物质结构教学的灵魂——模型教学法

王彦

摘要：本文以人教版选修3《金属晶体的原子堆积模型》新授课为例探讨了模型教学法的应用。

关键词：晶体结构教学；模型教学法；教师；学生

中图分类号：G633.8 文献标识码：A 文章编号：1992-7711（2017）08-0080

一、问题提出

物质的结构决定物质的性质，物质结构能帮助学生认识化学学科的本质，物质结构的知识在高中化学中处在重要的地位。在高中化学新教材人教版选修3《物质结构与性质》第三章第三节《金属晶体》中晶体的性质不仅与其构成元素有关，还与原子在金属晶体中的堆积方式有关。金属晶体中原子的堆积方式部分内容对学生来说理解难度大，主要原因是：知识生疏、内容抽象，原子小无法感知它的存在和运动，对高二年级的学生虽说已在数学课上学过立体几何知识，但立体几何知识还不够丰富，也未在实际当中应用过，对空间结构想象能力有限，空间中点、线、面之间的关系难以确定，很难理解四种晶胞的堆积方式，特别是几种晶胞如何抽取形成的、晶胞中原子间的位置关系、每一晶胞所占有的原子的个数、晶胞的体积、原子的空间利用率的计算等知识很难掌握。

二、模型教学法的教学思路

为了能让学生能够准确认识金属晶体中金属原子的堆积方式体会到晶体的美感，在金属晶体的教学中，我采取了模型教学方法：根据学生的认知水平，结合教材中类比的方法，利用乒乓球类比模型、教具实物模型、利用PPT动态模型，设置问题，由学生主动探究等径球在二维空间（平面内）和三维空间的不同排列方式，形象直观地展示出来，使学生深刻理解了金属晶体的简单立方、体心立方、六方最密堆积、面心立方最密堆积四种堆积方式的晶胞，方便于学生利用所学知识求晶胞的相关参数。借助想象和理解构建形象生动的模型、将问题具体化，能帮助学生跨越认知障碍并有利于建构结构决定性质的化学基本观念，培养学生的物质组成微粒观模型。

三、课堂教学环节

【预备知识】

1. 理论基础

由于金属键没有方向性，每个金属原子基本是球形对称的，所以可以把金属晶体看成是由直径相等的圆球在三维空间紧密堆积而成的。使金属原子吸引更多的其他原子分布于周围，这种紧密堆积方式降低体系的能量，使晶体变得比较稳定。

