利用開(kāi)放式球棍模型發(fā)展模型認(rèn)知的教學(xué)實(shí)踐

摘 要： 以新教材實(shí)驗(yàn)活動(dòng)為基礎(chǔ)，通過(guò)“3×n”教學(xué)模式構(gòu)建“問(wèn)題活動(dòng)評(píng)價(jià)”主線，利用開(kāi)放式球棍模型和自制教具，突破碳原子成鍵特點(diǎn)教學(xué)的重難點(diǎn)問(wèn)題，驅(qū)動(dòng)學(xué)生在搭建活動(dòng)中分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的內(nèi)化，培養(yǎng)模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。通過(guò)課堂效果的評(píng)價(jià)，對(duì)模型搭建活動(dòng)和課堂教學(xué)進(jìn)行反思。

關(guān)鍵詞： 中學(xué)化學(xué)； 有機(jī)化學(xué)； 模型認(rèn)知； 開(kāi)放式球棍模型； 碳原子成鍵特點(diǎn)

文章編號(hào)： 10056629（2024）12004407

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 教學(xué)分析

1.1 教學(xué)主題分析

“碳原子的成鍵特點(diǎn)”作為高中有機(jī)化學(xué)的開(kāi)端，位于人教版化學(xué)（2019版）必修第二冊(cè)第七章的第一節(jié)第一課時(shí)，要求學(xué)生了解碳原子的成鍵規(guī)律，基于有機(jī)碳骨架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)認(rèn)識(shí)有機(jī)分子結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)，進(jìn)而認(rèn)識(shí)有機(jī)化合物之間的轉(zhuǎn)化［1］。本章設(shè)置了“實(shí)驗(yàn)活動(dòng)8”——搭建球棍模型，通過(guò)小組拼接簡(jiǎn)單的有機(jī)化合物分子模型的方式，包括甲烷、二氯甲烷、乙烷、乙烯和乙炔等5個(gè)分子模型，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)碳原子的成鍵方式和特點(diǎn)，幫助學(xué)生從微觀的分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的視角探析有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)［2］。

新教材以甲烷的結(jié)構(gòu)作為起點(diǎn)，從結(jié)構(gòu)的角度構(gòu)建烷烴、同系物、同分異構(gòu)體等概念，在了解結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步介紹有機(jī)物的性質(zhì)。相較于舊人教版，新人教版更注重有機(jī)物的成鍵和結(jié)構(gòu)［3］，這種改變表明編寫(xiě)者構(gòu)建高中生有機(jī)化學(xué)知識(shí)框架的理念發(fā)生了變化，要求教師在教學(xué)中更加注重知識(shí)螺旋式上升的邏輯關(guān)系，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

1.2 教學(xué)現(xiàn)狀分析

對(duì)深圳市50名高中一線化學(xué)教師進(jìn)行訪談中發(fā)現(xiàn)，高一學(xué)生由于沒(méi)有學(xué)習(xí)過(guò)結(jié)構(gòu)化學(xué)，無(wú)法從理論上認(rèn)識(shí)有機(jī)物的空間結(jié)構(gòu)，學(xué)生雖然知道甲烷是正四面體結(jié)構(gòu)，但對(duì)其形成原因，以及延伸的原子共面、共線等立體問(wèn)題則難以理解；在傳統(tǒng)的新授課中，一般教師比較強(qiáng)調(diào)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)式、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式等書(shū)寫(xiě)，導(dǎo)致學(xué)生缺乏對(duì)有機(jī)物分子空間構(gòu)型的理解，在碳碳雙鍵、碳碳三鍵的認(rèn)識(shí)上，不能建立起對(duì)應(yīng)的邏輯聯(lián)系，難以認(rèn)識(shí)到化學(xué)鍵之間的差異，從而對(duì)高二選擇性必修階段的學(xué)習(xí)造成了迷思概念。

關(guān)于有機(jī)物的教學(xué)研究，王磊曾提出從“分子組成、碳骨架、官能團(tuán)、基團(tuán)相互影響、化學(xué)鍵”等角度入手，初步構(gòu)建學(xué)生認(rèn)識(shí)有機(jī)物結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的思路［4］。

