《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》模塊的學(xué)科認(rèn)知理解及其教學(xué)啟示*

高曉偉 王秀紅

摘要： 現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)是物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的重要手段，理論與實(shí)驗(yàn)事實(shí)相互擬合與佐證是物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的基本范式，作用與能量是物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的核心話題，解釋與預(yù)測(cè)是物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論的功能旨向。高中《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》模塊的教學(xué)要以這種本原性和結(jié)構(gòu)化的認(rèn)識(shí)為依托，用“技術(shù)—方法—?jiǎng)?chuàng)新”、“實(shí)驗(yàn)—數(shù)據(jù)—推理”、“微?！饔谩芰俊焙汀敖Y(jié)構(gòu)—性能—應(yīng)用”等觀念統(tǒng)整教學(xué)，讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)和理解學(xué)科認(rèn)知與推理方式，實(shí)現(xiàn)素養(yǎng)為本的課堂教學(xué)。

關(guān)鍵詞： 技術(shù)方法創(chuàng)新; 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推理; 微粒作用能量; 結(jié)構(gòu)性能應(yīng)用; 物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

文章編號(hào)： 1005-6629（2021）02-0015-06

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

高中化學(xué)選擇性必修2《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》將從原子、分子水平上認(rèn)識(shí)物質(zhì)構(gòu)成的規(guī)律，以微粒之間不同的作用力為線索，側(cè)重研究不同類型物質(zhì)的有關(guān)性質(zhì)，進(jìn)一步豐富物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識(shí)，提高分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力[1]。關(guān)于該模塊課標(biāo)在修訂過(guò)程中整合了內(nèi)容主題，注重形成統(tǒng)攝性認(rèn)識(shí);發(fā)展學(xué)生對(duì)研究物質(zhì)的不同尺度的認(rèn)識(shí);注重結(jié)構(gòu)模型的發(fā)展過(guò)程和研究方法[2]。修訂后，“粒子之間的相互作用”“尺度”“研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法與價(jià)值”等核心概念得到了加強(qiáng)。

對(duì)照2017年版課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，反思10多年來(lái)教學(xué)的實(shí)際情況，可喜的是一線教師接納了該模塊的知識(shí)體系，積累了很多的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，多數(shù)學(xué)生在高考中也愿意選考該模塊，但也出現(xiàn)了識(shí)記性教學(xué)內(nèi)容偏多，分析解決問(wèn)題、方法觀念類問(wèn)題相關(guān)的教學(xué)滲透較少的情況。查閱文獻(xiàn)也發(fā)現(xiàn)已有關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的研究主要集中在三方面，一是對(duì)《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》教材編寫、內(nèi)容選擇的相關(guān)研究[3]，二是對(duì)本模塊教學(xué)實(shí)施狀況的調(diào)查研究[4]，三是對(duì)疑難概念的澄清解讀[5，6]，其中涉及學(xué)科本體理解及教學(xué)策略的研究較為少見(jiàn)，但也不乏從物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維進(jìn)行學(xué)科思維的認(rèn)識(shí)[7]?？梢?jiàn)，從學(xué)科上位加強(qiáng)對(duì)《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》的理解，從而對(duì)教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行指導(dǎo)仍需全面而深入的思考。本文試圖從研究方法和研究范式角度構(gòu)建對(duì)該模塊的本原性認(rèn)知理解，剖析物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的認(rèn)知特點(diǎn)及其帶來(lái)的教學(xué)啟示，對(duì)增進(jìn)化學(xué)教師的學(xué)科理解、落實(shí)素養(yǎng)為本的課堂教學(xué)有著重要的意義。

1? 物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論認(rèn)知特點(diǎn)的剖析與理解

1.1? 光譜分析打開物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的大門、推動(dòng)物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論不斷發(fā)展

結(jié)構(gòu)化學(xué)是化學(xué)科學(xué)中一門重要的基礎(chǔ)學(xué)科，是一門直接應(yīng)用多種近代實(shí)驗(yàn)手段測(cè)定分子靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能的實(shí)驗(yàn)科學(xué)。近代測(cè)定物質(zhì)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)物理方法的建立，對(duì)于結(jié)構(gòu)化學(xué)的發(fā)展起了決定性的推動(dòng)作用。

