基于常見材料建構(gòu)并應(yīng)用化學(xué)模型

　　摘要：用生活中常見的塑料串珠等材料建構(gòu)了兩種化學(xué)模型，一種用來表示路易斯理論中的電子式模型，另一種用來表示有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)模型。通過學(xué)生動(dòng)手操作，提高學(xué)生對模型的理解水平，培養(yǎng)學(xué)生的建模能力和模型認(rèn)知素養(yǎng)。
　　關(guān)鍵詞：化學(xué)模型；電子式；分子結(jié)構(gòu)模型；模型認(rèn)知素養(yǎng)
　　文章編號(hào)：1005–6629（2016）12–0029–04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
　　1 概述
　　模型是科學(xué)認(rèn)知的一種特殊形式，是人們?yōu)榱四撤N特定的目的而對客觀對象原型所做的一種簡化描述。模型也是人們實(shí)現(xiàn)認(rèn)知的工具，在高中化學(xué)新課程標(biāo)準(zhǔn)修訂過程中，將模型認(rèn)知作為高中生化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一[1]。在化學(xué)學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生借助模型這一媒介，可以溝通科學(xué)理論和真實(shí)的世界，并對化學(xué)現(xiàn)象作出合理的解釋和描述，促進(jìn)科學(xué)知識(shí)的理解。模型是學(xué)生理解知識(shí)的一種重要手段，通過模型，可以將抽象的、難以理解的問題形象化、具體化。教學(xué)中應(yīng)用模型有利于學(xué)生掌握知識(shí)，構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)框架，為學(xué)生接受知識(shí)、理解知識(shí)提供方便[2]。
　　學(xué)生結(jié)合所學(xué)的化學(xué)知識(shí)，建立模型，解決相關(guān)問題，再將解決問題的分析思路與策略方法進(jìn)行抽象概括，就是化學(xué)建模過程[3]。建模過程有助于學(xué)生自主建構(gòu)知識(shí)，通過建模，學(xué)生體會(huì)到化學(xué)模型的產(chǎn)生過程，并根據(jù)自己的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)和背景，自主建構(gòu)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，再經(jīng)過加工和處理，學(xué)習(xí)到更多的科學(xué)知識(shí)，建立科學(xué)理論與經(jīng)驗(yàn)之間的聯(lián)系以及解決復(fù)雜化學(xué)問題的方法。
　　化學(xué)模型可分為思想模型和物質(zhì)模型。物質(zhì)模型生動(dòng)直觀，將抽象的內(nèi)容形象化，增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，從而降低概念和理論教學(xué)的難度。高中教學(xué)中常用的物質(zhì)模型多為球棍模型，類型比較單一，有些分子和晶體結(jié)構(gòu)的模型體積較大，不易搬運(yùn)，而且不易拆解，也不利于學(xué)生親自體驗(yàn)。一些教師在教學(xué)實(shí)踐中，通過自制物質(zhì)模型，如陳克剛[4]以廢棄的包裝家用電器的泡沫塑料、牙簽等材料制作了金剛石晶體、碳酸根離子和乙烷等物質(zhì)模型；劉振瓊等人[5]以硬紙片為底版，制作了C60分子的模型，為球棍模型等物質(zhì)模型提供了有益的補(bǔ)充。這些自制的物質(zhì)模型，使學(xué)生對分子的形狀及結(jié)構(gòu)有比較直觀的認(rèn)識(shí)，利于學(xué)生自主建構(gòu)模型，激發(fā)學(xué)生的求知欲望和探索精神。不過，泡沫塑料制作的模型堅(jiān)固性和耐磨性較差，比較容易損壞，而且體積較大，不易搬運(yùn)。硬紙片做的C60分子模型，不易拆解和重新組裝，也不利于學(xué)生親自體驗(yàn)建模的過程。
