化學(xué)的空間思維及其教學(xué)

李夢雪 吳俊明

摘要：化學(xué)空間思維對了解物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單元的空間關(guān)系及空間效應(yīng)，包括基本結(jié)構(gòu)單元間相互作用、基本結(jié)構(gòu)單元對物質(zhì)宏觀性質(zhì)的影響，以及宏觀層面的晶體形狀等問題有重要作用。界定了空間、空間思維、化學(xué)的空間思維，研究了化學(xué)空間思維發(fā)展的歷史脈絡(luò)，分析了化學(xué)教材中涉及化學(xué)空間的內(nèi)容分布情況，討論了化學(xué)空間思維的教學(xué)策略思路、化學(xué)空間思維的測量及訓(xùn)練方法。

關(guān)鍵詞：空間思維;化學(xué)空間思維;化學(xué)空間思維教學(xué)

1 空間

1.1 作為科學(xué)名詞的空間

作為科學(xué)名詞的空間，是與時(shí)間相對的一種物質(zhì)客觀存在形式，兩者密不可分。按照宇宙大爆炸理論，宇宙從奇點(diǎn)爆炸之后，宇宙的狀態(tài)由初始的“一”分裂開來，從而有了不同的存在形式、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等差異，物與物的位置差異度量稱之為“空間”，位置的變化則由“時(shí)間”度量?？臻g由長度、寬度、高度、大小表現(xiàn)出來[1]。

空間是具體事物的組成部分，是具體事物具有的一般規(guī)定。眼睛可以看到、手可以觸到的具體事物，都是處在一定空間位置中的具體事物，都具有空間的具體規(guī)定，沒有空間規(guī)定的具體事物是根本不存在的[2]。

空間沒有邊界并且永遠(yuǎn)存在，即“空間無界永在”，被稱為“空間公理”。

從經(jīng)典物理學(xué)的角度看，物體存在運(yùn)動(dòng)的（有限或無限的）場所，即三維區(qū)域，稱為（三維）空間。任何空間點(diǎn)都必然出現(xiàn)在當(dāng)前時(shí)刻，是空間與時(shí)間的基本關(guān)系。根據(jù)狹義相對論中的四維時(shí)空概念，時(shí)空間隔是不變量，即時(shí)間和空間之間沒有間隔，“空間永現(xiàn)于當(dāng)前時(shí)刻”。

空間使事物具有了變化性：因?yàn)榭臻g的存在，所以事物才可以發(fā)生變化。

從數(shù)學(xué)的角度看，空間是指一種具有特殊性質(zhì)及一些額外結(jié)構(gòu)的集合。具體地說，空間是“點(diǎn)”（即元素）的集合或具有某種幾何結(jié)構(gòu)的集合，例如n維空間、黎曼空間等等。

1.2 各種各樣的空間

宇宙空間、物理空間、數(shù)學(xué)空間等等，都屬于“作為科學(xué)名詞的空間”的范疇。

通常所說的宇宙空間（Space），是指地球大氣以外的空間，又稱為外層空間或外太空，簡稱太空，一般定義為大約距離地球表面1000千米之外的空間。

物理空間是客觀存在的真實(shí)的空間，有一定尺度的幾何空間，可以客觀測量。據(jù)說有十個(gè)維度，其中有七維空間卷曲在三維空間內(nèi)部，是我們觀察不到的。

數(shù)學(xué)中不存在單稱為“空間”的數(shù)學(xué)對象，常見的空間類型有仿射空間、拓?fù)淇臻g、一致空間、向量空間（或稱線性空間）、度量空間、歐幾里得空間、希爾伯特空間、射影空間、函數(shù)空間、樣本空間、概率空間等等。在初等數(shù)學(xué)或中學(xué)數(shù)學(xué)中，空間通常指三維空間，常常涉及位置關(guān)系和度量問題。

空間概念引申到網(wǎng)絡(luò)、信息學(xué)、思維學(xué)等領(lǐng)域，產(chǎn)生了網(wǎng)絡(luò)空間、信息空間、思維空間等概念，它們代表目標(biāo)事物的概念范圍。事物的抽象概念是參照于空間存在的[3]。但是，這類“空間”（例如“情的空間”“知的空間”）跟作為科學(xué)名詞的空間有所不同，要注意區(qū)分[4]。與此有關(guān)，所謂空間思維也有類似的情況：一類是指關(guān)于三維空間的思維，另一類是引申意義的，是指跳出點(diǎn)、線、面的限制去思考問題的思維方式，例如“多元思維”“全方位思維”“整體思維”或“多維型思維”等等。