量子力學(xué)現(xiàn)已證實(shí)，原子軌道是量子化的，分子軌道能級(jí)也是量子化的，微觀粒子的運(yùn)動(dòng)普遍具有量子化的特征，而光譜分析法的基本原理就是將一定波長(zhǎng)的電磁輻射作用于待測(cè)物質(zhì)后，激發(fā)能級(jí)之間的躍遷，通過(guò)檢測(cè)其所產(chǎn)生的輻射信號(hào)而建立的分析方法。我們透過(guò)各種譜圖分析可研究物質(zhì)在各個(gè)尺度、空間和能量層面上的結(jié)構(gòu)信息（見(jiàn)表1）。

實(shí)驗(yàn)技術(shù)的創(chuàng)新有時(shí)甚至帶來(lái)科學(xué)的巨變。現(xiàn)今，光譜分析的核心部件（如光源）及分析方法仍在不斷創(chuàng)新改造中，使得測(cè)定對(duì)象越來(lái)越復(fù)雜，不再局限于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的物質(zhì)，甚至包括生物大分子以及復(fù)雜多變的溶液中“活的”生物大分子的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，測(cè)定的速度也由過(guò)去的數(shù)年或數(shù)月縮短到現(xiàn)在的數(shù)天或數(shù)小時(shí)。相信不久的將來(lái)，技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步會(huì)給人們帶來(lái)更多關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的驚奇發(fā)現(xiàn)。

1.2? 理論與實(shí)驗(yàn)相互擬合、互為佐證是物質(zhì)結(jié)構(gòu)獨(dú)特的研究范式

理論與實(shí)驗(yàn)的大量擬合是結(jié)構(gòu)化學(xué)不斷向前發(fā)展的重要推動(dòng)力量，量子力學(xué)的發(fā)展歷程最能體現(xiàn)這種特點(diǎn)。量子力學(xué)包含若干基本假設(shè)，由此出發(fā)建立起整個(gè)體系，推導(dǎo)出許多重要結(jié)論，這些基本假設(shè)不能用邏輯方法證明，其正確性只能由實(shí)踐檢驗(yàn)[9]。基于這種理論與實(shí)踐的擬合，哥本哈根學(xué)派所建立的波動(dòng)力學(xué)與原子光譜實(shí)驗(yàn)的擬合從而確定了電子既作為粒子又作為波的存在;自洽場(chǎng)法對(duì)多電子原子進(jìn)行了理論計(jì)算，并與原子光譜實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，逐步闡明了多電子原子的結(jié)構(gòu)，即“構(gòu)造原理”;研究分子對(duì)稱性的群論與分子光譜實(shí)驗(yàn)的擬合從而確定了大量分子的結(jié)構(gòu);研究晶體的點(diǎn)陣?yán)碚撆cX射線、電子衍射、中子衍射實(shí)驗(yàn)的擬合從而確定了多種晶體的結(jié)構(gòu)。

伴隨著物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論和實(shí)驗(yàn)事實(shí)的相互成功擬合，科學(xué)家定義了很多具有量化特征的概念，構(gòu)成了理論研究和學(xué)習(xí)交流的重要話語(yǔ)體系（見(jiàn)表2）。

概念實(shí)驗(yàn)來(lái)源及數(shù)學(xué)解釋

原子軌道原子中單電子的一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可用一個(gè)狀態(tài)函數(shù)（或稱波函數(shù)）ψ（q， t）（q為坐標(biāo)變量，t為時(shí)間）描述，ψ（q， t）包含著體系的全部可測(cè)物理量。根據(jù)電子的波粒二象性及一系列處理解析狀態(tài)函數(shù)可得到n（主量子數(shù)），l（角量子數(shù)），m（磁量子數(shù)），后經(jīng)光譜實(shí)驗(yàn)又引入自旋量子數(shù)ms，共4個(gè)量子數(shù)來(lái)描述原子軌道。

原子半徑原子間距離可通過(guò)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確測(cè)定，但對(duì)原子半徑的劃分和推求又受所給條件的制約。可分為共價(jià)單鍵半徑、共價(jià)雙鍵半徑、離子半徑、金屬原子半徑和范德華半徑等。其數(shù)值具有統(tǒng)計(jì)平均的含義。

