立足化學(xué)史實(shí) 聚焦模型建構(gòu)
——以人教版《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》中“共價(jià)鍵”為例

張 磊

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出化學(xué)核心素養(yǎng)是學(xué)生綜合素質(zhì)的重要組成部分，是通過(guò)化學(xué)學(xué)習(xí)而逐漸形成的正確的世界觀與方法論，是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)?！白C據(jù)推理與模型認(rèn)知”是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一。通過(guò)“證據(jù)推理”體會(huì)基于證據(jù)進(jìn)行科學(xué)探究與科學(xué)論證的一般過(guò)程，建立證據(jù)與結(jié)論之間的聯(lián)系，對(duì)提出的假設(shè)或得到的結(jié)論進(jìn)行證實(shí)或證偽[1]。在利用分析、推理等方法來(lái)研究對(duì)象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系的過(guò)程中，采用化學(xué)術(shù)語(yǔ)表征化學(xué)問(wèn)題和解決過(guò)程，幫助學(xué)生建立解決問(wèn)題的思維框架，即化學(xué)模型建構(gòu)。“模型認(rèn)知”是在此過(guò)程中呈現(xiàn)出來(lái)的各種能力，在教學(xué)過(guò)程中自覺(jué)滲透“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”教學(xué)的價(jià)值[2]。

一、教學(xué)分析

（一）教學(xué)內(nèi)容分析

共價(jià)鍵是相鄰原子間的強(qiáng)相互作用力。無(wú)論是必修，還是選擇性必修，教材都是從原子結(jié)構(gòu)入手，再介紹元素周期表和元素周期律，將化學(xué)鍵內(nèi)容安排在最后。一方面，可以在原子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將學(xué)生從宏觀性質(zhì)世界帶入到微觀結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，認(rèn)識(shí)到微粒間相互作用[3]。另一方面，通過(guò)分析必修和選擇性必修教材可知，原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)由能層發(fā)展到能級(jí)、原子軌道和自旋；元素周期律由定性分析元素的金屬性/非金屬性、原子半徑、化合價(jià)等發(fā)展到定量研究電負(fù)性、第一電離能；元素周期表由元素周期表的族、周期發(fā)展到s、p、d、f、ds 的區(qū)域劃分，以上教材編排皆體現(xiàn)了人類對(duì)原子結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的逐漸深入，共價(jià)鍵模型演變亦是如此。在教學(xué)過(guò)程中，不能忽視知識(shí)間的內(nèi)在聯(lián)系與學(xué)習(xí)過(guò)程的漸進(jìn)性。

（二）學(xué)情分析

共價(jià)鍵屬于“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”內(nèi)容。在此之前，已經(jīng)學(xué)習(xí)了共價(jià)鍵相關(guān)基礎(chǔ)概念，初步了解了原子是怎樣構(gòu)成分子的，學(xué)習(xí)了用相互作用觀點(diǎn)分析化學(xué)變化的思維方式。但是對(duì)高中生而言，學(xué)生處于具體思維到抽象思維過(guò)渡階段，常用宏觀物體運(yùn)動(dòng)類比于微觀粒子運(yùn)動(dòng)。因此選擇性必修中共價(jià)鍵知識(shí)仍是一個(gè)難點(diǎn)。

二、教學(xué)設(shè)計(jì)思想

化學(xué)鍵屬于概念原理知識(shí)，在常規(guī)教學(xué)中很難利用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行突破[4]，通常采用講授法進(jìn)行教學(xué)，忽視了對(duì)概念形成的理解?；瘜W(xué)史是化學(xué)課程的重要組成部分，將化學(xué)史作為教學(xué)資源可以幫助理解化學(xué)概念本質(zhì)，促進(jìn)對(duì)化學(xué)知識(shí)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。因此，借助化學(xué)史實(shí)，在課堂上經(jīng)歷“德謨克利特模型”“科塞爾離子鍵模型”“路易斯模型”“鮑林模型”等四種典型的化學(xué)鍵模型，自主建構(gòu)化學(xué)知識(shí)體系并建立解決復(fù)雜化學(xué)問(wèn)題的思維框架[5]。

