化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)在物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學(xué)中落實案例

楊濤 王興田

摘要：高中化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)模塊的教學(xué)中可以較好地培養(yǎng)學(xué)生的宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知等核心素養(yǎng)。在具體教學(xué)中如何落實，如何借助信息技術(shù)手段突破傳統(tǒng)教學(xué)方法難以完成的物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學(xué)，都是值得在教學(xué)中思考和探索的問題。文章以雜化軌道理論的教學(xué)為例，探索落實核心素養(yǎng)的策略和方法。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);物質(zhì)結(jié)構(gòu);智慧課堂

文章編號：1008-0546（ 2020） 04-0042-03

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.04.01l

一、問題的提出

核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受相應(yīng)學(xué)段的教育過程中，逐步形成的適應(yīng)個人終生發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力[1]。高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是高中學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的重要組成部分，主要包含宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識、科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任等五個維度?；瘜W(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的載體是教學(xué)內(nèi)容和知識，如何在課堂教學(xué)中滲透化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，逐步培養(yǎng)學(xué)生形成與化學(xué)學(xué)科相關(guān)的品格和能力是教師在教學(xué)設(shè)計中應(yīng)該重點思考的問題。物質(zhì)結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識與宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知等核心素養(yǎng)密切相關(guān)，本文以物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學(xué)中的重要內(nèi)容“雜化軌道理論”為例探究物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學(xué)與化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)融合的策略。

二、案例分析

1.學(xué)習(xí)內(nèi)容與任務(wù)分析

《高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》對本課教學(xué)內(nèi)容的要求是認(rèn)識共價分子的多樣性和復(fù)雜性，能根據(jù)有關(guān)理論判斷簡單分子或離子構(gòu)型。根據(jù)雜化軌道理論和價層電子對互斥理論判斷分子或離子構(gòu)型是高考化學(xué)選修3模塊必考內(nèi)容之一。教學(xué)重點是sp、sp₂、sp₃雜化軌道的形成過程。教學(xué)難點：用雜化軌道理論解釋分子構(gòu)型及物質(zhì)性質(zhì)。

2.設(shè)計思想

根據(jù)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論和翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)理論，應(yīng)用智慧課堂的教學(xué)手段，并且充分靈活地將信息技術(shù)運用于課堂教學(xué)，將雜化軌道這一抽象晦澀的教學(xué)內(nèi)容形象地展示出來。同時也運用多種模型創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生更加深刻地理解雜化軌道理論在解釋分子結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用。在化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)方面，學(xué)習(xí)雜化軌道理論并且學(xué)會解釋分子構(gòu)型可以培養(yǎng)學(xué)生宏觀辨識與微觀探析的核心素養(yǎng)，用數(shù)字化傳感器進(jìn)行數(shù)字化實驗探究可以培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。

3.教學(xué)模式與策略設(shè)計

本節(jié)課教學(xué)采用的是智慧課堂[2]的教學(xué)模式，微課內(nèi)容為共價鍵的軌道重疊理論和共用電子對理論，同時也包括鍵參數(shù)鍵能、鍵長、鍵角的介紹。學(xué)生學(xué)習(xí)微課后完成微課練習(xí)，主要針對微課知識及本節(jié)課的相關(guān)知識進(jìn)行測驗，通過數(shù)據(jù)分析學(xué)生的知識儲備情況，有針對性地進(jìn)行教學(xué)活動設(shè)計。在課堂教學(xué)中運用智慧課堂的教學(xué)模式可以通過多種互動方式與學(xué)生交流，包括隨機提問、搶答、拍照上傳等等，并且學(xué)生練習(xí)的情況可以即時反饋，提高教學(xué)效率。最后再運用習(xí)題智能推送技術(shù)，根據(jù)學(xué)生的錯題情況發(fā)送針對性的習(xí)題，每位學(xué)生的習(xí)題都不一樣，充分體現(xiàn)了因材施教。

運用AR技術(shù)展示甲烷的球棍模型和比例模型，創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，讓學(xué)生聯(lián)系舊知分析甲烷的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，再由甲烷的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)引入sp₃雜化軌道的知識。在學(xué)習(xí)過程中通過動畫模型和實物模型（氣球模擬）多種教學(xué)手段來模擬雜化軌道的形成過程和構(gòu)型，讓學(xué)生能更加直觀地感受到虛擬的雜化軌道。解決sp₃雜化軌道之后，sp₂雜化軌道和sp雜化軌道分別通過乙烯分子和乙炔分子來創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，在實例中學(xué)習(xí)，在模型中理解（圖1）。

