可視化技術(shù)支持下的物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型探究式教學(xué)研究

【摘 要】文章提出指向模型思維培養(yǎng)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型探究式教學(xué)模式，包含運(yùn)用實(shí)踐方法獲取證據(jù)并歸納提出初步模型，使用證據(jù)驗(yàn)證模型并修正完善模型，應(yīng)用模型解釋預(yù)測未知世界等三個必要過程。本教學(xué)模式有利于促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維與探究能力的協(xié)同發(fā)展，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的深度學(xué)習(xí)。文章以“價層電子對互斥模型”的教學(xué)為例，借助Gaussian及GaussView等化學(xué)工具軟件進(jìn)行課程資源開發(fā)，通過勢能面掃描功能揭示分子空間結(jié)構(gòu)及能量的變化歷程，設(shè)計并實(shí)施學(xué)生數(shù)字化探究活動，探討了前沿科學(xué)與可視化技術(shù)在中學(xué)化學(xué)課堂中的應(yīng)用路徑。

【關(guān)鍵詞】Gaussian軟件；勢能面掃描；可視化教學(xué)；價層電子對互斥模型；物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型

【作者簡介】鄧力克，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榛瘜W(xué)課程與教學(xué)論；遲少輝，教授，碩士生導(dǎo)師，專長化學(xué)教育測評研究；王祖浩（通訊作者），教授，博士生導(dǎo)師，專長化學(xué)課程研制與能力測評研究。

一、引言

對于化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的教學(xué)，可以依托信息技術(shù)開發(fā)設(shè)計探究活動，讓學(xué)生在“做中學(xué)”的過程中充分認(rèn)識科學(xué)模型的本質(zhì)，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維和探究能力。那么，如何發(fā)揮數(shù)字化資源直觀展示物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，設(shè)計可交互的可視化探究活動來提升學(xué)生的推理認(rèn)知，從而實(shí)現(xiàn)物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的探究式教學(xué)？本文以蘇教版《普通高中教科書 化學(xué) 選擇性必修2 物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》中價層電子對互斥（VSEPR）模型的教學(xué)為例，借助化學(xué)科研領(lǐng)域中的可視化表征方法，開發(fā)分子模型可視化教學(xué)資源并模擬創(chuàng)設(shè)真實(shí)化學(xué)科研探究情境，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用模型思維探究分子構(gòu)型的規(guī)律，為教師開展數(shù)字化探究式教學(xué)提供理論與實(shí)踐參考。

二、可視化技術(shù)支持下物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型探究式教學(xué)模式

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》指出，有條件的地方和學(xué)校應(yīng)逐步引進(jìn)一些現(xiàn)代化儀器設(shè)備，并向?qū)W生或?qū)W生課外興趣小組開放，在教師或?qū)嶒?yàn)員指導(dǎo)下開展實(shí)驗(yàn)探究活動。［1］物質(zhì)結(jié)構(gòu)知識內(nèi)容具有理論抽象性，傳統(tǒng)教學(xué)容易造成學(xué)生死記硬背，導(dǎo)致學(xué)生陷入“離身”的困境。近年來，隨著計算機(jī)在科研與教學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，在可視化技術(shù)的支持下，基于探究活動的物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型教學(xué)成為可能。應(yīng)用可視化技術(shù)開展物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的探究式學(xué)習(xí)，能夠在直觀認(rèn)識、推理歸納與改進(jìn)演繹的探究過程中，激發(fā)學(xué)生的具身認(rèn)知，促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)模型本質(zhì)的理解，提升科學(xué)思維能力。

（一）指向模型思維培養(yǎng)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型探究式教學(xué)模式

物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型是化學(xué)模型教學(xué)中的核心內(nèi)容，包含利用符號對物質(zhì)組成與微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，如原子模型、分子模型、晶體模型等，也包含物質(zhì)結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的理論解釋模型，如原子結(jié)構(gòu)理論、化學(xué)鍵理論、分子結(jié)構(gòu)理論等。

證據(jù)推理與模型認(rèn)知是高中化學(xué)核心素養(yǎng)之一，可以從具體的科學(xué)模型認(rèn)識與認(rèn)知心理發(fā)展兩個角度對模型教學(xué)與相關(guān)素養(yǎng)的培養(yǎng)提出要求：（1）從具體的科學(xué)模型認(rèn)識角度，要求學(xué)生能識別、描述、運(yùn)用和評價化學(xué)模型和理論模型，將化學(xué)事實(shí)與模型關(guān)聯(lián)；（2）從認(rèn)知心理發(fā)展的角度，要求學(xué)生通過分析、推理建立認(rèn)知模型，并用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示本質(zhì)和規(guī)律，建立解決復(fù)雜化學(xué)問題的思維框架。