通過(guò)路易斯共價(jià)鍵理論引導(dǎo)學(xué)生提出質(zhì)疑，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣；通過(guò)對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，啟發(fā)學(xué)生利用電子云模型，重新認(rèn)識(shí)原子追求穩(wěn)定，形成共價(jià)鍵的過(guò)程，解釋共價(jià)鍵的形成本質(zhì)。結(jié)合相關(guān)化學(xué)史與理論發(fā)展，一方面感受科學(xué)家們?cè)诨瘜W(xué)鍵模型構(gòu)建中的思維過(guò)程和艱難歷程；另一方面讓學(xué)生根據(jù)客觀事實(shí)與問(wèn)題，從微觀角度進(jìn)行分析與解釋，得出結(jié)論，經(jīng)歷建構(gòu)解決問(wèn)題模型等科學(xué)探究與模型建構(gòu)過(guò)程，如圖1所示。在建構(gòu)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)知識(shí)自然生成，做到真正學(xué)有所獲[6]。

圖1 模型建構(gòu)的一般歷程

三、教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上相關(guān)分析，本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)為：

1.通過(guò)回顧經(jīng)典價(jià)鍵理論，從電子云模型角度重新認(rèn)識(shí)共價(jià)鍵，理解其本質(zhì)與特征。

2.根據(jù)客觀事實(shí)分析共價(jià)鍵在形成過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的差異，了解共價(jià)鍵類型、特點(diǎn)及形成規(guī)律。

3.通過(guò)共價(jià)鍵理論的構(gòu)建與完善，培養(yǎng)學(xué)生勇于探索未知的科學(xué)精神和辯證唯物主義思想。

四、教學(xué)流程設(shè)計(jì)

本節(jié)課圍繞共價(jià)鍵主題，以化學(xué)史實(shí)為基礎(chǔ)，教學(xué)流程設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 教學(xué)流程圖

五、教學(xué)過(guò)程

（一）環(huán)節(jié)1：認(rèn)識(shí)傳統(tǒng)價(jià)鍵理論模型

[展示]H2、HCl、Cl2等分子的結(jié)構(gòu)式。

問(wèn)題1：以上物質(zhì)均由分子構(gòu)成，而分子是由原子結(jié)合而成，如何描述H2、HCl、Cl2分子的形成過(guò)程？

[生]根據(jù)H 和Cl 原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，原子核對(duì)電子吸引力較強(qiáng)。當(dāng)它們相互靠近時(shí)，不會(huì)有電子得失，只有原子核與另一原子的電子存在靜電引力，當(dāng)靠近到一定距離時(shí)，兩原子的電子間、原子核間的斥力增大，當(dāng)引力與斥力達(dá)到平衡時(shí)，能量最低，形成穩(wěn)定的HCl 分子。

[師]H 和Cl 原子之間不會(huì)有電子的得失，通過(guò)共用電子對(duì)形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。這種原子間通過(guò)共用電子對(duì)形成的相互作用叫作共價(jià)鍵。

設(shè)計(jì)意圖：復(fù)習(xí)鞏固，通過(guò)描述H2、HCl、Cl2的形成過(guò)程，回憶共價(jià)鍵的相關(guān)知識(shí)；并通過(guò)交流討論的方式學(xué)會(huì)歸納總結(jié)，貫徹以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的教學(xué)理念。

（二）環(huán)節(jié)2：理解傳統(tǒng)價(jià)鍵理論模型

問(wèn)題2：請(qǐng)大家仔細(xì)閱讀史料1，思考并討論，為什么要形成具有稀有氣體原子的電子層結(jié)構(gòu)？

[史料1]路易斯是共價(jià)鍵理論的提出者。1923年在“原子與分子”一文中，他首次提出雙中心雙電子成鍵的假設(shè)，指出2 個(gè)或多個(gè)原子可以通過(guò)共用一對(duì)電子或多對(duì)電子形成具有稀有氣體原子一樣的電子層結(jié)構(gòu)，而形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的分子。

