基于常見材料建構(gòu)并應用化學模型

　　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物分子結(jié)構(gòu)模型。通過學生動手操作，提高學生對模型的理解水平，培養(yǎng)學生的建模能力和模型認知素養(yǎng)。
　　關鍵詞：化學模型；電子式；分子結(jié)構(gòu)模型；模型認知素養(yǎng)
　　文章編號：1005–6629（2016）12–0029–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B
　　1 概述
　　模型是科學認知的一種特殊形式，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。模型也是人們實現(xiàn)認知的工具，在高中化學新課程標準修訂過程中，將模型認知作為高中生化學學科的核心素養(yǎng)之一[1]。在化學學習過程中，學生借助模型這一媒介，可以溝通科學理論和真實的世界，并對化學現(xiàn)象作出合理的解釋和描述，促進科學知識的理解。模型是學生理解知識的一種重要手段，通過模型，可以將抽象的、難以理解的問題形象化、具體化。教學中應用模型有利于學生掌握知識，構(gòu)建知識網(wǎng)絡框架，為學生接受知識、理解知識提供方便[2]。
　　學生結(jié)合所學的化學知識，建立模型，解決相關問題，再將解決問題的分析思路與策略方法進行抽象概括，就是化學建模過程[3]。建模過程有助于學生自主建構(gòu)知識，通過建模，學生體會到化學模型的產(chǎn)生過程，并根據(jù)自己的學習經(jīng)驗和背景，自主建構(gòu)知識網(wǎng)絡，再經(jīng)過加工和處理，學習到更多的科學知識，建立科學理論與經(jīng)驗之間的聯(lián)系以及解決復雜化學問題的方法。
　　化學模型可分為思想模型和物質(zhì)模型。物質(zhì)模型生動直觀，將抽象的內(nèi)容形象化，增加學生的感性認識，從而降低概念和理論教學的難度。高中教學中常用的物質(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，而且不易拆解，也不利于學生親自體驗。一些教師在教學實踐中，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充。這些自制的物質(zhì)模型，使學生對分子的形狀及結(jié)構(gòu)有比較直觀的認識，利于學生自主建構(gòu)模型，激發(fā)學生的求知欲望和探索精神。不過，泡沫塑料制作的模型堅固性和耐磨性較差，比較容易損壞，而且體積較大，不易搬運。硬紙片做的C60分子模型，不易拆解和重新組裝，也不利于學生親自體驗建模的過程。
　　筆者在教學中，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模型。制作方法簡單，容易操作，學生可以親自制作，體驗建模的過程，從而調(diào)動學生學習化學的積極性和創(chuàng)造性。自制的模型較為真實地反映了物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，容易讓學生認識到模型與原型的異同，準確地反映教學內(nèi)容，利于學生輕松地理解和掌握相關知識。自制的模型堅固耐用，體積小，易于攜帶，還可以輕松地拆解和重新組裝，有利于學生加深對相關知識的理解，幫助學生自主建構(gòu)知識體系[6]。在課堂上，筆者讓每個學生動手制作或裝配出相關的化學自制模型，引導學生共同探討，共同體驗建模過程，通過學生動手操作，充分發(fā)揮學生的主觀能動性和創(chuàng)造性，激發(fā)學生的參與熱情，同時培養(yǎng)了學生的建模能力和模型認知素養(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
　　共價鍵的最初模型是美國化學家路易斯提出的“共用電子對”概念，用電子式表示原子價層電子的共用情況。傳統(tǒng)的球棍模型，用小球代表原子，短棍代表共價鍵，表示共價化合物的分子結(jié)構(gòu)，卻無法直觀地表示原子的價層電子和共用電子的情況。在電子式知識的教學中，教師常采用板書書寫電子式，用粉筆畫點表示不同原子的價電子，或者使用動畫模擬分子的形成過程，學生理解起來較為困難，而且無法親自體驗。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電子層，塑料串珠代表原子的價電子，這種模型對于學生理解共價化合物的電子式和共價鍵理論模型，以及分子的形成過程具有重要的作用。教學中將共價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，讓學生體會模型在學習化學知識中的重要作用，培養(yǎng)學生自主建構(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氫原子的價電子層，選擇2顆紅色的塑料串珠分別代表兩個氫原子的價電子，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 電子式模型的應用
　　建構(gòu)H2的電子式模型之后，學生自行設計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層電子數(shù)目多少。學生在建構(gòu)氯化氫分子電子式模型時，選擇了正確的串珠個數(shù)代表價層電子數(shù)目，合適長度和比例的絨線繩代表氫原子和氯原子的價電子層。如圖3所示的氯化氫分子模型，學生選取7顆串珠代表氯原子的7個價電子，穿在藍色的絨線繩上，1顆串珠代表氫原子的1個價電子，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，使得藍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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