基于證據(jù)推理與模型認(rèn)知的“原子軌道雜化與分子空間結(jié)構(gòu)”教學(xué)設(shè)計(jì)

王廣揚(yáng)　經(jīng)志俊

摘要： 以常見(jiàn)烴分子空間結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)為依據(jù)，基于認(rèn)知沖突通過(guò)證據(jù)推理引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)原子軌道雜化的概念，并運(yùn)用雜化軌道理論解釋分子的空間結(jié)構(gòu)；通過(guò)常見(jiàn)微?？臻g結(jié)構(gòu)的列表分析，探究原子軌道雜化方式與價(jià)層電子對(duì)數(shù)的關(guān)系；基于知識(shí)關(guān)聯(lián)和認(rèn)識(shí)思路的內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)預(yù)測(cè)與解釋微粒（分子）的空間結(jié)構(gòu)，促進(jìn)學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”學(xué)科核心素養(yǎng)水平的發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 分子空間結(jié)構(gòu)； 雜化軌道理論； 證據(jù)推理； 模型認(rèn)知； 內(nèi)容結(jié)構(gòu)化

文章編號(hào)： 10056629（2023）11004505 中圖分類(lèi)號(hào)： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 基于前期分析定位教學(xué)策略

“雜化軌道理論簡(jiǎn)介”是人教版選擇性必修2《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》第二章第二節(jié)“分子的空間結(jié)構(gòu)”的重要組成部分，也是化學(xué)高考的評(píng)價(jià)熱點(diǎn)。緣于該內(nèi)容本身的抽象程度較高，加之教師對(duì)其在研究“分子的空間結(jié)構(gòu)”中功能與價(jià)值的定位比較模糊及其與VSEPR（價(jià)層電子對(duì)互斥）模型邏輯關(guān)聯(lián)的發(fā)掘不力，導(dǎo)致其成為高中化學(xué)學(xué)習(xí)的難點(diǎn)之一。

基于研讀課標(biāo)、分析教材、把握學(xué)情的前期分析（見(jiàn)表1），將教學(xué)主題設(shè)定為“原子軌道雜化與分子空間結(jié)構(gòu)”。將

教學(xué)的基本策略確定為：

基于學(xué)習(xí)內(nèi)容并對(duì)標(biāo)課程要求，通過(guò)“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”“問(wèn)題解決”等學(xué)習(xí)策略，聚焦“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展；依托實(shí)驗(yàn)事實(shí)并重組教材內(nèi)容，通過(guò)甲烷、乙烯、乙炔、苯等常見(jiàn)分子空間結(jié)構(gòu)的科學(xué)解釋，自主建構(gòu)并深度理解雜化軌道理論；運(yùn)用列表梳理并歸納提煉，通過(guò)分子的空間結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)與解釋的思維建模，落實(shí)基于認(rèn)識(shí)思路的內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，促進(jìn)學(xué)科知識(shí)向?qū)W科素養(yǎng)的轉(zhuǎn)變。

2 聚集素養(yǎng)發(fā)展規(guī)劃教學(xué)實(shí)施

基于雜化軌道理論解釋分子的空間結(jié)構(gòu)，是“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”水平發(fā)展的重要載體，選擇“由結(jié)構(gòu)事實(shí)推理軌道雜化，用軌道雜化解釋空間結(jié)構(gòu)”的學(xué)習(xí)策略，設(shè)置“激活雜化軌道理論建構(gòu)的必備知識(shí)”“形成雜化軌道理論建構(gòu)的基本策略”“優(yōu)化分子空間結(jié)構(gòu)問(wèn)題的認(rèn)知模型”和“落實(shí)學(xué)業(yè)質(zhì)量水平達(dá)成的有效評(píng)價(jià)”等四個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。

2.1 環(huán)節(jié)一：激活雜化軌道理論建構(gòu)的必備知識(shí)

喚醒對(duì)“電子躍遷”“共價(jià)鍵的飽和性與方向性”的認(rèn)知，深化對(duì)“VSEPR模型”的理解，體驗(yàn)跨學(xué)科知識(shí)解決化學(xué)問(wèn)題的魅力。

學(xué)習(xí)任務(wù)1：以碳元素為例說(shuō)明原子結(jié)構(gòu)的基態(tài)與激發(fā)態(tài)（見(jiàn)圖1）；以HCl為例詮釋共價(jià)鍵的飽和性與方向性（見(jiàn)表2）；用庫(kù)侖定律解讀價(jià)層電子對(duì)互斥模型（見(jiàn)表3）。

