借助思維導(dǎo)圖促進學科知識的結(jié)構(gòu)化
——以《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》模塊整合為例

河北 廖淑芳

(作者單位：河北省張家口市第四中學)

《中國高考評價體系》提出的高考評價要求為“基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性、創(chuàng)新性”，隨著新課標、新教材、新高考的步步推進，以核心素養(yǎng)為宗旨的高考命題對學科復(fù)習提出了新的要求。新高考化學試題凸顯出以化學知識為工具，解決真實情境下的實際問題這一導(dǎo)向，這就要求在復(fù)習過程要將化學學科知識梳理，轉(zhuǎn)化為學科核心素養(yǎng)，落實為熟練的認識解決實際問題的能力。

一、借助思維導(dǎo)圖促進學科知識的結(jié)構(gòu)化

在實踐過程中，考前復(fù)習中存在的問題大多是因時間緊任務(wù)重，有偏重練習輕視知識系統(tǒng)再梳理的傾向。如何將知識體系再構(gòu)建與題目練習有效結(jié)合，實現(xiàn)化學學科知識向化學學科核心素養(yǎng)的最終轉(zhuǎn)化，是考前復(fù)習的主題之一。實踐證明，利用思維導(dǎo)圖結(jié)合典型例題進行專題復(fù)習，是突破考前復(fù)習難點的有效途徑。

思維導(dǎo)圖是進行歸納總結(jié)、建立知識框圖、厘清內(nèi)在邏輯的有效工具。選取適當?shù)慕嵌龋龑?dǎo)學生從典型例題中提取核心要素，進行特定中心知識、規(guī)律、方法的思維導(dǎo)圖結(jié)構(gòu)化整理，能夠在宏觀層面，用簡明扼要的表達方式厘清關(guān)系，有助于跳脫出題目本身，而提煉并牢固建立認知模型，從而達成熟練運用模型認識、解決實際問題的目標。在角度選擇上，針對不同主干知識的特點，抓住核心問題，是實際操作的關(guān)鍵。

以《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》模塊為例，其知識體系并不復(fù)雜，但概念較多、知識抽象、理論性強，邏輯嚴密但內(nèi)在聯(lián)系建立較為困難是學習的特點。一輪復(fù)習時可采用以教材章節(jié)為依據(jù)的梳理方式進行整合，突出“微觀結(jié)構(gòu)決定宏觀性質(zhì)，宏觀性質(zhì)反映微觀結(jié)構(gòu)”這一化學學科核心觀念的結(jié)構(gòu)化，建立思維導(dǎo)圖基本框架如圖1。

圖1

復(fù)習時則需要轉(zhuǎn)換視角，以高考真題的設(shè)問方向為依據(jù)，引導(dǎo)學生進行基于模塊綜合試題問題認識解決思路的結(jié)構(gòu)化再梳理，構(gòu)建問題解決模型，促進證據(jù)推理與模型認知的學科核心素養(yǎng)目標達成。

二、教學實例

研究高考真題，將《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》模塊綜合題目考向歸納為“描述”“比較”“判斷”與“計算”四角度，分為2至3課時完成。以其中“比較”與“判斷”考向為例，教學設(shè)計如下。

【課前準備】研習以下習題，試歸納其核心考點及涉及的一般規(guī)律與方法。

【真題體驗1】(2020·全國卷Ⅰ·35)Goodenough等人因在鋰離子電池及鈷酸鋰、磷酸鐵鋰等正極材料研究方面的卓越貢獻而獲得2019年諾貝爾化學獎?；卮鹣铝袉栴}：

(1)基態(tài)Fe2+與Fe3+離子中未成對的電子數(shù)之比為________。

(2)Li及其周期表中相鄰元素的第一電離能(I1)如表1所示。I1(Li)>I1(Na)，原因是________________。I1(Be)>I1(B)>I1(Li)，原因是____________。

表1

(3)磷酸根離子的空間構(gòu)型為________，其中P的價層電子對數(shù)為________、雜化軌道類型為________。

(4)LiFePO4的晶胞結(jié)構(gòu)示意圖如圖2(a)所示。其中O圍繞Fe和P分別形成正八面體和正四面體，它們通過共頂點、共棱形成空間鏈結(jié)構(gòu)。每個晶胞中含有LiFePO4的單元數(shù)有________個。

圖2

電池充電時，LiFeO4脫出部分Li+，形成Li1-xFePO4，結(jié)構(gòu)示意圖如(b)所示，則x=________，n(Fe2+)∶n(Fe3+)=________。

(2)Na與Li同族，Na電子層數(shù)多，原子半徑大，易失電子，電離能小 Li、Be、B同周期，核電荷數(shù)依次增加，Be為1s22s2全滿穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，第一電離能最大，與Li相比，B核電荷數(shù)大，原子半徑小，較難失去電子，第一電離能較大。

(3)正四面體 4 sp3

【真題體驗2】(2020·山東卷·17)CdSnAs2是一種高遷移率的新型熱電材料，回答下列問題：

(1)Sn為ⅣA族元素，單質(zhì)Sn與干燥Cl2反應(yīng)生成SnCl4。常溫常壓下SnCl4為無色液體，SnCl4空間構(gòu)型為________，其固體的晶體類型為________。

