《雜化軌道理論》教學(xué)改革探索*

高善民，劉 冰，金 娟，姜 華

(魯東大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，山東 煙臺 264025)

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教學(xué)園地

《雜化軌道理論》教學(xué)改革探索*

高善民，劉 冰，金 娟，姜 華

(魯東大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，山東 煙臺 264025)

針對傳統(tǒng)教學(xué)中存在的“過分注重知識傳授，忽視知識背后蘊(yùn)含的科學(xué)思維、科學(xué)方法和科學(xué)精神”的問題，從雜化軌道理論的知識價值分析入手，以知識傳授與能力培養(yǎng)并重為教學(xué)設(shè)計的指導(dǎo)思想，設(shè)計了雜化軌道理論的教學(xué)過程。并從課的導(dǎo)入、教學(xué)重點(diǎn)的突出、教學(xué)難點(diǎn)的突破、教學(xué)興趣點(diǎn)的設(shè)置和作業(yè)布置五個方面說明了教學(xué)設(shè)計的創(chuàng)新點(diǎn)。

雜化軌道理論；教學(xué)設(shè)計；教學(xué)方法

雜化軌道理是高?；瘜W(xué)類專業(yè)無機(jī)化學(xué)課程的重要內(nèi)容，它既是學(xué)習(xí)無機(jī)元素化學(xué)的基礎(chǔ)，也是理解有機(jī)化合物分子中原子間的成鍵及有機(jī)物分子空間結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，同時也是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力的重要載體。

由于內(nèi)容抽象、理論性強(qiáng)，尤其對于大一學(xué)生，缺乏與該理論相關(guān)的知識鋪墊，因此雜化軌道理論是教學(xué)的難點(diǎn)。如何幫助學(xué)生真正理解該理論并以此作為載體來培養(yǎng)和提高學(xué)生的科學(xué)思維能力是教學(xué)的關(guān)鍵。

對雜化軌道理論教學(xué)的已有研究[1-3]大多側(cè)重于如何促進(jìn)學(xué)生掌握理論要點(diǎn)，即注重具體知識的傳授。對于知識背后所蘊(yùn)含的科學(xué)思維、科學(xué)方法和科學(xué)精神，缺乏足夠的關(guān)注。

我國著名化學(xué)家和化學(xué)教育家戴安邦教授說過：“全面的化學(xué)教育既要傳授化學(xué)知識與技術(shù)，更應(yīng)訓(xùn)練科學(xué)方法和思維，還應(yīng)培養(yǎng)科學(xué)精神和科學(xué)品德”[4]。

鑒于此，本文將結(jié)合教學(xué)實(shí)際，從雜化軌道理論的教學(xué)價值分析入手，以知識傳授與能力培養(yǎng)并重為指導(dǎo)思想，提出雜化軌道理論教學(xué)改革方案。

1 教學(xué)內(nèi)容的價值分析

要實(shí)現(xiàn)從知識向能力和素養(yǎng)的轉(zhuǎn)化與飛躍，關(guān)鍵是要認(rèn)真分析科學(xué)知識對于學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展而言到底具有怎樣的價值，并進(jìn)一步解決如何在科學(xué)教育中最大程度地挖掘和發(fā)揮科學(xué)知識所具有的多重價值[5]。

任何化學(xué)知識都是科學(xué)家運(yùn)用一定的科學(xué)思維和科學(xué)方法，經(jīng)歷一定的探索過程而獲得的，這個過程蘊(yùn)含了科學(xué)家的智慧和情感，體現(xiàn)了科學(xué)家的思想和觀點(diǎn)。對于雜化軌道理論的教學(xué)價值分析如下：

1.1 知識價值

知識價值是指教材所呈現(xiàn)出來的具體知識，即雜化軌道理論的基本要點(diǎn)、雜化軌道的類型等內(nèi)容，這些屬于顯性的知識。傳統(tǒng)教學(xué)中教師將主要精力放在這些顯性知識的教學(xué)上。

1.2 方法論價值

鮑林能夠提出“形成共價鍵時，通常存在激發(fā)、雜化和軌道重疊”這一觀點(diǎn)，背后存在量子力學(xué)計算的背景，能量相近的原子軌道波函數(shù)在空間出現(xiàn)的幾率必然會進(jìn)一步相互作用構(gòu)成雜化。但是，對大一學(xué)生沒有條件也沒有必要涉及量子力學(xué)知識。那么，如何從方法論的視角挖掘該內(nèi)容的教學(xué)價值呢？對初學(xué)者而言，不妨把“激發(fā)”和“雜化”看作是雜化軌道理論提出過程中科學(xué)家所做的兩次重要假設(shè)，因?yàn)榇竽戇\(yùn)用了“提出假設(shè)”這一科學(xué)方法，便可以對CH4的結(jié)構(gòu)做出合理解釋。

