化學學科理解導向的教學實踐探索

摘 要：以高中化學選擇性必修2《物質結構與性質》中“微粒間的相互作用與物質性質”主題為例，從“理解什么”“如何理解”和“理解結果”三個維度，深刻認識微粒之間存在不同類型的相互作用及物質性質與微粒結構之間的關系；結合實例重點探討了共價鍵的形成過程、共價鍵中原子的電負性對物質性質的影響等，開展教學實踐，并給出了教學建議。

關鍵詞：高中化學; 學科理解; 微粒間相互作用; 分子結構; 共價鍵

文章編號：1005-6629（2024）09-0055-07

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

1 問題的提出

《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱“化學新課標”）在課程實施建議中首次提出了“化學學科理解”的概念，并對其基本內涵進行了闡釋?；瘜W學科理解是指教師對化學學科知識及其思維方式和方法的一種本源性、結構化的認識，它不僅僅只是對化學知識的理解，還包括對具有化學學科特質的思維方式和方法的理解^［1］。對化學學科知識的本源性認識，可以理解為對學科知識的形成、內涵、功能和局限性等多方面的認識；對化學學科知識的結構化認識，可以理解為對學科知識之間相互關系的認識；對化學學科思維方式和方法的結構化認識，可以理解為具有學科特質的化學認識視角和化學認識思路的形成。化學新課標將“學科理解”作為破解“由知識教學向素養(yǎng)發(fā)展教學轉變”這一難題的突破口，通過學科理解凝練化學知識的素養(yǎng)功能，以發(fā)展學生的化學學科核心素養(yǎng)^［2］。

課堂教學的構建，依賴于教師對學科知識本質的把握，以及依此形成的對學生知識理解、思維發(fā)展和能力培養(yǎng)的期待及系統(tǒng)考慮^［3］。“微粒間的相互作用與物質性質”是化學學科的核心內容，對認識物質構成的規(guī)律及化學變化的微觀實質具有不可替代的作用。與此同時，不同類型微粒間相互作用及其相關概念具有高度的概括性和抽象性等特點，教師和學生在教材各階段的教學和學習中均存有一定的困難。必修課程中曾用電子式表示NaCl、HCl等化學鍵的形成過程，使學生初步認識最外層電子在成鍵過程中的關鍵作用；在選擇性必修課程中，通過實驗事實和相關數據等關鍵證據，引導學生從原子軌道重疊、電子間相互作用等視角理解化學鍵的本質和特征，將成為教學中的重點和難點。以共價鍵為例，由此引發(fā)的知識關聯與融合，化學反應中共價鍵的類型與反應熱效應的關系、電負性對物質性質及化學反應的影響等，都要求教師具有較高層次的化學學科理解能力。據此，筆者從教學實踐的視角對相關問題展開研究，旨在提升教師對“微粒間的相互作用與物質性質”的認識水平，并通過教學改變學生的學習方式，幫助學生逐步建立結構與性質之間的聯系，發(fā)展學生的化學學科核心素養(yǎng)。

2 關于學科理解的層級及內涵

從教學設計來看，化學學科理解的貢獻在于為教學內容分析提供“學科視角”，基于學科視角進行學科功能分析^［4］。圍繞“微粒間的相互作用與物質性質”展開教學內容的分析，從學科理解視角，主要剖析知識結構中所蘊含的本源性問題（理解什么）、認識視角與認識思路（如何理解）、知識結構化和知識應用（理解結果）三個層級，如圖1所示。

2.1 加強對知識本源性的認識

微粒之間存在不同類型的相互作用，包括原子間相互作用和分子間相互作用，高中階段學生主要認識化學鍵和分子間作用力。其學科本源性問題，即微粒間相互作用的方式是怎樣的、其形成過程又如何？原子間的相互作用，可分為離子鍵、共價鍵和金屬鍵，配位鍵在形成后其鍵能、鍵長等鍵參數與共價鍵無異，仍隸屬于共價鍵范疇。分子間的相互作用，其本源性問題聚焦在“分子是通過何種方式聚集成各種物質的”，其中包含范德華力、氫鍵、π-π堆積和疏水作用等。

2.2 明晰認識視角與認識思路

認識視角是對物質變化規(guī)律及其特征的認識切入點或維度。科學家們對原子結構的認識經歷了漫長的過程，從無核原子結構模型（實心帶電球原子模型）到有核原子結構模型（太陽系模型），再到玻爾模型（核外軌道量子化），進而研究并揭示“微粒間通過何種作用力結合到一起”。其認識視角可歸納為靜電作用、電子得失和共用、原子軌道有效重疊使分子能量降低等，具體闡釋如表1所示。

據此，對“微粒間的相互作用”的認識思路要將上述三個視角融合起來。首先，原子與原子間（或分子與分子間）普遍存在著靜電作用：庫侖力或靜電力（分子間作用力稱之為取向力、誘導力和色散力）；其次，原子間通過電子的得失或共用，以達到自身相對穩(wěn)定的結構，即形成了化學鍵；最后，理解化學鍵的本質是帶有相同電荷的電子進行配對，即原子軌道的重疊，使體系能量降低。

