基于Gauss View培養(yǎng)化學學科核心素養(yǎng)的宏觀辨識與微觀探析

張崇海洋，李雨遙，楊秀培

（西華師范大學 化學化工學院，四川 南充 637002）

目前，我國已進入了飛速發(fā)展的階段，在這個時期，各行各業(yè)對新型人才的需求越來越緊迫。學校是人才培養(yǎng)的第一基地，而以往“重結(jié)果輕過程”的培養(yǎng)方式明顯不能繼續(xù)為國家提供更多、更優(yōu)秀的人才，因此，教育方式的轉(zhuǎn)變迫在眉睫。普通高中化學課程標準（2017年版）[1]于2018年1月發(fā)布之后，“五大核心素養(yǎng)”取代“三維教學目標”成為了新時代教育的指引方針?！昂暧^辨識與微觀探析”是五大核心素養(yǎng)的第一條，其余四條分別是“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認知”“科學精神與社會責任”“科學探究與創(chuàng)新意識”，其中第一條最具化學學科的特點，宏微觀之間的聯(lián)系與區(qū)別是新時代化學學科教學過程中的重中之重。

本研究先后界定“核心素養(yǎng)”與“宏觀辨識與微觀探析”之后，將實際課堂的教學片段與微觀視圖教學軟件Gauss View 5.0結(jié)合起來，以人教版選擇性必修3教材中的“有機化合物的結(jié)構(gòu)特點與研究方法”為例，通過教學過程中具體知識點的重、難點的針對性教學，探討了如何利用Gauss View來提升化學學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)質(zhì)量，可為中學充分借助現(xiàn)代教學手段提升教學效果提供參考。

1 宏觀辨識與微觀探析核心素養(yǎng)培養(yǎng)現(xiàn)狀

1.1 研究現(xiàn)狀

核心素養(yǎng)一詞最開始是從國外傳進國內(nèi)的。自從“核心素養(yǎng)”一詞走進人們的視野后，各界學者就開始了對它的研究，以中國知網(wǎng)為數(shù)據(jù)來源，以“化學學科核心素養(yǎng)”為主題進行高級檢索，近年來，每年的文章數(shù)量都在快速上漲。尤其是在2014年之后，變化最為明顯。根據(jù)王曉芳【2]等人，對于核心素養(yǎng)的研究發(fā)文趨勢如圖1所示。由此可見，對核心素養(yǎng)的研究正在如火如荼地進行著。

圖1 近年發(fā)表有關(guān)核心素養(yǎng)的文章趨勢圖

1.2 何為核心素養(yǎng)

時代變化，社會在發(fā)展，學校作為培養(yǎng)適合社會發(fā)展的人才的第一道戰(zhàn)線，其教育方式方法也需要與時俱進?！拔ǚ謹?shù)論”的教育已經(jīng)不合時宜，我們需要培養(yǎng)的是具有高素質(zhì)、高標準并且能為社會進步作出貢獻的人才。在以前的教學當中，我們都以三維目標作為課堂的教學目標，在2018年改革之后核心素養(yǎng)一詞才漸漸出現(xiàn)在人們的視野當中。在時代的洪流中，我們需要大量的新型人才，以往的教學三維目標已經(jīng)不足以支撐這種跨時代的需求，我們需要新的教學目標來作為人才輸送的保障。五點核心素養(yǎng)之間的關(guān)系模型由圖2所示。

圖2 核心素養(yǎng)之間的關(guān)系

“核心素養(yǎng)”概念在其發(fā)展歷程中有著不同的界定。早在1997年，經(jīng)合組織（OECD）就開始了研究，提出了“素養(yǎng)的界定與遴選：理論和概念基礎”。這是“素養(yǎng)”一詞的開端。6年之后，OECD又出版了《核心素養(yǎng)促進成功的生活和健全的社會》。2005年，OECD 再次頒布《核心素養(yǎng)的界定與遴選：行動綱要》。[3]2006年，歐盟和歐洲議會在此基礎上繼續(xù)研究，將核心素養(yǎng)歸為從知識、能力與態(tài)度三個維度進行定義的八個方面，分別為：母語、外語、數(shù)學與科學技術(shù)素養(yǎng)、創(chuàng)業(yè)精神、信息素養(yǎng)、學習能力、公民與社會素養(yǎng)及藝術(shù)素養(yǎng)。

