談如何進(jìn)行有想象力的物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學(xué)

宋凡凡

（南京航空航天大學(xué)附屬高級(jí)中學(xué) 江蘇 南京 210007）

愛因斯坦說：“想象力比知識(shí)更重要，因?yàn)橹R(shí)是有限的，而想象力概括著世界上一切，推動(dòng)著進(jìn)步，并且是知識(shí)進(jìn)化的源泉。嚴(yán)格地說，想象力是科學(xué)研究中的實(shí)在因素?！痹谡n堂教學(xué)中教師要重視學(xué)生想象力的培養(yǎng)。想象力常常是建立在對(duì)已有知識(shí)牢固掌握和深刻領(lǐng)悟基礎(chǔ)上的。沒有基礎(chǔ)知識(shí)的積累，想象力只會(huì)成為“不結(jié)果實(shí)的花朵”。我們?cè)诮虒W(xué)的過程中應(yīng)努力實(shí)現(xiàn)二者的協(xié)調(diào)發(fā)展。

物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論研究表明，化學(xué)微觀空間想象是學(xué)習(xí)和認(rèn)知微觀化學(xué)世界的重要方法和手段，有利于培養(yǎng)和開發(fā)學(xué)生的想象力，有利于學(xué)生更好地理解化學(xué)、發(fā)展空間想象、感受化學(xué)世界。本人在化學(xué)課堂教學(xué)中注重挖掘教材，思考如何解決空間的無限性與學(xué)生本身思維局限性的兩者的矛盾；在教學(xué)中有意在開拓學(xué)生思維空間、擴(kuò)大空間視野上下功夫；能夠在不同物質(zhì)的空間構(gòu)型之間展開聯(lián)想，學(xué)生在解題時(shí)做到觸類旁通，取得較理想的教學(xué)效果。具體的方法如下：

一、深入觀察

想象力的培養(yǎng)并非空穴來風(fēng)，教師要引導(dǎo)學(xué)生多接觸事物、多觀察事物，豐富知識(shí)，增加表象儲(chǔ)備。想象的內(nèi)容可以千奇百怪，但都以已有表象為基礎(chǔ)。深入觀察事物有利于激活學(xué)生頭腦中的表象，使學(xué)生的想象力得以充分提升。教師應(yīng)首先指引學(xué)生對(duì)建筑物、雕塑造形、模型等客觀事物的外在形象進(jìn)行全方位、細(xì)致觀察，再通過分析、整理、整合、假設(shè)、驗(yàn)證、歸納、演繹等思維活動(dòng)，獲取對(duì)化學(xué)微觀粒子的空間構(gòu)型的科學(xué)認(rèn)識(shí)，推動(dòng)微觀表象的建立，為發(fā)展科學(xué)而廣闊的想象力奠定基礎(chǔ)。

1．通過二維圖形進(jìn)行三維空間想象

想象力的建立往往離不開對(duì)于文字材料、圖像的理解、記憶、分析、推理。教師應(yīng)配合課本充分利用圖表、圖形、模型、多媒體演示等，為學(xué)生認(rèn)識(shí)和探索微觀化學(xué)世界提供生動(dòng)的形象，也為知識(shí)的再現(xiàn)提供依據(jù)；指導(dǎo)和訓(xùn)練學(xué)生通過觀察及分析，從中提取最具特征的信息；逐步建立起將二維平面圖在腦海中轉(zhuǎn)化為三維實(shí)物的空間想象能力。教材中有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)的教學(xué)內(nèi)容，是進(jìn)行三維想象教學(xué)的絕好教材。如原子晶體部分講授金剛石的結(jié)構(gòu)時(shí)，教師可自制球棍模型并結(jié)合課本示意圖（如下圖），師生共同從中挖掘出下列隱含信息：

信息①：本圖僅“提取”了金剛石（宏觀物質(zhì)）的極小部分，成比例 “擴(kuò)大”（合理想象）后，顯示的碳原子（微觀粒子）之間的空間聯(lián)接方式。

信息②：每個(gè)碳原子所處的化學(xué)環(huán)境相同：被相鄰的4個(gè)碳原子包圍，處于4個(gè)碳原子的中心，通過共價(jià)鍵相連構(gòu)成正四面體結(jié)構(gòu)。其鍵能、鍵長、鍵角（109°28′）均完全相同。

信息③：想象這樣的正四面體作為“微?！?，通過共用碳原子相互聯(lián)結(jié)，向空間無限發(fā)展，就構(gòu)成了一種穩(wěn)定的、空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。從而完成由客觀事物（圖形）→微觀粒子（碳原子）構(gòu)型→宏觀物質(zhì)（金剛石）的空間想象思維過渡（主要思路如下圖）。通過這樣的教學(xué)過程學(xué)生普遍感到眼中有物、腦中有景，不僅對(duì)金剛石晶體構(gòu)型理解透徹，印象深刻，而且有效地激發(fā)想象能力。

