基于建構(gòu)認知模型的“晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”復(fù)習(xí)課研究

摘 要：“晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”是中學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的核心內(nèi)容，改進和優(yōu)化“晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”復(fù)習(xí)教學(xué)至關(guān)重要。筆者基于建構(gòu)認知模型，設(shè)計了“晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”復(fù)習(xí)課教學(xué)，并進行了教學(xué)實踐，取得了較好的教學(xué)效果。本文在此基礎(chǔ)上對有效的教學(xué)策略展開了研究，希望能為相關(guān)工作者提供借鑒。

關(guān)鍵詞：晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì);復(fù)習(xí)課;模型認知;高中化學(xué)

中圖分類號：G427? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：095-624X（2020）02-0082-03

引 言

“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”是高中化學(xué)課程的選修模塊，側(cè)重于幫助學(xué)生了解人類探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要意義和基本方法，研究物質(zhì)構(gòu)成的奧秘，認識物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系，提高分析和解決問題的能力[1]?！熬w結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”是這一模塊的重點教學(xué)內(nèi)容，也是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點和考試易失分點。由于受到晶體結(jié)構(gòu)自身復(fù)雜、抽象性的制約，加上學(xué)生的空間想象能力、計算遷移能力、知識表征能力等比較欠缺，因此，基于構(gòu)建認知模型是完成“晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”相關(guān)知識教學(xué)目標的重要途徑之一。

《美國國家科學(xué)教育標準》對模型的表述為：“模型是與真實物體、單一事件或一類事物相對應(yīng)的，且具有解釋力的試探性體系或結(jié)構(gòu)?！蹦Ｐ驼J知分為兩類，第一類是利用模型認識事物，即實物模型;第二類是通過建構(gòu)認知模型建立解決問題的思考框架，即理論模型。第一類是科學(xué)的模型，第二類是科學(xué)的認知模型，既可以是實物、現(xiàn)象和過程的抽象表現(xiàn)形式，也可以是我們所描述的對象及分析其行為方式的抽象表現(xiàn)形式，又叫觀念模型[2]。

在“晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”的授課過程中，筆者充分借助實物模型，清晰直觀地展示晶體中粒子的相對位置關(guān)系，幫助學(xué)生構(gòu)建空間想象能力，了解掌握晶體結(jié)構(gòu)特點，并鼓勵學(xué)生利用乒乓球、熱塑膠等材料自己動手制作實物模型。所用材料廉價易得，制作安全簡單，模型清晰穩(wěn)定。在這一過程中，學(xué)生體會到了學(xué)習(xí)的樂趣，收獲了較為扎實的知識?！熬w結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”這一課的核心是“類型—結(jié)構(gòu)—性質(zhì)”，其復(fù)習(xí)教學(xué)的主要目標是發(fā)展學(xué)生的認知，讓零散的知識結(jié)構(gòu)化，并將知識整合到“類型—結(jié)構(gòu)—性質(zhì)”的認知模型中，使學(xué)生能夠應(yīng)用認知模型解決問題[3]。在上述思路的指導(dǎo)下，筆者進行了基于建構(gòu)認知模型的“晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”復(fù)習(xí)課的教學(xué)研究。

一、教材內(nèi)容分析

在必修2中，學(xué)生已初步掌握了物質(zhì)結(jié)構(gòu)和元素周期表、離子鍵、共價鍵、分子間作用力等微粒間作用力的知識，也初步了解了離子晶體、分子晶體和原子晶體等結(jié)構(gòu)知識。本專題內(nèi)容是在學(xué)生學(xué)習(xí)必修2和從原子、分子水平上認識物質(zhì)構(gòu)成的基礎(chǔ)上，以“如何認識一個晶體”為問題線索，以“晶體類型、晶體結(jié)構(gòu)、晶體性質(zhì)、晶體相關(guān)計算”為知識線索，幫助學(xué)生建立分析晶體的思維模型，使學(xué)生能夠從更深層次上認識物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系[4]，幫助學(xué)生進一步深化“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的認知。

二、學(xué)情分析

學(xué)生學(xué)完選修三“晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”的基礎(chǔ)知識，已初步掌握了關(guān)于晶體的常識，了解了晶胞的概念，能夠簡單計算晶胞微粒個數(shù);了解了分子晶體與原子晶體、金屬晶體及離子晶體的基本堆積模型、結(jié)構(gòu)特征、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系等基礎(chǔ)知識，也具備了一定的分析問題的能力，但對四大晶體的宏觀性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)尚未進行深入的探究。教師應(yīng)挖掘這部分知識，使學(xué)生形成更深層次的認識，提煉解決晶體問題的一般思維模型，并能夠在陌生情境中加以應(yīng)用[5]。