(2)NH3、PH3、AsH3的沸點由高到低的順序為________(填化學式，下同)，還原性由強到弱的順序為________，鍵角由大到小的順序為________。

(3)含有多個配位原子的配體與同一中心離子(或原子)通過螯合配位成環(huán)而形成的配合物為螯合物。一種Cd2+配合物的結(jié)構(gòu)如圖3所示，1 mol該配合物中通過螯合作用形成的配位鍵有________mol，該螯合物中N的雜化方式有________種。

圖3

(4)以晶胞參數(shù)為單位長度建立的坐標系可以表示晶胞中各原子的位置，稱作原子的分數(shù)坐標。四方晶系CdSnAs2的晶胞結(jié)構(gòu)如圖4所示，晶胞棱邊夾角均為90°，晶胞中部分原子的分數(shù)坐標如表2所示。

表2

圖4

一個晶胞中有________個Sn，找出距離Cd(0，0，0)最近的Sn________(用分數(shù)坐標表示)。CdSnAs2晶體中與單個Sn鍵合的As有________個。

【參考答案】(1)正四面體形 分子晶體

(2)NH3、AsH3、PH3AsH3、PH3、NH3NH3、PH3、AsH3

(3)6 1

(4)4 (0.5，0，0.25)、(0.5，0.5，0) 4

【設(shè)計思路與意圖】對于普通高中而言，在集中綜合訓(xùn)練之前學生解決此類綜合題目可能存在一定困難，故采用課前自主體驗的方式為課堂討論做出準備，同時節(jié)省課堂時間，突出整合過程這一教學重點。這里解題不是教學的重點，而是要通過高考真題的分析、比較與歸納，明確考法、厘清思路，從而構(gòu)建此類問題的解題模型和解決模型。在課前將答案給出，讓學生發(fā)現(xiàn)自己認知上的不足，為課堂個性化問題的解決提供方向指導(dǎo)，同時有助于引導(dǎo)學生把課堂關(guān)注點放在解決“為什么”而不是簡單追求“是什么”。

【課堂探究】以上述兩題為依據(jù)，設(shè)置探究問題，引導(dǎo)分析、討論與歸納。

設(shè)問1.《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》模塊綜合題命題有什么特點？

發(fā)現(xiàn)1.《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》模塊綜合題以生產(chǎn)生活、科學技術(shù)等真實情境為依托，選擇不同考點分別設(shè)問，從而確定本題的解決策略為：化整為零，各個擊破，互不干擾。

發(fā)現(xiàn)2.《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》模塊綜合題立足主干知識，關(guān)注常規(guī)考點、考法，從而確定解題時對問題應(yīng)精準識別，靈活運用一般規(guī)律與方法。

設(shè)問2.可以將《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》模塊綜合題按照設(shè)問方向分為哪幾類？

歸納1.大致可以歸為描述、比較、判斷、計算四大考查方向，描述類主要包括書寫、繪制、表述等，主要集中于對原子結(jié)構(gòu)相關(guān)問題的考查，計算類主要是以晶體結(jié)構(gòu)為中心的晶胞計算及相關(guān)問題，繪制思維導(dǎo)圖框架如圖5。

圖5

同時，教師應(yīng)在課堂上指出，描述類問題一二輪復(fù)習解決情況較好，留為課下自主梳理內(nèi)容，計算類問題是難點，會在下次課集中解決；本課重點解決比較類與判斷類問題。

設(shè)問3.找出上述兩題中的比較類問題，分組討論總結(jié)比較的一般方法與思維過程。

結(jié)論1.元素的電離能比較，關(guān)注一般規(guī)律和特殊。如【真題體驗1】(2)同主族Na比Li電子層數(shù)多，金屬性強，失電子能力強，電離能較小，符合一般規(guī)律；Li、Be、B同周期自左而右，非金屬性增強，失電子能力減弱，但Be原子2s層電子全充滿，原子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，導(dǎo)致其電離能增大，故I1(Be)>I1(B)>I1(Li)，在一般規(guī)律下同時考慮特殊。拓展至第二電離能、第三電離能的比較，總結(jié)為圖6。

圖6

結(jié)論2.物質(zhì)熔沸點或硬度的比較，按先看晶體類型用一般規(guī)律、同晶體類型按不同情況比粒子間結(jié)合力的思維順序進行。如【真題體驗2】(2)NH3、PH3、AsH3為分子晶體，組成結(jié)構(gòu)相似，相對分子質(zhì)量依次增大，范德華力依次增大，沸點依次升高。具體總結(jié)為圖7。

圖7

結(jié)論3.共價鍵鍵參數(shù)比較，鍵角比較規(guī)律為一般孤對電子對對成鍵電子對的排斥力比成鍵電子對對成鍵電子對的排斥力大，所以孤對電子對越多成鍵電子對之間就越緊湊，鍵角越??；孤電子對影響相同再看成鍵電子對，半徑越小，成鍵電子對間斥力越大，鍵角越大。如【真題體驗2】(2)NH3、PH3、AsH3孤電子對數(shù)相等，看成鍵電子對，半徑增大，成鍵電子對間斥力減小，鍵角減小。具體總結(jié)為圖8。