[師]想知道科學(xué)家提出這樣假設(shè)的原因，則需要了解當(dāng)時(shí)的歷史背景，請(qǐng)閱讀史料2、3。

[史料2]20世紀(jì)初期是人類對(duì)原子結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的快速發(fā)展時(shí)期，科學(xué)家們意識(shí)到原子核外的電子是分層排列的。

[史料3]1918年德國(guó)的柯塞爾根據(jù)湯姆遜發(fā)現(xiàn)的電子來(lái)解釋離子化合物，認(rèn)為原子穩(wěn)定存在的基本條件是最外層軌道上保持有8 個(gè)電子的狀態(tài)，這就是著名的“八隅律”理論。

[生]稀有氣體原子的電子層結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。

[小結(jié)]“八隅律”理論只能解釋離子穩(wěn)定性。對(duì)許多共價(jià)化合物，如H2O 中H 原子最外層不需要8 個(gè)電子也能穩(wěn)定存在的現(xiàn)象無(wú)法做出解釋，但是“八隅律”理論的提出啟發(fā)了路易斯的研究。1923年路易斯提出“原子間通過(guò)共用電子對(duì)作用形成共價(jià)化合物”。

設(shè)計(jì)意圖：在本環(huán)節(jié)教學(xué)中，通過(guò)展示路易斯共價(jià)鍵理論的相關(guān)史料，創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生敢于提出質(zhì)疑，主動(dòng)了解理論提出的相關(guān)背景，提高學(xué)生課堂參與的主動(dòng)性，不再僅僅關(guān)注于科學(xué)故事本身，而要在體驗(yàn)和理解化學(xué)家探索之路的同時(shí)，激發(fā)強(qiáng)烈的求知欲望，培養(yǎng)不斷探索的科學(xué)精神。

（三）環(huán)節(jié)3：深挖化學(xué)史——發(fā)展傳統(tǒng)價(jià)鍵理論模型

問(wèn)題3：繼續(xù)探討路易斯共價(jià)鍵理論的要點(diǎn)，為什么要共用成對(duì)電子（雙電子成鍵）？

[師]當(dāng)時(shí)的人們對(duì)原子結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)不深，所以無(wú)法做出科學(xué)合理解釋，只能做出硬性規(guī)定。但是現(xiàn)在人們對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)更加深入了。請(qǐng)閱讀史料4，并嘗試回答上面問(wèn)題。

[史料4]原子結(jié)構(gòu)模型演變歷史，如圖3所示。

圖3 原子結(jié)構(gòu)模型演變

[生1]一個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)要從能層、能級(jí)、軌道以及電子自旋方向四個(gè)方面來(lái)進(jìn)行描述。

[生2]基態(tài)原子核外電子將按能量最低原理排布。另外，由于電子不可能都擠在一起，它們還要遵守泡利不相容原理和洪特規(guī)則。

[師]之所以只能是2 個(gè)電子配對(duì)，其原因在于原子中每個(gè)電子的四個(gè)量子狀態(tài)不能完全一樣。換句話說(shuō)，當(dāng)2 個(gè)電子有相同的能層、能級(jí)、原子軌道時(shí)，它們必然具有相反的自旋方向。路易斯的共價(jià)鍵理論在泡利不相容原理中找到了理論依據(jù)。

[師]讓我們重新認(rèn)識(shí)原子追求穩(wěn)定，形成共價(jià)鍵的過(guò)程，解釋共價(jià)鍵的形成條件。

問(wèn)題4：以H2分子的形成為例，每個(gè)氫原子在1s 軌道有1 個(gè)電子，要想形成穩(wěn)定H2分子結(jié)構(gòu)，它們是如何相互作用的呢？

[生]共價(jià)鍵是通過(guò)軌道重疊而得，形成氫分子的H原子只有在1s軌道有1 個(gè)電子，為不飽和價(jià)電子軌道，兩者相互重疊形成共價(jià)鍵，如圖4所示。