國內(nèi)學者對于核心素養(yǎng)一詞的定義，不同的人有不同的看法，其中，以下幾個觀點是比較有影響力的。2013 年辛濤等人認為，核心素養(yǎng)最重要的應該是個人對社會未來的發(fā)展作出貢獻時表現(xiàn)出來的關(guān)鍵能力等。[4]2015年，林小駒等人認為，高中化學的學科素養(yǎng)重點應該是完美人格和終身學習能力的培養(yǎng)。[5]最終在2018年，經(jīng)過嚴格的討論之后，我國教育部將化學學科的核心素養(yǎng)的定義決定為：化學學科核心素養(yǎng)是經(jīng)過化學課程學習所形成和發(fā)展的正確態(tài)度價值觀、關(guān)鍵能力和必備品格。無論是理論知識還是操作技能，科學態(tài)度還是情感價值，五大核心素養(yǎng)都將以往的三維目標涵蓋在內(nèi)，是新世紀背景下教學目標的新標桿。

新課改下的教學觀要求教學從“教會知識”轉(zhuǎn)向“教會學習”，正是在說明教學要重視學生素養(yǎng)的培養(yǎng)，同時也在督促教師更新自己的教學觀念，提高自身的教學水平。由此可以看出，核心素養(yǎng)不僅是學生通過在學校的學習需要具備的素質(zhì)，同時也是每一位教師理應擁有的。明白什么是核心素養(yǎng)，什么是化學學科的核心素養(yǎng)，對于每一位站在教育一線的化學教師都是極為重要的，捷克教育學家夸美紐斯將老師比喻為太陽底下最光輝的職業(yè)，正是因為教師培育著一代又一代的人才。通過對此的研究，相信會有越來越多具備核心素養(yǎng)的教師，培育出越來越多具備核心素養(yǎng)的人才。

1.3 宏觀辨識與微觀探析

《自然辯證法》里說過，宏觀世界與微觀世界并不是兩個完全獨立的世界，它們在某種意義上有著必然的聯(lián)系，即：宏觀世界反映著復雜的微觀世界，微觀世界則組成著我們所見所聞的宏觀世界。宏觀辨識與微觀探析素養(yǎng)作為學習化學的一個視角，是非常獨特且重要的，也是學生在學習化學時必須通過的一道難關(guān)。學習化學時，需要將宏、微觀聯(lián)系起來，從宏觀角度去辨識、說明、分析、推斷與微觀角度的聯(lián)系，形成結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)、性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)的化學觀念。[6]在高中階段的化學學習中，習得宏觀辨識與微觀探析核心素養(yǎng)極為重要，是培養(yǎng)其余四個核心素養(yǎng)的基礎。如若能習得這個核心素養(yǎng)，不僅能幫助基礎化學的學習，將其內(nèi)化為自身素養(yǎng)后，對于生活中的其他方面也有不小的幫助。

1.3.1 何為宏觀辨識

宏觀一詞其實屬于哲學術(shù)語，可以理解為用肉眼便能觀察到，《辭?！分袑Α昂暧^”解釋是“指自然學科中不考慮分子、原子、電子等物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)或機制的”[7]。辨識則為辨認之意，通過對古詞語的查閱，發(fā)現(xiàn)“辨識”一詞最早出自明朝王世貞的《觚不觚錄》：“觚之不為觚，幾莫可辨識。”宏觀辨識便可理解為：通過肉眼對某物質(zhì)或者某化學反應宏觀上變化的觀察與辨識，對該物質(zhì)或者該化學反應作出合理的判斷。宏觀上的現(xiàn)象或者變化一般可分為出現(xiàn)顏色、沉淀、生成氣體或者水等現(xiàn)象。

我們以NO2為例，在宏觀辨識層面上，表現(xiàn)為一種帶有刺激性氣味的紅棕色氣體，將該氣體溶入水之后，紅棕色慢慢褪去，加熱溶液又會使紅棕色氣體出現(xiàn)，由這化學反應的宏觀現(xiàn)象，結(jié)合學生們已經(jīng)掌握的化學知識，我們可以推斷出，該氣體為NO2，這便是宏觀辨識。

