基于大單元教學(xué)的自制教具作業(yè)設(shè)計(jì)
——以“物質(zhì)模型搭建”為例

趙延軍

青海師范大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)中學(xué) (810008)

1 問題的提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》在多處提出搭建球棍模型或?qū)嵨锬Ｐ?通過模型認(rèn)識物質(zhì)的結(jié)構(gòu),降低學(xué)習(xí)內(nèi)容的抽象性,促進(jìn)學(xué)生對相關(guān)內(nèi)容的理解和認(rèn)識[1],其所在模塊、要求及核心知識間的對應(yīng)關(guān)系見表1。針對化學(xué)學(xué)習(xí)中的晶體結(jié)構(gòu)、有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)等微觀抽象的內(nèi)容,借助實(shí)物模型可以將微觀結(jié)構(gòu)宏觀化、抽象內(nèi)容直觀化,幫助學(xué)生全面地認(rèn)識物質(zhì)的結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)化學(xué)思維的有效進(jìn)階。

表1 新課標(biāo)中模型搭建活動所在模塊及要求與核心知識間的關(guān)系

馬薇提出:“如果能讓學(xué)生利用簡單的材料親自動手組裝晶體模型,保證人手一個(gè),對于加深學(xué)生對晶體結(jié)構(gòu)的理解、構(gòu)建合理的空間想象力、同時(shí)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣有十分積極的作用”[2]。趙旭東認(rèn)為:“學(xué)生親自動手制作的模型,不僅直觀,而且在制作過程中就解決了有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的絕大部分問題。學(xué)生能輕松突破原子共面、共線難點(diǎn)。搭建球棍模型的實(shí)驗(yàn)活動非常有意義,是其他學(xué)習(xí)方式無法代替的”[3]。為了讓學(xué)生徹底理解晶體結(jié)構(gòu)和有機(jī)物分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在學(xué)生充分學(xué)習(xí)雜化軌道理論、價(jià)層電子對互斥理論、晶體結(jié)構(gòu)、有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了以“物質(zhì)模型搭建”為大單元教學(xué)主題的自制教具作業(yè)。將模型搭建作為明線,將滲透其中的學(xué)科思想方法作為暗線,為學(xué)生創(chuàng)造自主動手、動腦的探究機(jī)會[4],讓學(xué)生利用生活中常見的橡皮泥、泡沫球等作為小球,以牙簽、鐵絲、吸管等作為化學(xué)鍵搭建晶體結(jié)構(gòu)和有機(jī)物分子的結(jié)構(gòu)模型,學(xué)生在自己搭建模型的過程中可以內(nèi)化物質(zhì)結(jié)構(gòu)、突破學(xué)習(xí)難點(diǎn),強(qiáng)化對晶體結(jié)構(gòu)和有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)的深度認(rèn)識,同時(shí)在制作模型的過程中能提高學(xué)生的動手能力、協(xié)作能力和空間想象能力,幫助學(xué)生建立系統(tǒng)的思維邏輯[5],利用搭建的模型分析物質(zhì)具體性質(zhì),強(qiáng)化“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的化學(xué)思維,最終提升學(xué)生“證據(jù)推理和模型認(rèn)知”等維度的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

2 作業(yè)設(shè)計(jì)方案

2.1 作業(yè)目的

激發(fā)學(xué)生對化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣,幫助學(xué)生深入理解物質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系,培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、協(xié)作能力、空間想象能力,豐富學(xué)生的課余生活,擴(kuò)大學(xué)生的化學(xué)知識面,落實(shí)化學(xué)學(xué)科“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的核心素養(yǎng)。

2.2 材料選擇

學(xué)生根據(jù)自己的特長自行選擇搭建模型的材料,可以用橡皮泥、乒乓球、牙簽、小木棒等。不建議從網(wǎng)上購買制作好的模型或已經(jīng)打好孔的小球搭建模型,因?yàn)檫@種小球打孔后方向已經(jīng)固定,學(xué)生搭建模型時(shí)對原子的位置關(guān)系、鍵角等產(chǎn)生思維定勢,不利于發(fā)展學(xué)生的空間想象能力。

2.3 搭建模型范圍

分子晶體、原子晶體、金屬晶體、離子晶體等物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)以及有機(jī)物的分子模型(球棍模型、比例模型)或自己感興趣的物質(zhì)模型。

2.4 搭建思路

(1)晶體結(jié)構(gòu)模型搭建思路:選擇要搭建的晶體→分析晶體類型→分析晶體的成鍵微?！檎医滩募熬W(wǎng)絡(luò)模型→搭建晶體骨架結(jié)構(gòu)→進(jìn)行美觀處理。