雜化軌道理論的教學(xué)要注重讓學(xué)生體會到理論的提出過程蘊(yùn)含的兩次假設(shè)，認(rèn)識到“提出假設(shè)”在科學(xué)發(fā)現(xiàn)中的重要作用，并在今后的學(xué)習(xí)中和研究嘗試運(yùn)用提出假設(shè)的科學(xué)方法。

1.3 觀念價值

雜化軌道理論的形成和發(fā)展，傾注了化學(xué)家的智慧和情感，充滿了對科學(xué)的不懈探究的力量。該內(nèi)容的觀念價值體現(xiàn)在以下兩方面：

一方面，理論的提出過程蘊(yùn)含著化學(xué)家勇于思考、求變創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度。在探索化學(xué)鍵理論時，遇到了CH4正四面體結(jié)構(gòu)的解釋問題，面對問題，化學(xué)家沒有因循守舊，而是具有懷疑精神，大膽探索。鮑林作為20世紀(jì)對化學(xué)科學(xué)影響最大的人之一，他的貢獻(xiàn)不僅有科學(xué)知識，知識背后隱藏的真實(shí)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)歷史和科學(xué)態(tài)度，對學(xué)生有著更深遠(yuǎn)的教育價值。

另一方面，在科學(xué)上，沒有一個理論能夠說得到了完全的“證明”，當(dāng)新事實(shí)或新的觀察結(jié)果出現(xiàn)時它必定有待于進(jìn)一步的檢驗(yàn)和審視[6]。當(dāng)價鍵理論無法解釋甲烷的結(jié)構(gòu)時，需要重新審視價鍵理論，從而提出了雜化軌道理論。但是雜化軌道理論同樣也有解決不了的問題，例如，它無法對共價分子的結(jié)構(gòu)做出完美的預(yù)測，這則需要價層電子對互斥理論來解決。這正體現(xiàn)了科學(xué)的動態(tài)發(fā)展性特征，它說明知識是具有暫時性的，科學(xué)是一個不斷發(fā)展的過程。教學(xué)中需要認(rèn)識到知識的這一觀念價值，這樣有助于學(xué)生深入理解各個共價鍵理論的內(nèi)涵和外延，明確各理論之間的關(guān)系，從而辯證地看待每個理論的優(yōu)點(diǎn)和不足，在解決問題時能夠?qū)⒏鞣N理論靈活運(yùn)用，避免“鉆牛角尖”。

以上對于雜化軌道理論的教學(xué)價值分析表明，教學(xué)不能只盯著具體的知識點(diǎn)，即知識價值，還要注重潛在的方法論價值和觀念價值，努力實(shí)現(xiàn)知情意行的協(xié)調(diào)發(fā)展。

2 教學(xué)設(shè)計理念

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)不是知識由教師向?qū)W生的傳遞，而是學(xué)生建構(gòu)自己的知識的過程，學(xué)習(xí)者不是被動的信息吸收者，相反，他要主動地建構(gòu)信息的意義。因此，雜化軌道理論教學(xué)要改變傳統(tǒng)的“教師講、學(xué)生聽”的被動接受式教學(xué)模式，轉(zhuǎn)變?yōu)榻處熞龑?dǎo)學(xué)生積極思考、自主探究、主動建構(gòu)的探究式教學(xué)模式。

具體說，教師不提供現(xiàn)成的結(jié)論，而是精心設(shè)計一系列有思考價值的問題，激發(fā)學(xué)生的思維，使學(xué)生在教師的啟發(fā)下，揭示蘊(yùn)涵在知識學(xué)習(xí)中豐富的思維過程和科學(xué)方法價值。在此基礎(chǔ)上，讓學(xué)生根據(jù)導(dǎo)學(xué)案提示自主完成對雜化軌道理論基本要點(diǎn)的建構(gòu)。在這樣的教學(xué)過程中，教師不再做知識的傳授者與灌輸者，而是作為學(xué)生建構(gòu)知識的引導(dǎo)者、促進(jìn)者和幫助者，將課堂適度交給學(xué)生，讓學(xué)生通過主動思考、交流討論解決問題，提高能力。