1.3.2 何為微觀探析

“微觀”一詞在《辭?！分械慕忉尀椤吧钊氲椒肿?、原子、電子等極微小的基本粒子領域的”，“探析”則可理解為探討、分析。[7]化學是一門在原子和分子的基礎上研究物質(zhì)的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及變化的基礎學科，微觀層面可以說是化學學科的靈魂所在。對于中學階段的化學物質(zhì)來說，分子是保證物質(zhì)化學性質(zhì)的最基本單位，大部分為雙原子分子，由原子組成，例如：O2、N2等。

但是為什么氧氣與氮氣就是以雙原子構(gòu)成，而稀有氣體如氖氣就只能是單原子分子呢？不少學生在學習的時候會出現(xiàn)這樣的疑問。學習完“共價鍵”這一部分知識后，我們就會知道微觀粒子為了達到較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，最外層的電子最好是有8個。如此來看，氧原子最外層只有6個電子，構(gòu)成氧氣分子時為了達到最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，就需要兩個氧原子各“共享”出2個電子，而對于氖氣來說，最外層已有8電子，不需要第二個原子來和它共同組成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，因此稀有氣體是單原子分子。這一知識點便是微觀的體現(xiàn)，從微觀的結(jié)構(gòu)研究宏觀的變化。

1.4 培養(yǎng)宏觀辨識與微觀探析素養(yǎng)時面臨的難題

我們生活的世界，目所能及之處，皆為宏觀，所以對于高中年齡段的學生來說，理解宏觀并不是什么難事。但是化學最終是要研究人們?nèi)庋鬯床灰姷奈⒂^層面的，面對未曾想象過的世界，必然會與思維能力正在發(fā)展中的中學生所熟知的宏觀世界產(chǎn)生沖突。例如，初中時化學老師告訴我們，一個氫氣分子是由兩個氫原子組成的，這時學生們的第一反應往往只是兩個氫原子緊緊挨在一起。后來到了高中，我們會學到“化學鍵”一知識，知道是氫氫鍵將連個氫原子連在一起，但是這個所謂的“氫氫鍵”到底怎么理解呢？是真真實實有一個具有形狀的物體將其連接嗎？如果是，那么這個物體是由什么構(gòu)成的呢？或者“化學鍵”僅僅是抽象出來的呢？這一系列問題，對于思維發(fā)展不夠成熟的學生來說，就是學好化學的一道道難關(guān)。

2 微觀視圖（Gauss View）軟件簡介

高斯（Gaussian）是量子化學計算軟件，也是目前最普及的量子化學計算軟件，而Gauss View 是一款專門設計于高斯配套使用的繪圖軟件，能夠?qū)⑽⒂^的分子或原子在三維的條件下放大化，并且可以對目標粒子進行編輯，例如添加或者刪除原子，或者對目標原子進行著色等操作，還可以讓它在三維空間里旋轉(zhuǎn)，這一系列動態(tài)的過程展示，更加清晰地把微觀粒子呈現(xiàn)在學生眼前。除此之外，Gauss View配套了包括計算在內(nèi)的一系列功能。由于目前高中階段不太涉及高斯的計算功能，所以本文只針對于Gauss View視圖軟件的介紹。

圖3展示了Gauss View5.0的工作界面，由主界面和工作界面兩個窗口構(gòu)成，在主界面編輯好的分子原子最終可以呈現(xiàn)在工作界面里。圖中甲烷分子的結(jié)構(gòu)、鍵角與鍵長都被清晰地展示出來。表1 展示了Gauss View主要的菜單欄及其功能。傳統(tǒng)的課堂教學中，教師可以用粉筆在黑板上畫出教學中出現(xiàn)的各種分子，但是這種2D的圖像效果必然并不如這樣一個畫圖軟件給出的3D效果，而且手動畫圖比較耗費時間，發(fā)放分子的模型給學生們觀察也可能會使課堂難以管理，最終導致課堂效率下降。時代在進步，教育必然不能落后，將現(xiàn)代化的技術(shù)運用到課堂中來，學生可以更好地看清微觀的粒子是如何存在的，幫助學生渡過想象能力這個難關(guān)，就可以在一定程度上提高課堂的效率。

