高中化學(xué)電子式教學(xué)困境及他山之石

付勇 許志勤 黃波

摘要： 高中化學(xué)電子式教學(xué)面臨缺乏規(guī)范和耗時(shí)低效的困境，引入點(diǎn)叉圖是解決電子式教學(xué)困境的途徑之一。經(jīng)實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)叉圖和電子式在學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)式中的功能相同。點(diǎn)叉圖相對(duì)于電子式更容易被化學(xué)學(xué)習(xí)水平較低的學(xué)生掌握，建議在化學(xué)必修階段的學(xué)習(xí)中引入，有助于解決目前電子式教學(xué)的困境。

關(guān)鍵詞： 電子式; 教學(xué)困境; 點(diǎn)叉圖

文章編號(hào)： 10056629（2022）07008905

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

電子式是我國(guó)高中化學(xué)課程中一直存在的教學(xué)內(nèi)容，目前主要版本的高中化學(xué)教材中都有呈現(xiàn)電子式。但值得注意的是，《普通髙中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》和《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中卻沒(méi)有直接提及電子式，更無(wú)明確的教學(xué)要求，課程中似乎“無(wú)名無(wú)分”，教學(xué)中卻又必須要面對(duì)。這種情況給電子式的教學(xué)帶來(lái)困惑： 電子式在高中化學(xué)課程中是否還有其他選擇？怎樣解決電子式教學(xué)的困境？

1 電子式在高中化學(xué)中的功能簡(jiǎn)析

首先，電子式作為一種符號(hào)模型，是認(rèn)識(shí)化學(xué)鍵的思維工具。電子式最初是由路易斯提出電子對(duì)概念時(shí)，用兩點(diǎn)放在兩個(gè)原子之間，表示共用電子對(duì)，一個(gè)共用電子對(duì)即一個(gè)共價(jià)鍵，依據(jù)的原理是經(jīng)典八偶體電子理論。這種表示方法后來(lái)逐漸演變?yōu)榻裉旎瘜W(xué)學(xué)習(xí)和研究中的電子式[1]。電子式一方面融入了形象思維，把抽象的化學(xué)鍵以直觀和簡(jiǎn)潔的形式表征出來(lái)，是學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)知識(shí)的思維工具。另一方面，電子式在原子結(jié)構(gòu)示意圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行了抽象和簡(jiǎn)化，使用起來(lái)更加方便。教學(xué)實(shí)踐表明，運(yùn)用電子式能夠幫助學(xué)生辨識(shí)原子在形成化合物的過(guò)程中電子的轉(zhuǎn)移方式和變化規(guī)律，促進(jìn)對(duì)化學(xué)鍵的認(rèn)識(shí)。因此，目前三個(gè)版本的高中化學(xué)教材在講授化學(xué)鍵時(shí)，都引入了電子式[2～4]。

其次，電子式是學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)式的基礎(chǔ)，能夠促進(jìn)其他符號(hào)模型的學(xué)習(xí)。在學(xué)生學(xué)會(huì)電子式的基礎(chǔ)上，把共用電子對(duì)用短線代替，其他省略掉，即形成結(jié)構(gòu)式。我們知道，結(jié)構(gòu)式能夠很清楚地表達(dá)原子之間的連接方式，是學(xué)生學(xué)習(xí)有機(jī)化合物性質(zhì)與分子空間構(gòu)型的基礎(chǔ)。所以從某種程度上來(lái)說(shuō)，電子式是學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)的基礎(chǔ)之基礎(chǔ)。由電子式過(guò)渡到結(jié)構(gòu)式非常自然，學(xué)生很容易學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)式，電子式對(duì)有機(jī)化學(xué)與結(jié)構(gòu)化學(xué)學(xué)習(xí)來(lái)說(shuō)相當(dāng)于加涅教學(xué)設(shè)計(jì)理論中的支持性知識(shí)[5]。