模型本質(zhì)上是科學(xué)家描述事物的原型，解釋和預(yù)測未知現(xiàn)象的一種思維方式，科學(xué)家通過不同的實(shí)驗(yàn)收集各種證據(jù)，提出并修正模型。［2］可見，模型思維不僅要求運(yùn)用模型預(yù)測未知現(xiàn)象，還涉及通過觀察、實(shí)驗(yàn)等實(shí)踐方法獲取證據(jù)并歸納推理得到模型的過程。從未知世界中通過實(shí)踐方法發(fā)現(xiàn)證據(jù)、歸納模型、修正模型，最終在未知世界中演繹模型，從大量的“個”（現(xiàn)象）中歸納提出“類”（模型），再發(fā)現(xiàn)新的“個”以修正得到新的“類”的過程，可以實(shí)現(xiàn)科學(xué)認(rèn)識的螺旋上升。

基于模型思維，物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的學(xué)習(xí)應(yīng)包含以下兩條線：（1）基于證據(jù)提出模型并修正模型的“歸納線”，即通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、計算機(jī)模擬、信息檢索等手段，獲取物質(zhì)組成或結(jié)構(gòu)的各種證據(jù)，基于已有證據(jù)歸納提出初步模型，使用已有證據(jù)驗(yàn)證初步模型，并根據(jù)不符合模型的證據(jù)或新獲得的證據(jù)不斷修正模型。（2）應(yīng)用模型預(yù)測未知的“演繹線”，即用模型解釋和預(yù)測未知物質(zhì)的組成或結(jié)構(gòu)。

結(jié)合上述思考，筆者提出物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型探究式教學(xué)模式，包含運(yùn)用實(shí)踐方法獲取證據(jù)并歸納提出初步模型，使用證據(jù)驗(yàn)證模型并修正完善模型，應(yīng)用模型解釋預(yù)測未知世界這三個必要過程，如圖1所示。

（二）應(yīng)用可視化技術(shù)設(shè)計探究活動，為物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型學(xué)習(xí)提供支架

支架（Scaffold）是學(xué)習(xí)過程中的一種隱喻，是一種支持學(xué)習(xí)者提高任務(wù)熟練度的方法。［3］合理設(shè)置學(xué)習(xí)支架，能夠幫助學(xué)習(xí)者完成自己不能獨(dú)立完成的復(fù)雜任務(wù)。

由于物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)難以被直接觀測，因此這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)對學(xué)生的空間想象能力與模型認(rèn)知能力的要求較高，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中也容易感到抽象，從而產(chǎn)生理解障礙。可視化技術(shù)能夠直觀呈現(xiàn)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)特征，甚至可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)演示與人機(jī)交互，從而降低理解難度。此外，計算機(jī)模擬并可視化表征也是當(dāng)今化學(xué)科研領(lǐng)域的關(guān)鍵研究方法。因此，將物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型可視化技術(shù)引入中學(xué)課堂既是適切的，也是必要的。對于物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的教學(xué)，可視化技術(shù)可以作為重要的支架，為學(xué)生進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)提供條件。

本文以價層電子對互斥模型為例，借助化學(xué)工具軟件開發(fā)可視化資源并設(shè)計探究活動，探究環(huán)節(jié)設(shè)計如圖2所示。本課參照真實(shí)科研問題創(chuàng)設(shè)探究情境，以價層電子對互斥模型的建立、修正與應(yīng)用為線索，設(shè)計分子模擬實(shí)驗(yàn)，將“歸納線”與“演繹線”的各環(huán)節(jié)串聯(lián)，構(gòu)成單元整體，幫助學(xué)生在掌握概念的基礎(chǔ)上深入理解分子微觀立體結(jié)構(gòu)的形成原因，以及分子構(gòu)型如何決定物質(zhì)的宏觀性質(zhì)，同時靈活地運(yùn)用相關(guān)符號進(jìn)行表征，充分發(fā)揮模型思維認(rèn)知規(guī)律對實(shí)現(xiàn)知識的結(jié)構(gòu)化和素養(yǎng)化的功能價值，實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。

三、可視化技術(shù)支持下物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型探究式教學(xué)的設(shè)計與實(shí)施

