晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，為學(xué)生空間想象力插上翅膀

馮小明

高中化學(xué)知識(shí)的體系中，有一部分屬于晶體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，在這部分的教育教學(xué)中，對(duì)于教師的要求很高，因?yàn)檫@不僅是傳授基本的化學(xué)知識(shí)，而且與學(xué)生的空間想象能力密切相關(guān)。對(duì)于空間想象力，是指學(xué)生對(duì)于抽象的立體空間的認(rèn)識(shí)、分析、理解、應(yīng)用、掌握的過(guò)程，在此過(guò)程中，學(xué)生是從基本的圖形和結(jié)構(gòu)的視覺(jué)認(rèn)識(shí)開(kāi)始，然后通過(guò)教師的講解和分析建立基本的某些分子的晶體結(jié)構(gòu)空間概念，再以這些簡(jiǎn)單的模型為基礎(chǔ)，建立起一個(gè)基本的概念系統(tǒng)，如晶體、非晶體、晶體類型、晶胞等概念。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生在教師及課本的指引下，在練習(xí)中驗(yàn)證學(xué)到的知識(shí)，通過(guò)獨(dú)立思考解決學(xué)習(xí)中的問(wèn)題，在解決問(wèn)題的過(guò)程中總結(jié)自己的做題方法，并建立自己對(duì)于晶體空間完整的空間架構(gòu)與知識(shí)體系。

一、扎實(shí)知識(shí)，為學(xué)生空間想象力打下基礎(chǔ)

在學(xué)習(xí)過(guò)程中，空間想象力是建立在扎實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)上的，只有認(rèn)識(shí)這個(gè)打根基的過(guò)程的規(guī)律性，才能在學(xué)習(xí)中無(wú)往而不利。沒(méi)有概念知識(shí)打基礎(chǔ)，培養(yǎng)空間想象力就是一句空話，“無(wú)源之水，無(wú)根之木”講的就是這個(gè)意思。在這一部分，學(xué)生需要掌握的知識(shí)包括晶體和非晶體的概念，以固體是否有規(guī)則的外形作為衡量標(biāo)準(zhǔn)之一?；A(chǔ)知識(shí)對(duì)于一個(gè)人的重要性就相當(dāng)于支撐一個(gè)人的基本的身體組成一樣，沒(méi)有了基礎(chǔ)，做其他事情只能是望洋興嘆，悔之無(wú)門。

當(dāng)掌握了晶體的特性即擁有規(guī)則的幾何外形，這是說(shuō)作為晶體，它的內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)和外形質(zhì)點(diǎn)排列是非常有序的，像一個(gè)有組織有紀(jì)律的士兵陣列一樣，充滿科學(xué)性的美感；有固定的溶沸點(diǎn)，是說(shuō)作為晶體有比較嚴(yán)格的條件下的沸騰和融化的溫度臨界點(diǎn)；各向異性是講在強(qiáng)度和導(dǎo)熱性和光學(xué)性質(zhì)上的特定性質(zhì)；通過(guò)X射線的衍射實(shí)驗(yàn)可以較準(zhǔn)確地區(qū)分晶體和非晶體，就可以進(jìn)入真正的化學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)，從基礎(chǔ)的晶體構(gòu)成學(xué)起，然后逐漸深入，掌握離子晶體、原子晶體、分子晶體、金屬型晶體，以及混合物晶體等各類晶體的性質(zhì)，從而系統(tǒng)學(xué)習(xí)這部分知識(shí)。

在教授氯化鈉的晶體結(jié)構(gòu)組成時(shí)，作為一種基本的離子晶體，筆者要求學(xué)生記憶該晶體的基本構(gòu)造，并且做出該晶體的模型結(jié)構(gòu)，采用紙棒的形式進(jìn)行構(gòu)造該晶體的空間結(jié)構(gòu)模型，然后觀察該晶體中基本的晶胞單元中鈉離子與氯離子的個(gè)數(shù)?！袄蠋煟渲泻?個(gè)鈉離子和4個(gè)氯離子，每個(gè)鈉離子和每個(gè)氯離子都被最近距離的12個(gè)氯離子或鈉離子包圍或是被6個(gè)相同離子包圍”。在這種結(jié)構(gòu)中，呈現(xiàn)出了高度的對(duì)稱性和美感。通過(guò)嚴(yán)密的數(shù)學(xué)計(jì)算，可以通過(guò)鈉離子和氯離子間的最近距離計(jì)算得出晶體密度，首先分析每晶胞中所含的粒子數(shù)目，計(jì)算出每個(gè)晶胞的質(zhì)量，在此基礎(chǔ)上再求出每個(gè)晶胞的體積，這樣就可以利用質(zhì)量與密度的比值作為晶體密度的計(jì)算策略。

