利用分子与原子的性质分析和解决问题

　　1 在学生学习“原子结构与元素性质”这部分内容时，常见问题有哪些?如何根据自己教学实践加以解决?

　　“物质结构与性质”作为高中化学新课程的一个选修模块,侧重于帮助学生了解人类探索物质结构的重要意义和基本方法,研究物质构成的奥秘,认识物质结构与性质之间的关系,提高分析问题和解决问题的能力。

　　针对“物质结构与性质”这部分内容的教学研究,一般局限于物质结构有关的概念间逻辑关系的梳理与建构,忽视了学生化学认识的形成发展,忽视了学生对物质及其变化的理解力的形成。本研究的目的就在于深入探查学生对于这部分内容的已有认识和已有的认识方式,运用高中化学选修模块教材《物质结构与性质》对学生施加影响,通过各种方法研究学生认识方式的转变以及认识的形成发展。

　　1.对学生已有认识及认识方式的测查

　　对学生已有认识及认识方式的测查,是围绕“原子结构”、“微粒间的相互作用”和“物质的聚集状态与物质性质”3部分进行的。

　　(1)学生对于“原子结构”的问题主要集中在以下的3个方面。

　　学生对于“原子结构与元素性质的关系”存在着各种糊涂的认识,如有些学生将单质的性质误认为是元素的性质,还有些学生将原子结构、元素在周期表中的位置误认为是对元素性质的描述。

　　(2)对于微粒间的相互作用,我们以共价键作为主要讨论对象,学生对于共价键的认识处于“经典价键理论”的阶段。而对“微粒间的相互作用与物质性质的关系”的认识,学生已经意识到元素的性质会对分子性质产生影响,同时认识到相互作用的强弱也会对分子性质产生影响。

　　(3)学生对物质的聚集状态的认识属于粒子模型,也就是说他们已经完成了物质的连续模型到粒子模型的转变;其次,大部分学生还清楚地认识到构成物质的微粒不是静止的,而是杂乱无章地运动,在运动的过程中,有可能发生碰撞。而对于“物质的聚集状态与物质性质的关系”的认识,我们发现学生并没有意识到物质的某些性质和物质的聚集状态是紧密相关的。

　　那么,在《物质结构与性质》选修模块教材学习前,学生对于有关物质结构与性质的基本知识之间的相互关系是怎样认识的呢?我们发现:有些学生的物质结构知识和物质性质的知识是完全孤立的,也有一些学生认为物质的结构和性质之间是有一定关系的。在物质结构部分,这部分学生能够在物质类别、作用力的类别、构成微粒等之间建立联系,形成了较好的结构。

　　2.教材中的认识结构分析

　　从整本教材来看,学生应当形成的认识主要包括2个层面:一个是结构层面的认识,一

　　个是性质层面的认识,这2个层面之间存在着密切的关系,即结构决定性质。教材对于这2部分内容的编排是将结构知识以及利用这部分结构知识能理解的有关性质的问题自然地揉合在一起。

　　第一章是围绕原子结构和元素性质这样2个核心内容展开的。对于原子结构的问题,教材从量子力学模型的角度引导学生认识原子内部的结构,而后侧重分析原子结构和元素周期表的内在联系。对于元素性质的问题,教材集中讨论了电离能和电负性等,进一步得出结论:它们的周期性变化是原子结构中核外电子排布的周期性变化导致的。

　　第二章内容包括化学键和分子间相互作用2部分。对于化学键的有关内容,共价键的问题讨论较多,既指出了共价键的分类、各种键参数,又对形成分子的构型进行了充分的讨论。而分子间相互作用是一类弱相互作用,存在于分子之间。

　　第三章的教材内容主要是围绕晶体这种聚集状态展开的,又不仅仅局限于这一种聚集状态。教材这样编排,旨在帮助学生形成微粒→微粒间的相互作用→物质的聚集状态3个层次的认识,而不是把物质的聚集形式仅仅局限于晶体一种。物质的聚集状态随构成物质的微粒种类、微粒间的相互作用、微粒聚集程度的不同而有所不同。

　　3. 教材实施进程中对学生认识的跟踪测查及分析

　　运用教材对学生施加影响后,学生的认识方式发生了转变,认识发展到了一定程度。

　　(1)原子结构部分

　　第一章“原子结构”教学实施后,对“核外电子运动状态”的认识,很大一部分学生能够非常自觉地取量子力学的认识方式,彻底地改变了自己过去为的有形轨道、圆周运动等,他们意识到电子的运动不是完全无序的,而是有一定规律可循的。对于如何描述元素的性质,学生提到了电离能、电负性、电子亲和能和化合价等,他们的认识方式完成了由宏观到微观、从定性到定量的转变。

　　学生对原子结构、元素周期表和元素性质三者的关系产生了新的认识,在解决有关问题的过程中,学生能够激活自己所绘制的认识结构图中的有关部分来解决相关问题,也就是说学生已经具备了一定的理解力或者是解释力。