分子結(jié)構(gòu)及其相關(guān)理論在高中化學(xué)中占有重要地位，在必修課程中學(xué)生對于常見分子結(jié)構(gòu)有了一定的認(rèn)識，選擇性必修課程“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”則對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)一步擴(kuò)展，涉及具體的分子結(jié)構(gòu)理論模型的學(xué)習(xí)，包含價層電子對互斥模型、雜化軌道理論和分子極性理論等。下面以價層電子對互斥模型為例，闡述可視化技術(shù)支持下物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型探究式教學(xué)的設(shè)計與實(shí)施。

（一）教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)思路

基于多方面的考察和考慮，筆者將“價層電子對互斥模型”單元教學(xué)目標(biāo)設(shè)計如下：（1）知道共價分子具有特定的空間結(jié)構(gòu)，能根據(jù)給定的信息分析、描述常見簡單分子的空間結(jié)構(gòu)；（2）能夠描述價層電子對互斥模型，并運(yùn)用該模型解釋和預(yù)測簡單分子的空間結(jié)構(gòu)；（3）能夠在探究分子結(jié)構(gòu)規(guī)律的過程中，根據(jù)可獲得的證據(jù)進(jìn)行推理，建立模型，并進(jìn)一步結(jié)合證據(jù)評價、改進(jìn)模型，運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示本質(zhì)和規(guī)律，感受模型思維在解決復(fù)雜問題中的重要作用。

根據(jù)上述目標(biāo)，教學(xué)過程以價層電子對互斥模型的建立、修正與應(yīng)用為線索，開展多環(huán)節(jié)分子模擬實(shí)驗(yàn)，形成單元整體探究活動。在課堂實(shí)施過程中，以探究活動階段目標(biāo)為導(dǎo)向，以問題鏈為引導(dǎo)，學(xué)生持續(xù)開展探究活動。具體設(shè)計思路如圖3所示。

（二）借助化學(xué)工具軟件的可視化資源開發(fā)

1.化學(xué)工具軟件的使用

課程資源開發(fā)所使用的化學(xué)工具軟件為量子計算化學(xué)程序Gaussian09及其可視化程序GaussView5.0，商業(yè)軟件的使用需要獲得正版軟件使用權(quán)。

筆者使用Gaussian程序進(jìn)行分子勢能面掃描，獲得課堂教學(xué)所需要的輸出文件。在課堂教學(xué)過程中，學(xué)生使用GaussView軟件打開相應(yīng)的輸出文件并進(jìn)行探究操作。GaussView軟件也可以用其他軟件替代（如VMD、Chem3D等軟件可以實(shí)現(xiàn)部分替代），本文后續(xù)提及的案例以GaussView軟件為例。

2.可視化資源開發(fā)：分子構(gòu)型變化歷程及能量曲線的獲取

本文以多個實(shí)例簡要介紹使用量子計算化學(xué)軟件Gaussian進(jìn)行勢能面掃描，以及運(yùn)用可視化軟件GaussView觀察分子構(gòu)型變化及能量曲線的方法。勢能面掃描是一種考察體系能量隨著一個或多個幾何變量的改變而發(fā)生改變的量子計算化學(xué)方法，選取合適的自變量進(jìn)行勢能面掃描是獲取能量曲線或曲面的關(guān)鍵。

以原子間距為變量進(jìn)行的勢能面掃描所獲得的能量曲線，能夠反映特定鍵長與體系能量之間的對應(yīng)關(guān)系。以HCl為例，根據(jù)軟件操作手冊編輯輸入文件投入Gaussian程序進(jìn)行計算，可獲得輸出文件。使用GaussView打開輸出文件，點(diǎn)擊“Results—Scan”，可看到勢能面掃描的結(jié)果（見圖4）；點(diǎn)擊右側(cè)窗口左上角的圓形按鈕可以播放掃描過程的動畫，清晰地呈現(xiàn)原子距離與能量的對應(yīng)關(guān)系。同時可以點(diǎn)擊左側(cè)窗口能量曲線上的任意一個點(diǎn)，查看該點(diǎn)對應(yīng)的分子形態(tài)。圖4顯示了HCl分子中原子間距變化對應(yīng)的能量曲線，以及選中能量最低點(diǎn)時HCl的分子構(gòu)型，可見量子化學(xué)模擬結(jié)果與雙原子分子的勢能曲線一致。

使用類似的方法，將掃描的變量換為鍵角，計算獲得輸出文件，可以通過同樣的操作看到體系能量隨鍵角的變化。圖5顯示了H2O分子鍵角變化對應(yīng)的能量曲線以及選中能量最低點(diǎn)時的H2O分子構(gòu)型。

