基于常見材料建構(gòu)并應(yīng)用化學(xué)模型

韓曉+王朝暉

摘要：用生活中常見的塑料串珠等材料建構(gòu)了兩種化學(xué)模型，一種用來表示路易斯理論中的電子式模型，另一種用來表示有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)模型。通過學(xué)生動(dòng)手操作，提高學(xué)生對模型的理解水平，培養(yǎng)學(xué)生的建模能力和模型認(rèn)知素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：化學(xué)模型；電子式；分子結(jié)構(gòu)模型；模型認(rèn)知素養(yǎng)

文章編號：1005–6629（2016）12–0029–04 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 概述

模型是科學(xué)認(rèn)知的一種特殊形式，是人們?yōu)榱四撤N特定的目的而對客觀對象原型所做的一種簡化描述。模型也是人們實(shí)現(xiàn)認(rèn)知的工具，在高中化學(xué)新課程標(biāo)準(zhǔn)修訂過程中，將模型認(rèn)知作為高中生化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一[1]。在化學(xué)學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生借助模型這一媒介，可以溝通科學(xué)理論和真實(shí)的世界，并對化學(xué)現(xiàn)象作出合理的解釋和描述，促進(jìn)科學(xué)知識(shí)的理解。模型是學(xué)生理解知識(shí)的一種重要手段，通過模型，可以將抽象的、難以理解的問題形象化、具體化。教學(xué)中應(yīng)用模型有利于學(xué)生掌握知識(shí)，構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)框架，為學(xué)生接受知識(shí)、理解知識(shí)提供方便[2]。

學(xué)生結(jié)合所學(xué)的化學(xué)知識(shí)，建立模型，解決相關(guān)問題，再將解決問題的分析思路與策略方法進(jìn)行抽象概括，就是化學(xué)建模過程[3]。建模過程有助于學(xué)生自主建構(gòu)知識(shí)，通過建模，學(xué)生體會(huì)到化學(xué)模型的產(chǎn)生過程，并根據(jù)自己的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)和背景，自主建構(gòu)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，再經(jīng)過加工和處理，學(xué)習(xí)到更多的科學(xué)知識(shí)，建立科學(xué)理論與經(jīng)驗(yàn)之間的聯(lián)系以及解決復(fù)雜化學(xué)問題的方法。

化學(xué)模型可分為思想模型和物質(zhì)模型。物質(zhì)模型生動(dòng)直觀，將抽象的內(nèi)容形象化，增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，從而降低概念和理論教學(xué)的難度。高中教學(xué)中常用的物質(zhì)模型多為球棍模型，類型比較單一，有些分子和晶體結(jié)構(gòu)的模型體積較大，不易搬運(yùn)，而且不易拆解，也不利于學(xué)生親自體驗(yàn)。一些教師在教學(xué)實(shí)踐中，通過自制物質(zhì)模型，如陳克剛[4]以廢棄的包裝家用電器的泡沫塑料、牙簽等材料制作了金剛石晶體、碳酸根離子和乙烷等物質(zhì)模型；劉振瓊等人[5]以硬紙片為底版，制作了C60分子的模型，為球棍模型等物質(zhì)模型提供了有益的補(bǔ)充。這些自制的物質(zhì)模型，使學(xué)生對分子的形狀及結(jié)構(gòu)有比較直觀的認(rèn)識(shí)，利于學(xué)生自主建構(gòu)模型，激發(fā)學(xué)生的求知欲望和探索精神。不過，泡沫塑料制作的模型堅(jiān)固性和耐磨性較差，比較容易損壞，而且體積較大，不易搬運(yùn)。硬紙片做的C60分子模型，不易拆解和重新組裝，也不利于學(xué)生親自體驗(yàn)建模的過程。