如：（11年全國理綜37題）（5）六方氮化硼在高溫高壓下，可以轉(zhuǎn)化為立方氮化硼，其結(jié)構(gòu)與金剛石相似，硬度與金剛石相當(dāng)，晶胞邊長為361．5pm，立方氮化硼晶胞中含有 個(gè)氮原子、 個(gè)硼原子，立方氮化硼的密度是 g·cm-3。

該題要求考生根據(jù)金剛石的結(jié)構(gòu)答出立方氮化硼晶胞里的氮原子、硼原子數(shù)及立方烷的密度。卻并未給出金剛石晶體結(jié)構(gòu)示意圖，這正體現(xiàn)命題者匠心獨(dú)具：中學(xué)化學(xué)教學(xué)應(yīng)回歸課本，重視能力?？忌豁氄莆战饎偸摹盎窘Y(jié)構(gòu)單元”是正四面體，并具有一定的微觀三維想象能力和分析推理能力，即可順利得出答案。

2．培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維能力

創(chuàng)造性思維：開拓認(rèn)識(shí)新領(lǐng)域、開創(chuàng)認(rèn)識(shí)新成果的思維活動(dòng)。一項(xiàng)創(chuàng)造性思維成果的取得，往往要經(jīng)過長期的探索、刻苦的鉆研、甚至多次的挫折之后才能取得。而創(chuàng)造性思維能力也要經(jīng)過長期的知識(shí)積累、素質(zhì)磨礪才能具備，創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)過程，離不開推理、想象、聯(lián)想、直覺等思維活動(dòng)。因此在課堂教學(xué)活動(dòng)中，教師應(yīng)有意識(shí)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造想象意識(shí)。如教材在“離子晶體”中給出的氯化納晶體結(jié)構(gòu)示意圖（如下圖），通過觀察學(xué)生發(fā)現(xiàn)：圖中表示Na+的小球有14個(gè)，而表示Cl-的小球只有13個(gè)，并不相等，怎么與氯化鈉的化學(xué)式不符？ 教師應(yīng)幫助學(xué)生克服思維的局限性，充分揭示其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

圖1

圖2

特點(diǎn)① NaCl晶體結(jié)構(gòu)是由Na+和Cl-各自構(gòu)成的立方面心結(jié)構(gòu)穿插而成。圖一只是表示構(gòu)成NaCl晶體的一個(gè)“微?！奔淳О?，晶胞在空間無限重復(fù)就產(chǎn)生了宏觀晶體。

特點(diǎn)②：構(gòu)成晶胞的點(diǎn)、線、面、體所處的位置關(guān)系并不相同。如有的Na+處于晶胞的頂點(diǎn)，應(yīng)想象出單元晶胞沿三維空間擴(kuò)展時(shí)，每個(gè)處于頂點(diǎn)的Na+同時(shí)被8個(gè)晶胞所包圍和共用，故每個(gè)晶胞含有1／8個(gè)Na+；位于面心上的Na+只含1／2個(gè)Na+；處于棱邊上的Cl-只含1／4個(gè)Cl-；而處于體心的Cl-則不共用，完全屬于該晶胞。

特點(diǎn)③：晶體計(jì)算應(yīng)以微粒所處位置對(duì)應(yīng)比例為標(biāo)準(zhǔn)。如一個(gè)晶胞中含Na+數(shù)：12×1／4+1=4，含Cl-數(shù)： 8×1／8+6×1／2=4， 所以有 Na+∶Cl-=4∶4=1∶1→NaCl（化學(xué)式）。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)揮學(xué)生想象力。用 “分割”法，將NaCl的一個(gè)晶胞平均“切”成8等份，每份為一個(gè)小立方體（如圖2）。以此為依托，可設(shè)計(jì)思考題：已知NaCl晶體的密度為ag／cm3，阿伏加德羅常數(shù)為NA，求兩個(gè)最近的Na+中心間的距離（cm）。

上述題型在近幾年高試題中多有涉及，如：（08海南24題）已知X、Y、Z三種元素組成的化合物是離子晶體，其晶胞如結(jié)構(gòu)圖所示，問該化合物的化學(xué)式；（08年廣東27題）（2）已知MgO的晶體結(jié)構(gòu)屬于NaCl型。改正某同學(xué)畫的MgO晶胞結(jié)構(gòu)示意圖中的錯(cuò)誤；以及（09年海南19題）已知CaF2的密度求晶胞的體積；（11年江蘇卷21題）求CuCl的化學(xué)式等。其解題思路基本類似求食鹽晶體的化學(xué)式及上述思考題，在教學(xué)中注重了該項(xiàng)能力的培養(yǎng)，學(xué)生在求解問題時(shí)都能得心應(yīng)手。