在中藥學(xué)與西方現(xiàn)代藥學(xué)中，要通過對每一個(gè)分子計(jì)算一系列的分子描述符，用這些描述符來刻畫其性質(zhì)，并用這些數(shù)值作為一個(gè)個(gè)點(diǎn)構(gòu)成多維空間，將化合物映射到多維空間中的一個(gè)點(diǎn)，通過判斷多維空間中兩點(diǎn)之間的距離來對比分子的相似性，進(jìn)而推測兩個(gè)化合物性質(zhì)的相似性。通過一些特定選擇的描述符來描述化合物的性質(zhì)，所形成的多維描述符空間被稱為化學(xué)空間[5]。顯然，這里的“化學(xué)空間”也是引申性的，在其他領(lǐng)域未見采用。

2 空間思維

所謂空間思維，是指基于空間的屬性和特點(diǎn)，著眼于事物的空間，在腦內(nèi)進(jìn)行的、對空間事物進(jìn)行的一系列分析與判斷、認(rèn)知與操作的思維過程，包括確定物體的形狀（空間分布）、位置、空間關(guān)系、動(dòng)靜態(tài)關(guān)系，通過想象和視覺化形成新的形狀、位置、空間關(guān)系表象等等，是指向目標(biāo)事物跟空間有關(guān)問題解決的間接和概括的意識(shí)活動(dòng)。簡單地說，空間思維是人腦中指向空間問題解決的間接和概括的認(rèn)知活動(dòng)。

跟對象形狀、位置、空間關(guān)系有關(guān)的問題，空間概念及空間表征，對象的空間變換規(guī)則和變化規(guī)律是空間思維的基本內(nèi)容。

空間思維能力涉及對空間的意義理解和表征，涉及形成空間內(nèi)外結(jié)構(gòu)與動(dòng)靜關(guān)系的表象，涉及形成有關(guān)問題，形成分析、解決問題的方案并獲得答案。

3 化學(xué)的空間思維

化學(xué)的空間思維主要解決涉及微觀層面的微?？臻g分布/堆積情況和相互作用、對宏觀性質(zhì)的影響（尋找規(guī)律，如鍵長的影響、鍵角的影響）以及宏觀層面的晶體形狀等問題。為解決涉及微觀層面的微?？臻g分布/堆積情況的問題，常常需要建立模型，進(jìn)行分析、模擬、旋轉(zhuǎn)、透視、轉(zhuǎn)換、匹配、表征等活動(dòng)。為解決涉及微粒相互作用、對宏觀性質(zhì)的影響和宏觀對稱性問題，需要尋找有關(guān)規(guī)律，確定某些規(guī)則。

關(guān)于基本結(jié)構(gòu)單元（組成微粒）空間關(guān)系及空間效應(yīng)的思維，即化學(xué)的空間思維，以及關(guān)于基本結(jié)構(gòu)單元（組成微粒）的思維、關(guān)于基本結(jié)構(gòu)單元（組成微粒）之間相互作用的思維，都是化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維的三大基本內(nèi)容之一[6]。中學(xué)化學(xué)中空間思維的主要問題及解析過程如表1所示。

化學(xué)空間思維含旋轉(zhuǎn)、透視、轉(zhuǎn)換、匹配，尋找對稱元素、定位、想象—尋找有關(guān)聯(lián)系、表征等思維操作，以及空間信息的化學(xué)問題解決策略。

4 化學(xué)空間思維發(fā)展的歷史追溯

對化學(xué)空間的研究最先開始于原子內(nèi)部空間的研究。道爾頓（J. John Dalton，1766～1844）創(chuàng)立原子學(xué)說以后，很長時(shí)間內(nèi)人們都認(rèn)為原子就像一個(gè)小得不能再小的實(shí)心球。1869年發(fā)現(xiàn)陰極射線以后，湯姆生（Joseph John Thomson，1856～1940）發(fā)現(xiàn)了電子的存在，提出了原子的葡萄干面包模型。隨后，原子放射性的發(fā)現(xiàn)促使盧瑟福（Ernest Rutherford，1871～1937）提出了原子行星模型。玻爾（Niels Henrik David Bohr，1885～1962）則在盧瑟福模型的基礎(chǔ)上，提出了電子在核外的量子化軌道。