筆者在教學(xué)中，利用塑料串珠、絨線繩、魚線等生活中常見的材料自制了兩種化學(xué)模型。制作方法簡單，容易操作，學(xué)生可以親自制作，體驗(yàn)建模的過程，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的積極性和創(chuàng)造性。自制的模型較為真實(shí)地反映了物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，容易讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到模型與原型的異同，準(zhǔn)確地反映教學(xué)內(nèi)容，利于學(xué)生輕松地理解和掌握相關(guān)知識(shí)。自制的模型堅(jiān)固耐用，體積小，易于攜帶，還可以輕松地拆解和重新組裝，有利于學(xué)生加深對相關(guān)知識(shí)的理解，幫助學(xué)生自主建構(gòu)知識(shí)體系[6]。在課堂上，筆者讓每個(gè)學(xué)生動(dòng)手制作或裝配出相關(guān)的化學(xué)自制模型，引導(dǎo)學(xué)生共同探討，共同體驗(yàn)建模過程，通過學(xué)生動(dòng)手操作，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造性，激發(fā)學(xué)生的參與熱情，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的建模能力和模型認(rèn)知素養(yǎng)。

下面介紹這兩種用塑料串珠等材料建構(gòu)的化學(xué)模型，供同行參考。

2 電子式模型

2.1 電子式模型建立的意義

共價(jià)鍵的最初模型是美國化學(xué)家路易斯提出的“共用電子對”概念，用電子式表示原子價(jià)層電子的共用情況。傳統(tǒng)的球棍模型，用小球代表原子，短棍代表共價(jià)鍵，表示共價(jià)化合物的分子結(jié)構(gòu)，卻無法直觀地表示原子的價(jià)層電子和共用電子的情況。在電子式知識(shí)的教學(xué)中，教師常采用板書書寫電子式，用粉筆畫點(diǎn)表示不同原子的價(jià)電子，或者使用動(dòng)畫模擬分子的形成過程，學(xué)生理解起來較為困難，而且無法親自體驗(yàn)。筆者選用絨線繩和塑料串珠作為建構(gòu)電子式模型的材料，根據(jù)Kristy L. Turner[7]以價(jià)層電子和電子的共用情況建構(gòu)模型的想法來建構(gòu)電子式模型。用絨線繩代表原子的價(jià)電子層，塑料串珠代表原子的價(jià)電子，這種模型對于學(xué)生理解共價(jià)化合物的電子式和共價(jià)鍵理論模型，以及分子的形成過程具有重要的作用。教學(xué)中將共價(jià)鍵理論的思維模型的建立過程和電子式模型的物質(zhì)模型建立相結(jié)合，讓學(xué)生體會(huì)模型在學(xué)習(xí)化學(xué)知識(shí)中的重要作用，培養(yǎng)學(xué)生自主建構(gòu)模型的能力。

2.2 電子式模型使用材料和制作過程

材料：不同顏色的絨線繩若干，不同顏色的具有合適孔徑的塑料珠，見圖1。

以簡單的H2的電子式模型為例，首先，選取2根白色的絨線繩代表兩個(gè)氫原子的價(jià)電子層，選擇2顆紅色的塑料串珠分別代表兩個(gè)氫原子的價(jià)電子，將2顆紅色串珠分別穿在兩根白色絨線繩上，如圖2所示。