2.2 環(huán)節(jié)二：形成雜化軌道理論建構(gòu)的基本策略

以CH4、 C2H4、 C2H2分子結(jié)構(gòu)的相關(guān)事實(shí)（分子模型、鍵參數(shù)等）為依據(jù)，基于事實(shí)與前概念的認(rèn)知沖突，從電子躍遷、原子軌道雜化、雜化軌道及未雜化軌道的空間分布、σ鍵與π鍵的形成，逐步建構(gòu)sp3、 sp2、 sp等碳原子軌道雜化方式，并在此基礎(chǔ)上科學(xué)解釋CH4、 C2H4、 C2H2分子的空間結(jié)構(gòu)。

學(xué)習(xí)任務(wù)2：以CH4為例認(rèn)識(shí)碳原子軌道的sp3雜化。

從CH4的空間結(jié)構(gòu)的事實(shí)出發(fā)（見(jiàn)圖2），引導(dǎo)學(xué)生基于證據(jù)推理逐步解決問(wèn)題（見(jiàn)表4），自主建構(gòu)碳原子軌道的sp3雜化的概念，初步體驗(yàn)用雜化軌道理論解釋分子空間結(jié)構(gòu)的科學(xué)方法。

學(xué)習(xí)任務(wù)3：以乙烯、乙炔為例認(rèn)識(shí)碳原子軌道的sp2、 sp雜化；運(yùn)用雜化軌道理論解釋苯分子的空間結(jié)構(gòu)。

從乙烯、乙炔空間結(jié)構(gòu)的事實(shí)出發(fā)（見(jiàn)圖3、圖4），引導(dǎo)學(xué)生基于證據(jù)推理逐步解決問(wèn)題（見(jiàn)表5），自主建構(gòu)碳原子軌道的sp2、 sp雜化的概念，進(jìn)一步體驗(yàn)用雜化軌道理論解釋分子空間結(jié)構(gòu)的科學(xué)方法。

從苯空間結(jié)構(gòu)的事實(shí)出發(fā)（見(jiàn)圖5），組織學(xué)生討論交流并基于證據(jù)推理逐步形成“碳原子成鍵時(shí)，1個(gè)2s電子躍遷到2p軌道。2s軌道與2個(gè)2p軌道進(jìn)行重組形成3個(gè)完全相同的sp2雜化軌道，3個(gè)sp2雜化軌道分別沿平面三角形的3個(gè)頂角方向伸展。未雜化的p軌道與sp2雜化軌道彼此垂直。3個(gè)sp2雜化軌道分別與另2個(gè)碳原子及1個(gè)氫原子形成σ鍵，6個(gè)碳原子組成了一個(gè)六元環(huán)，6個(gè)未雜化的p軌道形成1個(gè)大π鍵。這就決定了苯分子中的鍵角為120°，12個(gè)原子共處于同一平面。6個(gè)碳原子未雜化的p軌道彼此重疊形成的大π鍵，導(dǎo)致相鄰2個(gè)碳原子間未雜化的p軌道電子云重疊的程度小于CC。使得苯分子中碳碳鍵鍵長(zhǎng)介于CC、 C—C之間”等結(jié)論，深度體驗(yàn)用雜化軌道理論解釋分子空間結(jié)構(gòu)的科學(xué)方法。

2.3 環(huán)節(jié)三：優(yōu)化分子空間結(jié)構(gòu)問(wèn)題的認(rèn)知模型

通過(guò)列表分析，引導(dǎo)學(xué)生歸納出原子軌道雜化方式與價(jià)層電子對(duì)數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)合列表梳理，提示“微粒組成、中心原子價(jià)層電子對(duì)數(shù)、軌道雜化方式、VSEPR模型、微?？臻g結(jié)構(gòu)”的內(nèi)在聯(lián)系，形成結(jié)構(gòu)化的認(rèn)知圖式；基于“微粒組成分析中心原子價(jià)層電子對(duì)數(shù)”“價(jià)層電子對(duì)數(shù)匹配VSEPR模型或原子軌道雜化方式”“VSEPR模型結(jié)合組成預(yù)測(cè)微粒空間結(jié)構(gòu)，軌道雜化方式結(jié)合組成解釋微?？臻g結(jié)構(gòu)”的認(rèn)識(shí)思路，建構(gòu)結(jié)構(gòu)化的認(rèn)知模型。