1811年阿伏伽德羅（Avogadro A.，1776～1856）提出分子概念后，化學(xué)家對分子的空間開始感興趣，發(fā)現(xiàn)分子空間的研究涉及原子在空間中的位置，并與原子在分子中的成鍵情形與空間排列有關(guān)系。

分子空間的研究最先從分子內(nèi)部相鄰原子間聯(lián)結(jié)的方式和次序的研究開始。原子間聯(lián)結(jié)方式和次序的研究開始于分子結(jié)構(gòu)式和化學(xué)鍵的研究。19世紀(jì)初，弗蘭克蘭（Frankland Edward，1825～1899）提出在分子中原子間按“化合價(jià)”結(jié)合，且這種“化學(xué)價(jià)”無正負(fù)之分。20世紀(jì)初，美國化學(xué)家路易斯（Gilbert Newton Lewis，1875～1946）提出“化學(xué)價(jià)”實(shí)質(zhì)上是原子能夠用來形成共用電子對的電子數(shù)，分子中除鍵合電子外，還經(jīng)常存在未用于形成共價(jià)鍵的非鍵合電子（孤對電子）[7]。共價(jià)鍵的提出促進(jìn)了溶液中、金屬中原子間空間思維的發(fā)展，產(chǎn)生了離子鍵、金屬鍵概念。

雖然分子結(jié)構(gòu)式和化學(xué)鍵能夠反映分子內(nèi)或晶體內(nèi)相鄰兩個(gè)或多個(gè)原子（或離子）間的聯(lián)結(jié)，卻是側(cè)重于平面維度的聯(lián)結(jié)，未能反映分子或晶體單獨(dú)的、整體的形狀分布。

隨著貝采利烏斯（Jns Jakob Berzelius，1779～1848）于1830年發(fā)現(xiàn)了同分異構(gòu)現(xiàn)象，人們開始逐漸意識(shí)到不同分子或晶體的空間形狀不同，組成相同的分子可能具有不同的空間形狀。不過此時(shí)大部分人都認(rèn)為分子或晶體形狀都是平面形的，即分子內(nèi)或晶體內(nèi)所有原子都處在同一個(gè)平面內(nèi)。直到19世紀(jì)中葉至19世紀(jì)末，巴斯德（Louis Pasteur，1822～1895）、威利森努斯（Johannes Wislicenus，1835～1902）等人發(fā)現(xiàn)酒石酸、乳酸等有機(jī)化合物存在旋光異構(gòu)現(xiàn)象，凱庫勒（FriedrichA·Kekule，1829～1896）提出了碳四價(jià)的特殊性、有機(jī)物碳鏈結(jié)構(gòu)、苯的環(huán)狀結(jié)構(gòu)……才將人們對分子內(nèi)原子間的排列次序的注意力轉(zhuǎn)移到了分子的立體形狀。范特霍夫（Jacobus Henricus vant Hoff，1852～1911）針對有機(jī)物異構(gòu)體現(xiàn)象在理論與實(shí)際中的不統(tǒng)一提出設(shè)想，把碳原子的價(jià)鍵看成直接指向一個(gè)四面體的各個(gè)角，碳原子位于四面體的中心。這樣就把分子空間分布由平面推向立體，解釋了許多由于原子的空間排列不同而引起的立體異構(gòu)現(xiàn)象，為立體化學(xué)的形成奠定了基礎(chǔ)[8]。之后，隨著觀察、實(shí)驗(yàn)方法的進(jìn)步，發(fā)現(xiàn)大部分的化合物并非是平面結(jié)構(gòu)，不同分子的構(gòu)造不同;對于由成千上萬個(gè)C—C單鍵所組成的高分子鏈，由于每個(gè)單鍵可以做不同程度的內(nèi)旋轉(zhuǎn)，分子內(nèi)原子在空間的排布方式隨之不斷地變更而取不同的構(gòu)象。

總體來看，人們逐步發(fā)現(xiàn)，原子內(nèi)部呈現(xiàn)一定的空間結(jié)構(gòu);分子或晶體中原子不是雜亂無章排列在一起，而是按照一定規(guī)律結(jié)合，從而使分子或晶體在空間呈現(xiàn)出一定的幾何形狀，相同分子內(nèi)原子的排列可能不同。