圖3 Gauss View5.0界面

表1 Gauss View主要的菜單欄及其功能

例如甲烷，甲烷是學生們最早接觸到的標志性有機物，由一個碳原子和四個氫原子構(gòu)成，它的鍵角為109°28′，它的鍵長為1.09×10-10m。什么是鍵角，什么又是鍵長呢？為了使這一知識點更加清晰地呈現(xiàn)在學生眼前，授課教師在講課時就可以利用Gauss View畫出甲烷分子的3D模型，在對分子中的各原子進行處理后，就可以將這個微觀的分子清清楚楚地展示出來，甚至可以用擴大鍵角或者拉長鍵長的動態(tài)方式來加深學生對此知識點的印象，如圖4與5所示。

圖4 拉長C-H鍵長

3 例——Gauss View在化學教學中的應用

什么是化學呢？對于“化學”二字，不同派別的人有不同的看法，化學家、化學哲學家甚至是化學學科的教育家爭論不休。新課標認為化學這一學科的本質(zhì)就是“認識物質(zhì)和創(chuàng)造物質(zhì)”。我們將這一特征加以展開，即從微觀層次認識物質(zhì)，以符號形式描述物質(zhì)，在不同層面創(chuàng)造物質(zhì)。[8]化學在我國的教育體系當中，最早是在初三年級時開設，之所以作為最后一門開設的學科，是因為學生的年齡成長制約著頭腦中的一些關(guān)鍵能力的發(fā)展，例如空間想象能力和一些邏輯思維能力。空間想象能力，對應的正是化學當中的微觀層面，但是有不少學生在此時仍然不具備較高的空間思維能力，對于微觀世界中的分子和原子結(jié)構(gòu)，他們并不能很好地想象出來。不同的核心素養(yǎng)側(cè)重點不同，培養(yǎng)方式也有差異，不能一概而論。結(jié)合以下案例，本文將具體論述Gauss View視圖軟件在哪些方面能起到積極作用。

圖5 擴大甲烷鍵角

在人教版的教材中，初中時期的化學就讓學生知道，分子有各種各樣的組成與構(gòu)成形式，不同的結(jié)構(gòu)決定了不同的性質(zhì)，反過來化學物質(zhì)的性質(zhì)也反映了其組成與微觀結(jié)構(gòu)，這一知識點在有機物的知識中尤為突出，在學習完這部分知識后，學生的“宏觀辨識與微觀探析”素養(yǎng)將得到大幅提高。

結(jié)合筆者對高中化學和核心素養(yǎng)的了解，最終選取“有機化合物的結(jié)構(gòu)特點與研究方法”作為例子。在講授有機物的結(jié)構(gòu)，例如化學鍵和官能團時，班級里一定會有一部分學生的空間想象能力不足以支撐他們構(gòu)想出有機物的立體構(gòu)型，Gauss View的繪圖功能在此就能得到足夠的體現(xiàn)，不論是在空間中展示有機化合物的結(jié)構(gòu)還是原子與原子之間的成鍵方式，它都能在一定程度上代替學生想象，直接地把已成型的分子呈現(xiàn)在學生面前，有助于更好地學習。

案例：有機化合物的結(jié)構(gòu)特點

（1）教學目標

①了解有機化合物的分類方法——碳骨架分類和官能團分類

②了解有機化合物的共價鍵類型及其反應

③了解同分異構(gòu)現(xiàn)象

④使學生掌握宏觀辨識與微觀探析核心素養(yǎng)

（2）教材及課標分析

對于有機化學的學習，分為兩個階段。第一個階段為必修階段，第二階段為選擇性必修階段。本研究選取部分在第二階段，其中分為三個主題：①有機化合物的組成與結(jié)構(gòu)。②烴及其衍生物的性質(zhì)與應用。③生物大分子及合成高分子。本文以第一個主題為案例，其中包含三個要求：①認識有機化合物的分子結(jié)構(gòu)。認識有機物存在構(gòu)造異構(gòu)和立體異構(gòu)等同分異構(gòu)體現(xiàn)象。學會使用紅外光譜和核磁共振等化學儀器。②認識官能團的種類及有機物的簡單命名法。知道常見官能團的轉(zhuǎn)化及其鑒別方法。③認識有機化合物化學鍵的類型、極性及其有機反應的關(guān)系，從化學鍵的角度認識官能團與有機化合物之間是如何轉(zhuǎn)化的。