2 電子式在教學(xué)中的困境

2.1 電子式規(guī)范缺失的困境

電子式作為一種科學(xué)符號(hào)，它應(yīng)該具有科學(xué)符號(hào)所應(yīng)具有的規(guī)范性、國(guó)際通用性特征，在教學(xué)上應(yīng)該讓學(xué)生學(xué)習(xí)規(guī)范的化學(xué)符號(hào)。但高中化學(xué)中電子式恰恰缺少規(guī)范，不僅課程標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有提及，而且在化學(xué)教材中也是語(yǔ)焉不詳。在目前幾個(gè)主要版本的高中化學(xué)教材中，電子式的定義大致相同，采用的都是描述性定義，如蘇教版教材把電子式定義為“為了方便表示離子或原子的最外層電子，我們可以在元素符號(hào)周圍用小黑點(diǎn)或者“×”來(lái)表示離子或原子的最外層電子，這種式子稱為電子式”[6]。這樣的描述沒(méi)有對(duì)電子式書寫的具體規(guī)范做任何說(shuō)明，雖然教材也列舉了一些電子式的例子，但很難涵蓋電子式書寫的規(guī)則。電子式缺乏規(guī)范給化學(xué)教學(xué)帶來(lái)了困境——電子式的規(guī)范需要化學(xué)教師的解釋，教師的不同理解可能產(chǎn)生不同的書寫規(guī)則，并且教師的理解通常也是根據(jù)自己的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，一方面很難保證規(guī)范性，另一方面讓電子式承擔(dān)了過(guò)多的功能。

2.2 電子式教學(xué)耗時(shí)低效的困境

電子式是在原子結(jié)構(gòu)示意圖的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化了內(nèi)層電子，用點(diǎn)或“×”代替最外層電子。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，電子式失去了原子結(jié)構(gòu)示意圖的形象成分，抽象程度大為提高，造成學(xué)生在掌握和應(yīng)用電子式時(shí)產(chǎn)生了困難，尤其是對(duì)于剛從初中升入高中學(xué)習(xí)的學(xué)生而言更是如此。電子式教學(xué)通常是教師給出相應(yīng)的規(guī)則，然后學(xué)生按照規(guī)則書寫原子、離子、化合物的電子式，這是一種基于規(guī)則的技能學(xué)習(xí)，屬于淺層次的學(xué)習(xí)[7]。由于電子式承擔(dān)了其他的結(jié)構(gòu)知識(shí)，如成鍵之后的電子成對(duì)，在選擇性必修模塊中才涉及，故必修模塊的學(xué)生很難深層次地理解電子式書寫的規(guī)則。從高中化學(xué)知識(shí)體系來(lái)看，電子式除了在認(rèn)識(shí)化學(xué)鍵和進(jìn)一步學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)式之外，必修模塊的學(xué)習(xí)幾乎用不到，也導(dǎo)致電子式學(xué)習(xí)之后遺忘現(xiàn)象比較普遍。但是在教學(xué)實(shí)踐中，電子式又是教學(xué)評(píng)價(jià)中的重要內(nèi)容，化學(xué)教師需要花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行電子式教學(xué)，過(guò)于強(qiáng)調(diào)電子式的書寫，反而忽視了電子式認(rèn)知工具的功能。這種情況對(duì)于大部分不選化學(xué)學(xué)科繼續(xù)學(xué)習(xí)的學(xué)生而言，花費(fèi)大量的時(shí)間學(xué)習(xí)抽象的電子式并不是必要的。

3 解決電子式困境的他山之石——點(diǎn)叉圖

解決目前電子式教學(xué)困境的主要途徑有兩種： 一是對(duì)電子式進(jìn)行規(guī)范，形成統(tǒng)一的電子式書寫規(guī)范。這種方式的困難在于電子式書寫規(guī)范目前很難得到統(tǒng)一，也無(wú)法解決電子式抽象程度較高的問(wèn)題;二是采取其他形式的化學(xué)符號(hào)代替。劍橋大學(xué)出版社出版的英國(guó)比較流行的高中化學(xué)教材采用了一種點(diǎn)叉圖（dot-and-cross diagrams），類似于我國(guó)高中化學(xué)教材中的電子式，但又有不同于電子式的特點(diǎn)，可以給我們提供有益的參考。該教材是配合英國(guó)劍橋考試（Cambridge International Exam）的專用教材，在我國(guó)開設(shè)A-level課程的國(guó)際學(xué)校也在廣泛使用。這套教材分為IGCSE和AS&A2兩種水平，前者相當(dāng)于我國(guó)的必修教材，后者相當(dāng)于選擇性必修教材。兩種水平都在學(xué)習(xí)化學(xué)鍵知識(shí)中引入了點(diǎn)叉圖，以離子鍵和共價(jià)鍵分類，分別給出了點(diǎn)叉圖的書寫規(guī)則，并配以豐富的例子[8]。