早期人類探索化學(xué)空間的思維過程有如下特點(diǎn)：

由經(jīng)驗(yàn)歸納到假設(shè)檢驗(yàn)再到實(shí)驗(yàn)論證。

從線式、平面的維度到立體的維度。

從構(gòu)造（原子間的聯(lián)結(jié)方式和次序）到構(gòu)型（分子的空間形狀）再到構(gòu)象（有機(jī)化合物分子中，由C—C單鍵旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的原子或基團(tuán)在空間排列的無數(shù)特定的形象）。

化學(xué)空間思維主要依賴于想象、模型、觀察、實(shí)驗(yàn)、邏輯論證的手段和方法。

5 現(xiàn)代化學(xué)空間思維的發(fā)展與深化

早期化學(xué)空間思維更多地從定性分析的角度探討微觀層面的微粒空間分布和相互作用，雖然有實(shí)驗(yàn)事實(shí)作為觀點(diǎn)的依據(jù)和支撐，但是缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撘罁?jù)和科學(xué)的定量分析手段。隨著科學(xué)的進(jìn)步與科學(xué)方法的發(fā)展，化學(xué)空間思維得以發(fā)展和深化。尤其是物理測量方法、量子力學(xué)、數(shù)學(xué)方法和計(jì)算機(jī)的運(yùn)用，促使化學(xué)空間思維向著多元化、抽象化、理性化的方向發(fā)展。

例如，20世紀(jì)中葉，多種物理測量方法如X射線技術(shù)、電子衍射技術(shù)、分子吸收光譜、分子偶極運(yùn)動(dòng)、核磁共振等進(jìn)入化學(xué)結(jié)構(gòu)的研究領(lǐng)域，人們開始認(rèn)識(shí)到化學(xué)空間是可以直接觀察和測量的，通過這些物理測量方法可以比化學(xué)分析方法更快確定化學(xué)空間的形狀和細(xì)節(jié)。威廉·亨利·布拉格（Sir William Henry Bragg，1862～1942）就利用X射線觀察金剛石晶體中的原子排列，發(fā)現(xiàn)金剛石晶體中，每個(gè)碳原子與相鄰的四個(gè)碳原子緊密結(jié)合，形成致密的三角錐結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)一個(gè)正四面體的形狀。化學(xué)家們還通過電子衍射法驗(yàn)證了環(huán)己烷的非平面結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了直立鍵和平伏鍵的差異。

同時(shí)，量子力學(xué)的運(yùn)用也加深了人們對化學(xué)空間的認(rèn)識(shí)。薛定諤方程以及波函數(shù)的運(yùn)用，揭示了原子結(jié)構(gòu)、共價(jià)鍵和雙原子分子結(jié)構(gòu)的本質(zhì)，以及原子軌道、分子軌道成鍵的過程。人們逐漸認(rèn)識(shí)到微粒的空間分布、微粒間相互作用、晶體的形狀等空間問題可以通過理論推演得出。化學(xué)家們推演出了用來判定分子空間分布的幾何構(gòu)型的理論。海特勒（Heitter，W.）、倫敦（London，F(xiàn).）、鮑林（Pauling，L.）等人把量子力學(xué)理論應(yīng)用到分子結(jié)構(gòu)中，建立了現(xiàn)代價(jià)鍵理論;1932年，密立根（Mulliken）和洪特（Hund）從分子中電子空間狀態(tài)的角度提出了分子軌道理論;后來，為了更好地解釋分子的實(shí)際空間構(gòu)型和穩(wěn)定性，鮑林（Pauling，L.）在“電子配對”假設(shè)的基礎(chǔ)上又提出了“軌道雜化理論”[9]。

幾何方法、圖論等數(shù)學(xué)方法的運(yùn)用，促使化學(xué)空間思維改進(jìn)了早期主要依靠幾何想象推理的思維方式，如早期范特霍夫完全依靠幾何推理，提出分子存在立體的空間分布。數(shù)學(xué)方法在化學(xué)空間思維發(fā)展中的運(yùn)用，主要是借鑒其思維方式和分析解決問題的過程和方法。具體表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

