专题四：物质结构核心概念教学价值的深度挖掘——模型思想与科学观念

第一篇：专题四：物质结构核心概念教学价值的深度挖掘——模型思想与科学观念

高中化学远程研修物质结构与性质模块

专题4——物质结构核心概念教学价值的深度挖掘—模型思

想与科学观念专题教学研讨

主持人：

魏锐（北京师范大学化学教育研究所）嘉宾：

刘克文（北京师范大学化学教育研究所 副教授）赵河林（山西大学附属中学）王秀忠（山东省实验中学）

主持人：各位观众大家好，欢迎各位来到高中化学新课程远程研修，今天我们进入了第四个专题，这个专题是物质结构核心概念教学价值的深度挖掘-模型思想与教学观念，首先我为大家介绍今天参加讨论的现场嘉宾，分别是北京师范大学化学学院刘克文副教授、山西大学附属中学赵河林老师、山东省实验中学王秀东老师。欢迎各位老师来到讨论现场，我们今天是以物质结构和性质当中的非常核心的问题，即跟科学方法也跟科学观念有关系。这个主题就是模型。在开始讨论之前我们先跟大家分享一个案例。

一、模型观念在原子结构教学中的应用

1.教学案例----原子结构模型（赵河林）

费因曼：原子结构假说

玻尔模型：科学实验、假说、模型；量子化思想

玻尔假说的价值：假说如果确立了，别人就可以在此基础上证伪 多电子光谱对玻尔模型的挑战

赵河林：谈到文明的传承，我要分享一句话，这句话是一个诺贝尔获奖者理查德-费得曼说过的话。他说：“如果有一天我们生活的地球发生了大灾难，所有的科学知识都将被毁灭，只能有一句话传给下一代生命，那么，一句什么样的话能够用最少的词语表达最多的信息以支持人类的地球重建呢？我以为是原子结构假说。”看来原子结构假说对我们这个世界非常重要，到底重要在哪些地方呢？从二十世纪原子结构的模型建立起来，在此过程当中产生的只是极大地对元素周期表、元素周期律、对化学键、分子结构的认识水平，是人类对化学的认识到了一个更高的境界，不仅如此我们再来看，这时产生的只是与技术支持了晶体管技术，甚至支持了扫描隧道显微镜技术的发展，因此原子结构的内容是非常非常重要的。今天我们就将在上一节课的基础上研究原子结构部分的知识。我们知道原子是有原子核和电子构成的，而电子非常非常的小，我们用肉眼看不见，我们的感官无法感知它。那作为科学家他们是怎么研究原子核外电子的运动的呢，他们采用的是什么手段啊？科学实验、提出假说、还有构建模型，用这样的科学手段，科学方法来研究人们看不到的电子的运动，具体来讲玻尔利用氢原子光谱实验认识到氢原子的光谱可能与核外电子运动状态有密切的关系，于是他就在卢瑟福的基础上研究核外电子运动情况。微观粒子应该遵循一些微观世界应该遵循的规律，玻尔引入的是量子的概念。在微观世界应该遵循一些量子的思想，而宏观世界遵循的是连续的思想。玻尔创新之处在于引入了能量量子化得思想，用能量量子化思想来解释氢原子光谱，也就解释了核外电子的运动情况，不仅如此他还用量子数n来表征能量的量子化，并且用量子数n来标记核外电子的分层排布，这样的科学研究方法为科学研究打开了一扇大门。特别是为人们认识原子结构打开了一扇大门。让人们对光谱的迷惑得到了有效地解释，这样的方法我们今天还会再使用，继续来研究核外电子的运动情况。我们知道玻尔的模型，玻尔的假说是很好的解释了氢原子的光谱。对于一个假说一旦确立了，别人就会在他的假说基础上证伪。要看他的假说是否适合于其他的情况，否则这样的假说是站不住脚的。玻尔的理论仅仅是解释了氢原子光谱的问题，我们不能只是拿一个氢原子光谱就说他的假说是完全正确的。他还要接受其他电子光谱的考验，我们来看多电子原子光谱的挑战。对于氢原子光谱实验中电子从n=4的电子层跃迁到n=3电子层时，会出现一条谱线。而对于多电子原子光谱来讲，当电子从n=4的电子层跃迁到n=3的电子层时，会出现多条谱线，比如330nm、568nm、589nm处都有谱线。那我们可以知道多电子原子光谱比单电子原子光谱要复杂。那么玻尔的假说能不能解释多电子原子光谱的实验呢。那么这样的多条谱线的背后又隐藏着什么样的信息呢？我们又要从什么养的地方探索她的秘密呢？这些都是给我们提出的问题。我们这节课就来研究一下多条谱线背后的秘密。那么请大家利用上节课建立的思想模型思考，多电子原子中的电子从一个电子层跃迁到另一个电子层时产生多条谱线的可能原因是什么？请提出你的假说。我们希望大家能像科学家一样走一走前辈科学家走过的道路。

2.假说、模型等思想在原子结构教学中的作用

主持人：各位嘉宾，在刚才赵老师的案例中，从中我截取了几个关键词，我们再一起回顾一下，在案例中出现了原子结构模型、费伊曼对原子结构假说的高评价，玻尔模型与科学实验、科学假说、科学模型都有关系，还有提到了量子化的思想。赵老师的课上提到，当一个假说确立了其他人就可以在此基础上证伪，而且也提到了多电子原子光谱对他的挑战。这一系列的词汇，假说、证伪、模型等等，在我们通常的教学中可能不是特别常见的。所以我就想问赵老师，您在设计教学案例的时候是怎么想的。为什么要体现这些关键词。