將兩顆紅色串珠用絨線繩串連起來，并將絨線繩彎曲成圓形，代表氫原子的價(jià)電子層，再將絨線繩扭曲固定，H2的電子式模型就建立起來了。

2.3 電子式模型的應(yīng)用

建構(gòu)H2的電子式模型之后，學(xué)生自行設(shè)計(jì)了氯化氫分子的電子式模型。通過討論氯化氫分子電子式和H2電子式的不同，以及氯原子半徑和氫原子半徑大小的比較，并分析氯原子和氫原子價(jià)層電子數(shù)目多少。學(xué)生在建構(gòu)氯化氫分子電子式模型時(shí)，選擇了正確的串珠個(gè)數(shù)代表價(jià)層電子數(shù)目，合適長度和比例的絨線繩代表氫原子和氯原子的價(jià)電子層。如圖3所示的氯化氫分子模型，學(xué)生選取7顆串珠代表氯原子的7個(gè)價(jià)電子，穿在藍(lán)色的絨線繩上，1顆串珠代表氫原子的1個(gè)價(jià)電子，穿在白色的絨線繩上，并根據(jù)氫原子和氯原子原子半徑不同，建構(gòu)氯化氫分子模型時(shí)，使得藍(lán)色的絨線繩比白色的絨線繩長，代表它們不同的半徑大小。

美國斯坦福大學(xué)化學(xué)系系主任Richard Zare指出，化學(xué)家是最想真實(shí)地看到分子以及分子間的轉(zhuǎn)換過程的。課堂上，學(xué)生通過討論發(fā)現(xiàn)，利用塑料串珠電子式模型，能模擬氯化氫分子的形成過程，如圖4所示。

大部分學(xué)生在模擬共價(jià)化合物分子形成的過程中，選擇建構(gòu)NH3、H2O、CH4等分子。有個(gè)別學(xué)生選擇BF3分子進(jìn)行建構(gòu)，如圖5所示。建構(gòu)過程中，發(fā)現(xiàn)BF3分子的中心原子不滿足“八隅律”規(guī)則，學(xué)生共同討論了路易斯共用電子對模型的局限性，并上網(wǎng)查閱價(jià)鍵理論，分子軌道理論和雜化軌道理論，了解共價(jià)鍵理論的發(fā)展歷史。

3 有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)模型

3.1 有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)模型建立的意義

在進(jìn)行有機(jī)物結(jié)構(gòu)教學(xué)時(shí)，很多有機(jī)物的結(jié)構(gòu)比較抽象，學(xué)生憑簡單的語言文字，以及平面圖形很難進(jìn)行空間想象，在解答有機(jī)物的題目時(shí)，也常因不理解有機(jī)物分子的結(jié)構(gòu)而出現(xiàn)偏差。筆者在教學(xué)中用編織手工藝品的塑料串珠來建構(gòu)有機(jī)化合物分子模型，用塑料串珠代表共價(jià)鍵，用柔軟的魚線連接串珠，串珠共用的點(diǎn)表示原子。通過學(xué)生動(dòng)手操作建構(gòu)有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)模型，有效地展示了有機(jī)物的分子結(jié)構(gòu)，學(xué)生可以更好地理解有機(jī)物的結(jié)構(gòu)。有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)的串珠模型，直徑大約2cm，小巧，輕便，建構(gòu)方法簡單，利于學(xué)生親自操作和體驗(yàn)，可以作為學(xué)生學(xué)習(xí)有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)的常用工具。

3.2 有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)模型使用材料和制作過程

材料：不同顏色的具有合適孔徑的塑料串珠，魚線若干，如圖6所示。

以有機(jī)物苯分子為例，取6顆串珠用魚線穿起來，如圖7-（2）所示，將6顆串珠分別標(biāo)號為1到6，如串珠模型示意圖7-（3）所示，將魚線兩端標(biāo)號為a和b，為了便于觀察，將魚線a端的前端標(biāo)注為紅色。

將魚線a端自身繞一圈，再穿入第6號串珠，穿入方法如圖8-（1）所示；將魚線b端穿入由魚線a端和6號串珠構(gòu)成的圈內(nèi)，如圖8-（2）所示；緊拉魚線a端，此時(shí)在6號串珠內(nèi)部自動(dòng)打一個(gè)結(jié)，如圖8-（3）所示；用力緊拉魚線a端和b端，將此六元環(huán)固定，就建構(gòu)成了苯分子的串珠模型，如圖8-（4）所示。在苯分子模型中，塑料串珠代表碳碳鍵，串珠之間相連的點(diǎn)代表碳原子，省略碳?xì)滏I。