電負(fù)性（Pauling）電負(fù)性標(biāo)度χp是用兩元素形成化合物時(shí)的生成焓的數(shù)值來(lái)計(jì)算的。Pauling認(rèn)為若A和B兩個(gè)原子的電負(fù)性相同，A—B鍵的鍵能應(yīng)為A—A鍵和B—B鍵鍵能的幾何平均值，而大多數(shù)A—B鍵的鍵能均超過(guò)此平均值，此差值可用以測(cè)定A原子和B原子電負(fù)性的依據(jù)。（χA-χB）2=EAB-EAA·EBB，式中EAB、 EAA、 EBB分別是以eV度量的化學(xué)鍵A—B、 A—A、 B—B的鍵能數(shù)值，Pauling指定F的電負(fù)性為4，其他元素的電負(fù)性即可相應(yīng)地從鍵能求出[10]。

鍵能按照熱化學(xué)的觀點(diǎn)，鍵能是指在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和298K時(shí)，反應(yīng)體系A(chǔ)B（g）A（g）+B（g）焓的增量?？芍苯訌臒峄瘜W(xué)測(cè)量中得到。從微觀分析，鍵能可理解為A（g）和B（g）從無(wú)限遠(yuǎn)處彼此逐漸靠近，達(dá)到平衡距離時(shí)體系減少的能量。二者經(jīng)過(guò)計(jì)算處理基本吻合[11]。

分子解離能雙原子分子的解離能即為鍵能。多原子分子中僅僅拆斷一個(gè)鍵，所需的能量稱為該鍵的解離能D，它是很有價(jià)值的數(shù)據(jù)。但需要注意，鍵的解離能不能代表鍵能，因?yàn)椴痖_一個(gè)鍵，剩下的部分都可能發(fā)生鍵或電子的重排。把一個(gè)分子分解為組成它的全部原子時(shí)所需要的能量稱為分子解離能，可以估算平均鍵能[12]。

晶格能測(cè)定結(jié)合蓋斯定律計(jì)算，但由于電子親和能數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，因此晶格能數(shù)據(jù)使用也不夠廣泛。

電子親和能電子親和能的絕對(duì)數(shù)值一般約比電離能小一個(gè)數(shù)量級(jí)，加之?dāng)?shù)據(jù)測(cè)定的可靠性較差，重要性不如電離能[13]。

電離能原子光譜實(shí)驗(yàn)測(cè)定不同譜線，結(jié)合數(shù)學(xué)推理計(jì)算。

鍵角、鍵長(zhǎng)可以通過(guò)衍射光譜實(shí)驗(yàn)測(cè)定[14]。

1.3? 作用與能量是物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的核心話題

薛定諤建立的波動(dòng)力學(xué)、海森伯提出的矩陣力學(xué)以及狄拉克建立的算符力學(xué)統(tǒng)稱為量子力學(xué)，為什么這里都用了“力”字？“力”表達(dá)出理論在建立之初充分考慮到了微觀粒子的作用以及伴隨的能量問(wèn)題。作為量子力學(xué)的奠基人玻爾在成功解釋氫原子光譜后馬上投入到元素周期表的規(guī)律探討中，因?yàn)樗舾械匾庾R(shí)到了原子核與核外電子的作用規(guī)律。

在原子內(nèi)部原子核與核外電子、核外電子與核外電子之間的作用，在能量的高低上表現(xiàn)為不同元素的獨(dú)特的原子光譜譜線;分子內(nèi)部則表現(xiàn)為原子核之間、價(jià)電子之間、成鍵電子與孤對(duì)電子之間的作用，主要作用形式（σ鍵和π鍵）的不同帶來(lái)了共價(jià)鍵力學(xué)常數(shù)鍵長(zhǎng)、鍵能、鍵角的不同;不同的聚集態(tài)如晶體、非晶體、超分子等內(nèi)部粒子之間又表現(xiàn)為共價(jià)鍵、氫鍵、范德華力、離子鍵、金屬鍵等，作用力強(qiáng)弱不同又帶來(lái)了熔沸點(diǎn)、溶解性、反應(yīng)溫度等不同的理化性質(zhì)。