赵河林：各位老师，我认为我们在设计原子机构基础这部分课程的时候，我们应该清楚原子结构知识在中学化学中的地位，也要清楚他在整个科学史中的地位，原子结构假说被认为二十世纪最重要的自然科学发现之一，也是影响世界发展的五大里程碑之一。他与进化论，大陆漂移学说，还要天文学的大爆炸理论并驾齐驱。诺贝尔获奖者理查德-费得曼说过，如果有一天我们生活的地球发生了大灾难，所有的科学知识都将被毁灭，只能有一句话传给下一代生命，那么，一句什么样的话能够用最少的词语表达最多的信息以支持人类的地球重建呢？费伊曼认为是原子结构假说。一方面了解了原子机构假说的重要性，另一方面也是转变教学观念，我们的教学目的是不是能让学生体会到原子结构的价值，在教材中有这样的趋势，我们的教材的重点就是考试的考点，考试不讲原子结构的重要性，不讲模型的重要性，那么我们就没有必要将原子结构模型，只要让学生知道核外电子排布规律就能应付高考，但是这样讲，只是为了考试而教。根据新课程的思想，我们不仅要为了考试，更要从学生的终身发展角度来看，我们就更要让学生体会原子结构模型的重要性，体会重要的科学方法。这样才会激发学生学习化学的内在兴趣。在教学素材的选取上，本节内容上我采取了较多的化学史的内容，但是不是简单地讲原子结构模型的发现史，而是最重要的假说模型思想与原子结构知识综合起来，使他们成为一条线索，在核外电子排布知识的讲解上将知识技能，方法技巧，情感态度价值观三位目标共同体现。所以在这部分知识上有讲解也有质疑，比如用更多电子院子的光谱这样的一个事实来质疑玻尔模型可不可以解释多电子原子光谱。让学生自己思考玻尔模型是否正确。这样的过程也符合科学发展的历程，相当于我们模拟了科学发展的历程。让学生体会科学家研究的历程，让学生体会我们所有的这些知识实际上是有实验的依据，不是科学家自己随便的创造出来的，由这样的依据构建出假说，在由假说构建适合的模型，但是当实验条件变化，模型就会被质疑，人们就会构建新的模型。正如恩格斯说的，只要科学是在发展的，科学就会以假说的形式存在，当一个新的事实被观察到了，原来的说法不符合了，人们就会在事实的基础上进一步有新的假说诞生，直到最后一个相对正确的结论。原子结构的发展就是这样一个过程，这样的教学设计就是要让学生体会到假说模型是科学发展过程必然的过程，如果今后他们做科研也必须要经历这样的过程，这时为了学生的终身发展负责的教学。

3.在教学中什么事科学本质观，它的作用是什么? 主持人：刘老师您好，刚才赵老师的教学设计是凸显模型假说，凸显教学的科学本质观。我们知道中学化学和小学科学的课标中都强调了要培养孩子的科学本质观，那您能给我们讲讲什么是科学本质观，他的作用是什么吗？

刘克文：听了赵老师的介绍，我认为在这里其实这个模型啊，如果我们能够很好的把模型的教学，能够让学生很好的模型的本质和模型建构的过程很好的理解，这其实就是科学本质观。如果模型教学可以很好的体现科学本质观，这就是一个很好的例证。科学到底是什么呢？其实实际上科学就是我们根据这个自然世界来对他的规律建构模型。科学本质就是建构各种各样的模型，当然在建构的过程第一要对现象进行分析，找到他们共同的特点。然后就形成了对应的概念，理论，规律，定律等。这些其实是建立自然界一些共性的东西。这些理论就会知道我们更好的发现，去理解新的现象。如果我们能够很好的将科学的本质，现象的本质讲解清楚，就可使学生对科学的本质观有更好的理解。从三维目标可以看出，模型是什么是知识，过程方法是什么，其实模型建构的过程和方法。在建构模型的过程中，涉及到的思维方法等就是情感态度价值观了。4.四个模块中的模型教学的素材

主持人：那您看我们设计的四个模块，很多的概念是不是都是进行模型教学的很好的素材呢？

刘克文：我们化学中的模型非常多，比如原子的定义，分子的定义，关于原子分子理论解释化学变化过程，晶体结构的认识，当然这些需要很多的实验证据，比如我们基础的实验，光谱的实验，物理学的实验等等。这些都是模型，随着科学的发展，他们还会继续被完善发展。化学方程式本身就是一个模型，是对化学变化最理想化的解释。

赵河林：假说模型这一维度的角度是选修三在过程方法维度最大的贡献。刘克文：在这一维度可以很好的阐释过程方法。化学运动，目前来讲，我们还不是掌握的那么清楚。有人就说，化学还处于一种经验和半经验的科学，不像数学那么精确。化学很多都是利用归纳的方式，通过很多个实验，归纳出共同的特征，这就是定律或者理论。所以我们进行化学教学，物理教学最终就是要建构模型。这就是我对模型的认识，不一定正确，但是如果我们反问的话，教学最终教的是什么啊？真正留下的就是怎样去建构模型。

王秀忠：也就是说模型本身可能他的重要不如建构他的过程更重要。主持人：感谢刘老师的讲解。其实科学发展的过程，就是建构模型的过程，这时要让学生去体验这个建构模型的过程。物质结构与性质这个模块，给我们提供很多的素材，我们可以借用这些素材来让学生体验建构模型的过程。刚才我们有原子结构的一个案例展开了讨论，现在我们再回归到原子结构的案例上，原子结构这样的内容，对学生建立模型思想有什么好处呢，氢各位嘉宾针对这一话题展开讨论。