2.3 逐步形成知識結構化

核心素養(yǎng)導向的化學教學，在教學內容的選取與組織上，要注重大概念的抽提^［6］。大概念可分為跨學科大概念、學科大概念、單元大概念和重要概念等^［7］。據此，將“微粒間的相互作用”抽提為學科大概念，則其本源性認識“微粒間的相互作用方式”——化學鍵和分子間作用力為單元大概念，重要概念是“離子鍵、共價鍵、金屬鍵、范德華力和氫鍵”，繼續(xù)發(fā)展的相關概念還有與之對應的晶體類型和結構特點（見圖1）。

與此同時，學科理解的結果不僅關注學生對相關概念的辨識和記憶，更要關注學生能否根據微粒的種類及微粒之間的相互作用方式，認識物質的性質與微觀結構的關系，主動建構相關概念之間的聯系，并基于實驗事實等證據，從微觀視角對物質表現出的宏觀性質或反應規(guī)律等進行合理解釋。

3 教學實踐

3.1 改變學習方式，增強學習體驗

化學新課標倡導“素養(yǎng)為本”的教學，改變學生的學習方式。教學中“微粒間的相互作用”所涉及的“鍵”“靜電作用”“軌道重疊”“分子構型”“微粒聚集”等相關概念較為抽象，由于“看不見、抓不住”，學生不易進行聯想或類比，在學習中存有畏難情緒。在課堂教學中，教師采用“讀→看→畫→做”的教學方法，使學生對“微粒間的相互作用”的學習體驗更加直接。如在共價鍵π鍵的教學中，學生先閱讀教材有了初步感知，然后通過教師的模型展示進一步理解兩個原子的p軌道如何進行“肩并肩”重疊，再到學生分組繪制重疊圖像及用橡皮泥做出實物形狀，逐步加深對成鍵方式的理解；又如認識晶體中微粒的空間排布存在周期性時，讓學生動手搭建晶體模型，提升了學生對晶胞具有無隙并置特點的認識，如圖2～圖4所示。

3.2 建立知識關聯，提升主題間的融合性

在探討“微粒間相互作用”關于化學鍵的斷裂與形成這一內容時，學生未能直觀想象原子間的成鍵和斷鍵過程，難以深刻理解不同原子間所形成的共價鍵的強度有所不同。故教學中宜采用“基于學科思想的知識關聯和遷移”的教學策略，教師要“跳出結構看結構”，選取學生比較熟悉的宏觀概念或事實作為證據，建立知識間的聯系，應用“結構決定性質”及“性質反映結構”的學科思想，基于宏觀證據解釋微觀實質，使學生融合已經學過的相關主題有邏輯地理解所學內容。

案例1 從能量變化的視角認識共價鍵的強度

人教版教材中對σ鍵和π鍵的形成和類型描述為：σ鍵是由兩個原子的p軌道“頭碰頭”重疊形成的，π鍵是由兩個原子的p軌道“肩并肩”重疊形成的，π鍵和σ鍵的強度不同^［8］，并以乙烯、乙炔分子為例，說明π鍵不如σ鍵牢固，容易斷裂。那么，如何讓學生更深層次地理解π鍵和σ鍵的強度差異呢？

教師可從化學反應中能量變化的視角，引導學生認識兩種共價鍵的不同牢固程度。如烷烴的裂解反應（圖5），當反應中有σ鍵轉變?yōu)棣墟I時，通常表現為吸熱反應。查閱相關共價鍵的鍵能數據^［9］進行計算，反應的ΔH=+123.5kJ·mol^-1，說明斷裂σ鍵吸收的能量大于形成π鍵釋放的能量，證明σ鍵比π鍵更加牢固。

同理，當反應中有π鍵轉變?yōu)棣益I時，通常為放熱反應，如烯烴的聚合反應（圖6），說明斷裂π鍵吸收的能量小于形成σ鍵釋放的能量，同樣證明σ鍵比π鍵更加牢固。

不難發(fā)現，當反應中沒有發(fā)生σ鍵和π鍵的相互轉變時，如酯化反應，一般反應熱都很小。據此，通過引導學生關注化學反應中σ鍵轉變?yōu)棣墟I或π鍵轉變?yōu)棣益I時的能量變化，結合化學反應原理的相關知識，可以從微觀視角認識化學反應的某些特點及變化規(guī)律。

案例2 從“成鍵三要素”的視角，認識氫鹵酸的酸性強弱

現代價鍵理論的基本要點包含電子配對原理和最大重疊原理，分別體現了共價鍵的飽和性和方向性。從成鍵三要素的視角看，原子軌道“對稱性匹配”是能否成鍵的首要因素，在數學計算中可用重疊積分進行度量?？紤]學習的階段性，高中階段不做討論?！败壍滥芰肯嘟焙汀白畲笾丿B”原則可衡量成鍵的有效性。那么，在課堂教學中，如何結合具體實例，使學生更為深刻地理解以上兩個因素呢？