圖8

設(shè)問4.找出上述兩題中的判斷類問題，分組討論總結(jié)判斷的一般方法與思維過程。

結(jié)論4.分子構(gòu)型判斷，依據(jù)價層電子對互斥理論、雜化軌道理論進行。二者之間的聯(lián)系總結(jié)為圖9。

圖9

典型實例列表如表3：

表3

結(jié)論5.晶體類型判斷，可依據(jù)構(gòu)成粒子、粒子間作用力或性質(zhì)特點進行，總結(jié)如表4所示：

表4

如【真題體驗2】(1)常溫常壓下SnCl4為無色液體，熔沸點低，應(yīng)為分子晶體，SnCl4空間構(gòu)型與CH4相似為正四面體。

結(jié)論6.粒子間作用力判斷，可總結(jié)如圖10。

圖10

【課堂小結(jié)】通過上述問題的討論解決，形成如圖11所示思維導(dǎo)圖，明確正確識別題目設(shè)問模型，準確使用一般規(guī)律與方法模型，是突破《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》模塊綜合題的關(guān)鍵，構(gòu)建應(yīng)用體系，堅持有序思維是順利應(yīng)對變化的途徑。

圖11

【設(shè)計思路與意圖】探究過程的設(shè)計采用了問題導(dǎo)引的組織模式推進。在教學的主干采用由果溯因的思路組織探究，體驗證據(jù)推理的過程，在知識結(jié)構(gòu)化整理的過程中同時達成設(shè)問規(guī)律與解題規(guī)律的雙重建模，完成模型認知的核心素養(yǎng)的提升。

【真題再體驗】(2021·全國甲卷·35節(jié)選)我國科學家研發(fā)的全球首套千噸級太陽能燃料合成項目被形象地稱為“液態(tài)陽光”計劃。該項目通過太陽能發(fā)電電解水制氫，再采用高選擇性催化劑將二氧化碳加氫合成甲醇?；卮鹣铝袉栴}：

(1)太陽能電池板主要材料為單晶硅或多晶硅。單晶硅的晶體類型為________。SiCl4是生產(chǎn)高純硅的前驅(qū)體，其中Si采取的雜化類型為________。SiCl4可發(fā)生水解反應(yīng)，機理如下：

含s、p、d軌道的雜化類型有：①dsp2、②sp3d、③sp3d2，中間體SiCl4(H2O)中Si采取的雜化類型為________(填標號)。

(2)CO2分子中存在________個σ鍵和________個π鍵。

(3)甲醇的沸點(64.7℃)介于水(100℃)和甲硫醇(CH3SH，7.6℃)之間，其原因是______________________。

(4)我國科學家發(fā)明了高選擇性的二氧化碳加氫合成甲醇的催化劑，其組成為ZnO/ZrO2固溶體。四方ZrO2晶胞如圖12所示。Zr4+離子在晶胞中的配位數(shù)是________。

圖12

【參考答案】(1)原子晶體(共價晶體) sp3②

(2)2 2

(3)甲硫醇不能形成分子間氫鍵，而水和甲醇均能，且水比甲醇的氫鍵多

(4)8

【認識延伸】“配位數(shù)”在不同情況有不同含義。配位化合物中，配位數(shù)指化合物中中心原子周圍的配位原子個數(shù)。如[Cu(H2O)4]2+、[Cu(NH3)4]2+中配位數(shù)為4，[Ag(NH3)2]+中配位數(shù)為2。此概念也可延伸至任何化合物，也就是配位數(shù)等同于共價鍵的數(shù)量，例如，可以說甲烷中碳的配位數(shù)為4。這種說法通常不計π鍵。金屬晶體中，指一個金屬的離子周圍最近金屬離子數(shù)。離子晶體中，指一個離子周圍最近的異電性離子的數(shù)目。

【設(shè)計思路與意圖】利用高考真題進行鞏固練習，嘗試利用課堂所得解決新問題，體會模型識別和邏輯推理的過程，印證模型的有效性。同時發(fā)現(xiàn)不同題目間的變與不變，了解題目的發(fā)展能力要求和適當拓展延伸，明確“量力而行，熟能生巧”的應(yīng)對策略。

考前復(fù)習是學科知識體系在更高層次實現(xiàn)重構(gòu)，核心素養(yǎng)得以大幅度提升的關(guān)鍵階段。實踐證明，將單純的知識再梳理轉(zhuǎn)化為對照高考真題的分析與歸納，將一味的數(shù)量化練習轉(zhuǎn)化為比較提煉下的深度學習，同時借助思維導(dǎo)圖這一得力工具，使知識規(guī)律方法間的復(fù)雜聯(lián)系及思維過程得以外顯，是實現(xiàn)問題解決模型建構(gòu)、達成專題突破切實可行，且行之有效的方法。