5.原子结构内容对学生建立模型思想的好处

王秀忠：提到原子结构理论本省就是模型建构，那么我的理解是在当时的环境下，人们能够把比较科学认知抽象出来，以模型的形式建构起来，他抽象的模型可以解释我们当时的认知。但随着人们认识的深入，可能就有些解释不通了，就会出来新的模型。有些这样的认识有时是有意识的，比如说卢瑟福提出a粒子反射实验，他对前面的汤姆逊的模型有质疑，是不是电荷平均分配，有意识的设计一个实验去验证他，结果发现不是。这时一种有意识的行为，但有些不是这样的，比如，玻尔的这个模型，就是出现了光谱，这个光谱要求科学家必须做出解释，而现有的模型解释不了，那怎么办，就要回去重新建构。所以认识过程会由于不同的原因，导致人们模型认识的深化。但每一个阶段当时都是非常伟大的，包括道尔顿提出的原子学说。虽然至今可能里面都是错误的了，但是当时他还是非常伟大的。所以刚才跟刘老师提到了，模型本身的重要性很大，但更重要的是模型变更，建立的过程更重要。

刘克文：在教学上，讲原子结构模型，教学的目的，首先要让学生知道原子结构模型是什么，但是有一样，他的背景，就是这个模型是怎么建构起来的。这个也是非常的重要。

赵河林：知识的本身是非常重要的，但如果我们知识讲求本身而忽略了知识产生的过程，就没有了知识发展的动力，我们会奉他为真理，不再去创造。而创造的第一点是质疑。学生如果没有这种质疑批判的精神，即使他掌握了很多的知识，今后他的创造性也会缺失。

主持人：所以在这些素材当中，还有哪些教育的价值意义是值得我们去挖掘，卢瑟福，玻尔等都是在建构模型，我想在这个过程中最重要的思想就是类比，尽管我们讲，玻尔他对量子力学他是起到一个非常奠基性的作用，但是无法排除他与宏观世界的类比，他把它想象成不同能量的台阶，在不同能量台阶就会吸收或者放出能量。这个规律其实是和宏观规律有非常大的联系之处的。进而他在吧这个能量台阶想象成圆周的运动，与宏观的行星模型相似的。还有薛定谔的波动模型，这个是与宏观的波来进行类比。这些都是借用了类比的思想，类比其实就是在将一个事物和另一个完全不同的事物之间建立联系。通过这些联系来进行学习也是一种非常好的策略。刚才的讨论我们是从赵老师的课引入的，从原子模型出发讨论了模型教学以及科学本质观的问题，接下来我们还是用赵老师课的结束作为我们这个小结的总结。

赵河林：我们通过这两节课的学习发现了原子结构模型实在不断地发展，这样的发展过程其实也是科学实验，假说，模型的发展过程，提出一个新的假说，就要经受实验的考验，然后还会有新的实验出现，进而对假说和模型进行修正，完善。实验假说模型不断螺旋式发展，科学这样发展。最后我用恩格斯的话，让我们大家共勉：“只要自然科学在思维着，它的发展形式就是假说。一个新的事实被观察到了，塔他使得现在对此问题的说明方式成为不可能了，从这一瞬间起，就需要新的说明方式诞生，在其诞生的过程中，他最初仅仅以有限的事实和观察为基础提出假说，并修正，甚至取消，再假说，在修正。直到最后建立起相对正确的定律。”

一、从模型角度重新审视化学键内容

主持人：前面咱们关于原子结构的讨论，还是针对原子结构模型来进行展开的，原子结构模型作为物质结构与性质模块内容也是处在非常重要的位置。由理解原子结构模型，进而理解后面的化学键，晶体结构等相关的认识。下面我们的讨论就是要进入化学键，从模型的角度重新审视化学键，从模型的角度重新审视化学键又有什么好的启示呢，我们先分享一个案例。1.教学案例--化学键内容（徐敏）