2. 几个概念

紧密堆积：金属原子尽可能地互相接近，尽量占据较小的空间。

配位数：在晶体中与每个微粒紧密相邻的微粒个数。

（1）金属原子在二维平面堆积模型

【活动探究1】平面上金属原子紧密排列的方式

①取9个等径圆球，每3个球排成一排作为一组，将3组球平放在桌面上，使球与球之间尽可能多地紧密接触，有多少种排列方式？

②哪种排列方式圆球周围剩余空隙最小？配位数分别是多少？

【生】动手用乒乓球实物模型堆积，认真观察模型并回答问题

配位数：4——非密置层

配位数：6——密置层

（2）金属原子在三维空间里的堆积方式

【活动探究2】非密置层金属原子在三维空间里的堆积方式

①先将三组小球以非密置层的排列方式排列在一个平面上，在其上方再堆积一层非密置层排列的小球，使相邻层上的小球紧密接触，有哪些堆积方式？

【生】展示用乒乓球堆积的模型：

心对心：第二层小球的球心正对着第一层小球的球心

心对空第二层小球的球心正对着第一层小球形成的空穴

【师】用利用PPT动态模型投影（利用PPT逐一出现）

②简单立方堆积（Po）

【生】组合模型、观察、讨论分析、回答：

简单立方堆积原子的配位数 6 ，（上、下、前、后、左、右）

简单立方晶胞平均占有的原子数 8×1/8 = 1 ，

金属原子半径 r 与晶胞棱长（正方体边长 a）的关系 a = 2 r 。

【师】用利用PPT动态模型投影（利用PPT让每个原子均逐层出现）

（3）体心立方堆积——钾型（Na，K，Fe）

【生】组合模型、观察、讨论分析、回答：

①体心立方堆积原子的配位数 8

②晶胞平均占有的原子数 2

③原子半径与晶胞棱长的关系 体对角线长为a = 4r 。

活动探究3：密置层金属原子在三维空间里堆积方式

【生】阅读课本75页图3-25金属晶体的两种最密堆积方式，并用乒乓球模型堆积。

【生】展示用乒乓球堆积的模型

【师】用利用PPT动态模型投影（利用PPT让每个原子均逐一出现）

（4）六方最密堆积（镁型）（Mg、Zn、Ti）

【师】用利用PPT投影模型、分析

【生】观察模型、讨论分析、回答：

六方最密堆积配位数为 12 。

每个晶胞平均占有的原子数： 2

晶胞边长与原子半径的关系： a = 2 r

晶胞内部原子与顶点原子的位置关系：以乒乓球粘成的实际模型为例，取晶胞的1/3，A层原子为四原子形成的菱形底面，B層原子放在其中A层3原子围成的空隙中，中间原子与其接触的原子围成以球心为顶点的正四面体，底面的另一原子不能与接触相切。

晶胞的高如何计算？晶胞底面为菱形，高为正四体高的两倍。

（5）面心立方最密堆积（Cu、Ag、Au）（铜型）

【师】用利用PPT动态模型投影（利用PPT让每个原子均逐一出现）

【师】用利用PPT投影模型、分析

【生】观察模型、讨论分析、回答：endprint

面心立方最密堆积配位数 12

面心立方最密堆积晶胞含原子数4

晶胞边长与原子半径的关系： a = ■4 r

活動探究4：金属晶体四种堆积方式空间利用率的计算

空间利用率：指构成晶体的原子、离子或分子在整个晶体空间中所占有的体积百分比。

空间利用率=■×100%

【生】观察模型、分组讨论分析、计算、回答：

1.简单立方晶胞

边长为a，a=2r

V晶胞=a3

V球=4πr3/3

空间利用率=■×100% ≈52%

【师】金属晶体另外三种堆积模型空间利用率的计算课后练习。

四、课堂教学反思

1. 在简单立方晶胞中，学生能准确理解晶胞中原子间的位置关系和晶胞的边长，方便于学生利用所学知识求晶胞的相关参数。但在体心立方晶胞中，学生对晶胞的边长与原子半径的关系不太明确，通过模型结合金属晶体的堆积理论：金属原子吸引更多的其他原子分布于周围，这种紧密堆积方式降低体系的能量，使晶体变得比较稳定。然后利用所学的数学立体几何知识能清楚掌握到原子间的位置关系。

2. 在密置层的空间堆积中所得的六方最密堆积和面心最密堆积晶胞中，学生对如何得到这两种晶胞以及两种晶胞中各原子间的位置关系理解困难，更难以求晶胞的参数和原子的空间利用率。特别是在六方最密堆积晶胞中，学生容易根据教材图例认为中间原子在四棱柱的面上或在四棱柱的棱上，而它的底面为正方形，通过动画演示，结合实物模型观察，利用立体几何知识学生很容易得出：中间原子与其相切的三原子同处于一正四面体的顶点，底面的另一原子与其不接触，底面为菱形。

3. 利用设置的问题，层层递进引导学生逐步探究思考，发现不但问题得到解决而且充分调动了学生的积极性和学习兴趣，在潜移默化中实现知识与能力、过程与方法、情感态度与价值观的课程目标。

4. 本节课内容丰富，课前学生根据学案自主学习并组合乒乓球模型，课堂讨论互动。

5. 金属晶体的堆积方式要利用动画、模型相结合效果很好。深刻体会到物质结构教学的灵魂——模型教学法。

（作者单位：山西省太原成成中学校 030002）endprint