（3）學情分析

在學習選擇性必修課程時，學生已經(jīng)具備一定的化學知識與思維能力。在必修課程中，學生們已經(jīng)初步學習過有關(guān)有機物的知識，了解了什么是有機物，常見的有機物有哪些及其立體構(gòu)型和基本性質(zhì)，為之后選擇性必修3的學習做好了鋪墊。但是選修課程的內(nèi)容一定是比必修課程的內(nèi)容困難的，不論是老師的教還是學生的學，都是更加難爬的一層階梯。在開始本章的學習之前，一定要復習好之前的知識，并且由淺入深、循序漸進，這樣課堂才能高效地進行。

（4）教學重點與難點

①共價鍵的類型：σ鍵與π鍵及其性質(zhì)

②有機化合物的同分異構(gòu)體現(xiàn)象

③不同的結(jié)構(gòu)會有怎樣的性質(zhì)

設計思路：

在本章教學中，會出現(xiàn)不少學生難以理解的地方。例如“有機化合物的共價鍵這一知識點”，σ鍵在課本中解釋為氫原子的1s軌道與碳原子的一個sp3雜化軌道沿著兩個原子核間的鍵軸，以“頭碰頭”的形式相互重疊，形成σ鍵。而且σ鍵連接的兩方可以繞軸旋轉(zhuǎn)而不破壞化學鍵，但是π鍵就不行。在這不少學生便會產(chǎn)生疑問，為什么會是這樣呢。在Gauss View畫出的3D圖像中，就可以清清楚楚地回答這個關(guān)于旋轉(zhuǎn)的問題，如圖6所示。從圖6中可以明顯地看到，如果以乙烷的2、3碳原子為軸旋轉(zhuǎn)，單鍵扭轉(zhuǎn)不會破壞結(jié)構(gòu)，但是如果是以乙烯的2、3碳原子的雙鍵為軸旋轉(zhuǎn)，則會破壞化學鍵。

圖6 化學鍵的旋轉(zhuǎn)

微觀的分子很小，對于高中階段的學生來說，這些知識并不容易接受。在用Gauss View 輔助的課程教學中，微觀分子的結(jié)構(gòu)，無論是其組成、鍵長、鍵角還是空間構(gòu)型，都可以在宏觀的視角下一覽無余，使原本肉眼看不見的結(jié)構(gòu)變得清晰可見，成功化“無形”為“有形”。這一方法在一定程度與意義上幫助了學生進行想象，使原本不能想象出來圖像的學生成功理解知識，使能夠想象出圖像的學生對有機物的構(gòu)造更加清晰深刻，不僅能夠有助于當下課程的進行，使學生習得宏觀辨識與微觀探析核心素養(yǎng)，還對之后更深的教學奠定了基礎。

4 結(jié)語

歸根到底，化學是在分子和原子層面上研究物質(zhì)的一門基礎學科，從來沒想過微觀世界生活在宏觀世界的中學生，如果不能打破立在宏、微觀之間的那面壁壘，那么化學的學習只會越來越困難。傳統(tǒng)的教學手法不僅耗費更多時間，效果也不盡人意。引用現(xiàn)代的教學手段Gauss View來輔助教學，不僅僅能夠改善教學效果，還能增添現(xiàn)代教學的氣氛，一掃傳統(tǒng)課堂的枯燥，來引起學生的學習興趣。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，將信息技術(shù)和課堂教育結(jié)合起來的優(yōu)勢也越來越明顯，特別是在高中化學的課堂教學中，如果能將信息技術(shù)充分利用起來，勢必對我們的教學效果起到事半功倍的效果。[9]相信在這門技術(shù)的輔助下，越來越多的高中學生們可以攻克化學這道難關(guān)，乘上時代的巨浪，成為建設祖國的棟梁。