徐敏：这个理论有很多问题无法解决，为什么通过两个电子就能让两个氢结合起来呢？为什么通过四个通用电子对就能放一个碳和四个氢结合起来呢？共用电子对怎么把原子结合起来的？共价键的本质是什么？路易斯理论能解决吗？再看甲烷的分子式写出来了我们能解释他的空间构型吗？大家再看，如果按照路易斯的理论我们写出了氧气分子的电子式是这样的。但是有一个事实我们解释不了。就是如果按照这样的电子式书写，氧分子中是没有单电子存在的。那就意味着，氧气分子是逆磁性的，可是我们发现我们把氧气分子放在磁场中，液态氧是悬浮起来，这就说明他有顺磁性，什么样的有顺磁性呢，就是分子中有单电子，这样就是与实验事实不相符合的。那也就是这个电子式是有问题。那为什么路易斯的电子式不能做的更优化一些呢，这时由于当时的时代背景，他提出这个理论是在1913年，玻尔提出原子结构模型之后，他是在这个模型的基础上提出的理论。但是我们知道现在的原子结构模型比较完善的是哪一种啊？是量子力学模型。也就是说他的理论出现局限是正常的，是受到当时时代背景的影响。如果用现在的量子力学模型来看共价键的话，怎么理解共价键呢，我们以氢气为例。我们把氢原子的核外电子分布式以及表达式写出来，大家看一下氢气分子怎么形成的，大家看不是任何两个电子都可以形成一对电子对的，他们必须是磁选方向相反的。那么氢气分子我们看完了，我们来看一下氯气分子是怎么形成的。大家看两位同学吧氯原子的核外电子排布式和轨道表达式写出来了，大家看一下，同学们认同吧。大家看如果要成键的话要是3pz上的分子，那分子自旋方向要相反，那应该是什么样的分子。大家还记得p轨道是什么模样吗？是不是纺锤形的。也就是说一个氯原子的单电子在这个轨道上运动，还有一个单电子在另一个p轨道上运动，而这两个电子要配对，应该是一个什么过程，是不是要重叠。先请同学们分析H2S分子的形成过程，预测其分子构型。还是请同学们先发硫原子的核外电子分布和轨道表达式写出来。大家看如果按照理论硫化氢分子的夹角应该是90°，但实际测出来是92°。共价键是通过自选方向相反的电子配对和原子轨道最大重叠而形成的，是体系能量大最低状态。这样在分子的结构当中就决定了他的空间构型。我们发现硫化氢是一个折线型的，夹角是92°，间接支持了这一理论。我们用这一理论看一下甲烷分子的构型。这些事碳的核外电子排布式和轨道表达式，大家想想他如何跟氢成键呢？他的四个轨道不一样是不是，那电子运动具有波动性，那通过什么方式可以使得四个轨道成为等价轨道啊？是不是叠加啊。对，波具有叠加的性能，他就是在这样的理论的启发下他也想到了一个问题，他能不能是这四个轨道发生能量的重新分布。他称这个过程为杂化。也就是一个s轨道和三个p轨道杂化，形成了四个等价的轨道，我们称为sp3杂化轨道。我们现在很多问题都已经可以解决了。还有一个问题没解决，氧气分子具有顺磁性，说明氧气分子具有单电子，以上的内容都不能说明这个问题，后来有两位科学家，以为是美国的密立根还有德国的洪特，这两位科学家提出了另一种理论叫做分子轨道理论。2．化学键中的模型思想

王秀忠：通过观察徐敏老师的教学，我们发现他用了价电理论，然后再认识的过程遇到了一些问题，然后又导出了杂化轨道理论。解释了某些问题之后，又碰到新的问题，又引出了分子轨道理论，所以整个的认识是不断深化的，是在遇到问题是不断地提出新的模型。我们再认识问题解决问题是也要考虑模型的更新的问题。

主持人：我非常同意您的观点，这体现了模型发展的过程，这样的过程就可以给我们提供很多的启示，所有的理论都是历史发展的模型，他有意义，但也有他的不足，他都是在一定的目的下建立的，在当时的条件下，可能能解决很多问题，但是又会面对新的挑战，提出新的模型。

王秀忠：实际杂化理论是不是真实的？他是不是为了解释这样的问题提出的？

刘克文：是为了解释有机分子构型的问题，而提出的假说，后来经过试验发现他是有道理的。这样发现他是正确的就成为了模型。

王秀忠：就行氯化氢这样的分子，我们说他是杂化，还是没杂化啊？说他杂化也能解释的通，没杂化也能解释的通。这种模型的建立不一定是真实存在的。只是为了解释这样的问题，提出一个理解式的模型。

赵河林：我们如果用已有的知识，就可以解决问题，那肯定就没有新模型产生的必要。模型的发展，也是人类创造的过程，人类遇到挑战的时候，才会想到去面对跳到，迎接挑战。

刘克文：其实杂化理论解释氯化氢，也能够解释。但是这个用电子配对理论就能解释得了的，这时两个理论系统，两个理论都能解释得了。只不过杂化理论解释更为复杂的构型的问题。

赵河林：对比原子结构的发现史，其实化学键的发展史也是一波三折的。最早的时候人类认识化学键的时候，是一种哲学的基础，甚至古希腊的科学家用爱和恨来解释物质的关系，如果这两个物质相爱就在一起，如果这两个相恨就不可能在一起。这时最为原始的解释方式。那随着科学发展，泊伊尔曾经用纯物理的力学的知识来解释物质的分与合，再后来人们有了一些关于物质结构组成的知识。有些人就会利用这样的知识，再利用类比，有些物质是楔形的有些事凹形的，那么楔形的和凹形的可以结合，就能够发生反应。人们又从这个角度去理解问题。

主持人：这就是一个思维经济性的问题。当前我们要解决这个问题。有一个理论能够解释，满足我们的需要就可以了。还有就是类比的来源在哪，类比的来源一定是我们现有的经验。

刘克文：刚才有一个非常重要的观点，就是化学键和原子结构模型一样非常重要，它体现的是化学物质是怎么结合在一块的，就是原子和原子是怎么结合的，最开始就是爱与恨理论，之后就是电子对理论，轨道杂化理论。现在的杂化理论实际是基于量子化学，s轨道，p轨道，它基于量子化学来解释原子和原子是怎么构成分子的。所以这个化学键理论也是一种模型建构过程。

赵河林：化学键的模型建构过程对化学产生了非常重要的影响。鲍林有一句非常重要的话，化学键是化学家手中的金钥匙。这句话体现人类为了目的建构以后，这个模型的意义所在。这些理论，比如说，杂化理论，配位键理论等等理论建立起来以后，化学中的很多问题就可以解决了，化学也得到了发展，化学理论的发展反过来又促进了化学实验的发展。人们在上世纪在化学键理论得到极大发展以后，物质的种类发生了极大变化。

3.共价键、离子键这两个典型的化学键模型之间是什么关系，以及这两个模型教学时能体现哪些科学的观念，科学的方法呢？

主持人：在中学化学里面，跟我们化学键相关的，比如共价键、离子键等，这两个典型的化学键也属于化学键的模型了。那这两个之间是什么关系。以及这两个模型教学时能体现哪些科学的观念，科学的方法呢？