3.1 離子型點(diǎn)叉圖

與電子式相似，離子型化合物中的離子點(diǎn)叉圖只畫出最外的電子層，所不同的是陽(yáng)離子最外層電子失去之后，不保留電子層，用方括號(hào)的形式，離子的電荷寫在右上角。陰離子最外層電子同樣是成對(duì)出現(xiàn)，占據(jù)上下左右四個(gè)方位。離子化合物及其形成的點(diǎn)叉圖以二維方式排列，具有“圖畫”的特征，如圖1、圖2為NaCl、 CaCl2離子化合物形成的點(diǎn)叉圖。

3.2 共價(jià)型點(diǎn)叉圖

共價(jià)型點(diǎn)叉圖用點(diǎn)表示其中一個(gè)原子的最外層電子，用叉表示另一個(gè)原子的最外層電子，如果超過(guò)兩種元素的原子則用小圓圈或者小三角形。在兩個(gè)原子之間電子層交叉部分，畫出共用的電子，如圖3所示。剩余未共用的電子也以成對(duì)的形式出現(xiàn)，但不必在上下左右的方位分布，如圖4中CO2中的氧原子。點(diǎn)叉圖用圓圈表示原子，一般來(lái)說(shuō)，原子半徑較大，圓圈也較大。需要指出的是點(diǎn)叉圖在特殊情況下不局限于8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，多原子分子也以二維方式排列，如圖5所示。

4 高中化學(xué)必修課程引入點(diǎn)叉圖的可行性研究

4.1 研究目的

分別通過(guò)電子式和點(diǎn)叉圖的教學(xué)，比較不同化學(xué)學(xué)習(xí)水平的學(xué)生學(xué)習(xí)電子式和點(diǎn)叉圖效果的差異，分析在高中化學(xué)必修階段教學(xué)引入點(diǎn)叉圖的可行性。

4.2 研究設(shè)計(jì)與實(shí)施

研究對(duì)象選擇研究者所帶的江蘇省泰州市某中學(xué)的兩個(gè)班作為實(shí)驗(yàn)班，其他14個(gè)班作為對(duì)照班。所有班級(jí)的學(xué)生均按中考入校成績(jī)隨機(jī)分班，構(gòu)成情況如表1所示。

如表2對(duì)實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班期中考試成績(jī)描述性統(tǒng)計(jì)所示，兩種班級(jí)平均值分別為68.83和68.52;兩者均值比較，沒(méi)有顯著性差異（如表3所示，P=0.979>0.05）。

實(shí)驗(yàn)班按一般電子式教學(xué)的模式進(jìn)行點(diǎn)叉圖的教學(xué)，主要教學(xué)環(huán)節(jié)包括復(fù)習(xí)原子結(jié)構(gòu)示意圖、引入點(diǎn)叉圖、介紹點(diǎn)叉圖的書寫規(guī)范、練習(xí)點(diǎn)叉圖，教學(xué)時(shí)長(zhǎng)1個(gè)課時(shí)40分鐘。教學(xué)以NaCl的點(diǎn)叉圖書寫為例展開，教師先引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)鈉原子和氯原子結(jié)構(gòu)示意圖。然后給學(xué)生示范，把兩種示意圖的數(shù)字改成點(diǎn)或者“×”表示電子數(shù)目，把電子層改成圓形。經(jīng)過(guò)電子轉(zhuǎn)移之后，最外層電子數(shù)量都發(fā)生改變，形成鈉離子和氯離子，但都保留最外層。陰陽(yáng)離子外面用方括號(hào)，右上角注明電荷數(shù)目，同時(shí)省去內(nèi)層電子之后得到陰陽(yáng)離子的點(diǎn)叉圖，再將陰陽(yáng)離子排列在一起，即形成化合物的電子式。介紹NaCl的點(diǎn)叉圖之后，總結(jié)點(diǎn)叉圖須注意的規(guī)范問(wèn)題，學(xué)生按規(guī)范寫出KI、 MgO、 CaCl2的點(diǎn)叉圖。由鈉原子和氯原子結(jié)構(gòu)示意圖轉(zhuǎn)化為離子化合物的點(diǎn)叉圖的基本過(guò)程如圖6所示。