目前一線教師和學(xué)者們均傾向于從結(jié)構(gòu)入手，利用分子模型幫助學(xué)生逐步建立有機(jī)物分子的空間位置和性質(zhì)的聯(lián)系。傳統(tǒng)教學(xué)使用的球棍模型的大小、角度、化學(xué)鍵種類固定，學(xué)生在拼接時(shí)容易先入為主，缺乏關(guān)聯(lián)分析。本研究采用開(kāi)放式的球棍模型，用不同顏色大小的EVA球、不同的木棍為模型材料（如圖1所示），結(jié)合系列搭建活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究實(shí)踐，構(gòu)建碳原子成鍵特點(diǎn)的知識(shí)體系，發(fā)展學(xué)生模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。

2 教學(xué)目標(biāo)

（1） 通過(guò)開(kāi)放式球棍模型的搭建認(rèn)識(shí)碳原子的成鍵特點(diǎn)，從微觀的化學(xué)鍵視角探析有機(jī)分子空間結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的多樣性。

（2） 通過(guò)有機(jī)分子的球棍模型與符號(hào)表征相結(jié)合，構(gòu)建認(rèn)識(shí)有機(jī)物的思維模型。

（3） 通過(guò)搭建模型與客觀事實(shí)相互印證，對(duì)搭建的模型進(jìn)行分析和修改，梳理搭建思路，形成嚴(yán)謹(jǐn)求真的科學(xué)態(tài)度和探究意識(shí)。

（4） 通過(guò)課堂教學(xué)了解有機(jī)化學(xué)在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用價(jià)值和對(duì)社會(huì)發(fā)展的貢獻(xiàn)，從結(jié)構(gòu)的角度解釋有機(jī)物種類繁多、應(yīng)用廣泛的原因。

3 教學(xué)流程

基于教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)現(xiàn)狀分析，參考錢揚(yáng)義教授在“1+8”套餐深度教研的理論與實(shí)踐中提出的“3×n”教學(xué)模式［5，6］，設(shè)計(jì)本節(jié)課“3×6”教學(xué)流程，如圖2所示。利用開(kāi)放式球棍模型搭建的核心活動(dòng)，讓學(xué)生了解碳原子的成鍵特點(diǎn)，理解有機(jī)物種類繁多、應(yīng)用廣泛的本質(zhì)原因。

4 教學(xué)過(guò)程

4.1 情境引入

［視頻］米勒實(shí)驗(yàn)、恩格爾曼實(shí)驗(yàn)。

［資料］目前發(fā)現(xiàn)和合成的物質(zhì)已經(jīng)超過(guò)1億種，其中80%以上都是有機(jī)物，有機(jī)物在日常生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用非常廣泛。

［討論］根據(jù)資料，分組討論有機(jī)物種類繁多的原因。

［提問(wèn)］為什么組成有機(jī)物的元素不多，但有機(jī)物的種類卻非常多呢？

［講述］碳作為組成有機(jī)物的核心元素，研究其原子的成鍵特點(diǎn)，對(duì)我們分析和理解有機(jī)物的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而掌握相關(guān)性質(zhì)是有現(xiàn)實(shí)意義的。本節(jié)課我們將借助開(kāi)放式球棍模型，一起來(lái)完成相應(yīng)的搭建活動(dòng)，探究碳原子的成鍵特點(diǎn)。

4.2 搭建活動(dòng)1：探究碳原子的成鍵數(shù)目

［活動(dòng)1］學(xué)生選擇合適的材料，拼接含有1個(gè)碳原子的碳?xì)浠衔锏那蚬髂Ｐ汀?/p>

［問(wèn)題1］碳原子的成鍵數(shù)目與什么因素相關(guān)？

［學(xué)生模型展示］如圖3（a、 b）所示。

［回答］由于碳原子的最外層有4個(gè)電子，因此碳原子與氫原子成鍵時(shí)，會(huì)形成4個(gè)共價(jià)鍵，并據(jù)此拼接出以上兩種結(jié)構(gòu)。

［追問(wèn)］以上兩種模型均正確反映了碳原子的成鍵數(shù)目，但是成鍵的“角度”卻不相同，哪一種正確反映CH4的空間結(jié)構(gòu)呢？

［提供證據(jù)］根據(jù)X射線衍射實(shí)驗(yàn)，證明甲烷呈正四面體結(jié)構(gòu)。

［引導(dǎo)］碳原子共價(jià)鍵的本質(zhì)是共用電子對(duì)，共用電子對(duì)之間存在著相互作用，同學(xué)們能否從這個(gè)角度分析為什么甲烷會(huì)呈四面體結(jié)構(gòu)呢？

［總結(jié)］相對(duì)于平面結(jié)構(gòu)，正四面體結(jié)構(gòu)的∠HCH更大，斥力更小，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