王秀忠：我说下我的观点，共价键我们认为是通过共用电子对来形成的相互作用，他的本质就是两个核和在两个核之间高密度运转的电子对之间的强相互作用。他实际上也是一种静电作用。他和离子键之间的关系呢，共同的特点是都没有打乱稳定结构。当然个别打乱稳定结构也有，但多数没有打乱电子结构。他们的差异有大有小，如果差异很大就是离子键。共价键有极性和非极性，由非极性共价键到极性共价键再到离子键这之间是一个量变到质变的过程。

主持人：您的意思是不是，我们在看待这两种化学键的时候，都是代表性的典型，两个极端，而在实际中不是这样的。

王秀忠：在实际中可能不是这样，而我们再学习中以这两个极端来分析。赵河林：我们再中学中经常用对称性的差值，来判断他是离子键还是共价键，而我们再认识的时候，其实应该有一个辩证的认识，不要把他当做决定的标准。这种电负性差值比较适用于一比一的卤化物这样的物质，而对于其他的适用性不是很强，比如像氯化氢这样的典型的供价化合物，大约有20%的离子型，而氟化氢电负性就更大，他的离子性可以达到50%。一般认为电负性大于0.7的时侯，离子型大于50%，判断为离子键，并不是全部都是离子型，在氯化钠中离子型占到了70%。像氟化铯这样典型的离子键，他的离子性占到了92%，共价性也占到了8%。由此说明共价键和离子键是相对的。我们老师要认识到这种相对性，不要把它推演到所有的地方。

刘克文：在这一部分，其实有一个误区，我们再讲核外电子排布的时候我们讲到了量子数，这其实已经到了量子水平了。而在讲化学键是还是用了经典的原子结构模型。经典的原子模型没有什么数据，测得这个电负性也是人为的一种相对值。所以在这一部分我们讲到离子键、共价键本身就是经典原子结构模型，我们讲到分子轨道，讲杂化，这是现代量子化学的理论。包括孤用电子对他也是经典的原子结构模型。不通的理论在不同阶段他针对什么，属于哪个理论体系这个一定要搞清楚。要讲一个模型一定要知道这是在什么情况下产生的模型。

主持人：也就是不同的模型，不通的假设，他是针对解释特定的问题建立起来的，我们对待一个模型，不要认为他是放之四海而皆准的真理。运用不同的对象，我们就用不通的理论。

赵河林：对，如果我们把价层电子互斥理论运用到特别化合物时，发现时不适用。现在我们说的杂化电子理论和配合物理论是在比较简单的无机有机化合物分子。

王秀忠：互斥理论还是一种经验理论，适用范围是很窄的。

主持人：关于化合物的模型，我用类比的角度再做一个说明，对于化学键的模型还是根据人们熟悉的模型像类比的，他和原子结构模型的建立其实是有相类似的，这从科学方法上是相关联的。比如说我们说微观粒子之间有静电作用，而这其实就是与我们宏观的带电小球相互吸引来进行类比，我们所表达的库仑力的公式也是跟宏观的带电体的公式进行类比的。类比的过程中出了对数学思维进行迁移外。我们是对一个复杂的事物，把它抽象成一些简单的模型，比如说把钠离子核和核外电子抽象成点电荷来，再和宏观的物质进行类比。共价键也是一样，我们可以从共用电子对来进行解释，也可以从轨道相互作用来解释，轨道的增强和削弱都是与宏观的波进行类比。化学键的建立过程研究过程也是根据人们的需求，建立起来的猜想，这种猜想必然就有了适用范围。这样我们再教学过程中知道每个理论的适用范围是非常重要的。除了类比的思想，也涉及到量变到质变的关系。这就是一个思维的方法，这个方法就是选取了极端的两个状态，学习了这两个极端后，中间的就是有两个极端共同重叠构成的。各位老师能不能对化学键的教学给我们老师提一些建议。

赵河林：徐敏老师的化学教学给了我们很多启示，但在化学键教学时我们应该要考虑以下几个问题，在微观概念里三重表征很重要，就是微观表征、宏观表征、符号表征，在化学键的教学上，我们宏观上要让学生体会到化学实验，从宏观上知道他有能量的变化，微观上要能够很好的解释，建立模型。建立模型可以让学生做实验，比如用气球去模拟轨道杂化。这样也是一种类比的思想，让学生较好的掌握模型。关于δ键和π键的也让学生用笔来模拟轨道来模拟，这样有利于学生去理解这部分知识，我们老师要做好这些微观表征。最后我们还要做好符号表征，就是让学生去绘制共价键的形成，那么这样的三重表征的形成，有利于学生理解这部分知识。

刘克文：结合课例还有赵老师谈到的，我谈谈结合化学键怎么体现模型教学的特点。以往我们很少提到化学键也是一种模型。但其实他和原子结构模型的发展有类似之处。我们再模型教学时要知道我们讲授的是什么，比如化学键是什么，美国的很多教学中其实就提到其实化学就是化学键，原子是怎么结合成分子的，离子键和分子键是在经典理论体现下解释的，原子轨道理论和杂化理论是在量子理论下提出的。这部分至关重要，是因为化学键还可以在发展，他的创新性，他的历史性，他的发展性都是我们大部分老师都固化了，就是化学键就是离子键就是共价键，虽然大学学了很多的量子化学知识，但回过头解释还是会用离子键，共价键来解释。因此我们再化学键教学也要以一种模型的观点来看，以一种模型建构来解释。

