“晶體的常識”教學設計賞析*

周繼敏 黃 軍

（1 開封市教研室 河南 開封475001；2 河南大學附屬中學 河南 開封 475001）

人教版選修三 《物質(zhì)結構與性質(zhì)》“晶體的常識”一節(jié)，內(nèi)容要求不高，但由于學生對晶體的自范性、各向異性等概念感到既抽象又陌生，存在一定的理解障礙。本節(jié)課通過兩組學生實驗使學生對自范性、各向異性等概念有了親身體驗， 取得了良好的教學效果。獲2014年全國高中化學優(yōu)質(zhì)課（武漢）第二組說課一等獎第一名。筆者認為這節(jié)課之所以獲得成功，關鍵在于實驗的創(chuàng)新設計和難點的巧妙突破。下面是對這節(jié)課的設計過程的賞析。

一、富有人文氣息的課堂引入

【教學設計】教師通過古人《韓詩外傳》“凡草木花多五出，雪花獨六出”對雪花的描述，《新修唐本草》“光明鹽，大者如升，正方光砌”對食鹽的描述引入本節(jié)課。

【評析】無論是古代中國還是西方化學，人們總是先注意到天然晶體的規(guī)則幾何外形，進而發(fā)現(xiàn)晶體的其他性質(zhì)，并嘗試從結構的角度進行解釋。以古人對晶體的描述和學生對生活中常見固體的認識引出本節(jié)課，這既引起了學生的興趣又使理論聯(lián)系了實際。

二、創(chuàng)新的實驗設計融入課堂教學過程

1．晶體的自范性是通過三個角度來體現(xiàn)的

【教學設計】首先，展示老師制作的精美的KNO3晶體樹（見表1）和播放500 萬倍快鏡頭下老師拍攝的該晶體樹的生長視頻，使學生對晶體的自范性有了初步的體驗，激發(fā)學生探索晶體自范性的熱情。其次，學生分組實驗：快速制備KNO3、CuSO4晶體（見表2），學生通過該實驗對晶體的自范性中“自發(fā)”過程有了動態(tài)的體驗。實驗結束后， 教師展示課前制作好的KNO3、CuSO4晶體樹（見表1），引導學生對比老師30min制作的晶體和學生3min 制作的晶體， 分析得出結論：影響晶體的自范性的條件之一是適當?shù)木w生長速率。最后，播放現(xiàn)代4K 高清技術下拍攝的晶體生長視頻。

表1 制作KNO3、CuSO4 晶體樹［1］

表2 快速制備KNO3、CuSO4 晶體

分別稱量5g KNO3、CuSO4固體于兩根大試管中，向KNO3試管中加入4．8mL 蒸餾水， 向CuSO4試管中加入3．7mL 蒸餾水，分別加熱使其溶解，趁熱倒入表面皿中，自然冷卻、結晶，觀察并記錄實驗現(xiàn)象。

常溫下，3min 內(nèi)就可以觀察到晶體的生長過程。可以觀察到明顯的“針狀”KNO3晶體和“多面體”CuSO4晶體

【評析】 學生對晶體自范性的認識經(jīng)歷了感性、體驗、震撼過程。在以上教學過程中，通過匯報實驗成果，學生獲得了表現(xiàn)自我的機會， 與其他同學分享學習的幸福。該階段的設計體現(xiàn)了化學的生活性、人文性和科學性，也讓學生體驗了晶體的自范性之美。

2．晶體各向異性的體驗之旅

【教學設計】晶體的各向異性是通過一塊

CaCO3的天然晶體“方解石”和一塊玻璃片來體現(xiàn)的?！胺浇馐笔窃缙诳茖W家研究晶體時常用的天然晶體之一，而玻璃因其晶瑩剔透和多種外形經(jīng)常被學生誤認為晶體。學生對晶體的各向異性是通過3 組學生實驗（表3）來體驗的。

【評析】 課本對各向異性是通過描述水晶柱的表面“石蠟”融化的快慢來體現(xiàn)的。實驗看似簡單，但操作困難且現(xiàn)象不明顯。該階段的設計不僅讓學生對各向異性有了切身的體驗，也讓學生對比了晶體與非晶體的差異。

【教學設計】各向異性的應用是利用“光學的各向異性”來鑒別水晶眼鏡和玻璃眼鏡［2］，實驗過程中采用了自制教具。自制教具如下：將兩片“偏光太陽鏡”的鏡片垂直放置， 用一束手電筒光透過兩片垂直鏡片。實驗操作如下： 將一副水晶眼鏡放在偏光鏡的中間，緩慢旋轉一定角度， 再用一副玻璃眼鏡做相同的操作?，F(xiàn)象是用水晶眼鏡實驗，在旋轉的過程中，透過偏光太陽鏡能觀察到光的明暗交替現(xiàn)象，而玻璃眼鏡則無此現(xiàn)象。該原理［3］在寶石行業(yè)上經(jīng)常用來鑒別真假寶石，如：偏光儀。