需要注意的是，《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》模塊中涉及的原子、分子、離子等靜態(tài)的結(jié)構(gòu)往往是多種相互作用使得體系能量達(dá)到最低的結(jié)果，可簡(jiǎn)稱為能量最低原理。能量最低原理既是實(shí)驗(yàn)事實(shí)，也是量子化學(xué)計(jì)算的結(jié)果，是原子、分子、離子等微粒處于基態(tài)時(shí)作用的中心原理。能量最低原理在高中物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)學(xué)習(xí)中的舉例如表3所示。

原子軌道按照構(gòu)造原理、洪特規(guī)則和泡利不相容原理排布的電子才能使整個(gè)原子體系的能量處于最低，所以習(xí)慣叫“原子軌道”，而不叫“電子軌道”。這既是光譜分析的結(jié)果，也有量子理論計(jì)算的功勞。

價(jià)鍵理論現(xiàn)代價(jià)鍵理論認(rèn)為成鍵原子的電子云只有正負(fù)匹配、對(duì)稱性一致，才能實(shí)現(xiàn)最大重疊，電子云作為波的疊加效應(yīng)才更明顯;同時(shí)電子自旋相反才能使成鍵后體系能量降低，共價(jià)鍵才最穩(wěn)定。

分子構(gòu)型價(jià)層電子對(duì)互斥模型認(rèn)為中心原子價(jià)層電子對(duì)互相排斥，進(jìn)而導(dǎo)致遠(yuǎn)離，從而使得分子體系能量最低，從而穩(wěn)定存在。

晶體結(jié)構(gòu)分子晶體、原子晶體、金屬晶體、離子晶體的結(jié)構(gòu)看似復(fù)雜多樣，但都是根據(jù)微粒半徑大小、微粒所帶電荷以及微粒間作用力的不同所采取的使整個(gè)晶體體系能量最低的排布方式。例如范德華力沒(méi)有方向性，所以分子晶體為了使整個(gè)體系能量最低，采取分子密堆積的方式;又因?yàn)榉肿有螤罡鳟?，有長(zhǎng)的、圓的、扁的等各種形狀，所以又有分子取向的問(wèn)題，如碘單質(zhì)晶體中有2種取向的分子，二氧化碳晶體中則有4種取向的分子等等。

1.4? 解釋與預(yù)測(cè)是物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論重要的功能旨向

量子力學(xué)以及在此基礎(chǔ)上建立的價(jià)鍵理論、分子軌道理論、配合物理論等數(shù)學(xué)復(fù)雜、概念抽象的深?yuàn)W理論，只有少數(shù)的理論化學(xué)工作者精通計(jì)算、熟練運(yùn)用，但它們卻能成為整個(gè)化學(xué)研究工作者的理論基礎(chǔ)，關(guān)鍵在于這些理論能在物質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和應(yīng)用之間架起解釋與論證的橋梁。人們?cè)谶\(yùn)用物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論解釋物質(zhì)的性質(zhì)、預(yù)測(cè)指引藥物的合成、新材料的開發(fā)、高效催化劑的尋找等方面屢試不爽，解釋與預(yù)測(cè)是結(jié)構(gòu)化學(xué)理論重要的功能旨向。高中階段物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論的相關(guān)應(yīng)用舉例如表4所示。

原子結(jié)構(gòu)理論的重大應(yīng)用（1） 能級(jí)躍遷理論可應(yīng)用于銫原子鐘的制作，銫原子鐘與一個(gè)國(guó)家的國(guó)防、衛(wèi)星通信、軍事等領(lǐng)域有重大的關(guān)系。

（2） 二戰(zhàn)期間，納粹德國(guó)看重量子理論的奠基人——玻爾，想讓玻爾為其效力。玻爾逃亡到美國(guó)后與愛(ài)因斯坦等眾多科學(xué)家參與了曼哈頓計(jì)劃——投到日本的原子彈，從而導(dǎo)致了二戰(zhàn)的及早結(jié)束。由此可見(jiàn)，原子結(jié)構(gòu)理論并不抽象，其實(shí)際應(yīng)用具體顯見(jiàn)，威力巨大。

分子間作用力的實(shí)際應(yīng)用（1） 水分子的極性與微波爐。微波振蕩的電磁場(chǎng)對(duì)極性分子中正電荷和負(fù)電荷的兩極發(fā)生靜電相吸，結(jié)果造成這些分子發(fā)生振蕩。由于分子的動(dòng)能增大，則分子的溫度也隨著升高，水分子將其熱能傳遞給食物，從而達(dá)到食物的加熱目的。