三、教學(xué)目標

1.宏觀辨識與微觀探析

學(xué)生應(yīng)了解晶體微觀粒子規(guī)則排列，能從微觀角度解釋晶體具有規(guī)則幾何外形的原因;能利用圖表信息與討論，判斷四類常見晶體構(gòu)成微粒、微粒間作用力，了解其對某些物理性質(zhì)的影響[6]。學(xué)生應(yīng)能從宏觀特征入手對物質(zhì)進行辨識、分類和表征;能從晶體的微觀排列上解釋說明晶體的宏觀共性;能從原子、分子水平解釋不同類型晶體宏觀性質(zhì)特征與差異。

2.證據(jù)推理與模型認知

學(xué)生應(yīng)借助常見晶體模型，了解常見晶體結(jié)構(gòu)特點，能夠識別常見晶體的結(jié)構(gòu)模型;根據(jù)陌生晶體宏觀性質(zhì)數(shù)據(jù)（證據(jù)）推測所屬晶體的類別，能夠結(jié)合宏觀性質(zhì)感知微觀結(jié)構(gòu)差異，利用微觀結(jié)構(gòu)解釋、預(yù)測可能的宏觀性質(zhì)。

3.科學(xué)精神與社會責(zé)任

教師應(yīng)利用多媒體資源，使學(xué)生了解晶體相關(guān)微觀結(jié)構(gòu)，激發(fā)學(xué)生探究知識的興趣，使學(xué)生保持對生活中的化學(xué)現(xiàn)象的好奇心。此外，教師要引導(dǎo)學(xué)生與同伴分享學(xué)習(xí)成果，并反思自己的不足，進一步認識到化學(xué)的魅力，學(xué)會與他人合作。

四、教學(xué)過程片段

1.創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

引入：借助禪宗三境界“看山是山，看水是水;看山不是山，看水不是水;看山還是山，看水還是水”，讓學(xué)生體會自己對晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的認識層次。

設(shè)疑：展示晶體圖片（見圖1），如何認識和分析晶體？

設(shè)計意圖：通過展示漂亮的晶體圖片，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)其回顧已有認知，初步嘗試歸納分析認識晶體的模型。通過師生共同協(xié)作補充，建構(gòu)分析認識晶體的模型（見圖2）。

2.拆解模型，各個擊破

教師設(shè)疑：如何確定晶體的類型？

學(xué)生交流討論晶體類型的判斷方法，完成表1，分析適用的情況。

設(shè)計意圖：針對晶體認知模型中第一步，學(xué)生對晶體類型的判斷展開討論。教師提供三種不同的情境：已知化學(xué)式，即組成元素;已知相關(guān)物理性質(zhì)信息;已知構(gòu)成微粒及微粒間作用力，幫助學(xué)生從多角度判斷晶體類型，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力。

教師設(shè)疑：如何分析晶體的結(jié)構(gòu)？展示常見晶體結(jié)構(gòu)圖片（見圖3）。

學(xué)生激活已有認知，感悟晶體結(jié)構(gòu)分析要點，明確晶體結(jié)構(gòu)分析中，應(yīng)關(guān)注晶體晶胞結(jié)構(gòu)中微粒的相對位置、微粒的個數(shù)等要點。

教師設(shè)疑：如何分析晶體的物理性質(zhì)（見表2）？

設(shè)計意圖：受高中結(jié)構(gòu)與性質(zhì)相關(guān)知識局限性的影響，在此模塊中，晶體的相關(guān)性質(zhì)只涉及物理性質(zhì)，教師應(yīng)歸納整合，幫學(xué)生明確如何聯(lián)系微粒間的作用力解決物理性質(zhì)的問題。

教師設(shè)疑：如何解決晶體的計算問題？

學(xué)生總結(jié)：第一，利用均攤法解決具體晶胞結(jié)構(gòu)中的微粒個數(shù)計算;第二，借助金剛石的實物模型，解決晶胞坐標參數(shù)問題（見圖4）;第三，根據(jù)公式進行密度和空間利用率的計算（見圖5）。

設(shè)計意圖：在晶胞的計算問題教學(xué)中，教師除了要凸顯晶體晶胞結(jié)構(gòu)的特點，還應(yīng)特別注意學(xué)科知識點交叉，提醒學(xué)生應(yīng)用相關(guān)數(shù)學(xué)知識，如球體的計算公式、立方體的面對角線與棱長的關(guān)系、立方體的體對角線與棱長的關(guān)系。另外，數(shù)學(xué)知識能夠較為簡潔明晰地展示晶體結(jié)構(gòu)特點。例如，金剛石晶胞特點是重難點知識，如果把金剛石立方體晶胞切割為上下兩層8個完全相同的小立方體，則四個內(nèi)部點可以看成上層1、3象限兩個小立方體的體心，下層2、4象限兩個小立方體的體心，這樣就可以比較輕松地得出金剛石兩個碳原子之間的最短距離。