共價(jià)型點(diǎn)叉圖的教學(xué)以Cl2為例，展示Cl2的點(diǎn)叉圖，介紹共價(jià)型點(diǎn)叉圖;然后以H2O的點(diǎn)叉圖書寫為例，總結(jié)共價(jià)型點(diǎn)叉圖的書寫規(guī)范;學(xué)生再按書寫規(guī)范練習(xí)HCl和NH3的點(diǎn)叉圖書寫。在學(xué)習(xí)離子型和共價(jià)型物質(zhì)的點(diǎn)叉圖之后，給學(xué)生介紹既有離子鍵又有共價(jià)鍵的物質(zhì)如NaOH的寫法。

對(duì)照班實(shí)施與點(diǎn)叉圖相似的教學(xué)流程進(jìn)行電子式教學(xué)，教學(xué)時(shí)間同為40分鐘。實(shí)驗(yàn)班由研究者實(shí)施教學(xué)，其他班級(jí)由另外6位化學(xué)教師實(shí)施教學(xué)。由鈉原子和氯原子結(jié)構(gòu)示意圖轉(zhuǎn)化為離子化合物的電子式基本過(guò)程如圖7所示。

教學(xué)之后，通過(guò)測(cè)試卷測(cè)查學(xué)生對(duì)兩種符號(hào)模型的教學(xué)功能和可接受性并進(jìn)行比較： 教學(xué)功能通過(guò)結(jié)構(gòu)式的得分來(lái)判斷;可接受性由電子式或點(diǎn)叉圖的得分來(lái)判斷。實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班測(cè)試卷由10道題目組成，每道題目均為直接寫出常見(jiàn)的10種物質(zhì)的點(diǎn)叉圖或電子式，其中離子型和共價(jià)型各5個(gè)，離子化合物包括Na2S、 CaCl2、 MgO、 Na3N、 Na2O2，共價(jià)型包括N2、 H2S、 H2O2、 CO2、 PCl3。實(shí)驗(yàn)班完成點(diǎn)叉圖，對(duì)照班完成電子式，兩類班級(jí)完成之后，根據(jù)點(diǎn)叉圖或者電子式分別寫出物質(zhì)結(jié)構(gòu)式。

測(cè)試卷采用記名的方式，要求學(xué)生填寫班級(jí)、姓名和學(xué)號(hào)等基本信息。每一道題目完全正確記1分，錯(cuò)誤不計(jì)分，完成時(shí)間均為10分鐘。對(duì)照班學(xué)生按本學(xué)期期中考試化學(xué)成績(jī)?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)，前、中、后各257名學(xué)生分別作為A（優(yōu)秀）組、B（中間）組和C（后進(jìn)）組。實(shí)驗(yàn)班學(xué)生同樣以期中考試為標(biāo)準(zhǔn)，把前、中、后各37名學(xué)生分為三組。

測(cè)試時(shí)間選擇在課后，所有班級(jí)均在同一時(shí)間內(nèi)完成和回收。教學(xué)實(shí)驗(yàn)和測(cè)試得到了學(xué)校的同意和配合，提前告知學(xué)生測(cè)試的目的，實(shí)驗(yàn)班的電子式教學(xué)內(nèi)容在隨后的課堂中補(bǔ)上。實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班的測(cè)試卷回收之后由研究者統(tǒng)一批改，每一種物質(zhì)的電子式或者點(diǎn)叉圖書寫完全正確記錄為1分。所有數(shù)據(jù)均由SPSS25.0統(tǒng)計(jì)分析。本研究統(tǒng)計(jì)不同化學(xué)學(xué)習(xí)水平的學(xué)生在測(cè)試卷上的得分差異、教師因素、班級(jí)因素等通過(guò)統(tǒng)計(jì)概率可以得到比較有效的控制。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析

4.3.1 實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班結(jié)構(gòu)式得分比較

對(duì)實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班結(jié)構(gòu)式得分進(jìn)行均值比較發(fā)現(xiàn)，兩組學(xué)生結(jié)構(gòu)式均分都在較高水平，如表4平均值，分別為4.55和4.63，即學(xué)生能夠根據(jù)點(diǎn)叉圖或電子式正確書寫結(jié)構(gòu)式，平均為4.55和4.63個(gè)。如表5所示，P=0.081>0.05，兩組學(xué)生結(jié)構(gòu)式正確數(shù)目之間沒(méi)有顯著性差異。分析結(jié)果表明，學(xué)生能夠順利利用點(diǎn)叉圖或電子式書寫結(jié)構(gòu)式，兩種符號(hào)模型在學(xué)生結(jié)構(gòu)式學(xué)習(xí)中發(fā)揮了幾乎相同的作用。

