促進學生認識角度建構(gòu)的項目式復習教學

楊伏勇 武衍杰 江合佩

摘要： “物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”模塊教學旨在外顯“結(jié)構(gòu)（如何）決定性質(zhì)，性質(zhì)（如何）決定用途”的學科觀念。以“石墨烯”材料為載體，開展“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”模塊的項目式復習，通過“石墨烯結(jié)構(gòu)分析”、“石墨烯性質(zhì)解釋和預測”、“石墨烯功能化應用及改性”三個進階性任務，幫助學生形成基于“構(gòu)成微粒-微粒間作用-微?？臻g排布”的物質(zhì)結(jié)構(gòu)認識視角，揭示物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關系，提升基于結(jié)構(gòu)與性質(zhì)分析和解決實際問題的能力。

關鍵詞： 項目式教學； 物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)； 認識角度建構(gòu)； 模塊復習； 石墨烯

文章編號： 1005-6629（2022）11-0037-06

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”模塊教學旨在建構(gòu)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認識視角，特別是《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》［1］（以下簡稱“新課標”）針對該模塊的主題內(nèi)容進行了重新梳理，進一步突出了“構(gòu)成微粒-微粒間作用-微?？臻g排布”的認識角度。當前針對該模塊的研究集中于知識解析、教學策略、復習備考等方面，大都關注單個知識點的解析或單課時內(nèi)容難點突破的教學策略，即使是模塊復習備考也僅關注知識整合或解題方法，鮮有從模塊整體視角關注學生認識角度建構(gòu)的文獻報道。學生在模塊學習中能否建構(gòu)完整的、結(jié)構(gòu)化的認識視角（思路），直接決定了其能否真正認識結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、用途間的關聯(lián)。

項目式學習倡導學生綜合利用所學知識解決陌生、復雜的問題，在項目實施過程中學生必須調(diào)用結(jié)構(gòu)化的學科知識和技能、學科思維方式以及學科領域所孕育的價值觀念，形成能夠進行遷移應用的解決一類問題的思路和模型，因此其在實現(xiàn)學科知識、認識思路、學科觀念結(jié)構(gòu)化方面具有獨特價值［2］。以“石墨烯”為情境載體，開展模塊復習，從整體上重建物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析的認識視角，突出結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、用途的“宏微”聯(lián)系，發(fā)展“宏觀辨識與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認知”的學科核心素養(yǎng)。

1 項目主題選擇

1.1 重視學科認識角度的整體建構(gòu)

復習課教學的價值在于整合知識，形成解決問題的認識思路。新課標將“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”模塊統(tǒng)整為“原子結(jié)構(gòu)與元素性質(zhì)、微粒間的相互作用與物質(zhì)性質(zhì)、研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法與價值”三個主題，進一步外顯了“結(jié)構(gòu)（如何）決定性質(zhì)，性質(zhì)（如何）決定用途”的觀念性認識，突出了構(gòu)成微粒、微粒間相互作用和微?？臻g排布的認識視角?；凇敖Y(jié)構(gòu)-性質(zhì)-用途”的統(tǒng)整性認識，架構(gòu)該模塊的學科認識角度（見圖1），基于學科認識角度的重建開展項目式教學，將有利于學生充分理解物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的學科認知與推理方式，進而形成可遷移的陌生物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的能力和品格。

1.2 突出認識角度的功能價值

隨著化學科學的發(fā)展，結(jié)構(gòu)與功能多樣化的新材料層出不窮。雖然對結(jié)構(gòu)領域的探索永無止境，但物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認識角度卻是穩(wěn)定的，因此教學的歸宿點在于學生形成物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的觀念性認識并能夠遷移認識角度去分析陌生問題。本項目以具有時代性的“石墨烯”材料為載體，基于結(jié)構(gòu)特點，分析其優(yōu)良性能，突出認識角

度在解決前沿問題中的價值性和針對性。例如基于化學鍵視角理解其超強的導電性和高熔沸點，通過改變空間結(jié)構(gòu)控制其導電性等。

2 項目教學目標

新課標針對“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”模塊提出的課程目標包括“從原子、分子水平上認識物質(zhì)構(gòu)成的規(guī)律，基于微粒間作用力研究不同類型物質(zhì)的性質(zhì)，提升學生有關物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本認識，深入認識物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關系，發(fā)展化學學科核心素養(yǎng)等”［3］?；谏鲜隹傮w性要求，項目教學旨在通過“石墨烯”這一載體建構(gòu)物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析視角，并理解結(jié)構(gòu)與性質(zhì)及用途的聯(lián)系。確定具體目標如下：