三、教學(xué)過程設(shè)計

環(huán)節(jié)1 微課練習(xí)講解

學(xué)生課前在云平臺上完成微課練習(xí)，主要針對原子核外電子排布、球棍模型和比例模型、甲烷分子構(gòu)型、共價鍵的飽和性和方向性等知識。學(xué)生完成練習(xí)后，通過數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計答題正確率，在課前針對錯誤率較高的習(xí)題進(jìn)行針對性講解。

環(huán)節(jié)2 引入新課

從甲烷分子的正四面體結(jié)構(gòu)引入，用AR技術(shù)直觀展示甲烷的球棍模型和比例模型，引導(dǎo)學(xué)生思考甲烷分子為什么形成正四面體構(gòu)型，引入新課——雜化軌道理論。

環(huán)節(jié)3 sp₃雜化軌道形成過程

引導(dǎo)學(xué)生從甲烷分子中碳原子的成鍵情況與碳原子價電子軌道表示式的沖突進(jìn)行思考。碳原子最外層未成對電子是2個，但甲烷分子中碳原子卻形成了四個共用電子對;碳原子最外層四個電子能量不相同，但是甲烷分子中碳原子形成四個能量相同的C-H鍵。由此可以引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論，這是由于碳原子的原子軌道發(fā)生了某種變化，即原子軌道的雜化。然后講解sp₃雜化軌道的形成過程及四個sp₃雜化軌道的空間構(gòu)型。

通過對碳原子核外電子排布的分析及甲烷分子實際模型的觀察，可以讓學(xué)生明確分子的結(jié)構(gòu)與分子構(gòu)型間存在一定的聯(lián)系，認(rèn)識到化學(xué)學(xué)習(xí)中結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的重要思想，培養(yǎng)學(xué)生宏觀辨識與微觀探析的核心素養(yǎng)。在講解sp₃雜化軌道的空間構(gòu)型時可以采取氣球模型模擬的方法，將四個大小相同的氣球扎在一起擺成平面構(gòu)型，輕輕碰觸氣球后四個氣球立即變?yōu)檎拿骟w構(gòu)型，讓學(xué)生通過實物觀察認(rèn)知sp₃雜化軌道的構(gòu)型，學(xué)會用直觀模型推理微觀結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。

環(huán)節(jié)4 數(shù)字化實驗探究甲烷取代反應(yīng)

分析甲烷結(jié)構(gòu)可知甲烷分子中碳原子sp3雜化軌道與氫原子Is軌道形成σ鍵，所以甲烷性質(zhì)較穩(wěn)定，引導(dǎo)學(xué)生回顧甲烷的性質(zhì)，甲烷不會與強酸強堿反應(yīng)、不會使酸性高錳酸鉀溶液退色等，這都是由于甲烷分子性質(zhì)穩(wěn)定。但是甲烷可以在光照下和氯氣發(fā)生取代反應(yīng)，取代反應(yīng)傳統(tǒng)實驗現(xiàn)象不是非常明顯且所需時間較長，可以用傳感器進(jìn)行數(shù)字化實驗探究。

用氣壓傳感器和溫度傳感器同時測量反應(yīng)過程中壓強和溫度的變化，得到兩條不同的曲線，讓學(xué)生分析圖像變化（圖2），得出結(jié)論。用定量實驗的手段可以獲得定性傳統(tǒng)實驗無法獲得的信息，分析實驗現(xiàn)象的過程可以培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理的核心素養(yǎng)。

環(huán)節(jié)5 sp₂雜化軌道和sp雜化軌道形成過程和空間構(gòu)型

通過乙烯分子創(chuàng)設(shè)情境分析乙烯分子中碳原子sp₂雜化軌道形成過程及空間構(gòu)型，通過乙炔分子創(chuàng)設(shè)情境分析碳原子sp雜化軌道形成過程和空間構(gòu)型。引導(dǎo)學(xué)生類比于sp₃雜化軌道形成過程和空間構(gòu)型思考、討淪sp₂雜化軌道和sp雜化軌道形成過程和空間構(gòu)型，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)的能力，并且學(xué)會用雜化軌道理論解釋乙烯平面形結(jié)構(gòu)和乙炔直線形結(jié)構(gòu)。

