如何培養(yǎng)學(xué)生在化學(xué)中的空間思維能力

張則申

摘 要： 高中化學(xué)知識(shí)更微觀，更復(fù)雜。高考對(duì)化學(xué)中的空間思維力的考查主要有有機(jī)物分子中原子共平面、共直線問題；分子的空間構(gòu)型；晶體結(jié)構(gòu)中的原子數(shù)、密度、化學(xué)鍵數(shù)、空間利用率等計(jì)算問題?；瘜W(xué)中與空間相關(guān)的問題，一直是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，幫助學(xué)生建立空間立體結(jié)構(gòu)映像，培養(yǎng)學(xué)生在化學(xué)中的空間思維能力就很重要。

關(guān)鍵詞： 晶體結(jié)構(gòu) 空間思維 化學(xué)式 高中化學(xué)教學(xué)

高中化學(xué)知識(shí)更微觀、更復(fù)雜。高考對(duì)化學(xué)中的空間思維力的考查主要有有機(jī)物分子中原子共平面、共直線問題；分子的空間構(gòu)型；晶體結(jié)構(gòu)中的原子數(shù)、密度、化學(xué)鍵數(shù)、空間利用率等計(jì)算問題?；瘜W(xué)中與空間相關(guān)的問題，一直是學(xué)生學(xué)習(xí)的一個(gè)難點(diǎn)，幫助學(xué)生建立空間立體結(jié)構(gòu)映像，培養(yǎng)學(xué)生在化學(xué)中的空間思維能力尤為重要。

立體幾何知識(shí)主要是解決三維空間的問題，實(shí)物直觀模型主要是幫助學(xué)生理解并建立幾何模型，從而讓學(xué)生深刻理解微觀粒子的空間結(jié)構(gòu)。還可借助圖片、多媒體培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力，讓學(xué)生動(dòng)手做模型，感知物質(zhì)的空間構(gòu)型。

1.利用立體幾何知識(shí)與實(shí)物直觀模型，幫助學(xué)生建立空間概念。

把化合物分子放在學(xué)生比較熟悉的一些立體幾何模型中觀察，可以培養(yǎng)學(xué)生在化學(xué)中的空間思維能力。例如甲烷，可以借助對(duì)甲烷的球棍模型和比例模型的觀察，幫學(xué)生建立空間概念。再把甲烷分子結(jié)構(gòu)放在正方體中與球棍模型對(duì)比觀察，這樣從整體上幫助學(xué)生對(duì)正四面體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。甲烷的空間結(jié)構(gòu)為：碳原子位于正四面體的中心位置，氫原子占據(jù)正四面體的頂點(diǎn)位置，四個(gè)氫原子是等同關(guān)系。對(duì)甲烷的二氯代物的結(jié)構(gòu)只有一種、甲基的三個(gè)氫原子和碳原子不在同一平面上的問題就能理解。

2.尋找原型，進(jìn)行類比遷移，幫助學(xué)生理解有機(jī)物的共線、共面問題。

通過展示甲烷、乙烯、乙炔、苯的實(shí)物模型，幫助學(xué)生對(duì)乙烯、乙炔、苯等平面型分子的空間結(jié)構(gòu)的理解后，再進(jìn)行綜合知識(shí)的應(yīng)用。在試題中常出現(xiàn)這些典型分子衍變成較復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)問題，解題時(shí)充分利用典型物質(zhì)原型進(jìn)行類比遷移。方法是典型原型分子中某氫原子被其他原子或原子團(tuán)取代時(shí)，該代替原子的共面問題，可將它看做是原來氫原子的位置，同時(shí)注意共價(jià)單鍵可以旋轉(zhuǎn)，而雙鍵、三鍵不能旋轉(zhuǎn)。

例1：如圖，分子中最多有？搖？搖 ？搖？搖個(gè)碳原子在同一平面上？

分析：本題以甲烷和苯環(huán)為基本模型。中心碳原子位于一個(gè)正四面體的中心，它連接的四個(gè)碳原子與其共面的只能是其中的兩個(gè)，若兩個(gè)苯環(huán)均通過C-C單鍵旋轉(zhuǎn)到該面內(nèi)，此時(shí)共面的碳原子數(shù)最多，共有13個(gè)。