（1） 基于微粒和微粒間作用視角分析石墨烯碳原子的成鍵特點，認識其空間結(jié)構(gòu)并建立宏觀球棍模型，建構(gòu)分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一般思路，發(fā)展宏觀辨識與微觀探析的學科核心素養(yǎng)。

（2） 基于石墨烯的結(jié)構(gòu)特點，解釋和預測其典型性質(zhì)，理解結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關聯(lián)，發(fā)展證據(jù)推理與模型認知的學科核心素養(yǎng)。

（3） 基于石墨烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，探究其功能化應用及改性，進一步認識（改變）物質(zhì)結(jié)構(gòu)對物質(zhì)性質(zhì)和用途的影響。

（4） 基于石墨烯結(jié)構(gòu)探究項目，體會化學學科在材料制備和應用中的價值。

3 項目任務及教學流程

遵循建構(gòu)認識角度、遷移認識角度的邏輯，以石墨烯結(jié)構(gòu)為載體，以宏觀建模和微觀探析為切入口，基于圖2中的三個進階性任務，開展項目式教學。

4 項目實施及學生學習結(jié)果

以廈門市某重點中學高二完成“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”模塊學習的普通班學生為教學實施對象，開展教學實踐與改進。

［情境引入］認識石墨烯。

［教師］通過圖片和視頻展示石墨烯作為新材料之王的優(yōu)良性能［4］。

［學生］總結(jié)石墨烯的性質(zhì)和用途，如強導電性、高柔韌性；可用于制作傳感器、晶體管等。

［學生疑惑］石墨烯為什么具有如此優(yōu)良的性能？其是否具有獨特的結(jié)構(gòu)呢？

［教師過渡］結(jié)構(gòu)如何決定性質(zhì)呢？下面從結(jié)構(gòu)的視角探究石墨烯。

設計意圖：以石墨烯應用為切入口，感受功能材料的價值，激發(fā)學生的興趣和探究欲望，引出項目核心任務。

4.1 基于物質(zhì)結(jié)構(gòu)視角研究石墨烯

4.1.1 基于構(gòu)成微粒認識石墨烯

［教師提問］通過視頻已經(jīng)了解到石墨烯是由單層碳原子構(gòu)成的二維材料，引導學生從微粒層面分析構(gòu)成石墨烯的C原子（基態(tài)）的結(jié)構(gòu)特點。其價電子軌道表示式是什么？未成對電子數(shù)目如何？

［學生］價電子軌道表示式為↑↓2s↑↑2p，未成對電子數(shù)為2。

［教師提問］碳原子的這種結(jié)構(gòu)特點，對碳碳之間的成鍵有什么影響？

［學生］非金屬原子間易形成共價鍵，再結(jié)合碳原子價層有4個電子，因此最多可以形成4根共價鍵。能采取sp、 sp2、 sp3等不同的雜化方式，因此碳碳之間可以形成共價單鍵、雙鍵、三鍵。

［教師過渡］碳原子的結(jié)構(gòu)特點如何影響石墨烯中化學鍵的形成呢？下面從化學鍵層面分析其結(jié)構(gòu)。

4.1.2 基于微粒間相互作用認識石墨烯

［模型拼搭］石墨烯為二維平面結(jié)構(gòu)，基于碳原子成鍵特點，試著畫出石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)圖，并用所給的球、棍組裝球棍模型。

［成果展示］學生建立的石墨烯典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

［教師提問］基于雜化軌道理論展開討論，判斷哪一種結(jié)構(gòu)是正確的？

［小組討論］圖3a碳原子均形成4根σ鍵，應為sp3雜化，其空間構(gòu)型應為四面體形，與事實不符；圖3b結(jié)構(gòu)中碳原子形成3根σ鍵，應為sp2雜化，其空間構(gòu)?型應為平面形，符合事實。

［教師追問］基于碳原子的雜化方式和石墨烯的空間結(jié)構(gòu)，試分析石墨烯中除了碳碳σ鍵，是否還存在其他類型的化學鍵？

［學生匯報］石墨烯為平面結(jié)構(gòu)，每個C原子與周圍三個C原子形成平面三角形（夾角120°），

由于C原子一共有4個價電子，因此還剩一個單電子在未雜化的2p軌道里，每個未雜化的2p軌道互相平行重疊可形成大π鍵。

［教師］展示石墨烯的大π鍵（見圖4）。

［教師過渡］石墨烯的大π鍵結(jié)構(gòu)，決定了其在空間上可以無限延伸形成穩(wěn)定的平面結(jié)構(gòu)，下面繼續(xù)從空間視角認識石墨烯。