(2)有機(jī)物分子模型搭建思路:選擇要搭建的有機(jī)物分子→分析分子組成和不飽和度→搭建碳骨架結(jié)構(gòu)→分析官能團(tuán)的結(jié)構(gòu)及連接方式→依據(jù)碳四價(jià)原則補(bǔ)齊氫原子數(shù)→進(jìn)行美觀處理。

模型搭建時(shí)要充分挖掘課本原型,從教材中尋找素材,也可以從網(wǎng)絡(luò)資源中尋找創(chuàng)作靈感,確定好創(chuàng)作模型和所用材料,充分發(fā)揮空間想象能力,通過小組合作科學(xué)準(zhǔn)確搭建出美觀且趣味性較強(qiáng)的模型。搭建過程中要注意原子間的比例大小、化學(xué)鍵的長短、鍵角的度數(shù)等,制作的模型大小不限,最好配有簡潔的文字解釋說明。

3 作業(yè)收集展示

3.1 晶體模型

學(xué)生搭建的晶體模型如圖1所示,主要有NaCl的晶胞結(jié)構(gòu),石墨、金剛石和C60的空間結(jié)構(gòu),也有個(gè)別小組搭建了金屬原子在三維空間的六方最密堆積模型。

圖1 學(xué)生搭建的晶體模型

3.2 有機(jī)物分子模型

如圖2所示,在有機(jī)物分子模型中學(xué)生搭建最多的有甲烷的球棍模型、乙烯的比例模型、苯的球棍模型、乙酸乙酯的比例模型等,最吸引眼球的當(dāng)屬一組同學(xué)制作的預(yù)防及治療深靜脈血栓及肺栓塞的藥物法華林鈉的球棍模型。

圖2 學(xué)生搭建的有機(jī)物分子模型

4 總結(jié)

本作業(yè)設(shè)計(jì)以 “物質(zhì)模型搭建”作為大單元教學(xué)主題,以學(xué)生所學(xué)的晶體結(jié)構(gòu)、有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)、雜化軌道理論、價(jià)層電子對互斥理論等具體核心知識作為載體,利用生活中常見的材料設(shè)計(jì)搭建了各種物質(zhì)的模型。從學(xué)生的展示情況看,學(xué)生在模型搭建時(shí)根據(jù)課堂所學(xué)的晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及各種有機(jī)物的分子結(jié)構(gòu),充分利用價(jià)層電子對互斥理論及雜化軌道理論分析鍵長、鍵角的關(guān)系,搭建了各種有趣的結(jié)構(gòu),這些模型有課堂所學(xué)的結(jié)構(gòu),如石墨、金剛石、甲烷、乙烯、苯等,也有課堂之外的拓展性物質(zhì),如多巴胺、法華林鈉等。在材料選擇上學(xué)生們的想象力也非常豐富,除了用橡皮泥、乒乓球、牙簽外,也有部分同學(xué)用到了泡沫球、彈力球、磁力球、塑料吸管、鐵絲、銅絲等,甚至有一組同學(xué)用棒棒糖制作了甲烷的球棍模型,最讓人意想不到的是有一個(gè)小組的同學(xué)自己電腦上3D建模后利用3D打印技術(shù)搭建了C60的空間構(gòu)型。

采用實(shí)物模型探究教學(xué),給學(xué)生創(chuàng)造了動手、動腦、自主探究的機(jī)會,可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,引發(fā)和保持學(xué)生良好的學(xué)習(xí)動機(jī)[6]。學(xué)生在搭建模型時(shí)要系統(tǒng)回顧自己所學(xué)的知識,充分發(fā)揮空間想象力,對不同類型的晶體結(jié)構(gòu)、雜化軌道理論、碳原子的成鍵特點(diǎn)、鍵角等非常熟悉才能正確美觀地制作出相關(guān)物質(zhì)的模型,制作過程中需要充分發(fā)揮各小組同學(xué)的動手能力、協(xié)作能力、空間想象能力,借助球棍模型搭建作業(yè),還可以將外在的搭建活動和內(nèi)在的思維活動緊密結(jié)合起來,并遷移到具體物質(zhì)的符號表征和性質(zhì)分析中,使結(jié)構(gòu)模型成為分析物質(zhì)化學(xué)符號和性質(zhì)的有效手段[7]。學(xué)生通過搭建晶體模型和有機(jī)物分子模型能深度認(rèn)識各種晶體結(jié)構(gòu)、粒子的堆積方式、有機(jī)物碳骨架特點(diǎn)、原子共線共面、官能團(tuán)的空間結(jié)構(gòu)等,突破了晶體結(jié)構(gòu)和有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)的空間認(rèn)知障礙,強(qiáng)化對物質(zhì)的結(jié)構(gòu)認(rèn)知,幫助學(xué)生建立晶體和有機(jī)物分子的空間思維邏輯,深入理解物質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系,體會“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的化學(xué)核心思想。