4.3 搭建活動(dòng)2：探究碳原子的成鍵角度

［活動(dòng)2］學(xué)生選擇合適的材料，拼接含有1個(gè)碳原子、2個(gè)氯原子的球棍模型。

［問(wèn)題2］CH2Cl2的結(jié)構(gòu)有幾種？

［回答］根據(jù)活動(dòng)1中的分析，推測(cè)CH2Cl2只有一種空間結(jié)構(gòu)。

［點(diǎn)評(píng)］實(shí)驗(yàn)證明CH2Cl2呈四面體結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步驗(yàn)證了活動(dòng)1中對(duì)甲烷結(jié)構(gòu)的分析。

［活動(dòng)3］學(xué)生選擇合適的材料，拼接含有3個(gè)碳原子、僅含單鍵的鏈狀球棍模型。

［學(xué)生模型展示］如圖4（a、 b）所示。

［問(wèn)題3］C3H8中的碳原子呈直線狀嗎？其中最多有幾個(gè)原子共面？

［回答］C3H8分子中的碳原子呈折線形，直鏈形碳鏈并不是指碳原子之間呈直線形；根據(jù)球棍模型分析可得，C3H8分子中共面的原子最多有5個(gè)。

［概念認(rèn)識(shí)］類似于C3H8和CH4這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分子之間相差n個(gè)CH2的物質(zhì)，稱之為同系物。

［提煉］通過(guò)活動(dòng)2中的兩個(gè)拼接活動(dòng)，在搭建烷烴類有機(jī)分子中，除了考慮碳原子的成鍵數(shù)目外，還需要關(guān)注碳原子成鍵的角度問(wèn)題，這與碳原子以共價(jià)鍵的形式成鍵、共價(jià)鍵之間存在相互作用相關(guān)。

4.4 搭建活動(dòng)3：探究碳原子之間的成鍵類型

［活動(dòng)4］學(xué)生選擇合適的材料，使用2個(gè)碳原子，氫原子任選，拼接合理的有機(jī)化合物球棍模型。

［學(xué)生模型展示］如圖5（a、 b、 c）所示。在氫原子數(shù)目不限的條件下，多數(shù)學(xué)生可以拼接出圖6的a模型，只有極少數(shù)學(xué)生可以拓展到b和c兩個(gè)模型，但對(duì)這兩個(gè)分子空間結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)仍存在疑問(wèn)。

［問(wèn)題4］碳原子間不同的成鍵類型（C2H6、 C2H4、 C2H2）對(duì)應(yīng)分子空間結(jié)構(gòu)是否存在差異？

［回答］根據(jù)活動(dòng)2分析，碳原子成鍵時(shí)需要滿足一定的角度，從而令成鍵電子之間的斥力最小。在拼接C2H6的空間模型時(shí)，可以看作甲烷的四面體結(jié)構(gòu)的延伸，如圖5a所示。在拼接C2H4的空間模型時(shí)，從成鍵角度越大、斥力越小的角度出發(fā)，當(dāng)三個(gè)鍵形成平面三角形時(shí)，成鍵電子之間的角度為60°，斥力最小，空間結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，如圖5b所示。在拼接C2H2的空間模型時(shí)，當(dāng)成鍵電子角度為180°，斥力最小，空間結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，如圖5c所示。

［活動(dòng)5］師生利用自制的教具模型（圖略），共同探究C2H4和C2H2的空間結(jié)構(gòu)。

利用四個(gè)橡皮筋綁在玩具球上，模擬CH4的成鍵角度，往四面體方向拉扯，形成四面體結(jié)構(gòu)（6a），釋放其中一條橡皮筋時(shí)，便自發(fā)地形成了三角形結(jié)構(gòu)（6b），借此模擬C2H4中碳碳雙鍵與碳?xì)滏I的角度；再釋放一條橡皮筋，自發(fā)地形成了直線形結(jié)構(gòu)（6c），借此模擬C2H2中碳碳三鍵的角度與碳?xì)滏I成鍵角度。

［問(wèn)題5］學(xué)生在拼接乙烷的碳碳單鍵時(shí)，用了不同于C—H鍵的小木棍，意味著C—C單鍵和C—H鍵是不一樣的化學(xué)鍵；學(xué)生在拼接乙烯、乙炔中的碳碳雙鍵、碳碳三鍵時(shí)，卻使用了相同的小木棍，那是否意味著碳碳雙鍵、碳碳三鍵是單鍵的簡(jiǎn)單疊加呢？

