聚焦模型建構(gòu)，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)

1 問題的提出

本課例內(nèi)容選自人教版《化學(xué)選擇性必修2》（2019年版）第三章第一節(jié)“物質(zhì)的聚集狀態(tài)與晶體的常識”。課程主要涵蓋以下內(nèi)容：一、掌握氣體、液體、固體三種經(jīng)典物質(zhì)聚集狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)化；二、了解液晶、等離子體、離子液體等科學(xué)前沿特殊物質(zhì)聚集狀態(tài)。筆者嘗試對教材進(jìn)行整合，將位于第三章第三節(jié)的“離子液體”前置于本課，與“液晶”“等離子體”等特殊聚集狀態(tài)的內(nèi)容并行處理。教學(xué)中采用從典型聚集狀態(tài)出發(fā)，構(gòu)建宏觀與微觀相結(jié)合的解釋模型，以模型為紐帶，從物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)視角出發(fā)，認(rèn)識前沿概念。通過這種教學(xué)方式，期望能夠幫助學(xué)生建立起結(jié)構(gòu)化的認(rèn)識思路，更深入地理解物質(zhì)的聚集狀態(tài)。

2 教學(xué)目標(biāo)

（1）通過關(guān)聯(lián)學(xué)生熟知H2、CCl4、NaCl氣液固三態(tài)宏觀性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)，構(gòu)建氣、液、固典型聚集狀態(tài)宏觀微觀結(jié)構(gòu)模型，診斷并發(fā)展學(xué)生從物質(zhì)的微粒種類、微粒間相互作用、微粒聚集程度多角度、系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化認(rèn)識物質(zhì)能力。

（2）通過閱讀化學(xué)史提取陌生聚集狀態(tài)宏觀性質(zhì)，運(yùn)用液、固宏微結(jié)構(gòu)解釋模型，構(gòu)建液晶狀態(tài)，完成液晶概念的學(xué)習(xí)。診斷并發(fā)展學(xué)生信息提取能力和多角度運(yùn)用模型能力。

（3）從光學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)等宏觀角度自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探測火的宏觀性質(zhì)，利用氣、固宏微解釋模型疊加構(gòu)建以火為代表的等離子體組成及微觀結(jié)構(gòu)，掌握等離子體概念。診斷并發(fā)展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析解釋能力。

（4）創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，設(shè)計(jì)高能量密度鋰空氣電池的電解質(zhì)為高能量密度鋰空氣電池設(shè)計(jì)電解質(zhì)。分析宏觀要求，應(yīng)用模型調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造性設(shè)計(jì)出符合條件的新聚集狀態(tài)離子液體并預(yù)測其廣泛用途，診斷并發(fā)展學(xué)生的問題解決及創(chuàng)新思維能力。

3 教學(xué)活動(dòng)

3.1構(gòu)建模型——典型聚集狀態(tài)的再認(rèn)識

任務(wù)一：探索影響典型聚集狀態(tài)的微觀因素

[引課]展示呈現(xiàn)冰、水、水蒸氣的三態(tài)變化圖片。

[問題1]水從固態(tài)到液態(tài)再到氣態(tài)時(shí)，其微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了哪些變化？

[學(xué)生]分子間距離增大。

[問題2]所有物質(zhì)的三態(tài)變化都是由于分子間距離變化引起的嗎？

[學(xué)生]不是，因?yàn)橛行┪镔|(zhì)不是由分子構(gòu)成。

[活動(dòng)1]探究影響物質(zhì)三態(tài)變化的微觀因素：繪制出1molNaCl（s）、1molCCl4（l）、1molH2（g）的微觀體積狀態(tài)圖。

[問題3]當(dāng)H2、CCl4、NaCl微粒數(shù)相同時(shí)，為什么體積越來越??？

[學(xué)生]思考視角：微粒間作用力、分子間距離較大、排列狀態(tài)。

[設(shè)計(jì)意圖]通過繪制分析熟悉物質(zhì)H2、CCl4、NaCl的微觀體積圖，探索和理解物質(zhì)三態(tài)的微觀結(jié)構(gòu)，深入理解微粒種類、微粒間作用力和微粒空間排布對物質(zhì)聚集狀態(tài)的影響。

任務(wù)二：構(gòu)建典型聚集狀態(tài)的宏觀性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)解釋模型