此外，從輸出文件的代碼中獲取掃描步數(shù)、掃描變量（鍵角）與對應(yīng)的能量數(shù)值，復(fù)制至Excel或其他繪圖軟件，可以繪制得到分子鍵角變化對應(yīng)的能量曲線，如圖6所示。

對于更復(fù)雜的掃描需要，可以設(shè)置廣義化內(nèi)坐標(biāo)進(jìn)行勢能面柔性掃描。例如，對于NH3分子的構(gòu)型，如果只進(jìn)行鍵長與鍵角的簡單掃描會導(dǎo)致分子的對稱性出現(xiàn)破缺。探索分子的穩(wěn)定構(gòu)型時，對稱性嚴(yán)重破缺的情況要首先排除，因此掃描時可使N原子的投影位于三個H原子所在平面的幾何中心，讓分子經(jīng)歷“尖三角錐—三角錐—平面三角形—反三角錐—反尖三角錐”的變化歷程。圖7顯示了輸出文件的界面，選中能量最低點(diǎn)時NH3分子構(gòu)型為三角錐形。從輸出文件代碼中提取數(shù)據(jù)可以繪制如圖8所示的NH3分子構(gòu)型變化對應(yīng)的能量曲線。

（三）價層電子對互斥模型探究式教學(xué)實(shí)施過程

學(xué)生探究活動需要使用化學(xué)可視化軟件GaussView，教師要事先將可視化資源發(fā)送到學(xué)生的電腦上。學(xué)生在計算機(jī)房上課或在一般教室中分組使用筆記本電腦，確保每3—6名學(xué)生有1臺計算機(jī)，也可借助家庭計算機(jī)進(jìn)行線上遠(yuǎn)程授課。

以下對價層電子對互斥模型探究式教學(xué)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行深入分析。

1.探究問題導(dǎo)入：真實(shí)世界觀察與描述

在科研領(lǐng)域，面對未知構(gòu)型的分子，科學(xué)家常常借助計算化學(xué)方法與可視化技術(shù)獲取分子能量，推斷分子構(gòu)型，完善理論模型，并應(yīng)用于科研創(chuàng)新。以此為啟發(fā)，筆者嘗試創(chuàng)設(shè)貼近真實(shí)科學(xué)研究的探究情境，鼓勵學(xué)生像科學(xué)家一樣思考，在實(shí)踐探究中感受模型提出和修正的過程，并應(yīng)用模型預(yù)測和解釋未知世界。

筆者在課前進(jìn)行了前測，探查學(xué)生對于幾種簡單共價分子空間結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，同時快速導(dǎo)入教學(xué)主題。課堂前測內(nèi)容與代表性學(xué)生作答結(jié)果如圖9所示，相當(dāng)數(shù)量的學(xué)生無法正確判斷和描述分子空間結(jié)構(gòu)。由此，筆者根據(jù)前測結(jié)果，針對性地設(shè)計了探究活動。

【探究活動1】多角度觀測并描述分子構(gòu)型

教師事先將建模好的靜態(tài)分子文件發(fā)送到學(xué)生的電腦上。第一組為C60、CH4、H2O2、O2、P4（白磷），第二組為BeCl2、BF3、P4O6、P4O10、SF6，第三組為船式環(huán)己烷、椅式環(huán)己烷、對二甲苯。三組分子從簡單到復(fù)雜，符合學(xué)生認(rèn)知的遞進(jìn)順序。學(xué)生在電腦上利用可視化軟件，可自由旋轉(zhuǎn)、放大或縮小分子模型，觀察每個分子的形狀，并對CH4、BF3和BeCl2的結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。圖10為利用GaussView軟件觀察到的各分子的效果。

學(xué)生在操作觀察的過程中體會分子世界的千姿百態(tài)，對分子構(gòu)型建立直觀的認(rèn)知，感知對稱性等規(guī)律，在此基礎(chǔ)上學(xué)會描述分子構(gòu)型。觀察和描述是獲取證據(jù)歸納模型的基礎(chǔ)，由此導(dǎo)入本課時的核心探究問題——如何提出合理的模型來解釋預(yù)測簡單共價分子或離子的空間構(gòu)型？

2.模型的提出、驗(yàn)證與改進(jìn)：在變化的歷程中探尋穩(wěn)定的證據(jù)