4.用联系类比的教学进行化学键的教学

主持人：其实对于化学键我们也可以用一种联系的角度来解释。徐敏老师在教学中提到了分子轨道的概念，对于学生来讲分子轨道可能是一个比较困难的比较陌生的概念。她是为了解释氧气分子的顺磁性，引入了分子轨道理论，但在教学中如何给学生建立分子轨道概念，怎么去认识，这时难点。我的建议是我们可以从原子和分子联系的角度来认识分子轨道。比如说在第一章，用很大篇幅来讲原子当中能量量子化。但是我们发现这些观念在后续教学讨论的不多。这些其实可以迁移到分子轨道上，对于分子轨道我们传统理解是把他理解为原子轨道之间相互作用的和。但是这个过程非常复杂的，如何解释原子轨道之间的相互作用，电子的填充等等，这时分复杂的。如果老师单纯的看到分子轨道的概念就从这个教学去解释这个概念，这就是将大学的内容下放了。学生接受起来是困难的。拿着一部分我们是不是可以有新的办法，把原子和分子联系起来，原子是核与电子构成的体系，分子式多个核和多个点子构成的体系。到更大的体系，核就更多，电子也就更多。这样的话，构成微粒角度是具有相似性的，他们的其他属性是不是也有相似性。对于原子电子具有不确定性，是概率分布的，那分子是不是也是概率分布的？从不确定的角度也是有相似的。那从能量量子化角度是否也是具有相似的？我们这样抓住他们的联系，再去看原子与分子，原子的能量量子化表现为原子轨道，那分子的能量量子化就是分子轨道。由于分子轨道的数目非常多，就形成了能带，能带就有连续的，也有不连续的。我们再来看一些证据，对于原子而言，原子有原子光谱，分子而言，分子也有分子光谱、光电子能谱，对于固体而言由于导电性等。这样其实他们都是有联系的，在不同的尺度相同的理论就成为了原子轨道、分子轨道、能带等。其实分子轨道就是原子轨道的一种类比。分子轨道的能量填充和原子轨道的填充都是一样的。这样看分子轨道和原子轨道就简单的类比。对于反映活性也是一样的，我们讲化学键的时候，原子和原子相互作用，这种相互作用就是简单的外层电子的相互作用。当然内层也有作用。那么在化学反应中是分子和分子之间相互作用。也是外层的轨道，能量较高的轨道。这就是前线轨道理论，这样再来看原子变成分子是轨道的作用，分子发生变化，发生化学变化，也是轨道的作用，这样模型进行类比的话模型就会变得简单。当我们在教学中遇到了这样的分子轨道、原子轨道等大学概念，我们就要大学的方式去处理，数学的推理，就会很困难。所以从联系的角度是不是可以降低问题的难度，同时也反映了模型的特点。也反映了我们运用类比思维的方法。所以我们更重要的不是交给概念，二十告诉他们概念的思维方法是什么，这时非常重要的。

王秀忠：魏老师通过简单的方法将分子轨道讲的很透彻，但是我作为一线教师，我建议老师还是根据自己的情况，能在顺磁性问题等普通的理论解释不了，我们可以用分子轨道来解释。如果学生有浓厚的兴趣可以做一些介绍，但是最好不要再全体的正式的教学中进行讲解。但是刚才的讲解是很好的，从一个容易掌握的到比较复杂的。

主持人：刚才我们说的就是这一部分不是中学要求的内容，但是我们为了解释一些问题要运用这些问题，那我们就可以有很多个层次来处理，最基本的层次，就是顺磁性用我们传统经典的价电理论无法解释。那怎么去解释呢留给以后的空间。这时一种处理，对于比较有兴趣，基础比较好的，我们可以告诉他这个可以由分子轨道理论来解释，那分子轨道理论是什么呢，以后再来学习。如果再有兴趣呢，我们可以在介绍的多一点。

王秀忠：对于化学键我在提一些，对于离子键，共价键，配位键，我们要给孩子准确的建构，因为他是后续的晶体的内容的基础，对于方向性、饱和性问题要有深刻的认识。对于键参数，包括键能、键长、键角，也对后续晶体部分内容建立基础。键能和键长其实在化学键的角度，他是决定强弱问题。而键角和键长可能影响分子的构型，以及后续晶体的构型。还有要关注信息的来源，通过实验获得的信息，比如说极性分子、非极性分子的问题。这些为后续可能成为一种基础。