例如，可通過比較第ⅦA族氣態(tài)氫化物在水中的酸性依次增強（HF＜HCl＜HBr＜HI），從成鍵三要素的視角引導學生展開討論：由F到I，其原子外層p軌道能量依次增大，與H原子的1s軌道能量差值逐漸增大，軌道重疊程度逐漸降低，成鍵的有效性也逐漸降低，故氫鹵酸的酸性逐漸增強。相較于從鍵長（或鍵能）的視角進行分析，從原子軌道重疊的視角分析更為本質，也使學生更加深刻地理解原子軌道能量與共價鍵形成的關系。

3.3 應用“結構決定性質”解釋問題，全面提升問題解決能力

“元素的電負性”“化學鍵的極性”是本主題的重要核心概念，教學中可采用“基于核心概念進行思維建構”的教學策略，由特殊到一般、由靜態(tài)到動態(tài)，基于核心概念間的因果關系對陌生物質的性質進行分析、解釋或預測；開展綜合應用相關核心概念進行分析推理等課堂教學活動，逐步深化學生的認識視角，全面提升學生解決實際問題的能力。

案例3 從物質性質的視角，認識“電負性”及其內涵

元素的電負性是指分子中的某一元素的原子吸引電子的能力，電負性的大小總是表示分子中的原子而非孤立原子。電負性是化學中非常重要的概念，在分子結構中由電負性差異引起的形式電荷及分子中的部分電荷等，將對化學反應產生一定的影響。中學階段，可應用電負性相關知識判斷元素的金屬性和非金屬性的相對強弱、預測鍵的極性和分子的極性、鍵角的大小、判斷共價化合物中元素化合價的正負、一些含氧酸的酸性強弱、有機反應類型等等?，F行四套教材（人教版、魯科版、蘇教版、滬科版）中與“電負性”及其應用相關的教學素材羅列于表2。

通過比較與分析不難看出，四套教材中涉及與電負性相關的教學素材在化學新課標學業(yè)要求的基礎上均有一定程度的拓展與延伸，其中涉及分析解釋與推論預測等應用層次的要求居多。在課堂教學中，教師可給出物質的相關性質，并設計系列問題串，引發(fā)學生的思考。如已知NH和NF的部分性質如表3所示，從微粒間的相互作用（分子結構）角度進行分析并解釋原因。

應用“結構決定性質”這一基本觀念，首先從分子結構入手展開分析：NH和NF分子的空間結構均為三角錐形，有一對孤電子對。由于元素電負性的大小為：F＞N＞H。故NH分子中，N原子帶部分負電荷；NF分子中，N原子帶部分正電荷（圖7）。因此，NF中的孤電子對與中心原子結合更為緊密，電子不易給出，NF的堿性弱于NH。在NF中孤電子對對成鍵電子的斥力大，其鍵角小于NH。由于NF中鍵的極性與孤電子對的極性相反，故NF分子的極性小于NH。在NH中存在氫鍵，分子間作用力大，其沸點高于NF。

案例4 從“共價鍵的極性”看有機分子間的相互作用

人教版化學選擇性必修3《有機化學基礎》指出：由于不同的成鍵原子間電負性的差異，共用電子對會發(fā)生偏移。偏移的程度越大，共價鍵極性越強，在反應中越容易發(fā)生斷裂。因此，有機化合物的官能團及其鄰近的化學鍵往往是發(fā)生化學反應的活性部位^［10］。在新課程中，結構化學與有機化學的融合是大勢所趨。在學習了結構化學的相關知識后，學生要能夠應用結構化學的知識對有機物的性質和反應進行預測與剖析，發(fā)揮理論對實踐的指導作用。例如，乙醛和HCN的加成反應，通過對反應物中羰基和HCN中化學鍵的極性進行分析，找到正電荷和負電荷的分布情況，通過“電性匹配原則”找到斷鍵部位并預測產物，使靜態(tài)的結構化學知識動起來，學以致用。分析過程如圖8所示。

魯科版教材化學選擇性必修3從電荷分布的角度，對能與醛、酮中的羰基發(fā)生加成反應的試劑及加成產物進行了總結^［11］。在有機反應中，由于成鍵元素電負性差異導致在一定條件下化學鍵的異裂，通過電性作用促使反應發(fā)生的實例比比皆是，如有機反應中兩種重要中間體乙酰乙酸乙酯（）和丙二酸二乙酯（）中a-H的活性，均與相鄰基團間的電子效應而使鍵的極性增強有關。現另舉幾例加以說明，如表4所示。

4 結束語

在新課標、新教材、新課程、新高考實施的“四新”背景下，對教師的業(yè)務能力及專業(yè)素養(yǎng)提出了更高的要求，教師對“學科主題內容及其教學價值的理解能力”是教師的核心教學能力之一^［12］。誠然，在課堂教學中，教什么、什么知識值得去教，是每位教師需要永恒思考和討論的話題。諸如“結構決定性質”是指何種結構，是原子結構、分子結構還是電子結構？“電離能和電負性兩者有何區(qū)別”“微觀是什么”等問題在新課程背景下引發(fā)了教師新的思考。中學教師的化學水平不能停留在中學階段。立足課堂教學，增強學科理解，還需要廣大一線教師勇于做出更多的探索與實踐。

參考文獻：

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