3 教學(xué)過程的設(shè)計

在以上教學(xué)理念指導(dǎo)下，將雜化軌道理論的教學(xué)過程設(shè)計為十個環(huán)節(jié)，分別從教師活動、教學(xué)設(shè)計要點(diǎn)和學(xué)生活動三個角度進(jìn)行說明(表1)。

表1 教學(xué)過程設(shè)計

4 教學(xué)設(shè)計的創(chuàng)新點(diǎn)

下面將從課的導(dǎo)入、教學(xué)重點(diǎn)的突出、教學(xué)難點(diǎn)的突破、教學(xué)興趣點(diǎn)的設(shè)置和作業(yè)的布置等方面說明本節(jié)教學(xué)設(shè)計的創(chuàng)新點(diǎn)。

4.1 課的導(dǎo)入

“良好的開始是成功的一半”。有效的課堂導(dǎo)入既能夠快速集中學(xué)生的注意力，又會激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在學(xué)習(xí)興趣。

雜化軌道理論的課堂導(dǎo)入從“價鍵理論無法解釋CH4的結(jié)構(gòu)”入手，這一點(diǎn)在教學(xué)中是得到共識的。但是關(guān)鍵在于：對于“價鍵理論無法解釋CH4的結(jié)構(gòu)”這個問題，是由教師直接說出來，還是讓學(xué)生自己親身經(jīng)歷，所產(chǎn)生的教學(xué)效果是不同的。傳統(tǒng)教學(xué)多采用前者，即教師開門見山地說明“價鍵理論無法解釋CH4的結(jié)構(gòu)，要解決這個問題，需要學(xué)習(xí)雜化軌道理論”。

內(nèi)在動機(jī)是推動學(xué)習(xí)的真正動力。為了激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)動機(jī)，在課的導(dǎo)入方面做了如下改革：先回顧價鍵理論的基本要點(diǎn)和共價鍵的特征，然后提出任務(wù)“利用價鍵理論預(yù)測C和H形成的最簡單化合物的化學(xué)式及結(jié)構(gòu)”。根據(jù)回顧的內(nèi)容，學(xué)生不難得出結(jié)論是CH2，鍵角90°。該結(jié)論顯然與學(xué)生的已有認(rèn)識(穩(wěn)定存在的最簡單的碳?xì)浠衔锸荂H4)不符。這樣，當(dāng)學(xué)生像科學(xué)家一樣親歷價鍵理論無法解決CH4的存在及結(jié)構(gòu)這一問題時，有助于激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知需要，產(chǎn)生內(nèi)在學(xué)習(xí)動機(jī)。此時教師適時指出：當(dāng)理論預(yù)測與實(shí)驗(yàn)事實(shí)產(chǎn)生矛盾的時候，要尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)。體現(xiàn)對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)態(tài)度教育。進(jìn)而再提出“為什么C與H能形成4個等同的共價鍵?為什么CH4分子的鍵角是109.5°?”以引出雜化軌道理論的教學(xué)。該導(dǎo)入的設(shè)計不僅有助于提高學(xué)生的內(nèi)在學(xué)習(xí)興趣，而且為后續(xù)突破教學(xué)難點(diǎn)埋下了伏筆。

4.2 如何突出重點(diǎn)

掌握雜化軌道理論的要點(diǎn)是本節(jié)的教學(xué)重點(diǎn)。為了突出重點(diǎn)，采用探究式教學(xué)法，教師不提供現(xiàn)成的結(jié)論，而是圍繞CH4的結(jié)構(gòu)設(shè)計一系列有思考價值的問題，引領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷問題解決的思維歷程，使學(xué)生在教師的啟發(fā)下，自己體會“激發(fā)”、“雜化”的必要性，發(fā)現(xiàn)“激發(fā)”、“雜化”的內(nèi)涵。在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生自主總結(jié)完成雜化軌道理論基本要點(diǎn)。

大學(xué)教學(xué)鼓勵學(xué)生的獨(dú)立和自主探究。但是自主探究不等于放任自流，如果不做任何鋪墊，直接讓學(xué)生自己探究雜化軌道理論的要點(diǎn)，會超出學(xué)生的認(rèn)知水平。因此，該過程設(shè)計的關(guān)鍵是把握啟發(fā)的“度”。對此，可以采取以下兩種策略：

4.2.1 通過設(shè)計一系列有梯度的問題指引學(xué)生思考的方向

首先設(shè)計如下兩個依次遞進(jìn)的問題，引發(fā)學(xué)生思考：①要保證CH4穩(wěn)定存在，碳原子需提供幾個單電子？②如何實(shí)現(xiàn)1個碳原子提供4個單電子？