表3 方解石的各向異性體驗實驗

圖1

圖2

圖3

【評析】該教學過程不僅理論聯(lián)系了生活，也使抽象的概念“各向異性”形象、生動起來了。

3．晶體的微觀結構

【教學設計】教師引導學生回顧“方解石”的碎裂實驗中的碎片大小不同但形狀相似，并進一步提出問題：方解石無限敲擊碎裂下去會怎樣？ 引導學生閱讀科學史話：1781年法國科學家阿雨（Hauy）闖了一個幸運的禍。他把一塊他朋友收藏的方解石掉在地上，摔成了幾小塊，他感到很遺憾。使他的窘境稍稍得到寬慰的是，他發(fā)現(xiàn)那些碎塊歪斜的“立方體”，可以無限的劈成越來越小的菱面體。他提出假設：晶體是由無數(shù)個“單元晶”聚集而成的。引導學生通過類比方陣、士兵的關系，蜂巢、蜂室的關系，磚墻、磚塊的關系，使學生完成了對晶體微觀結構的假設——晶體中的粒子是周期性有序排列的。

隨著科學技術的發(fā)展，20 世紀初德國人勞埃創(chuàng)始的X－射線衍射技術證實了： 晶體中的粒子是周期性有序排列的。直到現(xiàn)在X－射線衍射實驗研究晶體結構常見方法，也是鑒別晶體與非晶體最科學、最可靠的方法。

【評析】 根據(jù)宏觀的晶體外形做出微觀假設是本節(jié)課的難點。為了突破這個難點，本節(jié)課引用了“阿雨”的科學史話，通過圖片對比方陣、士兵的關系，蜂巢、蜂室的關系，磚墻、磚塊的關系使學生水到渠成地完成了對晶體微觀結構的假設，這也為下節(jié)課晶胞的學習做出了鋪墊。

三、以學生為中心升華課堂思維

【教學設計】

教師利用微觀結構（圖4）解釋晶體的宏觀性質(zhì)。在晶體內(nèi)部的不同方向上，粒子的數(shù)目、粒子間距、粒子間作用力大小都不同，導致“方解石”不同方向上的硬度不同、斷裂抗力不同（沿特定方向碎裂）。不同方向上的光速不同導致折射率不同，一束光透過方解石被折射為兩束光，這既是透過方解石能看見“重影”的原因，也是能用太陽鏡片鑒別水晶眼鏡和玻璃眼鏡的原因。同時，當把晶體加熱到一定溫度時，晶體吸收的熱量全部用來破壞晶體粒子的規(guī)則排列，此時晶體的溫度不再升高，這是晶體具有固定熔點的原因。

【評析】

圖4

學生通過分組實驗和視頻等體驗了晶體的自范性之美； 通過分組活動親身感受了晶體的各向異性；通過疑問、假設、證實等過程知道了晶體的微觀結構。此時學生思維處于興奮狀態(tài)，如何使本節(jié)課升華成為有機整體呢？ 教師提出問題：結構決定性質(zhì)，如何用晶體粒子的周期性有序排列來解釋宏觀的性質(zhì)呢？

四、讓學生體驗晶體之美

【教學設計】

最后，向學生展示現(xiàn)代晶體學的成果：哈佛大學的晶體學教授維姆·諾度因在燒杯中制備的 “晶體玫瑰花”（果殼網(wǎng)）。

【評析】

通過最后的“小高潮”讓學生意識到，隨著晶體學的發(fā)展，人們已經(jīng)能制備精美的、有特殊功能的晶體。

本節(jié)課以晶體的發(fā)展史為暗線，不僅讓學生了解了晶體學的發(fā)展史， 也體會了科學研究的一般思路。這節(jié)課的成功之處是讓學生體驗了晶體之美、化學之美。從發(fā)現(xiàn)晶體的自范性之美，到體驗晶體的各向異性之美，再到制備精美的晶體。整堂課以“美”貫穿始終，改變了學生心目中化學就是“污染”、“有毒”等觀念，讓學生意識化學是美好的、有用的。

［1］劉水英．快速制取硫酸銅晶體的方法［J］．化學教育，1995，（8）：12

［2］陳寶甫，溫應春．巧用偏振法鑒別水晶石眼鏡［J］．物理教學，2008，（2）：51

［3］束炳如，何潤偉．普通高中課程標準試驗教科書·物理選修3－4［M］．上海：上?？茖W教育出版社，2010：86－76