　　筆者在教學(xué)中，利用塑料串珠、絨線繩、魚線等生活中常見的材料自制了兩種化學(xué)模型。制作方法簡單，容易操作，學(xué)生可以親自制作，體驗(yàn)建模的過程，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的積極性和創(chuàng)造性。自制的模型較為真實(shí)地反映了物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，容易讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到模型與原型的異同，準(zhǔn)確地反映教學(xué)內(nèi)容，利于學(xué)生輕松地理解和掌握相關(guān)知識(shí)。自制的模型堅(jiān)固耐用，體積小，易于攜帶，還可以輕松地拆解和重新組裝，有利于學(xué)生加深對相關(guān)知識(shí)的理解，幫助學(xué)生自主建構(gòu)知識(shí)體系[6]。在課堂上，筆者讓每個(gè)學(xué)生動(dòng)手制作或裝配出相關(guān)的化學(xué)自制模型，引導(dǎo)學(xué)生共同探討，共同體驗(yàn)建模過程，通過學(xué)生動(dòng)手操作，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造性，激發(fā)學(xué)生的參與熱情，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的建模能力和模型認(rèn)知素養(yǎng)。
　　下面介紹這兩種用塑料串珠等材料建構(gòu)的化學(xué)模型，供同行參考。
　　2 電子式模型
　　2.1 電子式模型建立的意義
　　共價(jià)鍵的最初模型是美國化學(xué)家路易斯提出的“共用電子對”概念，用電子式表示原子價(jià)層電子的共用情況。傳統(tǒng)的球棍模型，用小球代表原子，短棍代表共價(jià)鍵，表示共價(jià)化合物的分子結(jié)構(gòu)，卻無法直觀地表示原子的價(jià)層電子和共用電子的情況。在電子式知識(shí)的教學(xué)中，教師常采用板書書寫電子式，用粉筆畫點(diǎn)表示不同原子的價(jià)電子，或者使用動(dòng)畫模擬分子的形成過程，學(xué)生理解起來較為困難，而且無法親自體驗(yàn)。筆者選用絨線繩和塑料串珠作為建構(gòu)電子式模型的材料，根據(jù)Kristy L. Turner[7]以價(jià)層電子和電子的共用情況建構(gòu)模型的想法來建構(gòu)電子式模型。用絨線繩代表原子的價(jià)電子層，塑料串珠代表原子的價(jià)電子，這種模型對于學(xué)生理解共價(jià)化合物的電子式和共價(jià)鍵理論模型，以及分子的形成過程具有重要的作用。教學(xué)中將共價(jià)鍵理論的思維模型的建立過程和電子式模型的物質(zhì)模型建立相結(jié)合，讓學(xué)生體會(huì)模型在學(xué)習(xí)化學(xué)知識(shí)中的重要作用，培養(yǎng)學(xué)生自主建構(gòu)模型的能力。
　　2.2 電子式模型使用材料和制作過程
　　材料：不同顏色的絨線繩若干，不同顏色的具有合適孔徑的塑料珠，見圖1。
　　以簡單的H2的電子式模型為例，首先，選取2根白色的絨線繩代表兩個(gè)氫原子的價(jià)電子層，選擇2顆紅色的塑料串珠分別代表兩個(gè)氫原子的價(jià)電子，將2顆紅色串珠分別穿在兩根白色絨線繩上，如圖2所示。
　　將兩顆紅色串珠用絨線繩串連起來，并將絨線繩彎曲成圓形，代表氫原子的價(jià)電子層，再將絨線繩扭曲固定，H2的電子式模型就建立起來了。
　　2.3 電子式模型的應(yīng)用
　　建構(gòu)H2的電子式模型之后，學(xué)生自行設(shè)計(jì)了氯化氫分子的電子式模型。通過討論氯化氫分子電子式和H2電子式的不同，以及氯原子半徑和氫原子半徑大小的比較，并分析氯原子和氫原子價(jià)層電子數(shù)目多少。學(xué)生在建構(gòu)氯化氫分子電子式模型時(shí)，選擇了正確的串珠個(gè)數(shù)代表價(jià)層電子數(shù)目，合適長度和比例的絨線繩代表氫原子和氯原子的價(jià)電子層。如圖3所示的氯化氫分子模型，學(xué)生選取7顆串珠代表氯原子的7個(gè)價(jià)電子，穿在藍(lán)色的絨線繩上，1顆串珠代表氫原子的1個(gè)價(jià)電子，穿在白色的絨線繩上，并根據(jù)氫原子和氯原子原子半徑不同，建構(gòu)氯化氫分子模型時(shí)，使得藍(lán)色的絨線繩比白色的絨線繩長，代表它們不同的半徑大小。

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