該問題的目的在于引導(dǎo)學(xué)生做出“形成CH4時，碳原子的1個2s電子需要激發(fā)到2p軌道上”的科學(xué)假設(shè)，為認(rèn)識雜化軌道理論要點(diǎn)之“電子激發(fā)”奠定基礎(chǔ)。

在解決上述問題基礎(chǔ)上，繼續(xù)提出如下兩個依次遞進(jìn)的問題：①直接用碳原子的2s和2p軌道與分別與氫原子的1s軌道重疊，可否？為什么？②如何解釋CH4分子的4個C-H鍵完全等同這一事實(shí)？

該問題的目的在于引導(dǎo)學(xué)生做出“形成CH4時，碳原子的1個2s和3個2p軌道需要重新組合”的科學(xué)假設(shè)，為建構(gòu)雜化軌道理論要點(diǎn)之“軌道雜化”奠定基礎(chǔ)。

為了使抽象問題形象化，接下來多媒體展示CH4形成過程的動畫，引導(dǎo)學(xué)生重點(diǎn)觀察碳原子的2s軌道和2p軌道的雜化過程以及雜化后的軌道與氫原子的1s軌道的重疊過程。

隨后，基于對CH4形成過程動畫的觀察，提出問題：如何解釋CH4分子的鍵角？先讓學(xué)生小組討論交流，然后教師講解，為認(rèn)識雜化軌道理論要點(diǎn)之“雜化軌道在空間的排布原則”奠定基礎(chǔ)。

4.2.2 提供導(dǎo)學(xué)案，為自主建構(gòu)雜化軌道理論搭建“腳手架”

通過上述有針對性的問題，學(xué)生對CH4的形成過程有了自己的認(rèn)識。但鑒于大一學(xué)生的水平，若直接讓學(xué)生獨(dú)立總結(jié)雜化軌道理論的要點(diǎn)，部分學(xué)生會因?yàn)椴恢獜暮翁幦胧郑扇≌瞻峤滩牡淖龇?。為了促進(jìn)學(xué)生在歸納過程中主動思考，課堂上提供導(dǎo)學(xué)案，為學(xué)生搭建自主建構(gòu)的“腳手架”。學(xué)生根據(jù)導(dǎo)學(xué)案提示歸納完成雜化軌道理論要點(diǎn)的過程，就是對上述問題的思考過程進(jìn)一步梳理和提煉的過程，促進(jìn)了知識的有效建構(gòu)。

4.3 如何突破難點(diǎn)

讓學(xué)生真正理解雜化軌道理論要點(diǎn)中“電子激發(fā)”和“軌道雜化”的實(shí)質(zhì)是本節(jié)教學(xué)的難點(diǎn)。為了突破難點(diǎn)，在學(xué)生總結(jié)完成雜化軌道理論要點(diǎn)后，教師進(jìn)一步提出問題：“電子激發(fā)需要能量，既然如此，形成CH4時碳原子的電子為何要激發(fā)？所需能量從哪里得到補(bǔ)償？雜化的目的是什么？”國內(nèi)無機(jī)化學(xué)教材中大多未涉及此方面內(nèi)容，教學(xué)中設(shè)置該問題的目的不在于增加教學(xué)內(nèi)容的深度，更多的在于讓學(xué)生通過對該問題的思考和討論，突破教學(xué)難點(diǎn)。為了啟發(fā)學(xué)生的思路，教師提供如下測定數(shù)據(jù)(表2[3])。

表2 與CH4 形成有關(guān)的能量數(shù)據(jù)

引導(dǎo)學(xué)生通過對以上數(shù)據(jù)的分析，得出：經(jīng)過雜化后形成CH4時可放出1255 kJ·mol-1的能量，而如果形成分子式為CH2的結(jié)構(gòu)僅放出828 kJ·mol-1的能量。讓真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說話，使學(xué)生認(rèn)識到：經(jīng)過雜化形成CH4分子放出的能量比形成CH2結(jié)構(gòu)放出的能量更多，分子體系更為穩(wěn)定，從而突破“電子激發(fā)”方面的教學(xué)難點(diǎn)。

對于“軌道雜化”的目的，則可以引導(dǎo)學(xué)生從雜化前和雜化后軌道形狀的差異入手進(jìn)行對比分析，同時輔助以多媒體展示增加感性認(rèn)識，從而使學(xué)生認(rèn)識到雜化后的軌道成鍵能力增強(qiáng)，形成的共價鍵更穩(wěn)定，從而突破“軌道雜化”方面的教學(xué)難點(diǎn)。