（2） 壁虎的腳和日常生活的膠帶的原理。壁虎的腳底上長(zhǎng)有大量細(xì)毛，當(dāng)接觸物體表面時(shí)，這些細(xì)毛與物體表面的分子產(chǎn)生分子間作用力，而分子間力不太強(qiáng)，這樣壁虎就可以行走自如。

（3） 氫鍵與植物吸水的原理。植物細(xì)胞里的纖維素、淀粉顆粒、蛋白質(zhì)等親水物質(zhì)與極性水分子靠氫鍵的作用而引起細(xì)胞吸水。

（4） 波長(zhǎng)為30nm的紫外線光子的能量為399kJ·mol-1，結(jié)合鍵能數(shù)據(jù)可分析出物質(zhì)吸收這一波長(zhǎng)的紫外線后易發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致皮膚曬傷。

化學(xué)鍵的特點(diǎn)及實(shí)際應(yīng)用（1） 陶瓷刀一般為原子晶體，雖然其硬度大，切菜鋒利，但一旦遇到錘擊的敲打，造成共價(jià)鍵的斷裂，從而造成整個(gè)晶體的坍塌，因此使用時(shí)不能剁骨頭，容易崩。

（2） 金屬刀由于原子層滑動(dòng)而金屬鍵不被破壞，所以金屬刀有一定的延展性，可以剁骨頭。

（3） 金屬晶體中自由電子可吸收波長(zhǎng)范圍極廣的光，并重新反射出，所以金屬晶體不透明，且有金屬光澤，對(duì)輻射能有良好的反射性能。因此，醫(yī)院中核磁或X光照射檢查室的門都是用金屬制成的。

（4） 離子晶體比較脆，例如雞蛋殼易碎;大理石不易加工鑄型，只能做線雕等等。

2? 學(xué)科認(rèn)知理解帶來(lái)的教學(xué)啟示

基于前述對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的學(xué)科認(rèn)知理解，分析其對(duì)高中化學(xué)的教學(xué)策略啟示如圖1所示。

2.1? “技術(shù)—方法—?jiǎng)?chuàng)新”作為素材引入統(tǒng)整教學(xué)

光譜分析方法打開了物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的大門，物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析中處處應(yīng)用了高精尖的物理科技手段?！凹夹g(shù)”“方法”“創(chuàng)新”三個(gè)關(guān)鍵詞應(yīng)作為教學(xué)引入的素材統(tǒng)整物質(zhì)結(jié)構(gòu)的全程教學(xué)?！皠?chuàng)新”是技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵詞，也是高中學(xué)生要領(lǐng)悟的學(xué)習(xí)方法的精華。因此，物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學(xué)要引導(dǎo)學(xué)生利用技術(shù)創(chuàng)新的視角擴(kuò)大學(xué)生的思想境界。例如在氫鍵的教學(xué)過(guò)程中，教師可借助下面的教學(xué)素材[15]增進(jìn)學(xué)生對(duì)技術(shù)的理解，激發(fā)學(xué)生的家國(guó)情懷以及創(chuàng)新意識(shí)。

教學(xué)素材： 自從諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主鮑林在1936年提出“氫鍵”這一概念后，化學(xué)家們就一直在爭(zhēng)論： 氫鍵僅僅是一種分子間弱的靜電相互作用，還是存在有部分的電子云共享？2013年，我國(guó)國(guó)家納米科學(xué)中心研究員裘曉輝和副研究員程志海領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，以及中國(guó)人民大學(xué)物理系副教授季威領(lǐng)導(dǎo)的理論計(jì)算小組合作完成了對(duì)氫鍵的觀測(cè)。他們通過(guò)對(duì)非接觸原子力顯微鏡進(jìn)行了核心部件的創(chuàng)新，極大提高了這種顯微鏡的精度，終于首次直接觀察到氫鍵，為爭(zhēng)論提供了直觀證據(jù)。

2.2? “實(shí)驗(yàn)—數(shù)據(jù)—推理”作為證據(jù)推理統(tǒng)整教學(xué)