首先是幾何思維（對稱、平移、空間坐標(biāo)系等）的應(yīng)用，其中應(yīng)用較為廣泛的是對稱思維。在研究分子內(nèi)部相同原子原子團(tuán)的等效性、原子軌道成鍵過程中原子間總是盡可能沿著原子軌道最大重疊的方向成鍵[10]等問題時(shí)，可以用軸對稱思維加以解釋;在研究不同液體“相似相溶”現(xiàn)象以及分子極性時(shí)，可以用中心對稱思維確定分子中的對稱元素是否只交于一點(diǎn)（偶極矩是否為零）、分子中正負(fù)電荷中心是否重合，即分子是否有極性[11]?；瘜W(xué)中還存在特殊的對稱思維，如手性實(shí)際上涉及分子內(nèi)是否有任意次映軸Sn等對稱元素的對稱性，可以用來解釋分子的旋光性。對稱思維對化學(xué)空間思維的啟示和發(fā)展不僅局限于研究物質(zhì)的靜態(tài)性質(zhì)，也可以用來解釋分子在反應(yīng)過程中的機(jī)理，從理論上分析，當(dāng)一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物和產(chǎn)物的分子軌道對稱性一致時(shí)，反應(yīng)就易于發(fā)生，不一致時(shí)，反應(yīng)就難以進(jìn)行。除對稱思維外，還可以運(yùn)用平移思維和坐標(biāo)系思維研究晶體的空間結(jié)構(gòu)，晶體是由完全等同的晶胞無縫平移堆積而成，晶胞具有相同的頂角、相同的平行面和相同的平行棱;可以用空間坐標(biāo)系的方法來標(biāo)注晶胞中原子的位置，用來判斷平均每個(gè)晶胞中原子個(gè)數(shù)。

其次是圖論思維的應(yīng)用?；瘜W(xué)中一直以來就常用圖（式）來表示空間分布：從早期分子結(jié)構(gòu)式到路易斯結(jié)構(gòu)式，再到后來分子的空間構(gòu)型、構(gòu)象，晶體的空間點(diǎn)陣式。用圖（式）不僅可以反映不同分子或晶體、相同分子間的空間形式、形狀及細(xì)節(jié)，也可以表述反應(yīng)步驟的復(fù)雜序列（如玻恩圖）。

以上種種方法運(yùn)用在化學(xué)空間研究中，使得化學(xué)空間思維逐步細(xì)致和豐富。但是，由于不同微粒具有不同的質(zhì)量、體積以及電荷、變形等性質(zhì)，化學(xué)空間研究不能單純地只應(yīng)用幾何思維和物理測量等方法，還需要考慮到化學(xué)中特有的一些空間效應(yīng)，如空間位阻、誘導(dǎo)、共軛，才能更完美地解釋化學(xué)空間分布現(xiàn)象。

總的來看，現(xiàn)代化學(xué)空間思維的發(fā)展和深化表現(xiàn)出以下特點(diǎn)：

逐漸放棄了盲目性較大的猜想—驗(yàn)證的思維方式，測量—推演逐漸成為主導(dǎo)的思維方式。

由片面的思維方式逐步走向整體的思維方式。早期對物質(zhì)空間接結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)比較片面，往往停留在想象層面，后來結(jié)合一些測量方法、數(shù)學(xué)方法、量子力學(xué)等，才逐漸認(rèn)識(shí)到物質(zhì)空間結(jié)構(gòu)是內(nèi)外相互作用、豐富的、具體的。

6 中學(xué)化學(xué)中的化學(xué)空間思維

現(xiàn)行中學(xué)化學(xué)教材中有關(guān)化學(xué)空間的內(nèi)容分布情況如表2、表3[12]所示。大體上包含的內(nèi)容有：

原子內(nèi)部電子的空間排布。

分子的空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，包括原子間連接順序、成鍵方式和空間排布。

化學(xué)鍵的類型、形成、與空間結(jié)構(gòu)判斷的關(guān)系。

晶體中構(gòu)成微粒的空間排布方式。

有機(jī)化合物中存在的同分異構(gòu)現(xiàn)象。

有機(jī)化合物基團(tuán)之間的空間影響。

3.1 原子結(jié)構(gòu)與元素周期律

認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)，了解原子核外排布。能畫出1～20號(hào)元素原子的原子結(jié)構(gòu)示意圖。教學(xué)中應(yīng)注重運(yùn)用實(shí)驗(yàn)事實(shí)、數(shù)據(jù)等證據(jù)素材，幫助學(xué)生轉(zhuǎn)變偏差認(rèn)識(shí)。