化學(xué)研究需要時刻關(guān)注化學(xué)變化與能量之間的聯(lián)系。在本環(huán)節(jié)中，學(xué)生先分析分子構(gòu)型與能量變化歷程，探尋分子構(gòu)型穩(wěn)定的證據(jù)與規(guī)律，歸納提出初步模型（如“價鍵互斥”），再結(jié)合證據(jù)去驗(yàn)證、改進(jìn)模型，通過推理發(fā)現(xiàn)規(guī)律，提出價層電子對互斥模型。

【探究活動2】觀察不含孤電子對的分子構(gòu)型與能量變化歷程

學(xué)生利用GaussView軟件打開BF3和BeCl2的勢能面掃描輸出文件，觀察能量隨結(jié)構(gòu)變化的動畫，觀察體系的能量最低時所對應(yīng)的分子構(gòu)型，圖11、圖12顯示了選中特定能量點(diǎn)時的BeCl2、BF3分子構(gòu)型。

學(xué)生很難從靜態(tài)的分子構(gòu)型中發(fā)現(xiàn)分子中存在的互斥規(guī)律，但在可視化技術(shù)的支持下，結(jié)合分子動態(tài)變化所對應(yīng)的能量，學(xué)生能夠充分理解分子構(gòu)型與能量之間的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律，從而歸納總結(jié)提出模型。在觀察不含孤電子對的分子構(gòu)型與能量變化時，學(xué)生可能會得出“價鍵互斥”的結(jié)論并提出相應(yīng)的初步模型，不過在后續(xù)的探究活動中，更多的反例證據(jù)將揭示初步模型的局限性，留給學(xué)生改進(jìn)、完善模型的空間。

【探究活動3】觀察含孤電子對的分子構(gòu)型與能量變化歷程

學(xué)生利用GaussView軟件打開H2O與NH3的勢能面掃描輸出文件，觀察能量隨結(jié)構(gòu)變化的動畫，觀察體系的能量最低時它們所對應(yīng)的分子構(gòu)型，圖5、圖6和圖7、圖8顯示了選中各能量點(diǎn)時H2O與NH3的分子構(gòu)型。

此過程中，學(xué)生在進(jìn)一步理解分子構(gòu)型與能量之間的聯(lián)系時，會獲取不符合之前提出的初步模型的證據(jù)，從而對初步模型進(jìn)行評價與改進(jìn)，討論并得出價層電子對互斥模型。

以此為基礎(chǔ)，在教師引導(dǎo)下，學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)價層電子對數(shù)的計算方法，并利用價層電子對互斥模型判斷分子構(gòu)型。

3.模型的補(bǔ)充與完善：分子鍵角的考察比較

【探究活動4】考察比較分子鍵角

分子鍵角比較分為兩組，一組是孤電子對和成鍵電子對之間的比較，一組是雙鍵和單鍵之間的比較。從本節(jié)課已研究的分子和學(xué)生熟悉的分子中，分別選取CH4、NH3、H2O和BF3、HCHO這兩組分子。學(xué)生用GaussView分別打開5個分子的輸入文件，在“Modify Angle”中依次讀取這5個分子中H-C-H、H-N-H、H-O-H和F-B-F、H-C-H的鍵角，比較兩組分子鍵角的大小，并比較總結(jié)不同基團(tuán)的斥力大小。

通過更為細(xì)致的鍵角比較，學(xué)生發(fā)現(xiàn)不同原子或基團(tuán)的斥力不同，總結(jié)出“孤對-孤對＞孤對-成對＞成對-成對”的鍵角大小規(guī)律，進(jìn)而補(bǔ)充、完善價層電子對互斥模型，使模型能夠發(fā)揮更好的解釋、預(yù)測功能。

4.模型的演繹與應(yīng)用：分子建模實(shí)踐

【探究活動5】在可視化軟件中搭建分子模型

根據(jù)之前探究得到的經(jīng)驗(yàn)結(jié)論，填寫分子建模實(shí)驗(yàn)活動表（見表1），將相應(yīng)的分子或離子結(jié)構(gòu)在可視化軟件GaussView或其他化學(xué)工具軟件中搭建出來，并小組展示，交流討論。可搭建的分子有ClO2、SiH4、SO2、SO3等，離子有H3O+、CO[2-3]、SO[2-4]、SO[2-3]等，這些微粒的空間結(jié)構(gòu)在2008—2023年的高考中亦有考查。