［回答］查閱數(shù)據(jù)，碳碳單鍵鍵能為345.6kJ/mol，碳碳雙鍵鍵能為610kJ/mol，碳碳雙鍵的鍵能并不是碳碳單鍵的兩倍，因此碳碳雙鍵、三鍵并不是碳碳單鍵的簡(jiǎn)單疊加。

［追問(wèn)］根據(jù)上述分析，應(yīng)該如何對(duì)之前的模型進(jìn)行修改呢？

［學(xué)生模型修改］如圖6所示。

［提煉］通過(guò)活動(dòng)3的分析，碳原子之間的成鍵形式包括單鍵、雙鍵和三鍵，不同的成鍵形式意味著不同的分子結(jié)構(gòu)，在搭建模型時(shí)要考慮不同的成鍵形式對(duì)應(yīng)的成鍵角度，認(rèn)識(shí)到雙鍵或三鍵與單鍵之間是存在區(qū)別的。

4.5 搭建活動(dòng)4：探究碳骨架的連接方式

［活動(dòng)6］學(xué)生選擇合適的材料，使用4個(gè)碳原子，以碳碳單鍵相連，拼接合理的碳骨架。

［問(wèn)題6］4個(gè)碳原子以單鍵結(jié)合而成的碳骨架有幾種？

［鏈狀模型展示］如圖7（a、 b）所示。

［環(huán)狀模型展示］如圖8（a、 b、 c）所示。

［回答］含4個(gè)碳的鏈狀碳骨架有2種，環(huán)狀碳骨架有3種。

［追問(wèn)］根據(jù)上述碳骨架，補(bǔ)充氫原子，寫(xiě)出分子式，分析不同模型的分子式特點(diǎn)。

［概念認(rèn)識(shí)］如圖7（a、 b）、圖8（a、 b、 c）所示，分子式相同、結(jié)構(gòu)不同的分子之間互為同分異構(gòu)體。

［提煉］通過(guò)活動(dòng)6的分析，有機(jī)物碳骨架包括鏈狀和環(huán)狀，涉及主鏈和支鏈等問(wèn)題。在搭建有機(jī)物分子模型時(shí)，應(yīng)該在考慮碳骨架形式的基礎(chǔ)上，綜合碳原子成鍵數(shù)目、成鍵角度以及成鍵形式等進(jìn)行思考和分析。

4.6 課堂總結(jié)

［思考交流］根據(jù)本節(jié)課的搭建活動(dòng)，總結(jié)有機(jī)物種類繁多的原因。

［總結(jié)］有機(jī)物種類繁多的原因包括：（1）碳原子的成鍵數(shù)目，滿足碳四價(jià)原則；（2）碳原子的成鍵角度，要使碳原子成鍵時(shí)斥力最??；（3）碳原子之間的成鍵類型，包括單鍵、雙鍵和三鍵，不同的成鍵類型對(duì)應(yīng)著不同的成鍵角度；（4）碳骨架類型，有鏈狀和環(huán)狀；（5）同分異構(gòu)現(xiàn)象的存在。需要注意的是，這幾個(gè)因素需要系統(tǒng)分析，不能孤立看待。

5 教學(xué)評(píng)價(jià)

5.1 學(xué)生反饋問(wèn)卷

本課教學(xué)后，對(duì)三個(gè)教學(xué)班發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷，收集學(xué)生的反饋評(píng)價(jià)。問(wèn)卷采用李克特式量表的形式，每一題包括5個(gè)選項(xiàng)：非常同意、同意、一般、不同意、非常不同意，分別記為5分、4分、3分、2分、1分，問(wèn)卷經(jīng)本市三名高級(jí)教師修改審定，內(nèi)容效度達(dá)標(biāo)。共發(fā)放問(wèn)卷146份，回收145份，有效138份，具體內(nèi)容和形式如表1所示，5個(gè)評(píng)價(jià)目標(biāo)的總體平均分如圖9所示，反映了學(xué)生對(duì)本課重難點(diǎn)知識(shí)學(xué)習(xí)的自我評(píng)價(jià)。