學(xué)習(xí)任務(wù)4：基于表6歸納原子軌道雜化方式與價(jià)層電子對(duì)數(shù)的關(guān)系；填寫(xiě)表7發(fā)掘原子軌道雜化方式與價(jià)層電子對(duì)互斥模型的內(nèi)在聯(lián)系；基于“VSEPR模型”“雜化軌道理論”的功能定位差異，建構(gòu)微?？臻g結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)與解釋的思維模型（見(jiàn)圖6）。

2.4 環(huán)節(jié)四：落實(shí)學(xué)業(yè)質(zhì)量水平達(dá)成的有效評(píng)價(jià)

基于學(xué)業(yè)質(zhì)量水平要求，聚焦教學(xué)評(píng)一體化。以高考試題為素材，評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)業(yè)質(zhì)量水平的達(dá)成情況和學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展水平，反饋課堂教學(xué)的效果。

學(xué)習(xí)任務(wù)5：按要求回答下列問(wèn)題。

（1） FeSO4隔絕空氣受熱分解生成SO2、 SO3、 Fe2O3。

SO2分子的空間構(gòu)型為＿＿＿＿，其中S原子的雜化類(lèi)型為＿＿＿＿。

（2） 乙二胺（H2NCH2CH2NH2）是一種有機(jī)化合物，分子中氮、碳的雜化類(lèi)型分別是＿＿＿＿、＿＿＿＿。

（3） 有＿＿＿＿種不同雜化類(lèi)型的碳原子，其中采用sp2雜化的碳原子有＿＿＿＿個(gè)。

3 依據(jù)學(xué)生表現(xiàn)反思教學(xué)實(shí)踐

“學(xué)習(xí)內(nèi)容抽象度高，素養(yǎng)目標(biāo)針對(duì)性強(qiáng)”是“原子軌道雜化與分子空間結(jié)構(gòu)”這一學(xué)

習(xí)主題的顯著特點(diǎn)，結(jié)合課堂教學(xué)學(xué)生的實(shí)際表現(xiàn)（見(jiàn)表8），筆者在課后與芮城縣高中化學(xué)骨干教師重點(diǎn)交流了以下教學(xué)體會(huì)和優(yōu)化措施。

（1） 展示分子結(jié)構(gòu)模型，追求結(jié)構(gòu)可視化。

借助分子結(jié)構(gòu)與原子軌道模型的展示，直觀呈現(xiàn)原子軌道伸展情況和分子空間結(jié)構(gòu)特

點(diǎn)，通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)的可視化，降低相關(guān)內(nèi)容的抽象程度。

（2） 任務(wù)驅(qū)動(dòng)自主建構(gòu)，彰顯學(xué)生主體地位。

借助學(xué)習(xí)任務(wù)與具體實(shí)驗(yàn)事實(shí)的呈現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生激活知識(shí)儲(chǔ)備并自主建構(gòu)雜化軌道概

念，通過(guò)討論交流、同伴互評(píng)等手段彰顯學(xué)生主體地位。

（3） 歸納提煉思維建模，落實(shí)內(nèi)容結(jié)構(gòu)化。

借助知識(shí)列表梳理與模型建構(gòu)等手段，啟迪學(xué)生基于知識(shí)關(guān)聯(lián)形成知識(shí)組塊、基于認(rèn)識(shí)思路建構(gòu)認(rèn)知模型，通過(guò)內(nèi)容結(jié)構(gòu)化促進(jìn)自身學(xué)科素養(yǎng)的發(fā)展［6］。

（4） 評(píng)價(jià)檢視質(zhì)量水平，落實(shí)教學(xué)評(píng)一體化。

借助高考真題與學(xué)業(yè)質(zhì)量要求的對(duì)接，科學(xué)客觀地評(píng)價(jià)學(xué)生的必備知識(shí)掌握、關(guān)鍵能力發(fā)展、學(xué)科素養(yǎng)提升情況，通過(guò)教學(xué)反饋和調(diào)整促成教學(xué)評(píng)一體化的落實(shí)。

參考文獻(xiàn)：

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［5］王晶， 鄭長(zhǎng)龍主編. 普通高中教科書(shū)·物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)［M］. 北京： 人民教育出版社， 2022： 7～16， 41～42， 46.

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