教學(xué)過程中通過智慧課堂云平臺和平板電腦與學(xué)生進(jìn)行隨機提問、搶答等互動，學(xué)生也可以通過平板電腦進(jìn)行拍照上傳與同學(xué)和老師分享討論成果（圖3）。同時隨堂練習(xí)的結(jié)果也可以實時展示，用數(shù)據(jù)分析了解學(xué)生的掌握情況（圖4）。

環(huán)節(jié)6 自適應(yīng)練習(xí)

智能推送技術(shù)，根據(jù)每位學(xué)生不同的錯題推送不同的習(xí)題，對做錯的知識點進(jìn)行再強化訓(xùn)練，因材施教，有針對性地進(jìn)行練習(xí)鞏固。學(xué)生完成練習(xí)后通過云平臺提交答案，分析答題情況（圖5）。

四、案例反思

本節(jié)課的設(shè)計重點就是如何將抽象的內(nèi)容具象化，幫助學(xué)生理解復(fù)雜抽象的雜化軌道，并學(xué)會用雜化軌道理論解釋分子構(gòu)型，理解分子結(jié)構(gòu)與分子構(gòu)型的聯(lián)系，培養(yǎng)宏觀辨識與微觀探析的核心素養(yǎng)。并且在教學(xué)過程中可以依據(jù)智慧課堂的特點及時反饋，了解學(xué)生的掌握情況，進(jìn)行針對性的講解和探究，充分地將信息技術(shù)與課堂教學(xué)充分融合，取得了非常好的教學(xué)效果。

在教學(xué)過程中，運用智慧課堂的教學(xué)手段可以做到很多傳統(tǒng)課堂無法完成的事情，比如課堂練習(xí)的即時反饋和講解，課堂提問方式的多元化，與學(xué)生互動方式的多樣化等等。但是智慧課堂對學(xué)校的硬件條件有較高的要求，學(xué)生平板、教師平板、微云服務(wù)器等都需要較大的投入，目前來說較難普及，只有少部分條件較好的學(xué)?？梢蚤_展。同時智慧課堂對教師的操作及教學(xué)設(shè)計都有較高的要求，如何制作微課，如何展開互動，如何設(shè)計練習(xí)都需要教師投入較多的精力，而且對學(xué)生素質(zhì)也有一定的要求，學(xué)生能否正面地運用平板電腦和老師充分互動也是課堂教學(xué)成功與否的重要因素。

這節(jié)課充分利用了信息技術(shù)與課堂教學(xué)的融合，綜合運用AR技術(shù)，動畫模擬，數(shù)字化實驗等信息技術(shù)手段，力求讓學(xué)生直觀感受雜化軌道理論的形成過程，同時也采取翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，應(yīng)用智慧課堂的教學(xué)形式進(jìn)行教學(xué)，這樣教學(xué)的優(yōu)點是：1.教學(xué)決策數(shù)據(jù)化。根據(jù)學(xué)生在云平臺的作業(yè)完成情況，選擇學(xué)生錯誤率最高的兩道習(xí)題針對性進(jìn)行講解，并且在課堂教學(xué)的隨堂練習(xí)也可以用數(shù)據(jù)分析的方法直觀看到學(xué)生的答題情況。2.微觀結(jié)構(gòu)可視化。用AR技術(shù)直觀展示甲烷、乙烯和乙炔分子的球棍模型和比例模型，同時展示sp₃、sp₂、sp雜化軌道的形成過程，學(xué)生可以更直觀感受雜化軌道的形成過程，理解更加充分。3.證據(jù)推理數(shù)字化。甲烷分子中碳原子發(fā)生sp₃雜化，性質(zhì)穩(wěn)定，但是可以與氯氣在光照下發(fā)生取代反應(yīng)。這個實驗用傳統(tǒng)實驗手段很難進(jìn)行，所以采用數(shù)字化實驗手段，用溫度傳感器和氣壓傳感器證明取代反應(yīng)的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

[1] 周業(yè)虹.基于發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計案例分析[J].化學(xué)教學(xué)，2016（8）：36-39

[2]唐燁偉，龐敬文，鐘紹春，等.信息技術(shù)環(huán)境下智慧課堂構(gòu)建方法及案例研究[J].中國電化教育，2014（11）：23-30