三、结构模块教学中的实验素材—案例（液体挥发时温度变化）

主持人：结构模块教学当中可以很有效地证据，一个是数据，数据是为我们建立结构模型的很重要的信息来源。还有一个方面是利用实验证据，现在在这一模块利用实验的比较少，这也给我们老师很大的空间。我们可以尝试很多的方法让学生去理解结构模块的知识。比如说化学键同学们可以通过直观的认识，通过化学变化旧键消失，新建形成中的能量变化来体会化学键的键能的变化。如果有一种强的作用变成了一种弱的作用，那么就是一种吸热的过程，如果有一个弱的作用形成了一个强的作用，这就是一个房热的过程。我们知道化学键的旧键断裂，新键形成跟能量有密切关系，那我把这个范围在放宽一点。化学键是在分子层面的相互作用，我们在考虑分子之间，就是我们所说的另一个尺度，就是分子间作用力，他其实和化学键一样都是一种作用力。那我们办法说明分子之间的作用力就存在呢？在前一个专题中，有一位老师用温度计沾取不同的溶液，在溶液挥发的过程中，温度计的水银有变化。说明挥发过程当中其实是吸热的。这就是一个实验的方法。如果我们用实验的方法说明分子间作用力的存在，我们有很多的方法，比如说熔沸点、蒸发焓，这样其实是比较消耗时间的，我们就可以用其他的方法比如说挥发过程的吸热现象。吸热了说明破坏了相互作用了，就像破坏化学键要吸热一样，破坏分子间作用力也要吸热。还有在混合过程中如果没有化学变化，也是有能量变化。混合过程的吸热放热也可以给我们提供分子间作用力的证据。第四个方面是我们也可以从混合过程的体积变化来进行分析。在初中阶段我们用酒精和水的混合体积缩小了说明微粒之间是存在空隙的。我们用插孔的思维来进行类比。实际上不仅受到分子形状的影响，还受到分子作用的影响，混合过程又很强的作用形成了，它的体积是不是就有了要缩小的趋势。如果说原来的作用很轻，经过混合这种强的作用被破坏了，他是不是体积有放大的趋势呢？这些例子都可以给在说明分子间作用力存在。接下来我给各位老师演示几个实验，现在我准备了几种液体，一种液体是乙醇，一种乙醚，另一个水。这是两根温度传感器，如果我把温度传感器沾取溶液，由于液体挥发，就会吸收热量，我们通过传感器，和电脑程序，将吸热过程的数据采集下来。

（实验：沾取溶液，让溶液在空气中挥发，有计算机程序可以看到传感器的温度变化，两条曲线的温度走向发生变化，并且分离。将曲线放大后观察，蓝色的是乙醇的挥发过程温度变化，绿色曲线是乙醚挥发过程温度变化。开始时温度是大致相当的，但起初乙醚的温度是低过了乙醇，说明乙醚的降温速度是比较快的。这跟我们的经验也是一样的。乙醚的挥发性很强。但随着时间我们可以看到乙醚的温度下降的范围是有限的，而乙醇使得温度传感器下降的就更多，由此我们可以说明，乙醚可以迅速挥发，但他吸收的热量是有限的，而乙醇虽说吸收的要慢一些，但比乙醚要吸收的明显多。）

主持人：这样我们就可以让学生去分析，为什么会是这样呢，也许是分子量的角度，也许是极性的角度去分析。如果从分子量的角度分析，乙醚的分子量比乙醇的分子量大的，挥发是就需要更多的热量，感兴趣的老师还可以做甲醚和乙醚的实验，同样是这样的结论。于是呢我们就要从其他的角度分子，就是极性的角度，乙醇极性强于乙醚，那极性对分子间作用力有没有影响呢，再去做实验验证。这其实就是一个建立模型的过程，分子量有没有影响，极性有没有影响。这是我讲的第一个实验证据。那我们知道水当中存在着氢键，如果他和醇相比在挥发破坏的过程中应该吸收的更多。在这个过程表现出的温度变化是什么养的呢？我们看这个实验。

（实验2：两个传感器一个沾取乙醇，一个沾取水。水持续吸热温度持续下降，而乙醇温度下降非常快，但下降后开始温度有开始增加。按照积分思想是这样的，水在整个过程都在持续下降，积分的结果就是整个下降的温度了。）主持人：我们已经讨论了挥发过程的温度变化，现在我们讨论混合过程的温度变化。我们假象将乙醇混合进乙醚和水当中，我们知道乙醚是极性比较小的，而乙醇有相对较强的分子间作用力，那么二者混合就要破坏强的分子间作用力，就要吸热。对于水，两者混合，水的极性较强，就会放热。

（实验3：将传感器插入乙醚和水中，再将乙醇倒入两个溶液中，温度一个升高，一个降低。）

主持人：我们做一个小结，对于挥发过程中，不同的液体挥发过程温度变化是不一样的。混合过程也会发现有规律性的变化，预测有强的相互作用形成温度就会下降，有强的相互作用形成时就会温度升高。我们还进行其他的相关实验，比如混合过程的体积变化，乙醇和水体积缩小，冰醋酸和笨体积增大。冰醋酸本来有强的氢键，那一种本来比较强的相互作用被一种弱的作用取代就会体积增大，但是受到形状的影响，体积变化普遍性不强。这样就给我们分子间作用力的教学提供了很多的证据。学生可以通过这些证据去猜想，去假设，当然这里也涉及学时的问题，我们选取哪样的案例分析等都值得我们去探索。

李克文：刚才的实验从一定的程度上确实反映了，分子间确实存在着相互作用力。这样的实验还很多，比如石墨分层；金属长时间压在一起，会互相渗透；还有胶水的形成等等。我们还可以从科学史上看是怎么证明分子之间的作用力。今天我们魏老师现场来做这个实验，我是很赞赏的，虽然我们有现代化的投影设备等，但是能够现场做的实验，还是现场做比较好。

王秀忠：魏老师的实验为我们提供了很好的素材，在使用这些素材的过程中有很多的问题还值得考虑，是在什么地方使用，这些问题值得思考。

主持人：结合各位老师的讨论，如果我们再教学中想要强调科学本质观教育，强调模型教育。对于我们重要的挑战，就是提供证据。我们改变教学很重要的工作就是在科学前沿、学生生活当中去寻找证据，素材。关于证据如何使用，根据不同情况，就要具体讨论了。在一个教学过程当中一个素材怎么去使用，也是可以多样化的。