量子力學(xué)理論、對(duì)稱性理論、點(diǎn)陣?yán)碚撆c現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)相互擬合的證據(jù)推理過(guò)程在基礎(chǔ)教育階段中很難向?qū)W生介紹，但其基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)運(yùn)用數(shù)學(xué)推導(dǎo)進(jìn)而與實(shí)驗(yàn)相吻合的定量化推理方式卻應(yīng)是我們重點(diǎn)關(guān)注的教學(xué)方向?；趯?shí)驗(yàn)、運(yùn)用數(shù)據(jù)、論證推理的“實(shí)驗(yàn)—數(shù)據(jù)—推理”思想是落實(shí)證據(jù)推理與模型認(rèn)知素養(yǎng)的關(guān)鍵舉措，應(yīng)統(tǒng)整物質(zhì)結(jié)構(gòu)的課堂教學(xué)。下面展示了筆者在教學(xué)中利用“實(shí)驗(yàn)—數(shù)據(jù)—推理”思想指導(dǎo)的“金屬鍵”教學(xué)片段。

[教師]原子化熱可理解為金屬離子掙脫金屬鍵的束縛重新將電子捕獲過(guò)來(lái)，成為金屬原子并相互遠(yuǎn)離所吸收的能量，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。你認(rèn)為原子化熱與金屬鍵是怎樣的聯(lián)系？

[學(xué)生]金屬鍵是金屬內(nèi)部原子與自由電子之間強(qiáng)烈的相互作用，相互作用的強(qiáng)弱可以通過(guò)原子化熱的實(shí)驗(yàn)測(cè)量進(jìn)行表征。原子化熱越大，證明金屬鍵越強(qiáng)。

問(wèn)題鏈的教學(xué)意圖：促進(jìn)學(xué)生運(yùn)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行證據(jù)推理。

[教師]下表展示了Na、Mg、Al原子結(jié)構(gòu)、原子化熱、熔點(diǎn)等信息。你能構(gòu)建這些信息之間的關(guān)系嗎？

[學(xué)生]按照Na、Mg、Al的順序，原子化熱越大，說(shuō)明金屬鍵越強(qiáng)。微觀上金屬鍵的強(qiáng)弱受制于原子半徑和外圍電子，價(jià)電子越多、原子半徑越小，金屬鍵越強(qiáng);宏觀上金屬鍵影響了熔點(diǎn)，金屬鍵越強(qiáng)，熔點(diǎn)越高（也包括硬度）。

[教師]同學(xué)的回答非常好。那熔點(diǎn)、原子化熱又有什么區(qū)別和聯(lián)系？

[學(xué)生]熔點(diǎn)、原子化熱都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的數(shù)據(jù)，和金屬鍵的強(qiáng)弱都有關(guān)系。熔點(diǎn)涉及金屬由晶體到液體的過(guò)程，金屬鍵并沒(méi)有完全消失;原子化熱涉及由金屬晶體到氣態(tài)的過(guò)程，金屬鍵完全斷開，可更好地表征金屬鍵的強(qiáng)弱。

問(wèn)題鏈的教學(xué)意圖：促進(jìn)學(xué)生利用數(shù)據(jù)、辨析數(shù)據(jù)，進(jìn)行宏微結(jié)合、證據(jù)推理。

[教師]好，通過(guò)同學(xué)們的分析，我們可以構(gòu)建如下關(guān)于金屬鍵的分析模型：

金屬NaMgAl

外圍電子排布3s13s23s23p1

原子半徑/pm186160143

原子化熱/kJ·mol-1108.4146.4326.4

熔點(diǎn)/℃97.5650660

2.3? “微?！饔谩芰俊弊鳛楹诵脑掝}統(tǒng)整教學(xué)

微粒、作用和能量是貫穿《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》模塊的核心概念。雖然從微觀角度微粒及其作用不可見(jiàn)，但其物理化學(xué)意義卻非常真實(shí)。教學(xué)中要借助熔沸點(diǎn)、吸放熱、反應(yīng)溫度等各種數(shù)據(jù)或反應(yīng)事實(shí)充分揭示物質(zhì)內(nèi)部粒子之間的相互作用以及伴隨的能量問(wèn)題。以水為例，水在0℃、 100℃、 1200℃的三種變化分別表現(xiàn)了氫鍵、范德華力、共價(jià)鍵等作用力的本質(zhì)。教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比100℃和1200℃溫度能看出氫鍵以及范德華力的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于共價(jià)鍵的作用（見(jiàn)圖2）。

