質的特點，建立物質微觀結構與宏觀性質間的深度關聯，體驗運用多學科知識解決問題的過程，發展“宏觀辨識與微觀探析”“證據推理與模型認知”核心素養。

（3） 通過跨學科實驗探究液晶活動，拓展對物質聚集狀態的認識角度，發展“科學探究與創新意識”核心素養。

（4） 通過對液晶材料分子結構特點及其特殊宏觀性質的分析，深入認識物質的結構與性質之間的關系，深化“結構決定性質”化學核心觀念。

4 教學流程

“探秘液晶”包括三個教學環節：環節一初識常見聚集狀態，環節二探秘典型聚集狀態，環節三探秘特殊聚集狀態。各環節通過對應的活動，發展學生對“微觀結構與宏觀性質關系”及“物質聚集狀態”的認識，其中環節二中的活動2及環節三中的活動1為利用自制跨學科實驗裝備及技術賦能可視化教學的核心活動。具體教學流程見圖1。

5 教學實錄

5.1 環節一：初識常見聚集狀態

［課前作業］以水為例，畫出處于氣態、液態、固態時分子是如何聚集的，并結合圖示分析三種不同聚集狀態的水的微觀排布和宏觀外形有哪些特點？

［情境創設］隨著科技的發展，顯示技術也在不斷發展，液晶顯示屏為生活提供了極大便利，那你知道液晶是什么嗎？從今天開始我們走近神奇的液晶材料。要揭秘液晶，首先要了解物質的不同聚集狀態。以大家最熟悉的物質水為例，來認識不同聚集狀態的物質的微觀排布與宏觀外形的特點。

［展示課前作業］見圖2。

［課前作業表現評價］學生能夠畫出不同狀態下水的微觀結構，對不同聚集狀態水的微觀排布和宏觀外形特點有初步認識。學生認為氣態水的微觀排布特點為微粒間距很大，排列散亂，宏觀外形特點為無固定狀態，易壓縮；認為液態水的微觀排布特點為微粒排列較緊密，微粒間距較小，宏觀外形特點為無固定狀態，不易壓縮；認為固態水的微觀排布特點為微粒間距很小，排列緊密，規律整齊，宏觀外形特點為有固定狀態。學生分享交流后，能夠初步將微觀排布的規律性與宏觀外形的規則性建立關聯。