四、晶体教学中的若干问题（专家访谈）

吴国庆：晶体化学类型之间的相互关系，分子晶体、原子晶体、离子晶体、金属晶体他们之间的关系，其实分成四大类是非常粗糙的。多数的晶体是过渡类型的。其实可以化成一个四面体。过渡类型是比较多的，纯而又纯是很少的，晶体的分类的意义，是让晶体进行一个概况，可以使整个无极世界有一个概况，知道物质在什么样的位置，这就是分类的意义。下一个问题，我们说一说堆积。堆积提出的依据是什么？这个依据其实很简单，他是研究直径相同的球的堆积方式，二维的密集层到三维的垛积方式。首先是二位密集来说，可以使密致和非密致。非密致是一个球周围只有四个，而密致是周围有六个接近的球。这个就是说球放在一个平面上他会出现这样两种情况。这样一层一层的摞起来，用一个词叫做垛积。在一层层的摞起来的时候，他还有不同的垛积方式。非密致的垛积方式两种，一个就是想糖葫芦串一样串起来的的垛积方式。这样得到的晶包最后是一个简单的晶包。每个晶包最后里面只有一个球，这样简单晶包，这样的基本找不到实体，因为他空间太大了。另一种非密致垛积是球围垛积，他的体积就要密集的多。比如钠，铁等。密致层的垛积一定是密垛积，而构成的非密垛积找不到例子，连勉强一个例子都找不到。而密垛积就会有不同的周期性，一种是abababab的两层垛积，而还有一种是abcabcabc三层的垛积。所以更多层的垛积都是我们这样两层和三层的混合，所以只要把两层和三层掌握好就可以。这个依据就是这么简单，那有什么用呢，用处很多，单从金属晶体来说他的密集程度不同，他的体积密度就不一样，很多性质也不一样。很多的物理性质不一样，我们不是学物理的不感兴趣，但是学化学的人对于这个兴趣，主要是在大原子之间的空隙填上小原子，这叫做堆积填写模型，所以说化学模型上，堆积是从堆积填写模型来讲的。高中对于这部分的教学还是对于晶体的最基本的概念，但是其他的很多事不能讲的，比如说缺陷，在高中教学中我们最多也就是说理想晶体中的某些原子不存在了或者被取代了。但其实哪里有理想晶体啊，理想晶体是个模型而已。

主持人：通过刚才吴国庆教授的介绍，我们知道我们学习的模型都是没有缺陷的理想晶体模型。这些理性模型中，不同的理想模型他们也是有联系的，在我们的教学中处理好模型之间的联系性，就能较好的进行教学。对于晶体模型的教学，各位嘉宾还有什么建议吗？

赵河林：对于晶体的教学，第一要从模型教学入手，第二是要让学生多动手，制作模型等，第三是要把握难度，有些事不涉及的，比如微晶，晶包等，我们的任务是要让学生理解堆积这个形式，晶体的形成中堆积是一种形式。第四点是我们要更重视观念是教学，第一是微粒的特点，第二是微粒间的作用，第三是微粒的堆积方式。这时我对晶体教学的补充建议。

王秀忠：对于四种典型晶体模型，老师还是要有一个准确的认识，他们还是理想化的，对于原子我们认为他是一个带点圆球来考虑这个模型的建立，在这里我们首先建立一个基础就是原子之间的作用有方向性饱和性，还有没方向性饱和性的。没方向性饱和性的典型的就是金属晶体和离子晶体。金属晶体是等径圆球，他的堆积就是密集堆积。对于离子晶体，我们的思维就是大球先密集堆积，小球在插孔。对于原子晶体，主要的相互作用可能是共价键，所以首先要考虑的是共价键的饱和性和方向性问题，然后再这个基础上考虑密堆积问题，还有一个就是分子晶体，分子晶体有两大难度，第一个他的形状比较复杂，把它抽象成等电源球不较难，第二个是氢键，这里面主要的例子可能就是结冰的问题。另一个是没有氢键只有范德华力，这时就可以抽象成等径圆球。在这样的基础上理解上的晶体模型，学生可能容易理解。

主持人：非常感谢赵老师和王老师，我们把最后一个问题留给刘老师，在我们的教学中如果从成绩的实效性来讲经典模型可能就是最有效的，但从实际的现实来讲，我们的经典模型又与现实生活存在很大的出入，对于这样的矛盾，刘老师有什么看法？

刘克文：其实模型都是理想的，它反映了一些事物的普遍规律。这个规律在普遍事物都是适合的，但在现实生活中是很复杂的。模型是对我们的复杂现实世界起到一些指导作用的。比如理想气体模型。我们把次要矛盾忽略掉，把主要矛盾放大。在教学中这种找典型案例是很常见的。

主持人：经过刚才的讨论，关于模型的，关于科学本质观，对于物质性质与结构这个模块的教学，如何发挥模型的教学，我们提出了很多建议。一下建议是值得老师思考的，第一物质的结构与性质模块，利用科学史的素材，是建立模型认识的很好的方式。第二，要进一步挖掘科学史中的科学方法的价值。第三要让学生进一步参与模型建构的活动。第四要注意模型的适用对象。最后是我们介绍某个教学内容是要留有余地，任何内容都不可能是一定正确的。我们的教学一定要留有发展的空间。我们这一模块的教学就到这里，感谢各位嘉宾的讨论，感谢各位老师的收看，谢谢。附录： 一．作业

以“物质结构与性质”模块中的一个概念为例，说明模型与真实事物之间的关系，并设想如何通过教学让学生体会其中蕴含的模型思想。

二．拓展资源

·北师大-魏锐-例谈基于科学本质的教学设计 ·促进学生科学本质理解的教学设计 ·化学键概念变迁

·化学中的模型及其教学启示 ·价键理论的历史

·林红梅-非等径圆球密堆积-教学片断 ·模型方法及其在化学学习和教学中的应用