3.2 化學(xué)鍵

認(rèn)識(shí)構(gòu)成物質(zhì)的微粒之間存在相互作用，結(jié)合典型實(shí)例認(rèn)識(shí)離子鍵和共價(jià)鍵的形成，建立化學(xué)鍵概念。知道分子存在一定的空間結(jié)構(gòu)。能判斷離子化合物和共價(jià)化合物中的化學(xué)鍵類型。注重組織學(xué)生開展概括關(guān)聯(lián)、比較說明、推論預(yù)測、設(shè)計(jì)論證等活動(dòng)。

4.1 有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

知道有機(jī)化合物分子是有空間結(jié)構(gòu)的，以甲烷、乙烯、乙炔、苯為例認(rèn)識(shí)碳原子的成鍵特點(diǎn)。能辨識(shí)常見有機(jī)化合物分子中的碳骨架和官能團(tuán)。能搭建甲烷和乙烷的立體模型。通過模型拼插等活動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)有機(jī)化合物中碳原子的成鍵特點(diǎn)、價(jià)鍵類型和簡單分子的空間結(jié)構(gòu)。

4.1 有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

知道有機(jī)化合物存在同分異構(gòu)現(xiàn)象。能寫出丁烷和戊烷的同分異構(gòu)體。通過模型拼插等活動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)有機(jī)化合物中碳原子的成鍵特點(diǎn)、價(jià)鍵類型和簡單分子的空間結(jié)構(gòu)。

模塊2 物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)1.1 原子核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

了解有關(guān)核外電子運(yùn)用模型的歷史發(fā)展過程。知道電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（空間分布及能量）可通過原子軌道和電子云模型來描述。能說明微粒粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與宏觀物體運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的差異。

能結(jié)合能量最低原理、泡利不相容原理、洪特規(guī)則書寫1～36號(hào)元素基態(tài)原子的核外電子排布式和軌道表示式，并說明含義。引導(dǎo)學(xué)生反思已有理論模型的局限，建立新的原子結(jié)構(gòu)模型。借助科學(xué)史的故事和素材多角度展示人類對微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)過程，促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解。

2.2 共價(jià)鍵本質(zhì)和特征

認(rèn)識(shí)原子間通過原子軌道重疊形成共價(jià)鍵，了解共價(jià)鍵具有飽和性和方向性。知道原子軌道的重疊方式，共價(jià)鍵可分為σ鍵和π鍵等類型;共價(jià)鍵的鍵能、鍵長和鍵角可以用來描述鍵的強(qiáng)弱和分子的空間結(jié)構(gòu)。能根據(jù)共價(jià)分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)說明簡單分子的某些性質(zhì)。借助事物模型、計(jì)算機(jī)軟件模型、視頻等多種直觀手段，充分發(fā)揮學(xué)生搭建分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)模型等活動(dòng)的作用，降低教學(xué)內(nèi)容抽象性，促進(jìn)學(xué)生對相關(guān)內(nèi)容的理解和認(rèn)識(shí)。

2.3 分子的空間結(jié)構(gòu)

結(jié)合實(shí)例了解共價(jià)分子具有特定的空間結(jié)構(gòu)，并可運(yùn)用相關(guān)理論和模型進(jìn)行解釋和預(yù)測。知道分子的結(jié)構(gòu)可以通過波譜、晶體X射線衍射技術(shù)進(jìn)行測定。知道分子極性與鍵的極性、分子的空間結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。能根據(jù)給定的信息分析常見分子空間結(jié)構(gòu)，能利用相關(guān)理論解釋簡單的共價(jià)分子的空間結(jié)構(gòu)。借助事物模型、計(jì)算機(jī)軟件模型、視頻等多種直觀手段，充分發(fā)揮學(xué)生搭建分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)模型等活動(dòng)的作用，降低教學(xué)內(nèi)容抽象性，促進(jìn)學(xué)生對相關(guān)內(nèi)容的理解和認(rèn)識(shí)。

2.4 晶體和聚集狀態(tài)

了解晶體中微粒的空間排布存在周期性，認(rèn)識(shí)簡單的晶胞。能從微粒的空間排布及其相互作用的角度對生產(chǎn)、生活、科學(xué)研究中的簡單案例進(jìn)行分析。借助事物模型、計(jì)算機(jī)軟件模型、視頻等多種直觀手段，充分發(fā)揮學(xué)生搭建分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)模型等活動(dòng)的作用，降低教學(xué)內(nèi)容抽象性，促進(jìn)學(xué)生對相關(guān)內(nèi)容的理解和認(rèn)識(shí)。