A.所有碳原子有可能都在同一平面上

B.最多只可能有9個(gè)碳原子在同一平面上

C.有7個(gè)碳原子可能在同一條直線上

D.只可能有5個(gè)碳原子在同一直線上

分析：本題以乙烯、乙炔、苯為基本模型。若通過C-C單鍵旋轉(zhuǎn)使乙烯和苯環(huán)兩個(gè)平面重合，則所有碳原子有可能都在同一平面上，如上圖所示；由于碳碳雙鍵和苯環(huán)的鍵角都為120°，使得共線的碳原子只能是HC≡C-中的兩個(gè)碳原子、苯環(huán)對(duì)位上的兩個(gè)碳原子及雙鍵左端的一個(gè)碳原子，共計(jì)5個(gè)。故答案為A、D。

3.利用多媒體動(dòng)畫與圖片，培養(yǎng)學(xué)生在化學(xué)中的空間思維能力。

高中化學(xué)學(xué)習(xí)中有很多微觀、抽象的知識(shí)，學(xué)生難以想象和理解。若在教學(xué)中使用精心編制的多媒體課件，則可以讓抽象變?yōu)榫唧w，讓微觀世界變成宏觀世界。如在講《化學(xué)鍵》這一節(jié)內(nèi)容時(shí)，可通過多媒體技術(shù)的運(yùn)用，制作生動(dòng)形象的flash動(dòng)畫，模擬出NaCl、HCl的形成過程，從而解釋微觀粒子之間是怎么形成化學(xué)鍵的，以及離子鍵與共價(jià)鍵的本質(zhì)與區(qū)別。又如在講金屬晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，可充分利用多媒體動(dòng)畫播放三維空間的兩種非密置堆積方式和兩種密置堆積方式的疊放層次，讓學(xué)生感知了簡單立方、體心立方、最緊密堆積六方（鎂型）與面心立方緊密堆積（銅型）。

這樣，學(xué)生對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的計(jì)算題如空間利用率、晶胞的化學(xué)式、鍵長、密度等不會(huì)感到那么難了。

4.利用動(dòng)手建立實(shí)物模型，讓學(xué)生感知物質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，從而培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力

動(dòng)手組裝實(shí)物模型，花的時(shí)間較多，只有利用業(yè)余時(shí)間用球棍工具組裝。在講SiO的結(jié)構(gòu)時(shí)，我讓學(xué)生用球棍工具組裝的空間結(jié)構(gòu)模型；在講有機(jī)物時(shí)，讓學(xué)生用球棍組裝烷烴、烯烴、炔烴等；在講晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，如原子晶體中，金剛石、石墨的模型也讓學(xué)生拼湊；在講金屬晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，我讓學(xué)生用乒乓球模擬原子的堆積方式，學(xué)生非常直觀地感知到金屬原子在二維空間（平面）上有兩種排列方式，即原子的非密置堆積和密置堆積，學(xué)生在二維的原子的堆積方式，很容易看到非密置堆積和密置堆積中原子的配位數(shù)分別是4和6；還堆積了三維空間的兩種非密置堆積方式和兩種密置堆積方式的疊放層次，讓學(xué)生感知了簡單立方、體心立方、最緊密堆積六方（鎂型）與面心立方緊密堆積（銅型）。

總之，要解決好化學(xué)中空間立體問題，先要讓學(xué)生的認(rèn)知建立在理解基礎(chǔ)上，學(xué)生的空間思維想象能力可以通過模型展現(xiàn)、實(shí)物操作、動(dòng)畫模擬培養(yǎng)，也可以借助立體幾何知識(shí)加以鍛煉。要準(zhǔn)確做好化學(xué)空間結(jié)構(gòu)的題型，除了要有空間想象力外，還要具有嚴(yán)密的邏輯思維能力和扎實(shí)的立體幾何知識(shí)，把化學(xué)問題抽象成數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)學(xué)工具加以計(jì)算和推理，從而提高解決化學(xué)問題的能力。

參考文獻(xiàn)：

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[2]王麗華，蘇殿釗.物質(zhì)結(jié)構(gòu)空間思維的基礎(chǔ)—立體幾何在化學(xué)中的應(yīng)用[J].