[教師]結(jié)合經(jīng)典聚集狀態(tài)微觀結(jié)構(gòu)，解釋氣、液、固常見的性質(zhì)。

[學(xué)生]分析生活常見現(xiàn)象如空氣流動(dòng)、注射器移動(dòng)、固體有固定形狀的結(jié)構(gòu)原因。

[構(gòu)建模型]經(jīng)典聚集狀態(tài)微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性質(zhì)解釋模型如下圖所示。

[設(shè)計(jì)意圖]通過分析固液氣三態(tài)中可壓縮性、流動(dòng)性、導(dǎo)電性、熔沸點(diǎn)等常見宏觀物理性質(zhì)產(chǎn)生緣由，在知其然并知其所以然的過程中建構(gòu)經(jīng)典三態(tài)宏觀性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)的解釋模型。

3.2完善模型——液晶的發(fā)現(xiàn)與特性

[過渡]1888年，奧地利植物學(xué)家萊尼采爾在加熱苯甲酸膽甾酯時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度升至145.5℃時(shí)，出現(xiàn)不透明的渾濁狀態(tài)；繼續(xù)加熱到178.5℃，又呈現(xiàn)透明清亮的液態(tài)。這種145.5℃時(shí)出現(xiàn)的不透明渾濁狀態(tài)引起了科學(xué)界極大興趣。

[資料]不透明渾濁狀態(tài)宏觀信息①具有流動(dòng)性，能發(fā)生形變；宏觀信息②1889年，德國物理學(xué)家萊曼通過偏光顯微鏡發(fā)現(xiàn)其雙折射性（光學(xué)性質(zhì)的各向異性）。

[學(xué)生]分析宏觀信息1：由于具有流動(dòng)性和形變能力，我們猜想這個(gè)渾濁狀態(tài)具有經(jīng)典液態(tài)的性質(zhì)；分析宏觀信息2：雙折射性（光學(xué)性質(zhì)的各向異性），猜想該渾濁狀態(tài)具有經(jīng)典晶體的性質(zhì)。

[問題4]根據(jù)以上分析，中間渾濁態(tài)屬于什么聚集狀態(tài)？

[數(shù)學(xué)視角]如果經(jīng)典液態(tài)模型類比為集合A，晶體模型類比為集合B，則該特殊狀態(tài)類似A∩B；故液晶是介于液態(tài)和晶態(tài)之間的一種特殊聚集狀態(tài)。

[問題5]分析以上兩種模型，如何解決微觀排布的矛盾？

[學(xué)生]猜想微觀結(jié)構(gòu)：某些方向微粒容易移位（類似液體），另外方向微粒有規(guī)律的排布（類似晶體）。

[完善模型]呈現(xiàn)苯甲酸膽甾酯的分子構(gòu)型膽甾型液晶的材料結(jié)構(gòu)證實(shí)猜想。

[設(shè)計(jì)意圖]原有知識經(jīng)驗(yàn)中“生長”出新知識的過程激發(fā)了學(xué)生信息提取能力、知識關(guān)聯(lián)能力的提升，微粒觀、結(jié)構(gòu)觀等學(xué)科思維得以養(yǎng)成。

3.3發(fā)展模型——等離子體的探測

[問題6]火焰是生活中常見的現(xiàn)象，它屬于那種聚集狀態(tài)呢？是否屬于經(jīng)典氣液固三態(tài)之一？設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探查火焰的宏觀性質(zhì)，推測火焰的組成微粒。

[學(xué)生]基于性質(zhì)流動(dòng)性、導(dǎo)電性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來探測火焰微觀結(jié)構(gòu)。

[數(shù)學(xué)視角]把經(jīng)典氣態(tài)模型類比為集合A，經(jīng)典固態(tài)模型類比為集合B，則該特殊狀態(tài)類似A∪B，故推測組成微粒是電子、陽離子和電中性粒子，這種特殊聚集狀態(tài)被稱為等離子體。

[資料]日光燈和霓虹燈的燈管里、蠟燭的火焰中、極光和雷電中都能找到等離子體。它是宇宙物質(zhì)超過99%都存在的狀態(tài)，又被稱為第四聚集態(tài)。