3.3 有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)模型的應(yīng)用

建構(gòu)苯分子模型之后，學(xué)生利用不同顏色的串珠建構(gòu)苯的取代物模型，如圖9-（1）所示；用綠色的串珠代表碳氯鍵，將魚線穿入綠色串珠和相鄰的兩顆紅色串珠內(nèi)，建構(gòu)成如圖9-（2）所示的氯苯的串珠模型。學(xué)生又以氯苯為參考，通過串珠模型，探討苯的二氯取代物的種類。

學(xué)生起初認(rèn)為圖10所示的結(jié)構(gòu)中，a、b、c是間二氯苯的3種同分異構(gòu)體，在學(xué)生對間二氯苯分子的串珠模型的建構(gòu)過程中，發(fā)現(xiàn)只要進(jìn)行簡單的旋轉(zhuǎn)，就可以理解圖10中a、b、c的3個(gè)結(jié)構(gòu)事實(shí)上是同種物質(zhì)。

塑料串珠除了可以建構(gòu)苯這類平面型分子，還可以建構(gòu)如立方烷、C60以及廈門大學(xué)謝素原教授課題組在2004年《科學(xué)》雜志上發(fā)表的C50Cl10等結(jié)構(gòu)模型，如圖11所示，串珠模型對于這類籠狀立體結(jié)構(gòu)的分子，有較高的適用性。教學(xué)中，筆者給學(xué)生展示了自己建構(gòu)的籠子立體結(jié)構(gòu)分子，學(xué)生很驚奇。學(xué)生第一次發(fā)現(xiàn)原來分子結(jié)構(gòu)也可以如此美麗，激發(fā)了他們的參與熱情和探索精神。

4 總結(jié)與反思

目前高中教學(xué)，對于學(xué)生模型認(rèn)知素養(yǎng)的培養(yǎng)還處于起步階段，文獻(xiàn)也較少涉及。采用生活中常見的材料建構(gòu)化學(xué)模型，是對傳統(tǒng)的球棍模型等物質(zhì)模型的補(bǔ)充，將塑料串珠模型的建構(gòu)方法運(yùn)用于教學(xué)之中，從簡單的物質(zhì)模型出發(fā)，利于培養(yǎng)學(xué)生的建模興趣和模型認(rèn)知素養(yǎng)。在學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的過程中，多為學(xué)生建構(gòu)適宜于自己的模型創(chuàng)造條件，通過簡單易于操作的串珠模型這類物質(zhì)模型的建構(gòu)，在教學(xué)過程中有意識(shí)地教授學(xué)生一些建模的思路、方法，讓學(xué)生體驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?gòu)的過程，因?yàn)榻⒛Ｐ偷倪^程要比模型結(jié)果更為重要。

學(xué)生親自動(dòng)手制作模型可以豐富學(xué)生的感覺、知覺和表象，使學(xué)生的想象空間得到擴(kuò)展，想象力得到發(fā)揮。在教學(xué)中，教師指導(dǎo)學(xué)生制作模型應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）簡單耐用。制作的模型力求簡潔，不能過于復(fù)雜，便于學(xué)生拆解和組裝。（2）盡量真實(shí)。模型要盡量真實(shí)，以達(dá)到逼真的效果，這樣能更準(zhǔn)確地反映教學(xué)過程，有助于加深學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解。（3）易于操作。建立模型過程簡單易行有助于排除干擾，能清晰地反映原型的反應(yīng)過程，有助于學(xué)生掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容。學(xué)生模型建構(gòu)的培養(yǎng)不是一蹴而就，教師應(yīng)注重學(xué)生模型建構(gòu)能力的培養(yǎng)，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提高他們的實(shí)踐能力，推動(dòng)該領(lǐng)域的教學(xué)研究的開展，促進(jìn)化學(xué)模型建構(gòu)教學(xué)體系的完善。

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