需要特別注意的是“微粒”“作用”“能量”三個(gè)核心概念是統(tǒng)一于一體的，而能量最低原理是理解微粒之間相互作用的重要觀念，教師要在充分理解這一概念的基礎(chǔ)上讓學(xué)生明晰構(gòu)造原理、電子配對(duì)原理、價(jià)層電子對(duì)互斥模型、晶體的不同結(jié)構(gòu)特征等等都是基于能量最低原理的體現(xiàn)，減少學(xué)生的死記硬背，加強(qiáng)學(xué)生的理解。

2.4? “結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—應(yīng)用”作為核心觀念統(tǒng)整教學(xué)

成功地發(fā)揮解釋和預(yù)測(cè)功能是結(jié)構(gòu)化學(xué)理論不斷蓬勃發(fā)展的重要原因。教學(xué)中要充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)化學(xué)理論的這一功能旨向，也借此調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。例如在氫鍵的教學(xué)中教師利用氫鍵解釋同主族氫化物的熔沸點(diǎn)規(guī)律、分子內(nèi)和分子間氫鍵對(duì)熔沸點(diǎn)的影響、不同物質(zhì)的溶解性、水楊酸二級(jí)電離的酸性、多聚體帶來(lái)分子量測(cè)定時(shí)的異常、氫鍵方向性帶來(lái)冰與水的密度比較，甘油、硫酸粘度較大，水的表面張力很大、植物細(xì)胞吸水、DNA的雙螺旋等，充分發(fā)揮氫鍵的解釋功能，引起學(xué)生對(duì)理論學(xué)習(xí)的超強(qiáng)價(jià)值體驗(yàn)，提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

綜上所述，結(jié)合物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的認(rèn)知理解，教學(xué)中用“技術(shù)—方法—?jiǎng)?chuàng)新”“實(shí)驗(yàn)—數(shù)據(jù)—推理”“微?！饔谩芰俊薄敖Y(jié)構(gòu)—性質(zhì)—應(yīng)用”等觀念統(tǒng)整教學(xué)，讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)和理解學(xué)科認(rèn)知與推理方式，構(gòu)建對(duì)化學(xué)科研理解的真實(shí)圖景，形成可遷移到其他模塊或其他學(xué)科的學(xué)習(xí)能力和必備品格，為以后的學(xué)習(xí)研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，是《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》模塊教學(xué)中教師要摸清的重要教學(xué)方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部制定. 普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 1.

[2]教育部基礎(chǔ)教育課程教材專家工作委員會(huì)組織編寫. 房喻， 徐端鈞主編. 普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）解讀[M]. 北京： 高等教育出版社， 2018： 133～136.

[3]華英利， 占小紅. 基于問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”模塊緒言課教學(xué)研究[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2017， （1）： 48～52.

[4]顧曄. 辯證思維方法在高中化學(xué)“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”模塊教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2013， （2）： 70～73.

[5]嚴(yán)業(yè)安. 《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》復(fù)習(xí)中若干疑難問(wèn)題辨析[J]. 福建基礎(chǔ)教育研究， 2015， （11）： 57～59.

[6]王素珍. 《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》和《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》模塊的教學(xué)時(shí)序?qū)Α坝袡C(jī)物分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”學(xué)習(xí)影響的研究[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2014， （6）： 16～19.

[7]吳俊明， 錢秋萍. 化學(xué)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維與教學(xué)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2018， （11）： 7～16.

[8]黃承志主編. 基礎(chǔ)儀器分析[M]. 北京： 科學(xué)出版社， 2017： 16， 23， 65， 73.

[9][10][11]李炳瑞編著. 結(jié)構(gòu)化學(xué)（第3版）[M]. 北京： 高等教育出版社， 2017： 14， 64， 92.

[12][13][14]周公度， 段連運(yùn). 結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)（第3版）[M]. 北京： 北京大學(xué)出版社。2002： 189～190， 51～53， 187.

[15]Jun Zhang， Pengcheng Chen， Bingkai Yuan， Zhihai Cheng， Xiaohui Qiu. RealSpace Identification of Intermolecular Bonding with Atomic Force Microscopy [J]. Science， 2013， 342（1）： 611～614.