助力化學素養(yǎng)培養(yǎng)的典型物理模型

科學模型具有三個功能：一是使物體和抽象概念簡單化，二是使復雜現(xiàn)象可視化，三是提供對科學現(xiàn)象的解釋和預測?；瘜W模型作為科學模型的一種，具有同樣的功能。“模型認知”是化學核心素養(yǎng)之一，它要求學生建構模型并運用模型解決化學問題，形成化學思維方法。這反映出理解模型和創(chuàng)建模型對化學學習的重要性。已有研究參照《美國國家科學教育標準》將高中化學涉及的模型分為物理模型、概念模型、數(shù)學模型三類。其中，物理模型是以實物或圖畫形式直觀表達認識對象特征的模型，它通過將抽象的微觀粒子及化學概念具體化、宏觀化，幫助學生更好地理解知識本質(zhì)，發(fā)展模型認知素養(yǎng)。實際教學中，教師可依托以下四類模型促進上述素養(yǎng)目標的達成。

一、球棍模型助力有機分子結構認知

在高中化學中，球棍模型廣泛用于描述各種有機化合物的分子結構。搭建球棍模型是學生認識有機化合物分子結構特點的重要方法，能為后續(xù)有機物性質(zhì)的學習奠定基礎。

在“搭建分子球棍模型”學習活動中，教師先引導學生搭建結構比較簡單的甲烷、乙烷等分子的球棍模型，進而認識其分子結構，發(fā)現(xiàn)烷烴中碳原子成鍵特征，即每個碳原子都形成四個單鍵且呈現(xiàn)以碳原子為中心的四面體結構。接著，教師引導學生搭建乙烯、乙炔等分子的球棍模型，感受烯烴、炔烴中碳原子成鍵特征：烯烴有碳碳雙鍵，雙鍵碳原子及其直接相連的原子在一個平面上；炔烴有碳碳三鍵，三鍵碳原子及其直接相連的原子在一條直線上。然后，學生通過對比甲烷、乙烷、乙烯、乙炔的分子結構，體會分子結構式與分子空間結構的關系。在此基礎上，教師引導學生自主搭建CH2Cl2的球棍模型，通過對比辨析發(fā)現(xiàn)CH2Cl2只有一種結構，從而更好地理解甲烷的四面體結構。最后，教師引導學生搭建含4個碳原子的烴類球棍模型，探究有機物種類繁多的原因。通過以上教學活動，學生直觀感知了有機物分子結構的特征，發(fā)展了模型認知素養(yǎng)。

有機物分子中原子共線、共面問題是常見題型，由于存在線面、面面交叉問題，學生解答有一定難度，教師可引導學生借助球棍模型直觀地解決問題。例如：圖1有機物分子中最多有多少個原子在一條直線上？最多有多少個原子在一個平面上？

作答本題，教師可引導學生搭建球棍模型，直觀理解“苯環(huán)對位上的碳及其直接相連的原子在一條直線上、苯環(huán)及其直接相連的原子在一個平面上、碳碳三鍵及其直接相連的原子在一條直線上、碳碳雙鍵及其直接相連的原子在一個平面上、甲烷分子5個原子中最多有3個共面、氨分子4個原子中最多有3個共面”。同時，教師提醒學生單鍵可沿軸轉動，因此要解決“最多共線”問題，就要找苯環(huán)和碳碳三鍵。由此，學生可發(fā)現(xiàn)圖1有機物分子中最多有6個原子在一條直線上。由于單鍵可旋轉，教師可通過球棍模型幫助學生理解在解決“最多共面”問題時，單鍵碳要去掉2個氫原子，單鍵氮要去掉1個氫原子，因此圖1有機物分子中最多共面原子數(shù)為原子總數(shù)減去3個氫原子，即最多有20個原子共面。需要注意的是，對于復雜的線面問題，學生需要在直觀感知具體分子物理模型的基礎上，借助簡單分子空間結構的思維模型進一步探析。

二、吸管積木模型助力晶體結構理解

相較于球棍模型，吸管積木模型的搭建過程更簡便，其體積較大，便于觀察，有助于學生理解晶胞結構、晶胞中微粒的計算方法等晶體教學的難點。

例如，在晶體結構的教學過程中，教師引導學生先利用吸管和積木構建如圖2所示的若干簡單的立方體晶胞模型，接著將搭建好的模型有序地堆砌成如圖3所示的小型晶體，并從頂角、棱、面和體心等角度觀察小型晶體模型，交流晶胞的特征，分析用晶胞搭建晶體時晶胞的頂角是否相同、平行面是否相同等問題，然后比較不同微粒在空間中延伸的方向和距離，從微觀角度解釋晶體物理性質(zhì)的各向異性，最后進一步觀察小型晶體模型，明確晶體中晶胞“無隙并置”的含義，進而總結出計算晶胞中原子個數(shù)的“均攤法”。