［提問］導致物質宏觀流動與否的因素是什么呢？

［學生1］與分子間隙有關。液態和氣態的物質分子間隙大，易流動；固態的物質分子間隙小，排布規則，不易流動。

［學生2］與分子間作用力有關。分子間作用力強，不流動；分子間作用力弱，有流動性。

［總結］宏觀流動與否與微觀分子間作用力有關。分子間作用力強，宏觀不流動，分子間作用力弱，宏觀流動。

5.2 環節二：探秘典型聚集狀態

［展示］水晶和玻璃的微觀結構和宏觀圖片。

［提問］微觀排布的不同導致宏觀外形有什么區別呢？

［回答］水晶微觀結構規則，宏觀外形就規則，而玻璃的微觀結構不規則，宏觀外形也不規則。水晶是自發形成的，而玻璃宏觀外形的規則是人工切割形成的。

［播放動畫］氣泡凍結冰晶的形成。

［總結］兩種典型的聚集狀態物質——晶體與非晶體的微觀結構特點和宏觀性質的區別。

［活動1］分析資料1和資料2，討論晶體與非晶體宏觀性質的特點，并結合微觀結構分析原因。

［資料1］內容為晶體和非晶體的熔化曲線，以及晶體SiO2和非晶體SiO2的微觀結構投影示意圖［7］，如圖3所示。

［資料2］內容為文字資料及石墨晶體結構和白云母晶體結構示意圖［8］。

文字資料如下：

（1） 石墨在與層平行的方向上的電導率數值約為在與層垂直的方向上的電導率數值的1萬倍［9］。

（2） 云母片很容易從與它底面平行的方向分裂成薄片，但從垂直于底面的方向分裂成小塊時，就需要消耗很大的能量［10］。

石墨晶體結構和白云母晶體結構示意圖如圖4所示。

［學生1］對比資料1中的曲線圖和晶體微觀結構示意圖發現，晶體的內部微粒排布規則，破壞結構困難，有固定熔點，非晶體內部微粒排布不規則，沒有固定熔點。

［學生2］分析資料2得出，不同的晶體，結構不同，因而性質也不同。

［學生3］對于同一晶體來說，微粒在不同方向上排列的規律性不同，導致宏觀性質在不同方向上也不同，比如，石墨晶體的微觀結構中，微粒在水平方向上和垂

直方向上的排列規律性不同，因此導致水平方向和垂直方向上的電導率不同。

［課堂表現評價］經過討論，學生能夠建立晶體與非晶體微觀結構與宏觀性質的深度關聯，能夠從理論上理解晶體的各向異性，但缺少更真實直觀的感受。因此，設置跨學科實驗探究活動獲取更直觀的證據，感受晶體和非晶體的光學性質的各向異性和各向同性。

［講解］自制偏光顯微鏡結構、原理和操作。

跨學科實驗儀器——偏光顯微鏡可由普通光學顯微鏡加兩個偏光片自制而成［11，12］，自制偏光顯微鏡結構簡化示意圖見圖5。

偏光顯微鏡是將普通光改變為偏振光進行鏡檢的方法，以鑒別某一物質是單折射性（各向同性）或雙折射性（各向異性）。雙折射性（各向異性）是晶體的基本特征。在正交的情況下，視場是黑暗的，如果被檢物體在光學上表現為各向同性，無論怎樣旋轉載物臺，視場仍為黑暗。若被檢物體具有雙折射特性或含有具雙折射特性的物質，則具雙折射特性的地方視場變亮［13］。從化學的視角來說，非晶體具有各向同性，觀察時視場黑暗；晶體具有各向異性，觀察時視場變亮。

［活動2］預測典型物質水、玻璃片及NaCl晶體的光s9LL2Lmlowsu+eY64lcxbA==學性質，運用自制偏光顯微鏡觀察現象，分析原因。

［學生1］由于玻璃片為非晶體，因此微觀結構中的微粒排布不規則，在光學上應表現為各向同性，利用自制偏光顯微鏡觀察時，視場應為黑暗。NaCl固體為晶體，微觀結構中的微粒按一定規律周期性排布，不同方向上規律性不同，在光學上應表現為各向異性，利用自制偏光顯微鏡觀察時，視場應為光亮的。液體水不知道如何分析。

［學生2］水常溫下為液態，不是晶體。液態水微觀結構中的微粒排布也不規則，宏觀性質也呈現各向同性。利用自制偏光顯微鏡觀察時，視場應為黑暗。

［學生實驗］用自制偏光顯微鏡進行觀察。

［演示實驗］借助顯微鏡圖像軟件scopelmage9.0，通過多媒體電子屏，向學生展示各物質的光學各向異性或各向同性，共享實驗現象。偏光顯微鏡下的水、玻璃片及NaCl晶體的圖像見圖6、圖7。

［演示實驗］通過VESTA晶體結構軟件，展示不同方向上NaCl晶體的微觀結構，如圖8所示，感受晶體微觀結構中微粒周期性排布的規律性，不同方向上排布的規律性不同。

5.3 環節三：探秘特殊聚集狀態

［播放視頻］實驗室加熱一種物質C6M{1，4-雙［4-（6-丙烯酰氧基己氧基）苯甲酰氧基］-2-甲基苯}，C6M常溫下為固態，加熱過程中先變成不透明的渾濁狀態，繼續加熱變成透明清亮的液體。

［活動1］預測這種不透明的渾濁態的聚集狀態，設計實驗方案，動手實驗驗證猜想。

［學生1］可能是一種固液共存狀態，因為固態晶體微觀微粒排布規則，液態微觀微粒排布不規則，因此固態晶體與液態混合，既有規則又有不規則，用偏光顯微鏡觀察時，有亮有暗。

［學生2］不是固液共存的，可能是一種液體的狀態，但有晶體的性質，不清楚是什么狀態，不清楚通過什么實驗來證明。

［學生3］如果是液態但具有晶體的性質，則應具有各向異性，用偏光顯微鏡觀察時，整體是亮的；如果是固液混合，用偏光顯微鏡觀察時，有亮有暗。

［課堂表現評價］學生對物質聚集狀態存在不同認識的角度，能夠確定運用自制偏光顯微鏡觀察現象，來確定這種特殊狀態的聚集狀態。

［學生實驗］用自制偏光顯微鏡觀察，交流現象，最終確定這種狀態為介于晶體和液體之間的一種特殊狀態，宏觀流動，但有晶體的各向異性。

［演示實驗］借助顯微鏡圖像軟件scopelmage9.0，通過多媒體電子屏，向學生展示液晶的光學各向異性，見圖9。（本學生實驗及教師演示實驗中，為便于學生觀察，采用高校科研人員專門配制的常溫下為液晶態的物質）