通過分子建模實(shí)踐，學(xué)生能夠?qū)W以致用，應(yīng)用模型解決實(shí)際問題，認(rèn)識化學(xué)模型的價值。至此，學(xué)生在探究式學(xué)習(xí)中完整經(jīng)歷了從觀察獲取證據(jù)到提出初步模型的歸納過程，結(jié)合反例證據(jù)改進(jìn)、完善模型的驗(yàn)證過程，應(yīng)用模型解釋、預(yù)測未知世界的演繹過程，充分感受模型思維在解決復(fù)雜問題中的重要功能，加深對科學(xué)模型的本質(zhì)理解，實(shí)現(xiàn)對物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的深度學(xué)習(xí)。

四、總結(jié)反思

（一）以探究活動為引導(dǎo)，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展

在原子、分子水平上認(rèn)識和創(chuàng)造物質(zhì)是化學(xué)學(xué)科的本質(zhì)特征，而科學(xué)探究是理解學(xué)科本質(zhì)、培養(yǎng)科學(xué)思維的重要途徑。凸顯化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究的思路和方法，有利于學(xué)生在探究過程中形成具有化學(xué)學(xué)科特質(zhì)的思維視角和方式，從而順利學(xué)習(xí)化學(xué)知識，解決化學(xué)問題。對于價層電子對互斥模型，學(xué)生的學(xué)習(xí)不應(yīng)僅停留在對模型的記憶與應(yīng)用，更需要理解模型思維的內(nèi)涵，感知化學(xué)學(xué)科本質(zhì)。筆者遵循模型思維解決實(shí)際問題的邏輯，設(shè)計并開展物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型探究活動，幫助學(xué)生在觀察描述世界、歸納建立模型、改進(jìn)完善模型、演繹應(yīng)用模型的探究過程中，認(rèn)識微觀抽象的分子構(gòu)型，感知化學(xué)研究方法，促進(jìn)科學(xué)思維的形成。

（二）利用數(shù)字化交互手段，為探究活動創(chuàng)造條件

物質(zhì)結(jié)構(gòu)知識內(nèi)容本身具有理論抽象性，開展“具身化”的探究活動是激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、降低認(rèn)知負(fù)荷的有效方法。對于看不見、摸不著的分子結(jié)構(gòu)，探究活動的設(shè)計與實(shí)施存在表征難與交互難的挑戰(zhàn)。對分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化表征并通過數(shù)字化交互手段開展虛擬實(shí)驗(yàn)，能夠?yàn)樘骄炕顒拥拈_展創(chuàng)造條件。筆者利用量子化學(xué)中的勢能面掃描方法對分子構(gòu)型與能量之間的聯(lián)系進(jìn)行表征，作為虛擬實(shí)驗(yàn)的素材與模型推理的證據(jù)。學(xué)生借助化學(xué)工具軟件可以直觀地觀察分子構(gòu)型，歸納建立模型，結(jié)合證據(jù)改進(jìn)、完善模型，并親手搭建分子的空間構(gòu)型。筆記本電腦、平板電腦等均可作為數(shù)字化交互設(shè)備，教師可根據(jù)數(shù)字化設(shè)備條件，制訂可行的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，為學(xué)生的探究活動創(chuàng)造條件。

（三）合理引入前沿科學(xué)，創(chuàng)設(shè)真實(shí)探究情境

對于分子結(jié)構(gòu)模型的教學(xué)，筆者以結(jié)構(gòu)化學(xué)相關(guān)前沿科學(xué)領(lǐng)域中科學(xué)家面對的真實(shí)問題與采用的研究方法為參照，借助化學(xué)工具軟件揭示分子構(gòu)型與能量變化之間的關(guān)系，開發(fā)可視化資源，設(shè)計探究環(huán)節(jié)與問題鏈，為中學(xué)課堂創(chuàng)設(shè)貼近真實(shí)科學(xué)研究的探究情境。教師要鼓勵學(xué)生像科學(xué)家一樣思考，在實(shí)踐探究中感受模型提出和修正的過程，并應(yīng)用模型去預(yù)測和解釋未知世界，學(xué)生在學(xué)習(xí)知識的同時，能感知科學(xué)思維在復(fù)雜問題解決中的功能。同時，隨著化學(xué)學(xué)科與計算機(jī)科學(xué)的飛速發(fā)展，量子化學(xué)、分子模擬等計算化學(xué)方法在化學(xué)前沿研究領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，將前沿的科技成果與研究方法以貼合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的方式在中學(xué)課堂中予以呈現(xiàn)，能夠幫助學(xué)生開闊視野，走近真實(shí)科研，感受學(xué)科的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：潘安）