4.1.3 基于微?？臻g排布認識石墨烯

［教師提問］要從空間視角研究石墨烯，首先要找出石墨烯的晶胞。請大家結(jié)合晶胞的特點，找出其晶胞。

［小組討論匯報］由于晶胞在晶體結(jié)構(gòu)中需無隙并置，在相應的各個軸向上應具有平移性，因此其頂點的環(huán)境必須要完全相同。平常我們經(jīng)?？吹降娜S晶體的晶胞都是平行六面體，那對于二維晶體的晶胞必須是平行四邊形。只要在平面上找到最小的頂點完全相同的平行四邊形就可以了。

［成果展示］學生結(jié)合二維晶胞的特點，畫出石墨烯的兩種晶胞（見圖5）。

［教師追問］一個晶胞中碳原子數(shù)目如何？課前視頻中介紹石墨烯是已知的最輕材料，能否通過計算其密度說明呢？（已知石墨烯中碳碳鍵的鍵長a=142pm）

［學生討論匯報］根據(jù)均攤法平行四邊形頂點上的碳原子被4個晶胞共用，因此每個石墨烯晶胞所占有的碳原子數(shù)目為2。晶胞密度=晶胞質(zhì)量/晶胞面積，晶胞面積可結(jié)合立體幾何知識求得，代入數(shù)據(jù)可得密度僅約為7.61×10-8g/cm2！

［教師梳理總結(jié)］從原子到晶體，基于微粒、微粒間作用、微?？臻g排布分析了石墨烯結(jié)構(gòu)，帶領大家建構(gòu)如圖6所示的分析視角，關聯(lián)認識角度，形成一般認識思路。

設計意圖：學生在思維碰撞和實踐中繪制石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)圖，搭建宏觀結(jié)構(gòu)模型，并從微粒、微粒間作用、微?？臻g排布三個視角對結(jié)構(gòu)進行分析，發(fā)展宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認知的學科核心素養(yǎng)。

4.2 基于物質(zhì)結(jié)構(gòu)解釋和預測石墨烯性質(zhì)

4.2.1 石墨烯性質(zhì)解釋——導電性

［實驗事實］石墨烯作為非金屬單質(zhì)具有超強導電性，其導電效率是硅的100倍，電阻率比鋁、銅和銀低很多。從結(jié)構(gòu)角度如何解釋？

［學生匯報］石墨烯中C原子采用sp2雜化形成平面結(jié)構(gòu)，未雜化的2p軌道含有一個單電子，且互相平行，形成大π鍵，使得電子具有較好的流動性，因此具有超強的導電性。

4.2.2 石墨烯性質(zhì)預測——熔點

［教師提問］石墨烯和富勒烯（C60）（見圖7）同為碳家族一員，試比較兩者的熔點高低。

［學生匯報］石墨烯為共價晶體，內(nèi)部是共價鍵組成的無限延伸的二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，熔化時需破壞共價鍵；而富勒烯為分子晶體，熔化時只需破壞分子間作用力，因此熔點：石墨烯>富勒烯。

［教師總結(jié)］對于物質(zhì)熔、沸點的高低比較，關鍵是看破壞的是哪種相互作用力，根據(jù)相互作用力的強弱來判斷。根據(jù)晶體類型不同，建構(gòu)如圖8所示的思路。

［認識思路遷移］結(jié)合圖8，（從化學鍵的角度）試比較石墨烯與金剛石晶體熔點的高低。

［學生匯報］從結(jié)構(gòu)視角看，都是共價晶體，共價鍵同為碳碳鍵。但由于石墨烯晶體中除了正常的σ鍵外，

還存在大π鍵，所以石墨烯內(nèi)部共價鍵的鍵長比金剛石的鍵長短，作用力更大，破壞化學鍵需要更高能量。因此如果從化學鍵的角度來說，熔點大小：石墨烯>金剛石［5］。

設計意圖：在學生建構(gòu)了物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析的視角后，基于石墨烯性質(zhì)解釋和預測任務，實現(xiàn)認識角度的遷移應用，突出結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的密切關聯(lián)，在知道結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的基礎上幫助學生理解結(jié)構(gòu)是如何決定性質(zhì)的。

4.3 基于結(jié)構(gòu)與性質(zhì)實現(xiàn)石墨烯功能化應用及改性

［教師過渡］完美的石墨烯晶體是碳原子構(gòu)成的六元環(huán)組合而成的二維平面結(jié)構(gòu)，性質(zhì)過于穩(wěn)定，限制了其功能化應用?？茖W家利用物理和化學方法改變石墨烯的表面結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)了其在眾多領域的應用。