圖4 H2分子中的s-s σ鍵

[師]從最簡(jiǎn)單的H2分子入手，從1s 軌道與1s 軌道的重疊過(guò)程分析得出σ 鍵的特征（軸對(duì)稱），即σ 鍵可以以兩原子核連線為軸自由旋轉(zhuǎn)。

問(wèn)題5：寫出N、O、F 原子的軌道表示式，思考為什么它們與H 原子形成的簡(jiǎn)單化合物所需要的氫原子個(gè)數(shù)不同。

[生]一個(gè)原子軌道最多容納兩個(gè)電子，所以不能與第三個(gè)電子配對(duì)成鍵。原子有幾個(gè)未成對(duì)電子就可和幾個(gè)自旋方向相反的電子配對(duì)成鍵，所以共價(jià)鍵有飽和性。

問(wèn)題6：氮?dú)夥肿又械墓矁r(jià)鍵比較特殊，分析氮原子軌道是如何重疊形成共價(jià)鍵的。

[生]每個(gè)氮原子2p 軌道上各有3 個(gè)單電子，在共價(jià)鍵形成過(guò)程中，首先最大重疊形成一個(gè)σ 鍵，其他方向2p 軌道的2 個(gè)單電子會(huì)以一種新的形式重疊成鍵，如圖5所示。

圖5 分子中的p-p π鍵

[師]σ 鍵的形成是p 電子與p 電子以“頭碰頭”的形式成鍵的，p 電子間還可以以“肩并肩”的形式成鍵，即π 鍵。通過(guò)圖像對(duì)比σ 鍵與π 鍵的差別，π 鍵不能繞原子核連線自由旋轉(zhuǎn)，π鍵的特征表現(xiàn)為“鏡像對(duì)稱”。

[師]通過(guò)電子云模型，修正了傳統(tǒng)共價(jià)鍵理論，解釋了化學(xué)鍵的本質(zhì)，對(duì)共價(jià)鍵的認(rèn)識(shí)又向前跨越了一大步。

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)通過(guò)重走共價(jià)鍵的探索之路，巧設(shè)探究活動(dòng)，讓學(xué)生從電子云的角度模擬共價(jià)鍵的形成，感悟共價(jià)鍵形成的本質(zhì)、條件與特點(diǎn)；這種探究形式能拉近師生、生生之間的思維距離，使學(xué)生主動(dòng)參與到共價(jià)鍵形成的探究過(guò)程中，激發(fā)探究興趣，從而培養(yǎng)科學(xué)探究精神和化學(xué)核心素養(yǎng)。

（四）環(huán)節(jié)4：評(píng)價(jià)化學(xué)史——體會(huì)模型建構(gòu)的發(fā)展過(guò)程

問(wèn)題7：從公元前到20世紀(jì)初，人類對(duì)化學(xué)鍵等相關(guān)模型的探究歷經(jīng)千辛萬(wàn)苦。請(qǐng)閱讀化學(xué)鍵發(fā)展歷史，你是如何看待這段歷史的？談?wù)勀愕母惺堋?/p>

[展示]化學(xué)鍵發(fā)展歷史，如圖6所示。

圖6 化學(xué)鍵理論的發(fā)展歷程

[生1]發(fā)現(xiàn)問(wèn)題是思考的開(kāi)始。離子鍵理論能合理地解釋大部分無(wú)機(jī)化合物形成的原因，提出后很快就得到化學(xué)界的認(rèn)可。但是，在解釋由非金屬元素形成的無(wú)機(jī)化合物和有機(jī)化合物時(shí)則遇到了困難。

[生2]敢于否定自己才會(huì)有所突破?；瘜W(xué)家路易斯在1921年放棄了研究20年的離子鍵理論。他進(jìn)一步深入思考，于1923年提出了共價(jià)鍵理論，使化學(xué)鍵理論又向前跨越了一大步。

[生3]共價(jià)鍵理論的提出具有重大意義。它克服了離子鍵理論只能解釋離子型化合物的不足，擴(kuò)大了理論的應(yīng)用領(lǐng)域，將無(wú)機(jī)化合物和有機(jī)化合物的形成統(tǒng)攝在共同的理論之下。