3.回歸模型，鞏固解決問題的思路

師生共同梳理歸納分析晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的一般思路。

設(shè)計意圖：通過之前的拆解，學(xué)生在認識研究晶體的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，建構(gòu)了認知模型，為解決陌生復(fù)雜的問題提供思考框架，形成解決問題的思路與方法[7]。

五、結(jié)論及反思

科學(xué)教育的主要目的是培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的認知素養(yǎng)[8]。想要促進學(xué)生認識素養(yǎng)的發(fā)展，教師不僅要讓學(xué)生清楚化學(xué)知識說明的是什么，而且要將化學(xué)知識轉(zhuǎn)化為學(xué)生觀察、分析現(xiàn)象和問題的方式和思路，并通過具體的認識實踐活動，讓學(xué)生形成穩(wěn)定的認識方式，從而培養(yǎng)其化學(xué)認知素養(yǎng)。晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)模塊是整個中學(xué)化學(xué)教學(xué)課程中不可缺少的組成部分，是中學(xué)化學(xué)學(xué)習(xí)的核心主題內(nèi)容，改進和優(yōu)化其教學(xué)至關(guān)重要，教師應(yīng)特別關(guān)注其在復(fù)習(xí)教學(xué)中實現(xiàn)學(xué)生的認知發(fā)展[9]。根據(jù)現(xiàn)代教學(xué)的需求和學(xué)生在求學(xué)過程對切實有效的教學(xué)方法的渴求，教師應(yīng)對此加以重視，解決傳統(tǒng)教學(xué)中的弊端，有效深化教學(xué)改革成果，提高課堂教學(xué)效率。復(fù)習(xí)課作為學(xué)生學(xué)習(xí)過程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，可以使學(xué)生對前期所學(xué)知識進行系統(tǒng)化的整合，并在此基礎(chǔ)上查漏補缺，使學(xué)生加強對所學(xué)知識的理解，起到鞏固和提升的作用。復(fù)習(xí)課還可以進一步完善、提升學(xué)生的基本技能，進而使學(xué)生遷移運用所學(xué)知識?；诮?gòu)模型的復(fù)習(xí)課，可以有效打破“灌輸多于互動”“多練習(xí)少探究”的傳統(tǒng)復(fù)習(xí)課模式。在缺乏新理念支撐的復(fù)習(xí)課中，基本教學(xué)模式是教師對所學(xué)知識進行梳理，并搭配大量習(xí)題練習(xí)。這一模式下，知識的梳理以知識點的羅列為主，學(xué)生缺少自主思考和總結(jié)的過程，對知識點間深層次的聯(lián)系把握不到位，無法在思想上形成知識間的脈絡(luò)圖，不利于自己的發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題能力的培養(yǎng)[10]，忽視了知識與生活生產(chǎn)的融合。

教學(xué)實踐研究表明，晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)分析模型對學(xué)生學(xué)習(xí)晶體的意義主要有兩方面。（1）“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”學(xué)科思想能在教學(xué)中得到落實，可以轉(zhuǎn)化為分析結(jié)構(gòu)、解釋和預(yù)測性質(zhì)的方法;幫助學(xué)生理解“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的學(xué)科思想和方法，促進學(xué)生對晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的認識上升到微觀本質(zhì)。建構(gòu)分析模型能提高學(xué)生的認識水平，使學(xué)生加深對這一學(xué)科思想方法的理解和應(yīng)用，有利于將其轉(zhuǎn)化為問題解決的理解和應(yīng)用。（2）晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)分析模型可以作為橋梁，將相關(guān)知識串聯(lián)起來，將空間結(jié)構(gòu)與晶體性質(zhì)聯(lián)系起來，既可以解釋已有的熟悉物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，又可以分析陌生復(fù)雜物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，并為結(jié)構(gòu)推斷、性質(zhì)預(yù)測等復(fù)雜問題的解決提供方法。

結(jié) 語

建構(gòu)模型的教學(xué)策略可以幫助學(xué)生掌握應(yīng)用模型分析晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的思路和方法，促進學(xué)生的認識水平從宏觀物質(zhì)發(fā)展到微觀結(jié)構(gòu)，使學(xué)生形成微粒觀，幫助學(xué)生做到自主分析，提高學(xué)生解決問題的能力。在筆者課后與學(xué)生的討論中，學(xué)生給出反饋：“通過本次復(fù)習(xí)課，知道了遇到陌生晶體該如何入手分析”“用這個模型，相當于一個思維程序，按步驟一步一步來，就可以分析得比較清楚”“用這個認知模型，更加明確了結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的意義”。這說明學(xué)生對建構(gòu)模型的需要，表明學(xué)生認同模型建構(gòu)的功能。由此可見，基于建構(gòu)模型的“晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”復(fù)習(xí)課教學(xué)效果良好，教學(xué)實踐思路清晰，針對性強，值得提倡。

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作者簡介：馬娜（1988.12—），女，甘肅武威人，碩士研究生，中學(xué)一級教師，研究方向：化學(xué)教育。