3.2 認(rèn)識(shí)物質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)可以借助某些實(shí)驗(yàn)手段來測定。通過這些手段所獲得的信息為建立物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型或相關(guān)理論提供支撐。能說明原子光譜、分子光譜、聚集態(tài)等不同尺度上結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對物質(zhì)性質(zhì)的影響。選取與現(xiàn)實(shí)生活與科學(xué)前沿密切相關(guān)的案例，促使學(xué)生認(rèn)識(shí)研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的價(jià)值。通過查閱文獻(xiàn)、聽專家講座、觀看化學(xué)影視資料等多種途徑開展教學(xué)，開闊學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)奧秘的熱情。

模塊3 有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)1.1 有機(jī)化合物的分子結(jié)構(gòu)

認(rèn)識(shí)有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)決定于原子間連接順序、成鍵方式和空間排布，認(rèn)識(shí)有機(jī)化合物存在構(gòu)造異構(gòu)和立體異構(gòu)等同分異構(gòu)現(xiàn)象。能辨識(shí)有機(jī)化合物分子中的官能團(tuán)。能辨識(shí)同分異構(gòu)現(xiàn)象，能寫出符合特定條件的同分異構(gòu)體，能舉例說明立體異構(gòu)現(xiàn)象。通過模型拼插或動(dòng)畫模擬建立對有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)的直觀認(rèn)識(shí)，利用物質(zhì)結(jié)構(gòu)的有關(guān)理論幫助學(xué)生理解有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，碳原子結(jié)構(gòu)特征及其成鍵特征和分子空間結(jié)構(gòu)的決定作用。

1.3 有機(jī)化合物中的化學(xué)鍵

認(rèn)識(shí)有機(jī)化合物分子中共價(jià)鍵的類型、極性及其與有機(jī)反應(yīng)的關(guān)系，知道有機(jī)化合物分子中基團(tuán)之間的相互影響會(huì)導(dǎo)致鍵的極性發(fā)生改變，從化學(xué)鍵角度認(rèn)識(shí)官能團(tuán)與有機(jī)化合物之間是如何相互轉(zhuǎn)化的。判斷有機(jī)化合物分子中碳原子的飽和程度、鍵的類型，分析鍵的極性;能根據(jù)有機(jī)化合物分子的結(jié)構(gòu)特征分析簡單化合物的某些化學(xué)性質(zhì)。通過對有機(jī)化合物性質(zhì)的分析解釋活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)官能團(tuán)、碳原子的飽和性和化學(xué)鍵的極性的有機(jī)化合物性質(zhì)的決定作用;結(jié)合典型案例認(rèn)識(shí)有機(jī)化合物分子中基團(tuán)間存在相互影響，并適當(dāng)開展基于結(jié)構(gòu)分析預(yù)測性質(zhì)和反應(yīng)的學(xué)習(xí)活動(dòng)。

中學(xué)化學(xué)教學(xué)中如何培養(yǎng)化學(xué)空間思維

對化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的空間思維內(nèi)容及要求，要分別選擇不同的教學(xué)策略和思路。具體地說，思路主要有三個(gè)：

第一個(gè)思路是模型觀察—想象—定位，主要應(yīng)用于分子和晶體的空間構(gòu)型、化學(xué)鍵的本質(zhì)和形成，用實(shí)物模型、計(jì)算機(jī)虛擬圖形、動(dòng)畫、分析模型等手段，展示分子的空間分布與排布。根據(jù)對模型不同角度的觀察綜合成對分子空間狀態(tài)的完整想象，根據(jù)宏觀模型的拼插定位分子內(nèi)相鄰原子的連接順序，建立宏觀模型與微觀空間結(jié)構(gòu)的聯(lián)系，促使學(xué)生的思維脫離具體模型。以甲烷空間構(gòu)型教學(xué)為例，給定一個(gè)甲烷的空間模型圖（見圖1），學(xué)生先觀察各原子對應(yīng)的位置，P、 A、 B、 C為氫原子位置，F(xiàn)為碳原子位置，先后通過點(diǎn)P作

第二個(gè)思路是經(jīng)驗(yàn)歸納—假設(shè)檢驗(yàn)—證據(jù)驗(yàn)證，主要應(yīng)用于原子的空間分布上，根據(jù)先行認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)作出假設(shè)，用實(shí)驗(yàn)事實(shí)、數(shù)據(jù)、科學(xué)史料等證據(jù)來驗(yàn)證，開展比較說明與邏輯推理。