4.3.2 實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班電子式和點(diǎn)叉圖得分比較

分別對(duì)實(shí)驗(yàn)班與對(duì)照班的點(diǎn)叉圖和電子式得分進(jìn)行總體和不同組別之間比較，如表6所示。總體平均值以及不同組別的學(xué)生的點(diǎn)叉圖正確數(shù)都略高于電子式，總體離散程度小于電子式，總體標(biāo)準(zhǔn)差1.20<1.43。對(duì)不同學(xué)習(xí)水平的學(xué)生在電子式和點(diǎn)叉圖的正確數(shù)目進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，如表7所示。優(yōu)等生組間和中等生組間無(wú)顯著性差異（P=0.21>0.05、 P=0.19>0.05），而后進(jìn)生組間有顯著性差異（P=0.01<0.05），說(shuō)明點(diǎn)叉圖相對(duì)電子式對(duì)化學(xué)學(xué)習(xí)水平較高的學(xué)生無(wú)顯著影響，而對(duì)化學(xué)學(xué)習(xí)水平較低的學(xué)生有顯著性影響。

兩種符號(hào)模型教學(xué)對(duì)比，從原子結(jié)構(gòu)示意圖到點(diǎn)叉圖的轉(zhuǎn)化，保留了形象的成分，更容易被后進(jìn)生接受。而電子式舍去了相應(yīng)的形象成分，直接轉(zhuǎn)換為抽象的化學(xué)符號(hào)，如圖7所示。從學(xué)生練習(xí)的正確率來(lái)看，學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)的優(yōu)等生和中等生在理解原子結(jié)構(gòu)示意圖到點(diǎn)叉圖或者電子式的差異不明顯，但學(xué)習(xí)能力較弱的后進(jìn)生更容易接受點(diǎn)叉圖。例如，經(jīng)過(guò)測(cè)試之后對(duì)學(xué)生的訪談，研究者進(jìn)一步探索產(chǎn)生差異的原因。以CO2為例，后進(jìn)生書寫電子式的時(shí)候，往往先寫出碳和氧的元素符號(hào)，在C原子和O原子之間錯(cuò)誤地寫成一對(duì)共用電子對(duì)，其他電子補(bǔ)在原子周圍形成8電子結(jié)構(gòu)。但書寫點(diǎn)叉圖時(shí)，由于C原子和O原子最外層電子歸屬非常清晰，學(xué)生能夠由C原子和O原子之間的共用電子數(shù)目判斷每一種原子是否各自達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，從而提高書寫的正確率。類似的差異多發(fā)生在兩個(gè)原子間大于1對(duì)共用電子對(duì)的情況，例如測(cè)試卷中的N2，后進(jìn)生點(diǎn)叉圖正確率高于電子式。研究還發(fā)現(xiàn)，后進(jìn)生在書寫多個(gè)孤電子對(duì)時(shí)，遺忘率高于點(diǎn)叉圖，例如PCl3中Cl原子的孤電子對(duì)，可能的原因是點(diǎn)叉圖的圓圈提示了學(xué)生檢查原子的最外層電子的數(shù)目。

5 研究結(jié)論與教學(xué)建議

由以上研究可以看出，點(diǎn)叉圖相對(duì)于電子式，在學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)式中的功能相同，但更易于化學(xué)學(xué)習(xí)水平較低的學(xué)生掌握。點(diǎn)叉圖直接以原子結(jié)構(gòu)示意圖為起點(diǎn)，形象直觀，與初中化學(xué)階段的基礎(chǔ)銜接比較緊密，更利于高中化學(xué)必修階段學(xué)生接受。在必修階段的化學(xué)學(xué)習(xí)中，點(diǎn)叉圖可以代替電子式的教學(xué)功能。借他山之石，可以攻玉，建議我國(guó)高中必修階段引入點(diǎn)叉圖教學(xué)。在經(jīng)過(guò)必修階段的化學(xué)學(xué)習(xí)之后，學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)達(dá)到相對(duì)較高的水平，在化學(xué)選擇性必修模塊再學(xué)習(xí)電子式，這樣的處理不失為克服目前電子式教學(xué)困境的簡(jiǎn)單可行的途徑和方法。

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