相比于抽象的概念合集，實(shí)際的計(jì)算例子更能建立起學(xué)生對(duì)于晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的基本認(rèn)知，在以后的學(xué)習(xí)過(guò)程中，通過(guò)自己的經(jīng)驗(yàn)判斷晶體的特點(diǎn)與計(jì)算等，正是說(shuō)明了打好扎實(shí)的基礎(chǔ)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生空間想象力的重要性。

二、方式多樣，為學(xué)生空間想象力插上翅膀

在這部分內(nèi)容的化學(xué)教學(xué)中，要充分利用以下各種教育教學(xué)方式提高學(xué)生的空間想象力，讓學(xué)生理解課堂內(nèi)容，理解晶體結(jié)構(gòu)的具體構(gòu)成，在考慮晶胞等問(wèn)題時(shí)要更積極主動(dòng)地和同學(xué)老師交流和溝通，將學(xué)習(xí)中遇到的各種問(wèn)題通過(guò)恰當(dāng)方式解決。

1.一般情況下，我們可以通過(guò)現(xiàn)實(shí)中存在的各種立體形態(tài)幫助我們認(rèn)識(shí)立體圖形的各部分要素，也可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的或原子或離子或分子的空間結(jié)構(gòu)構(gòu)筑基本的空間框架，雖然可能會(huì)有一部分空間架構(gòu)體系的缺失，但是給予了我們一種基本的分析策略和行事方法，提供了對(duì)于變化結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)的分析方法。

2.在當(dāng)前多媒體盛行的教育方式中，采用多媒體的動(dòng)態(tài)演示晶體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化可以直觀反映出晶胞的個(gè)體數(shù)目，以及在空間結(jié)構(gòu)形成的過(guò)程中，晶胞是怎樣占據(jù)空間的各個(gè)位置，以一種變化的角度呈現(xiàn)出晶體的空間結(jié)構(gòu)組成，以及這樣形成的晶體的性質(zhì)。除了演示晶體的形成，還可以拿來(lái)全方位地呈現(xiàn)一種晶體的各個(gè)角度的視圖，同時(shí)展現(xiàn)各種晶體的對(duì)比結(jié)構(gòu)圖，在不知不覺(jué)中為學(xué)生建立晶體空間結(jié)構(gòu)的各種模型與結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生可以很直觀地了解到所學(xué)的幾種晶體結(jié)構(gòu)的空間構(gòu)成的差異性。多媒體的動(dòng)態(tài)教學(xué)的方式在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，活躍課堂氛圍，培養(yǎng)學(xué)生空間想象力等方面具有重要作用。

3.在空間結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)過(guò)程中，鼓勵(lì)學(xué)生動(dòng)手進(jìn)行畫(huà)圖也是一種培養(yǎng)學(xué)生空間方向感的一種有效方法。學(xué)習(xí)各種物質(zhì)的最小晶胞單元的畫(huà)法，晶胞是晶體中的最小重復(fù)單元，通過(guò)各種平移變換可以與其他晶胞完美契合，而且一般的，晶胞的幾何性質(zhì)基本上都是平行六面體。像一個(gè)蜜蜂的蜂巢一樣，有序地排列組合形成一個(gè)大的蜂巢即幾何結(jié)構(gòu)的完美呈現(xiàn)。通過(guò)學(xué)生自己動(dòng)手進(jìn)行操作，實(shí)際形成了他對(duì)于這種結(jié)構(gòu)的基本認(rèn)知，只要碰到這樣的結(jié)構(gòu)或描述，立即就可以在腦海中形成這種結(jié)構(gòu)，從而很快推算出晶胞中粒子個(gè)數(shù)，以及離子和原子在空間的位置構(gòu)造，如頭腦風(fēng)暴一般，為學(xué)生的想象力成長(zhǎng)插上了堅(jiān)強(qiáng)而又厚實(shí)的翅膀，使其自由翱翔在晶體的空間結(jié)構(gòu)中。