[師]任何理論的產(chǎn)生與發(fā)展都不是偶然的，總有一定的時(shí)代背景和認(rèn)識(shí)根源，這是人類對(duì)科學(xué)認(rèn)識(shí)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物?？茖W(xué)發(fā)展也是不斷前進(jìn)的，人們會(huì)不斷地發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題，引導(dǎo)科學(xué)家去解決和探索，從而推動(dòng)科學(xué)發(fā)展。

設(shè)計(jì)意圖：科學(xué)模型并非一成不變，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)會(huì)不斷深入，科學(xué)模型會(huì)不斷完善，可以更加深刻地理解世界、改造世界。透過(guò)化學(xué)發(fā)展史，讓學(xué)生在歷史回顧中感受事物發(fā)展方向，看到科學(xué)家們?yōu)榱私沂究茖W(xué)知識(shí)本質(zhì)，鍥而不舍、不畏困難的精神。通過(guò)科學(xué)家的努力讓知識(shí)得到延伸，給同學(xué)們帶來(lái)的不再是枯燥的文字表達(dá)，而是富含情感和智慧的科學(xué)探究過(guò)程。

六、小結(jié)

本節(jié)課內(nèi)容較為抽象，在教學(xué)中應(yīng)當(dāng)立足整體高度，串聯(lián)新舊知識(shí)，幫助學(xué)生分析和梳理知識(shí)間的相關(guān)性，進(jìn)而形成相對(duì)完備的知識(shí)體系，所以在模型建構(gòu)時(shí)要特別注重知識(shí)的縱橫關(guān)聯(lián)。

（一）注重縱向聯(lián)系，親歷知識(shí)演化，培養(yǎng)科學(xué)精神

縱向聯(lián)系是指不同層次知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系。例如，化學(xué)鍵模型的發(fā)展經(jīng)歷了多個(gè)階段，當(dāng)舊模型與新事實(shí)發(fā)生沖突時(shí)，科學(xué)家們會(huì)在舊模型的基礎(chǔ)上不斷地補(bǔ)充、修正、發(fā)展，建立新模型，與之對(duì)應(yīng)的是人類數(shù)千年來(lái)對(duì)化學(xué)鍵模型的艱苦探索，這正是對(duì)概念理解逐步深入的體現(xiàn)。將化學(xué)史融入問(wèn)題的分析解決過(guò)程，有利于合理安排學(xué)習(xí)活動(dòng)，采用進(jìn)階式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生從不同角度認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)共價(jià)鍵，是一種將知識(shí)轉(zhuǎn)化為能力的重要途徑，培養(yǎng)學(xué)生的探究觀、價(jià)值觀，發(fā)展學(xué)生模型認(rèn)知和建構(gòu)能力。

（二）關(guān)注橫向發(fā)展，體會(huì)知識(shí)關(guān)聯(lián)，挖掘豐富內(nèi)涵

橫向聯(lián)系是指相同層次知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系。例如，隨著對(duì)原子結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的加深，元素周期表的劃分、元素周期律的發(fā)現(xiàn)以及化學(xué)鍵模型等都得到了不同程度的發(fā)展。關(guān)注同層次知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系，可以轉(zhuǎn)換學(xué)習(xí)新知識(shí)時(shí)的思維方式，幫助學(xué)生形成知識(shí)間橫向聯(lián)系，讓學(xué)生從中獲得具有普遍意義的學(xué)習(xí)方法和思維模式[7]。

總之，以化學(xué)史為載體，通過(guò)模型建構(gòu)有利于化學(xué)概念的學(xué)習(xí)和生成，有利于學(xué)習(xí)從表層“概念”到實(shí)質(zhì)性“觀念”的轉(zhuǎn)變，有利于幫助學(xué)生理解化學(xué)史實(shí)、概念和理論之間的關(guān)系，從而形成學(xué)科整體思想，進(jìn)一步提高化學(xué)核心素養(yǎng)。