三、氣球模型助力價層電子對互斥模型建構

學生對價層電子對互斥模型（VSEPR模型）比較陌生，教師利用氣球模擬呈現(xiàn)價層電子對互斥模型，讓每個價層電子對對應一個充氣氣球，能幫助學生直觀感知電子對之間的排斥作用所導致的分子或離子空間結構的差異。實踐中，教師可通過以下三個學習任務達成上述目標。

任務一，分別計算[CO2]、[SO2]、[CO2-3]、[CH4]、[NH3]、[H2O]、[PCL5]、[SF6]中心原子上的價層電子對數(shù)。該任務旨在引導學生通過計算發(fā)現(xiàn)不同分子或離子中心原子上的價層電子對數(shù)存在差異，如[CH4]、[NH3]、[H2O]中心原子上的價層電子對數(shù)為4，[SO2]中心原子上的價層電子對數(shù)為3等。

任務二，利用充氣氣球搭建分子或離子的VSEPR模型。該任務旨在引導學生通過氣球模型的搭建，了解中心原子上的價層電子對數(shù)與VSEPR模型間的關系。實踐中，學生先給若干個球形和橢球形小氣球吹滿氣，然后用橢球形氣球代表成鍵電子對，用球形氣球代表孤電子對，根據(jù)任務一的計算結果分別搭建分子、離子的VSEPR模型，如圖4是[CH4]分子的VSEPR模型，最后在教師引導下總結出如表1所示的5種模型，獲得對價層電子對數(shù)與分子、離子空間結構關系的直觀認知。

任務三，根據(jù)搭建的模型推測分子、離子的空間結構。該任務旨在讓學生理解價層電子對互斥理論能預測分子、離子的空間結構。學生對比觀察自己搭建的價層電子對氣球模型與相應的VSEPR模型發(fā)現(xiàn)：當中心原子無孤電子對時，其分子或離子的空間結構與VSEPR模型相同；當中心原子有孤電子對時，略去孤電子對就得到分子或離子的空間結構。[CH4]中心原子上無孤電子對，[NH3]中心原子上有一個孤電子對，[H2O]中心原子上有兩個孤電子對，因為孤電子對占據(jù)較大的空間，所以[CH4]、[NH3]、[H2O]的鍵角由大到小的順序是[CH4]＞[NH3]＞[H2O]。這為后續(xù)“鍵參數(shù)—鍵角大小的比較”教學奠定了認識基礎。

以上教學還能避免學生對分子、離子的空間結構形成錯誤認知。例如，當價層電子對數(shù)為4時，學生可能會主觀地認為其結構趨向正方形，但通過氣球模擬實驗，他們會發(fā)現(xiàn)其結構實際上是正四面體，因為將四個氣球壓在一個平面上，撤掉外力后，這四個氣球會自發(fā)地形成正四面體結構。

四、竹簽胡蘿卜模型助力微粒鍵角大小比較

分子結構被認為是認識和掌握物質(zhì)化學性質(zhì)和化學反應規(guī)律的基礎。鍵角是描述分子結構的重要參數(shù)。關于微粒鍵角大小的比較，學生常常遇到這樣的問題：中心原子不同、配原子相同且結構相似的分子如[NCl3]與[PCl3]的鍵角大小比較；中心原子相同、配原子不同且結構相似的分子如[NH3]與[NF3]的鍵角大小比較。在比較微粒中鍵角的大小時，為了解決氣球與中心原子的距離相對固定、不易移動的問題，教師可對氣球模型進行改進，構建竹簽胡蘿卜模型（如圖5所示）。

此模型中，手代表中心原子，胡蘿卜代表價層電子。通過模型演示，學生發(fā)現(xiàn)胡蘿卜越靠近手，胡蘿卜之間的排斥力導致的竹簽夾角越大，進而得出“價層電子對離中心原子越近，鍵角越大，反之鍵角越小”的結論。

比較[NCl3]與[PCl3]的鍵角大小時，教師引導學生使用竹簽胡蘿卜模型直觀地觀察與分析。由于N-Cl鍵長比P-Cl短，并且電負性關系為N＞Cl＞P，所以N-Cl共用電子對更靠近中心原子N，要將胡蘿卜撥到離手更近的位置；而P-Cl共用電子對更靠近配位原子Cl，要將胡蘿卜撥到離手更遠的位置。由此，學生得出[NCl3]的鍵角大于[PCl3]的鍵角。多次比較后，教師引導學生總結規(guī)律：一般情況下，對于中心原子不同、配位原子相同且結構類似的分子，中心原子的電負性越強，成鍵電子離中心原子越近，鍵角越大。[NH3]與[NF3]的鍵角大小比較問題與此類似，學生可借助模型直觀地觀察與分析，得出[NH3]的鍵角大于[NF3]的鍵角。

基于以上兩種類型鍵角大小比較的分析，教師引導學生進一步總結規(guī)律：對于同種結構的非直線形極性分子，分子的鍵角大小會受到原子電負性的影響——一般情況下，成鍵電子離中心原子越近，鍵角越大，反之鍵角越小。

（作者單位：利川市第一中學）

文字編輯" 劉佳