《杂化轨道理论》教学改革探索*

高善民，刘 冰，金 娟，姜 华

(鲁东大学化学与材料科学学院，山东 烟台 264025)



教学园地

《杂化轨道理论》教学改革探索*

高善民，刘 冰，金 娟，姜 华

(鲁东大学化学与材料科学学院，山东 烟台 264025)

针对传统教学中存在的“过分注重知识传授，忽视知识背后蕴含的科学思维、科学方法和科学精神”的问题，从杂化轨道理论的知识价值分析入手，以知识传授与能力培养并重为教学设计的指导思想，设计了杂化轨道理论的教学过程。并从课的导入、教学重点的突出、教学难点的突破、教学兴趣点的设置和作业布置五个方面说明了教学设计的创新点。

杂化轨道理论；教学设计；教学方法

杂化轨道理是高校化学类专业无机化学课程的重要内容，它既是学习无机元素化学的基础，也是理解有机化合物分子中原子间的成键及有机物分子空间结构的关键，同时也是培养学生科学思维能力的重要载体。

由于内容抽象、理论性强，尤其对于大一学生，缺乏与该理论相关的知识铺垫，因此杂化轨道理论是教学的难点。如何帮助学生真正理解该理论并以此作为载体来培养和提高学生的科学思维能力是教学的关键。

对杂化轨道理论教学的已有研究[1-3]大多侧重于如何促进学生掌握理论要点，即注重具体知识的传授。对于知识背后所蕴含的科学思维、科学方法和科学精神，缺乏足够的关注。

我国著名化学家和化学教育家戴安邦教授说过：“全面的化学教育既要传授化学知识与技术，更应训练科学方法和思维，还应培养科学精神和科学品德”[4]。

鉴于此，本文将结合教学实际，从杂化轨道理论的教学价值分析入手，以知识传授与能力培养并重为指导思想，提出杂化轨道理论教学改革方案。

1 教学内容的价值分析

要实现从知识向能力和素养的转化与飞跃，关键是要认真分析科学知识对于学生的学习和发展而言到底具有怎样的价值，并进一步解决如何在科学教育中最大程度地挖掘和发挥科学知识所具有的多重价值[5]。

任何化学知识都是科学家运用一定的科学思维和科学方法，经历一定的探索过程而获得的，这个过程蕴含了科学家的智慧和情感，体现了科学家的思想和观点。对于杂化轨道理论的教学价值分析如下：

1.1 知识价值

知识价值是指教材所呈现出来的具体知识，即杂化轨道理论的基本要点、杂化轨道的类型等内容，这些属于显性的知识。传统教学中教师将主要精力放在这些显性知识的教学上。

1.2 方法论价值

鲍林能够提出“形成共价键时，通常存在激发、杂化和轨道重叠”这一观点，背后存在量子力学计算的背景，能量相近的原子轨道波函数在空间出现的几率必然会进一步相互作用构成杂化。但是，对大一学生没有条件也没有必要涉及量子力学知识。那么，如何从方法论的视角挖掘该内容的教学价值呢？对初学者而言，不妨把“激发”和“杂化”看作是杂化轨道理论提出过程中科学家所做的两次重要假设，因为大胆运用了“提出假设”这一科学方法，便可以对CH4的结构做出合理解释。

杂化轨道理论的教学要注重让学生体会到理论的提出过程蕴含的两次假设，认识到“提出假设”在科学发现中的重要作用，并在今后的学习中和研究尝试运用提出假设的科学方法。

1.3 观念价值

杂化轨道理论的形成和发展，倾注了化学家的智慧和情感，充满了对科学的不懈探究的力量。该内容的观念价值体现在以下两方面：

一方面，理论的提出过程蕴含着化学家勇于思考、求变创新的科学态度。在探索化学键理论时，遇到了CH4正四面体结构的解释问题，面对问题，化学家没有因循守旧，而是具有怀疑精神，大胆探索。鲍林作为20世纪对化学科学影响最大的人之一，他的贡献不仅有科学知识，知识背后隐藏的真实的科学发现历史和科学态度，对学生有着更深远的教育价值。

另一方面，在科学上，没有一个理论能够说得到了完全的“证明”，当新事实或新的观察结果出现时它必定有待于进一步的检验和审视[6]。当价键理论无法解释甲烷的结构时，需要重新审视价键理论，从而提出了杂化轨道理论。但是杂化轨道理论同样也有解决不了的问题，例如，它无法对共价分子的结构做出完美的预测，这则需要价层电子对互斥理论来解决。这正体现了科学的动态发展性特征，它说明知识是具有暂时性的，科学是一个不断发展的过程。教学中需要认识到知识的这一观念价值，这样有助于学生深入理解各个共价键理论的内涵和外延，明确各理论之间的关系，从而辩证地看待每个理论的优点和不足，在解决问题时能够将各种理论灵活运用，避免“钻牛角尖”。