學(xué)生對(duì)本課的總體滿意度為4.74分，說(shuō)明學(xué)生較認(rèn)可基于開(kāi)放式球棍模型搭建的小組合作學(xué)習(xí)方式，能體驗(yàn)探究的過(guò)程和樂(lè)趣。評(píng)價(jià)目標(biāo)I的整體得分4.82，說(shuō)明通過(guò)聯(lián)系碳的原子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵等舊知識(shí)，能幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)碳原子成鍵數(shù)目及原因，學(xué)生對(duì)此的接受程度較高。評(píng)價(jià)目標(biāo)II的整體得分4.66，說(shuō)明學(xué)生已初步形成碳原子成鍵需要滿足一定角度的觀念，但在延伸分析有機(jī)物的空間構(gòu)型時(shí)學(xué)生仍有困難，如第6小題得分4.52，說(shuō)明學(xué)生缺乏一定的空間想象及分析能力，如何從具體的模型認(rèn)知到抽象的符號(hào)認(rèn)知有待進(jìn)一步探討研究。評(píng)價(jià)目標(biāo)III的整體得分4.62，說(shuō)明部分學(xué)生對(duì)碳原子的成鍵類型及對(duì)應(yīng)空間結(jié)構(gòu)的掌握還存在困難，其中第10題得分4.46，結(jié)合訪談發(fā)現(xiàn)可能是由于缺乏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)，學(xué)生難以從分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的角度理解空間構(gòu)型的差異；利用自制教具能一定程度降低理解難度，還需要加深理論學(xué)習(xí)，構(gòu)建完整的知識(shí)體系。評(píng)價(jià)目標(biāo)IV整體得分4.72，說(shuō)明通過(guò)模型的拼接活動(dòng)，學(xué)生對(duì)碳骨架和同分異構(gòu)體等概念接受程度較高。

5.2 紙筆測(cè)試

為檢測(cè)學(xué)生模型認(rèn)知的發(fā)展水平，在實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班進(jìn)行相同的紙筆測(cè)試作對(duì)比研究，其中對(duì)照班采用傳統(tǒng)球棍模型進(jìn)行教學(xué)，其他環(huán)節(jié)一致。測(cè)試題如圖10所示，結(jié)果如表2所示。

根據(jù)水平1、水平2的測(cè)試結(jié)果，實(shí)驗(yàn)班學(xué)生在戊

烷鏈狀結(jié)構(gòu)的分析和推論表現(xiàn)更好。結(jié)合訪談，他們?cè)诋愇焱楹托挛焱榈哪Ｐ痛罱ㄖ心芫C合考慮碳原子的成鍵數(shù)目和成鍵角度，正確拼接分子模型。而對(duì)照班的部分學(xué)生僅考慮碳原子的成鍵數(shù)目，沒(méi)有分析成鍵角度，但由于傳統(tǒng)球棍模型限定角度，他們也能拼接出“正確”的模型。此外，實(shí)驗(yàn)班的學(xué)生更多地注意到碳碳鍵、碳?xì)滏I屬于不同的化學(xué)鍵，從而使用不同的木棍進(jìn)行拼接。

從水平3的結(jié)果看，兩班表現(xiàn)差異不大。結(jié)合訪談發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在利用分子式分析同分異構(gòu)體時(shí)，基本從碳原子的成鍵數(shù)目和碳骨架的兩個(gè)因素進(jìn)行考慮分析。根據(jù)水平4的結(jié)果，實(shí)驗(yàn)班學(xué)生在利用結(jié)構(gòu)式分析共面問(wèn)題的表現(xiàn)上更加突出，學(xué)生在使用開(kāi)放式球棍模型進(jìn)行拼接時(shí)，需要關(guān)聯(lián)分析成鍵類型和成鍵角度，因此從具體模型過(guò)渡到符號(hào)表征的聯(lián)系分析中表現(xiàn)得更好。

6 教學(xué)反思

相較于傳統(tǒng)的球棍模型，由于開(kāi)放式球棍模型對(duì)小球代表的原子種類、搭建角度、化學(xué)鍵類型等不做限定，故對(duì)學(xué)生搭建有機(jī)物思路的邏輯性提出更高的要求。本課通過(guò)一系列搭建活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生在搭建過(guò)程中綜合考慮碳原子的成鍵數(shù)目、成鍵類型及對(duì)應(yīng)角度、碳骨架的形式等因素，初步構(gòu)建學(xué)生學(xué)習(xí)有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)的發(fā)展線索。在教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)該注意引導(dǎo)學(xué)生將模型搭建和符號(hào)書(shū)寫(xiě)結(jié)合起來(lái)，相互印證，實(shí)現(xiàn)與有機(jī)物的空間結(jié)構(gòu)認(rèn)知的統(tǒng)一，培養(yǎng)學(xué)生由化學(xué)符號(hào)分析和理解有機(jī)物空間結(jié)構(gòu)的能力，進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。

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