4.3.1 石墨烯的共價鍵功能化應用

［資料1］我國科學家［6］利用氧化石墨烯（GO）（見圖9）作為溫敏傳感器研制出了火災自動報警耐火墻紙?；鹎榘l(fā)生時，

室溫下是絕緣體的GO就會轉(zhuǎn)變?yōu)閷w觸發(fā)警報。

［教師提問］從結(jié)構(gòu)視角分析GO中C原子的雜化方式，并解釋為什么在室溫下GO是絕緣體，火情發(fā)生時卻又能導電？

［學生討論匯報］從結(jié)構(gòu)視角看，引入含氧基團后，存在sp2和sp3雜化的兩種C原子，sp3雜化的C原子破壞了其平面結(jié)構(gòu)，從而不滿足形成大π鍵的條件，故不再導電。而火焰產(chǎn)生的高溫可以破壞GO中的含氧基團，使得C原子又恢復了sp2雜化形式，重新形成了大π鍵，恢復了它的導電性。

4.3.2 石墨烯的非共價鍵改性

［資料2］將抗腫瘤藥物鹽酸阿霉素（DXR）（見圖10）與GO進行處理，可實現(xiàn)GO對DXR的有效負載和可控釋放，使其在生物醫(yī)藥方面有重要應用［7］。

［教師提問］分析DXR藥物分子之間存在的作用力有哪些？試從結(jié)構(gòu)的角度分析DXR能夠負載在GO上的本質(zhì)原因？

［學生討論匯報］DXR分子之間存在范德華力和氫鍵；DXR和GO結(jié)構(gòu)中都存在含氧（含氫）基團，具備形成分子間氫鍵的條件，故DXR能夠負載在GO上可能是氫鍵的作用。

設計意圖：從石墨烯結(jié)構(gòu)分析到石墨烯功能化應用，進一步體會結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關系，認識改變物質(zhì)結(jié)構(gòu)對物質(zhì)性質(zhì)的重要影響。在陌生的學術情境中面對復雜的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，評價學生能否基于結(jié)構(gòu)視角分析和解決實際問題。

5 教學效果及反思

5.1 基于項目的模塊復習有利于從整體視角建構(gòu)學科認知角度

本項目以石墨烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)分析為線索，建構(gòu)從結(jié)構(gòu)角度認識物質(zhì)性質(zhì)和改變結(jié)構(gòu)進而改進物質(zhì)性質(zhì)的思維模型，體驗科學研究的一般過程。整個項目從物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析過渡到物質(zhì)性質(zhì)和功能探究，精心設計探究型、分析型、評價型等高階學習任務，在推進過程中，將學科核心知識、學科方法和學科觀念進行結(jié)構(gòu)化整合，促進學生從整體視角建構(gòu)學科認知角度。

5.2 基于項目的模塊復習有利于認識角度的建構(gòu)與遷移

項目式學習倡導學生在真實情境中綜合利用所學知識解決陌生復雜的問題。在真實情境中學生能切身感受認識角度的功能價值。如本項目基于“石墨烯的結(jié)構(gòu)分析”任務幫助學生建構(gòu)物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析視角，并基于結(jié)構(gòu)視角解決“石墨烯性質(zhì)解釋和預測”“石墨烯功能化應用和改性”兩個應用性問題，充分體現(xiàn)認識角度的功能性。教學實踐表明，多數(shù)學生在面對GO與DXR等陌生結(jié)構(gòu)的遠遷移問題時，能夠主動從結(jié)構(gòu)視角進行較為準確的解釋與說明。

5.3 基于項目的學習有利于學科認識方式的穩(wěn)定輸出

學科認識方式是學科核心素養(yǎng)的實質(zhì)內(nèi)涵。學生建構(gòu)的認識角度是否趨于穩(wěn)定，關鍵在于陌生情境中能否自主調(diào)用學科認識角度。課后以圖11所示的陌生結(jié)構(gòu)［8］設計“（1）尿素中N原子的雜化方式和空間構(gòu)型判斷；（2）尿素分子間依靠何種作用力形成蜂窩狀六角形通道結(jié)構(gòu)；（3）尿素分子與正烷烴為什么能形成穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，試猜想其用途”等三個遞進性問題測查學生的學習效果。其中問題（1）作為基礎性問題95%以上的學生都能答對，問題（2）、 （3）80%以上的學生能正確關聯(lián)認識角度進行預測說明，且特別可喜的是，在訪談中有學生提到“原來考試的時候碰到這么復雜的結(jié)

構(gòu)基本就放棄了，但通過今天老師所講的認識模型，我就從微粒間作用的角度分析空間排布，尿素分子間只能依賴分子間作用力結(jié)合，再具體到N、 H、 O等元素就只能是氫鍵的作用了，好像也沒那么復雜……”，說明學生不僅具備了多角度認識物質(zhì)結(jié)構(gòu)的視角，還能穩(wěn)定輸出這些角度來解決陌生且復雜的問題。

參考文獻：

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