第三個(gè)思路是測量—推斷—表征，主要應(yīng)用于同分異構(gòu)體的空間排布，通過電子衍射法等技術(shù)手段判斷有機(jī)化合物同分異構(gòu)類型，用數(shù)學(xué)方法推斷可能的同分異構(gòu)體，并以一定表征方式如結(jié)構(gòu)式體現(xiàn)。

空間思維對化學(xué)學(xué)習(xí)非常重要。

學(xué)生化學(xué)空間思維能力的高低可以通過一些工具來測量。Oliver-Hoyo和Sloan編制了“化學(xué)空間思維能力測試卷”，包含33個(gè)測試問題，認(rèn)為化學(xué)空間思維能力包含視覺空間技能、多個(gè)視角、與記憶能力相關(guān)三個(gè)方面的主要因素[14]。Bodner和McMillen通過普渡旋轉(zhuǎn)視覺化測試、尋找形狀拼圖測試等來測量《普通化學(xué)》課程中的空間能力[15]。谷進(jìn)娟聯(lián)系高中化學(xué)學(xué)習(xí)從空間知覺、空間定位、空間想象三個(gè)方面編制了相應(yīng)的測試題目[16]，可供教學(xué)時(shí)參考。

如何促進(jìn)不同水平學(xué)生化學(xué)空間思維的提高和發(fā)展？筆者認(rèn)為，首先要開發(fā)和使用相應(yīng)的視覺化工具，如實(shí)物模型、虛擬圖形、動(dòng)畫、分析模型等，促進(jìn)學(xué)生對微粒整體空間分布/堆積情況和相互作用的想象，形成空間形象或空間印象;第二要借助結(jié)構(gòu)示意圖、二維和三維的結(jié)構(gòu)表征，引導(dǎo)學(xué)生通過定位、心理旋轉(zhuǎn)、透視、轉(zhuǎn)換等思維操作理解空間伸展方向、原子的共面與共線等深度的空間信息;第三要結(jié)合物理測量方法、數(shù)學(xué)方法、信息技術(shù)（如虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)）的應(yīng)用來輔助學(xué)生提高空間分析技巧和空間思維的能力;第四要注意化學(xué)空間思維從平面到立體、從相互作用到空間分布、從構(gòu)造到構(gòu)型再到構(gòu)象、從猜想驗(yàn)證到測量推理的發(fā)展順序。

參考文獻(xiàn)：

[1][4]https：//baike.baidu.com/item/空間/55280？fr=aladdin.

[2]https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1611312621367609063&wfr=spider&for=pc.

[3]《數(shù)學(xué)辭?！肺瘑T會(huì). 數(shù)學(xué)辭海·第6卷[M]. 太原：山西教育出版社，2002.

[5]https：//baike.baidu.com/item/化學(xué)空間/6899746？fr=aladdin.

[6]吳俊明，錢秋萍. 化學(xué)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維與教學(xué)[J]. 化學(xué)教學(xué)，2018，（11）： 7～16.

[7]北京師范大學(xué)無機(jī)化學(xué)教研室等. 無機(jī)化學(xué)（上冊）（第四版）[M]. 北京：高等教育出版社，2002：67.

[8]陳英成，蔡昆，馮光瑛. 立體化學(xué)研究的思維方式和科學(xué)方法[J]. 西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2000，（1）：63～66.

[9]https：//baike.baidu.com/reference/22176193/d455LEtne

Px5J6SXFqyPt6pHXfRVv5slCmhXwO-XwbKJLq2gIwxkZqO4aPni

8YObKBqtqV5RcigGtnw-dwsarVidJMAMjM0S5wz7-tZLQ6BKoeq_SQ.

[10]https：//baike.baidu.com/item/最大重疊原理/9021045.

[11]陳年友. 對稱性在基礎(chǔ)化學(xué)中的作用[J]. 黃岡師專學(xué)報(bào)，1988，（3）：67～70.

[12]中華人民共和國教育部定制. 普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社，2018.

[13]趙金和，蘭翠玲，陳華妮. 從簡單分子鍵角計(jì)算談空間想象能力的培養(yǎng)[J]. 廣東化工，2011，38（10）：188+196.

[14][15]魏釗，王后雄. 化學(xué)學(xué)習(xí)中的空間能力研究[J]. 化學(xué)教學(xué)，2018，（3）：12～17.

[16]谷進(jìn)娟. 高中生化學(xué)空間思維能力的性別差異研究[D]. 武漢：華中師范大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.