4.4 如何設(shè)置興趣點(diǎn)

本節(jié)教學(xué)內(nèi)容枯燥，理論性強(qiáng)，教學(xué)中恰當(dāng)設(shè)置興趣點(diǎn)有助于增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)積極性。興趣點(diǎn)的設(shè)置可以從兩個方面進(jìn)行：

一是關(guān)于鮑林的介紹。鮑林是迄今為止唯一一位兩次獨(dú)得諾貝爾獎的科學(xué)家，他的《The Nature of the Chemical Bond》一書被認(rèn)為是化學(xué)史上最重要的著作之一。在學(xué)習(xí)雜化軌道理論之前介紹鮑林的成就，有助于學(xué)生感受化學(xué)家的人格魅力，激發(fā)探求新知的欲望，提高對化學(xué)科學(xué)的興趣。

二是聯(lián)系學(xué)科發(fā)展對石墨烯進(jìn)行簡介。該內(nèi)容設(shè)置在雜化軌道理論要點(diǎn)之后，用于引出后續(xù)雜化軌道類型的講解。該興趣點(diǎn)的設(shè)置一方面能夠反映學(xué)科發(fā)展新成果，增加學(xué)生對化學(xué)的認(rèn)同感。另一方面，碳原子的雜化是很有代表性的，包括有機(jī)物中烷烴，烯烴中碳的成鍵方式，是基礎(chǔ)化學(xué)的重要內(nèi)容，該興趣點(diǎn)的設(shè)置能夠?yàn)榻酉聛淼碾s化類型的講解做好鋪墊。

4.5 關(guān)于作業(yè)布置

不同的課后作業(yè)對學(xué)生的發(fā)展產(chǎn)生的效果不同。在常規(guī)作業(yè)基礎(chǔ)上，布置開放性作業(yè)：讓學(xué)生圍繞雜化軌道理論與傳統(tǒng)價鍵理論的聯(lián)系與區(qū)別，以二者對話的方式進(jìn)行科學(xué)寫作。一方面有助于學(xué)生認(rèn)識到“雜化軌道理論是傳統(tǒng)價鍵理論的進(jìn)一步發(fā)展”，另一方面也有助于提高學(xué)生的語言的組織和表達(dá)能力，同時有助于學(xué)生辯證地看到每個理論的優(yōu)點(diǎn)和不足，體會科學(xué)的動態(tài)發(fā)展性。

[1] 朱守立,詹孝慈.基礎(chǔ)化學(xué)“雜化軌道理論”的教學(xué)初探[J].興義民族師范學(xué)院學(xué)報,2012(1)：95-98.

[2] 郭麗萍,雷家珩,郭劍,等.雜化軌道理論與分子的空間構(gòu)型——多媒體教學(xué)軟件的設(shè)計與制作[J].計算機(jī)與應(yīng)用化學(xué),2002,19(4):485-488.

[3] 袁華.雜化軌道理論的逆向?qū)嵗虒W(xué)法[J].廣東化工，2009,36(6):218-219.

[4] 梁建軍.論化學(xué)史教育的職業(yè)教育功能[J].大學(xué)化學(xué)，2009,24(6):15-18.

[5] 亓英麗，畢華林.科學(xué)教育中科學(xué)知識的價值分析[J].全球教育展望,2012(2):81-86.

[6] 雷·斯潘根貝格,戴安娜·莫澤(美).科學(xué)的旅程[M].郭奕,陳蓉霞,沈慧君(譯).北京:北京大學(xué)出版社,2008:1.

Teaching Reform of Hybrid Orbital Theory*

GAOShan-min,LIUBing,JINJuan,JIANGHua

(School of Chemistry and Materials Science, Ludong University, Shandong Yantai 264025, China)

Aiming at the problem which putting too much emphases on knowledge but neglecting scientific thinking, scientific method and scientific spirit implied behind the knowledge in the traditional teaching, guided with the teaching philosophy both emphasizing knowledge teaching and ability training, the teaching process of hybrid orbital theory was designed based on the analysis of knowledge value in hybrid orbital theory. The innovative points of teaching design were stated from five aspects including the classroom lead-in, standing out the focal point, breaking through the difficult point, setting the interest point and assigning homework.

Hybrid Orbital Theory; teaching design; teaching method

山東省本科高校教學(xué)改革研究項(xiàng)目(No:2015M063)。

高善民(1972- )，男，教授，主要從事納米功能材料研究和無機(jī)化學(xué)教學(xué)。

G642.0

A

1001-9677(2016)020-0138-04