[問題7]為什么要研究等離子體？

[學(xué)生]擴(kuò)大認(rèn)知，加強(qiáng)對自然界的認(rèn)識，應(yīng)用等離子體為人類創(chuàng)造美好生活，如等離子體電視、化學(xué)合成等。

[設(shè)計(jì)意圖]通過自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象獲取“火”的物理宏觀性質(zhì)，推斷“火”的聚集狀態(tài)，發(fā)展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，創(chuàng)新思考力。

3.4應(yīng)用模型——離子液體的設(shè)計(jì)

[解決問題]中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院人員利用石墨和過渡金屬氧化物納米顆粒制備了一種具有高儲(chǔ)能密度和優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性的鋰空氣電池。為實(shí)現(xiàn)高能量密度鋰空氣電池的商業(yè)化應(yīng)用，請?jiān)O(shè)計(jì)一款配套常溫?zé)o水體系電解液促進(jìn)電池的高速發(fā)展。

[學(xué)生]分析該電解液需要具備的關(guān)鍵宏觀性質(zhì)：導(dǎo)電，無水，常溫，液態(tài)。

[問題8]熟知的導(dǎo)電物質(zhì)是否滿足需求？若不能的話，如何改進(jìn)？

[學(xué)生]分析常見固態(tài)金屬、液態(tài)汞、電解質(zhì)的水溶液、熔融的離子化合物的利弊，尋求改進(jìn)方案。

[方案原理]可以嘗試降低離子化合物熔點(diǎn)至常溫。要降低熔點(diǎn)，必須減少微粒間作用力。

[物理視角]導(dǎo)電物質(zhì)的作用力是庫侖力，庫侖力F=kQ1Q2/r2（k為常數(shù)，Q1、Q2、r分別為兩電荷電荷量及兩電荷間的距離）。要減少庫侖力可采取措施：1.降低陰、陽離子的電荷量；2.盡量增大陰、陽離子的半徑。

[資料1]常見一價(jià)陰離子：除常見氯離子（Cl-）、溴離子（Br-）、碘離子（I-），還有四氯鋁酸根（AlCl4-）、六氟磷酸根（PF6-）、四氟硼酸根（BF4-）等。

[資料2]引入有機(jī)基團(tuán)可降低離子化合物的熔點(diǎn)，如NH4NO3熔點(diǎn)170℃；C2H5NH3NO3的熔點(diǎn)只有12℃。

[活動(dòng)]設(shè)計(jì)符合條件的“電解液”。

[學(xué)生]小組討論、設(shè)計(jì)作品。

[教師]離子液體：室溫或稍高于室溫時(shí)呈液態(tài)的離子化合物。分析離子液體結(jié)構(gòu)，預(yù)測其應(yīng)用。

[學(xué)生]從結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、功能三維視角討論，思考。

[設(shè)計(jì)意圖]為高速發(fā)展電池設(shè)計(jì)非水常溫電解液的真實(shí)情境，發(fā)展學(xué)生的分析思考能力，展現(xiàn)學(xué)科解決問題的學(xué)科價(jià)值。

4 教學(xué)反思

4.1 模型統(tǒng)領(lǐng)下不斷嘗試，親身體驗(yàn)概念的構(gòu)建過程

基于典型聚集狀態(tài)的宏-微結(jié)構(gòu)解釋模型，學(xué)生從微粒組成、微粒間作用力及微?？臻g排布等化學(xué)視角，建構(gòu)液晶、等離子體、離子液體等特殊聚集狀態(tài)概念，學(xué)生不僅知其然，更知其所以然。

4.2基于真實(shí)情境的跨學(xué)科協(xié)同效應(yīng)，促進(jìn)多學(xué)科自然有機(jī)地融合

面向真實(shí)情境問題解決的跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)，側(cè)重在特定主題領(lǐng)域下創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，用具有趣味性和挑戰(zhàn)性的真實(shí)問題來驅(qū)動(dòng)不同學(xué)科相互協(xié)作，該方式鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)主動(dòng)去探索知識，將新知和舊知聯(lián)系起來，產(chǎn)生同化或順應(yīng)，從而重建自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

【注：本文系廣東省基礎(chǔ)教育教研基地學(xué)科教研基地項(xiàng)目“指向深度學(xué)習(xí)的高中化學(xué)學(xué)科實(shí)踐推動(dòng)育人方式變革”階段性成果】

責(zé)任編輯 錢昭君