　　(2)微粒间的相互作用部分

　　第二章“微粒间的相互作用”教学实施后,学生对于共价键的认识已经由原来的“经典价键理论”转变为“现代价键理论”,他们不再用定域的观点去审视成键的电子对,而是用“概率”的观点来分析有关问题。当要求学生用语言来描述共价键的本质时, 学生清楚地表达到:高概率地出现在两核之间的电子与两原子核间的电性作用是共价键的本质,这充分说明他们已经能够自觉地采取量子力学的认识方式来认识共价键的本质。在测查学生对于“分子间作用力”的认识的时候,测查题不是让这个问题孤立地出现,而是将“化学键”和“分子间作用力”2种微粒间的相互作用依托一种具体的物质以对比的方式出现。测查结果为,大部分学生都意识到水分子中的化学键和水分子之间的分子间作用力在强弱和存在微粒上是不同的,还有占57.1%的学生指出了这2种微粒间的相互作用与物质性质之间的关系。分子的极性、稳定性等是分子的性质中经常作为讨论对象的问题,测查中我们也发现学生能够准确地判断出一些分子是否具备极性。

　　学生对微粒间的相互作用以及它与分子(物质)性质之间的关系产生了新的认识,绘制了关于微粒间的相互作用的认识结构图。在解决有关问题的过程中,近4/5的学生能

　　够利用自己所绘制的认识结构图进行准确地应答。学生之所以能够准确地应答,取决于学生认识结构图的结构化程度,解决问题时该图的激活程度,这两点与教学过程紧密相关。

　　(3)物质的聚集状态部分

　　第三章“物质的聚集状态与物质的性质”教学实施后,学生对于“物质的聚集状态”的认识方式发生了进一步的变化.

　　《物质结构与性质》选修教材的目的就在于探索物质构成的奥秘,研究物质性质的本质。只有到第三章“物质的聚集状态与物质的性质”教学实施后,学生才可能比较全面、整合地理解物质的结构,解释物质的有关性质。通过学生对物质的聚集状态与物质性质之间关系认识的测查,我们发现:学生在解决有关物质性质的问题时,能够自觉地提取物质的构成微粒、微粒间的相互作用及其微粒的排列方式等信息,也就是说在这方面的有关问题上具备了一定的理解力。例如,我们针对这样一个问题进行了测试:SiO2属于原子晶体,CO2属于分子晶体,请从结构角度推断它们在物理性质上的差别。通过上述图示的激活,学生只能意识到分子晶体是分子通过分子间作用力尽量紧密堆积形成的,而原子晶体是原子通过共价键结合非紧密堆积而形成的。要想深入理解2种晶体性质的差异问题,还必须了解2种作用力的区别,这就必须要进一步激活分子间作用力和共价键的有关内容。

　　看来所谓问题难度的加大,主要是要求学生激活的内容量加大,激活的内容的层次增多,这时一旦学生在哪个地方存在断点,必然要影响到对问题的解决。那么学生对这个问题的解决情况如何呢?对于该题,大部分学生都做出了准确全面的回答。他们从分析SiO2晶体的结构入手,指出硅原子和氧原子组成的空间立体网状的排列方式造成了该晶体的独特性质。要想破坏或熔化该晶体,就必须破坏所有的共价键,所以SiO2的熔、沸点高,硬度大。CO2则不同,它是通过分子间作用力来形成的分子晶体,因此要想破坏或熔化该晶体,需要的能量小,表现为熔、沸点低,硬度小。

　　4.讨论:影响学生有关物质结构与性质认识形成发展的因素

　　通过《物质结构与性质》教材的实施以及我们所做的各项测查,可以看出:影响高中生有关物质结构与性质的认识形成发展的因素是多样的。首先学生认识方式的转变对认识的形成发展有重要的影响;进一步来说学生认识方式的转变和哪些因素有关呢?应该包括教材本身的因素和教学过程中采用的不同的教学策略、教学方式。

　　教材本身对学生认识的形成发展是有一定影响的,这里针对“原子晶体”一部分内容进行探讨。新课程背景下,这部分教材的编排思路是怎样的呢?从大的方面讲,首先是在探讨“物质的聚集状态与物质性质”这样的背景下,进行对晶体的概述;而后从微粒在空间的堆积方式角度对各类晶体进行简要分析,最后从原子晶体的结构、性质以及结构和性质的关系等方面对原子晶体进行全方位的讨论。教材这样编排的好处在于:第一能够使学生的认识建立在物质的聚集状态这样一个层面上,逐步形成微粒→微粒间的相互作用→物质的聚集状态3个层次的认识。第二对晶体进行概述有助于学生认识不同类型的

　　晶体是不同的微粒通过不同的微粒间相互作用,以不同的排列方式形成的,同时为后面讨论每种类型晶体的堆积方式以及每种类型晶体的性质奠定基础。

　　学生使用不同的教材,对其认识的发展产生了怎样的影响呢?将测试题四(“第三章 物质的聚集状态与物质性质”测试卷)进行一定幅度的修改后对使用人教版(全日制普通高级中学教科书(必修加选修)化学第三册)的学生进行了对比测试。从测试结果的明显不同可以看出新教材不同的编排方式确实对学生所达到的理解力,也就是认识的发展程度起到了不可忽略的作用。这种理解力所表现出来的不同和学生认识方式的不同是紧密相关的。

　　此外,教学过程中采用不同的教学策略、教学方式也对学生的认识形成发展有重要影响。