［活動2］四種典型液晶材料的結構簡式［14］見表1，分析液晶材料分子結構特點，以及特殊宏觀性質的原因。

［學生分析］都有環狀結構，取代基都在對位，均為直線型。

［講解］根據早先的研究，能夠呈現出液晶態的有機化合物，都是一些線形的分子，可以把它們看成一種剛性的、不易彎曲的棒狀分子。這種棒狀分子的基本結構如圖10所示。其中X為連接兩個苯環的基團，位于分子的中心，稱為中央基團，決定了分子的剛性結構；Y位于分子的兩端，稱為末端基團，它們可以是相同或不同的基團，但共同的特點是本身具有極性或容易變成極性基團。隨著研究的深入，科學家也發現一些無中央基團的分子，以及一些含脂烷環的分子，也能展現出液晶的特點［15，16］。

［追問］為什么這樣的結構，能讓物質具有液晶態的特殊性質，既具有液體的流動性，又具有晶體的各向異性？

［學生分析］液晶材料分子聚集在一起時，在某一方向上分子間作用力弱，因此具有液體的流動性。但在某一方向上，如在分子長軸方向上，分子間作用力強，分子排布規律，因此又具有晶體的各向異性。

［總結］正是由于液晶分子微觀結構上的特殊性，才導致它在宏觀性質上的特殊性。液晶內部分子的排列沿分子長軸方向呈現出有序的排列，由此在分子長軸的平行方向和垂直方向表現出不同的性質。

［講解］我們可以利用液晶的性質，將其應用到顯示材料領域。液晶的顯示功能與液晶材料內部分子的排列密切相關。液晶分子聚集在一起時，其分子間作用力容易受電場的影響。所選取的液晶材料在沒有外加電場時，液晶分子呈逐層扭轉的螺旋形排列；在施加電壓時，分子變成沿電場方向排列；而在移去電場之后，又恢復到原來的狀態。由此，在存在或撤去電場的兩種不同條件下，材料的旋光性能發生變化，從而達到控制顯示的目的［17］。

［追問］再來說說你對聚集狀態的認識。

［回答］原來認為只有固、液、氣三種聚集狀態，現在了解到固體還分為晶體和非晶體，液晶是一種介于晶體和液體之間的特殊狀態，對聚集狀態有了新的認識。

6 教學效果與反思

6.1 跨學科融合，促進科學素養發展

對于晶體的各向異性，教材僅以“石墨在不同方向上的電導率數值不同”為例進行說明，學生無法體會晶體在其他物理性質上的各向異性。本次教學整合跨學科實驗裝備，將生物學科的顯微鏡引入化學課堂，教師在查閱文獻基礎上，創造性地自制偏光顯微鏡，使學生更加直觀地感受晶體的光學各向異性。學生對使用生物學科的顯微鏡觀察晶體的光學性質，表現出濃厚的興趣，實驗操作積極性高漲，深刻感受到運用跨學科知識解決問題的成就感，提升了科學素養水平。

6.2 信息化賦能，促進抽象知識理解

VESTA晶體結構軟件、scopelmage9.0圖像處理軟件及圖片、動畫、視頻等多種可視化手段的使用，將抽象的晶體結構及宏觀性質，更直觀形象地呈現，同時將個體學習活動轉化為全體學習活動。信息化賦能教學，提高了課堂效率，有效地促進學生對抽象知識的理解，幫助學生提升“宏觀辨識與微觀探析”的核心素養水平。

6.3 接觸真實液晶材料，激發探究熱情

學生對前沿的化學材料液晶充滿了興趣和好奇心，但以往對液晶材料的了解僅限于課本及網絡資料，本次教學依托高校實驗室，教學過程中學生親身接觸真實的液晶材料，并研究其性質。基于真實的科學前沿材料的實驗探究，激發了學生的探究熱情，有助于學生樹立從事科學研究的志向，極大地發展了學生的“科學探究與創新意識”的核心素養水平。

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