以上对于杂化轨道理论的教学价值分析表明，教学不能只盯着具体的知识点，即知识价值，还要注重潜在的方法论价值和观念价值，努力实现知情意行的协调发展。

2 教学设计理念

建构主义学习理论认为，学习不是知识由教师向学生的传递，而是学生建构自己的知识的过程，学习者不是被动的信息吸收者，相反，他要主动地建构信息的意义。因此，杂化轨道理论教学要改变传统的“教师讲、学生听”的被动接受式教学模式，转变为教师引导学生积极思考、自主探究、主动建构的探究式教学模式。

具体说，教师不提供现成的结论，而是精心设计一系列有思考价值的问题，激发学生的思维，使学生在教师的启发下，揭示蕴涵在知识学习中丰富的思维过程和科学方法价值。在此基础上，让学生根据导学案提示自主完成对杂化轨道理论基本要点的建构。在这样的教学过程中，教师不再做知识的传授者与灌输者，而是作为学生建构知识的引导者、促进者和帮助者，将课堂适度交给学生，让学生通过主动思考、交流讨论解决问题，提高能力。

3 教学过程的设计

在以上教学理念指导下，将杂化轨道理论的教学过程设计为十个环节，分别从教师活动、教学设计要点和学生活动三个角度进行说明(表1)。

表1 教学过程设计

4 教学设计的创新点

下面将从课的导入、教学重点的突出、教学难点的突破、教学兴趣点的设置和作业的布置等方面说明本节教学设计的创新点。

4.1 课的导入

“良好的开始是成功的一半”。有效的课堂导入既能够快速集中学生的注意力，又会激发学生的内在学习兴趣。

杂化轨道理论的课堂导入从“价键理论无法解释CH4的结构”入手，这一点在教学中是得到共识的。但是关键在于：对于“价键理论无法解释CH4的结构”这个问题，是由教师直接说出来，还是让学生自己亲身经历，所产生的教学效果是不同的。传统教学多采用前者，即教师开门见山地说明“价键理论无法解释CH4的结构，要解决这个问题，需要学习杂化轨道理论”。

内在动机是推动学习的真正动力。为了激发学生内在的学习动机，在课的导入方面做了如下改革：先回顾价键理论的基本要点和共价键的特征，然后提出任务“利用价键理论预测C和H形成的最简单化合物的化学式及结构”。根据回顾的内容，学生不难得出结论是CH2，键角90°。该结论显然与学生的已有认识(稳定存在的最简单的碳氢化合物是CH4)不符。这样，当学生像科学家一样亲历价键理论无法解决CH4的存在及结构这一问题时，有助于激发学生的认知需要，产生内在学习动机。此时教师适时指出：当理论预测与实验事实产生矛盾的时候，要尊重实验事实。体现对学生进行科学态度教育。进而再提出“为什么C与H能形成4个等同的共价键?为什么CH4分子的键角是109.5°?”以引出杂化轨道理论的教学。该导入的设计不仅有助于提高学生的内在学习兴趣，而且为后续突破教学难点埋下了伏笔。

4.2 如何突出重点

掌握杂化轨道理论的要点是本节的教学重点。为了突出重点，采用探究式教学法，教师不提供现成的结论，而是围绕CH4的结构设计一系列有思考价值的问题，引领学生经历问题解决的思维历程，使学生在教师的启发下，自己体会“激发”、“杂化”的必要性，发现“激发”、“杂化”的内涵。在此基础上，引导学生自主总结完成杂化轨道理论基本要点。

大学教学鼓励学生的独立和自主探究。但是自主探究不等于放任自流，如果不做任何铺垫，直接让学生自己探究杂化轨道理论的要点，会超出学生的认知水平。因此，该过程设计的关键是把握启发的“度”。对此，可以采取以下两种策略：

4.2.1 通过设计一系列有梯度的问题指引学生思考的方向

首先设计如下两个依次递进的问题，引发学生思考：①要保证CH4稳定存在，碳原子需提供几个单电子？②如何实现1个碳原子提供4个单电子？

该问题的目的在于引导学生做出“形成CH4时，碳原子的1个2s电子需要激发到2p轨道上”的科学假设，为认识杂化轨道理论要点之“电子激发”奠定基础。

在解决上述问题基础上，继续提出如下两个依次递进的问题：①直接用碳原子的2s和2p轨道与分别与氢原子的1s轨道重叠，可否？为什么？②如何解释CH4分子的4个C-H键完全等同这一事实？

该问题的目的在于引导学生做出“形成CH4时，碳原子的1个2s和3个2p轨道需要重新组合”的科学假设，为建构杂化轨道理论要点之“轨道杂化”奠定基础。

为了使抽象问题形象化，接下来多媒体展示CH4形成过程的动画，引导学生重点观察碳原子的2s轨道和2p轨道的杂化过程以及杂化后的轨道与氢原子的1s轨道的重叠过程。

随后，基于对CH4形成过程动画的观察，提出问题：如何解释CH4分子的键角？先让学生小组讨论交流，然后教师讲解，为认识杂化轨道理论要点之“杂化轨道在空间的排布原则”奠定基础。

4.2.2 提供导学案，为自主建构杂化轨道理论搭建“脚手架”