二、善于聯(lián)想，培養(yǎng)想象的發(fā)散性

聯(lián)想是根據(jù)化學(xué)知識(shí)由此及彼、由表及里、縱橫相交的特點(diǎn)，通過某些共同點(diǎn)而將相關(guān)事物聯(lián)系起來想象的思維過程。分子的空間構(gòu)型是培養(yǎng)學(xué)生三維想象力的廣闊領(lǐng)域。教師要能抓住本質(zhì)特征，啟發(fā)學(xué)生縱橫相聯(lián)，將分散在教材中的相關(guān)分子空間構(gòu)型的知識(shí)，以規(guī)律加以歸納，使之系統(tǒng)化，可增強(qiáng)學(xué)生想象的發(fā)散性及靈敏性，使創(chuàng)造思維能力得以提升。

（1）關(guān)于鍵角相等的相關(guān)聯(lián)想： 鍵角是判斷分子空間構(gòu)型的一個(gè)重要數(shù)據(jù)，鍵角反映結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，而結(jié)構(gòu)則決定鍵角的大小。若已知正離子CH3+中的4個(gè)原子是共平面的，且3個(gè)鍵角相等，可推斷其空間構(gòu)型應(yīng)類似于BF3：以碳原子為中心呈平面正三角形結(jié)構(gòu)，鍵角120°。根據(jù)鍵角相等的發(fā)散聯(lián)想：如鍵角均為120°的乙烯、苯、石墨，利用數(shù)學(xué)中幾何構(gòu)型的點(diǎn)、面、體有機(jī)聯(lián)為一體：

（2）根據(jù)結(jié)構(gòu)相似的遷移聯(lián)想：如怎樣判斷有機(jī)物CH3—CH=CH—C≡CCF3分子中6個(gè)碳原子是否同線或同面？ 若缺乏聯(lián)想、遷移的能力，必然無從下手。該題突破口在于該分子中的碳碳鍵及碳碳三鍵，聯(lián)想到課本中的CH2=CH2及CH≡CH的空間構(gòu)型，乙烯中六個(gè)原子共平面，乙炔中四個(gè)原子共直線；再想像將產(chǎn)物中兩端相應(yīng)的H原子分別被-CH3和-CF3所取代，通過 “切割”、“拼接、“取代”等思維加工，即得出 CH3—CH=CH—C≡C—CF3的空間構(gòu)型（如下圖）。若再提出，該分子中所有的原子是否在同一平面上呢？ 可將學(xué)生的空間想象力進(jìn)一步升華。

（3）根據(jù)空間構(gòu)型相似的發(fā)散聯(lián)想：充分調(diào)動(dòng)學(xué)生頭腦中的相關(guān)結(jié)構(gòu)信息，通過梳理，將構(gòu)型相似的一類物質(zhì)，聯(lián)成一體，例如：學(xué)生最為熟悉的CH4其結(jié)構(gòu)是以碳原子為中心，4個(gè)氫原子為頂點(diǎn)的正四面體結(jié)構(gòu)，C—H 鍵的夾角為109°28′， 以CH4的空間構(gòu)型為聯(lián)想的基礎(chǔ)，可建立如下網(wǎng)絡(luò)：

三、利用所給信息進(jìn)行推理聯(lián)想

推理聯(lián)想是以一種事物的某種基本特征為依據(jù)，通過分析、推理等，推導(dǎo)出其他事物具有相應(yīng)特征的想象方法。

①如已知1，2，3—三苯基環(huán)丙烷有2種同分異構(gòu)體，則 1，2，3，4，5—五氯環(huán)戊烷有多少種同分異構(gòu)體？ 該題要求學(xué)生有較強(qiáng)的空間想象能力，并能敏銳接受信息解決五元環(huán)空間異構(gòu)的問題。本題的難點(diǎn)在于既要考慮氯原子的位置異構(gòu)，還要想象氯原子位于環(huán)戊烷平面的下方或上方而形成的空間異構(gòu)：①5上0下 ②4上1下 ③3上2下（鄰） ④3上2下（間）

②如某共價(jià)化合物含有碳、氫、氮3種元素，已知分子內(nèi)4個(gè)氮原子形成內(nèi)空的正四面體，每2個(gè)氮原子間有1個(gè)碳原子；無C-C鍵，C=C鍵，C≡C鍵，求該共價(jià)化合物三維結(jié)構(gòu)式。

本題的入手點(diǎn)在于4個(gè)氮原子的空間構(gòu)型類似于白磷分子，從而可以將解題過程分解成4個(gè)思維步驟（如下圖）。不難得出其結(jié)構(gòu)中含有4個(gè)6元環(huán)，分子式為C6H12N4。

總而言之：教師應(yīng)不斷探索教學(xué)藝術(shù)，在對(duì)學(xué)生進(jìn)行學(xué)科知識(shí)教學(xué)的同時(shí)應(yīng)更為注重學(xué)生想象力的培養(yǎng)，讓化學(xué)課堂插上想象力的翅膀，從整體上提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。