三、反思回顧，為學(xué)生空間想象力再添助力

子曰：“學(xué)而不思則罔，思而不學(xué)則殆?！痹趯W(xué)習(xí)過(guò)程中，要達(dá)到思考與學(xué)習(xí)同步進(jìn)行，在學(xué)習(xí)過(guò)后不忘反思回顧完整的知識(shí)和空間結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在不斷地推翻再重建的思維訓(xùn)練中得到關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的總結(jié)，充分實(shí)現(xiàn)學(xué)生空間想象力的成長(zhǎng)，學(xué)生在不斷反思中除了可以鞏固知識(shí)外，還可以對(duì)其結(jié)構(gòu)做出不斷的拆解重組，這個(gè)過(guò)程，可以將學(xué)生的思維創(chuàng)造力發(fā)展再發(fā)展，為學(xué)生的空間想象力的成長(zhǎng)作出真正的貢獻(xiàn)。

在晶體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之中，除了掌握基本的結(jié)構(gòu)構(gòu)造之外，對(duì)于計(jì)算，這是一個(gè)很重要的值得學(xué)習(xí)的部分，因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用中很多晶體的要求不僅是能夠從結(jié)構(gòu)圖上及圖文描述中讀出相關(guān)需要的信息，而且需要能夠數(shù)并計(jì)算出晶胞的數(shù)目，晶胞中各離子的數(shù)目，以及各自相互圍繞的離子或原子數(shù)目及結(jié)構(gòu)組成。在計(jì)算過(guò)程中，我們?cè)趯W(xué)習(xí)一種計(jì)算方法的基礎(chǔ)上要掌握其計(jì)算的基本原理，做到“舉一隅可以三隅反”，在學(xué)習(xí)過(guò)后將計(jì)算的本質(zhì)展示出來(lái)。這部分的計(jì)算主要涉及摩爾質(zhì)量、阿伏伽德羅常數(shù)與密度的關(guān)系，密度計(jì)算中主要應(yīng)用密度的定義。通過(guò)各種或簡(jiǎn)或繁的分析計(jì)算，學(xué)生對(duì)于晶體的結(jié)構(gòu)性質(zhì)進(jìn)一步深入了解，對(duì)知識(shí)的熟練程度及空間思維進(jìn)一步提高。

在大量的學(xué)習(xí)與分析過(guò)后，學(xué)生進(jìn)行的就是空間創(chuàng)造性思維與創(chuàng)造性活動(dòng)的開(kāi)展，在熟練了基本知識(shí)之后，在認(rèn)識(shí)新的空間晶胞結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，思維會(huì)自覺(jué)地將所見(jiàn)的新結(jié)構(gòu)納入已學(xué)過(guò)的知識(shí)體系中進(jìn)行對(duì)比與分析，在最短時(shí)間內(nèi)將新結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解并按原有方式重新組合，分析出其中的晶胞及化學(xué)鍵的性質(zhì)，然后在此基礎(chǔ)上，對(duì)晶胞中粒子的數(shù)目進(jìn)行分析，得出相應(yīng)結(jié)論，這是學(xué)習(xí)的一個(gè)新階段，也是空間想象力成熟的必經(jīng)階段。

總之，在晶體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)教學(xué)部分中，空間結(jié)構(gòu)是貫穿教師教學(xué)與學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程的一根主線，對(duì)于主線的學(xué)習(xí)是主要的，但是在此過(guò)程中，要注意學(xué)習(xí)的規(guī)律性，從基礎(chǔ)抓起，從每一次課堂分析抓起，使空間思維成為一種習(xí)慣性思維，在不斷的學(xué)習(xí)、練習(xí)、鞏固、回顧、反思中獲得不斷更新的知識(shí)體系和空間結(jié)構(gòu)與性質(zhì)體系。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，還應(yīng)當(dāng)積極地與同學(xué)和老師交換自己的想法，獲得更多的理解與發(fā)展空間思維的機(jī)會(huì)，讓自己的化學(xué)空間思維從無(wú)到有，從簡(jiǎn)入繁再入簡(jiǎn)，實(shí)現(xiàn)空間想象力的騰飛。