通过上述有针对性的问题，学生对CH4的形成过程有了自己的认识。但鉴于大一学生的水平，若直接让学生独立总结杂化轨道理论的要点，部分学生会因为不知从何处入手，而采取照搬教材的做法。为了促进学生在归纳过程中主动思考，课堂上提供导学案，为学生搭建自主建构的“脚手架”。学生根据导学案提示归纳完成杂化轨道理论要点的过程，就是对上述问题的思考过程进一步梳理和提炼的过程，促进了知识的有效建构。

4.3 如何突破难点

让学生真正理解杂化轨道理论要点中“电子激发”和“轨道杂化”的实质是本节教学的难点。为了突破难点，在学生总结完成杂化轨道理论要点后，教师进一步提出问题：“电子激发需要能量，既然如此，形成CH4时碳原子的电子为何要激发？所需能量从哪里得到补偿？杂化的目的是什么？”国内无机化学教材中大多未涉及此方面内容，教学中设置该问题的目的不在于增加教学内容的深度，更多的在于让学生通过对该问题的思考和讨论，突破教学难点。为了启发学生的思路，教师提供如下测定数据(表2[3])。

表2 与CH4 形成有关的能量数据

引导学生通过对以上数据的分析，得出：经过杂化后形成CH4时可放出1255 kJ·mol-1的能量，而如果形成分子式为CH2的结构仅放出828 kJ·mol-1的能量。让真实的实验数据说话，使学生认识到：经过杂化形成CH4分子放出的能量比形成CH2结构放出的能量更多，分子体系更为稳定，从而突破“电子激发”方面的教学难点。

对于“轨道杂化”的目的，则可以引导学生从杂化前和杂化后轨道形状的差异入手进行对比分析，同时辅助以多媒体展示增加感性认识，从而使学生认识到杂化后的轨道成键能力增强，形成的共价键更稳定，从而突破“轨道杂化”方面的教学难点。

4.4 如何设置兴趣点

本节教学内容枯燥，理论性强，教学中恰当设置兴趣点有助于增强学生的学习兴趣，提高学习积极性。兴趣点的设置可以从两个方面进行：

一是关于鲍林的介绍。鲍林是迄今为止唯一一位两次独得诺贝尔奖的科学家，他的《The Nature of the Chemical Bond》一书被认为是化学史上最重要的著作之一。在学习杂化轨道理论之前介绍鲍林的成就，有助于学生感受化学家的人格魅力，激发探求新知的欲望，提高对化学科学的兴趣。

二是联系学科发展对石墨烯进行简介。该内容设置在杂化轨道理论要点之后，用于引出后续杂化轨道类型的讲解。该兴趣点的设置一方面能够反映学科发展新成果，增加学生对化学的认同感。另一方面，碳原子的杂化是很有代表性的，包括有机物中烷烃，烯烃中碳的成键方式，是基础化学的重要内容，该兴趣点的设置能够为接下来的杂化类型的讲解做好铺垫。

4.5 关于作业布置

不同的课后作业对学生的发展产生的效果不同。在常规作业基础上，布置开放性作业：让学生围绕杂化轨道理论与传统价键理论的联系与区别，以二者对话的方式进行科学写作。一方面有助于学生认识到“杂化轨道理论是传统价键理论的进一步发展”，另一方面也有助于提高学生的语言的组织和表达能力，同时有助于学生辩证地看到每个理论的优点和不足，体会科学的动态发展性。

[1] 朱守立,詹孝慈.基础化学“杂化轨道理论”的教学初探[J].兴义民族师范学院学报,2012(1)：95-98.

[2] 郭丽萍,雷家珩,郭剑,等.杂化轨道理论与分子的空间构型——多媒体教学软件的设计与制作[J].计算机与应用化学,2002,19(4):485-488.

[3] 袁华.杂化轨道理论的逆向实例教学法[J].广东化工，2009,36(6):218-219.

[4] 梁建军.论化学史教育的职业教育功能[J].大学化学，2009,24(6):15-18.

[5] 亓英丽，毕华林.科学教育中科学知识的价值分析[J].全球教育展望,2012(2):81-86.

[6] 雷·斯潘根贝格,戴安娜·莫泽(美).科学的旅程[M].郭奕,陈蓉霞,沈慧君(译).北京:北京大学出版社,2008:1.

Teaching Reform of Hybrid Orbital Theory*

GAOShan-min,LIUBing,JINJuan,JIANGHua

(School of Chemistry and Materials Science, Ludong University, Shandong Yantai 264025, China)

Aiming at the problem which putting too much emphases on knowledge but neglecting scientific thinking, scientific method and scientific spirit implied behind the knowledge in the traditional teaching, guided with the teaching philosophy both emphasizing knowledge teaching and ability training, the teaching process of hybrid orbital theory was designed based on the analysis of knowledge value in hybrid orbital theory. The innovative points of teaching design were stated from five aspects including the classroom lead-in, standing out the focal point, breaking through the difficult point, setting the interest point and assigning homework.

Hybrid Orbital Theory; teaching design; teaching method

山东省本科高校教学改革研究项目(No:2015M063)。

高善民(1972- )，男，教授，主要从事纳米功能材料研究和无机化学教学。

G642.0

A

1001-9677(2016)020-0138-04