化学的物质结构思维与教学

吴俊明 钱秋萍

摘要： 尊重并关注物质结构的存在，善于进行物质结构思维，关注物质结构与其性质的关联等等，是化学学科的核心素养之一。研究化学、学习化学都必须重视进行物质结构思维。基于对化学物质结构思维发展的历史回眸，指明化学物质结构思维主要由3个基本问题的思维构成;化学的物质结构思维主要有4种基本方法。分析了中学化学课程标准规定的物质结构思维内容、中学化学中物质结构思维教学应该注意的6点。

关键词： 物质结构思维; 物质结构思维教学; 化学学科核心素养; 中学化学教学

文章编号： 1005-6629（2018）11-0007-10中图分类号： G633.8文献标识码： B

“结构”一词有结合构造之义，可以表示组成整体的各部分的搭配和安排。作为表达客观世界存在状态和运动状态的专业术语，它在意识形态领域和物质科学领域中都得到广泛应用。从系统科学的角度看，结构是指系统内部诸要素的组织形态，包括诸要素及其组织方式。化学科学中的结构则是指化学实体（化学物质）内部各构成要素以及各构成要素相互间的结合与构造方式[1]。

本文拟就化学物质结构思维的形成、内容、结构、方法和重要性，以及中学化学中物质结构思维的教学做一些初步的讨论。

1 物质结构思维是化学学科素养的核心与特点之一

世界由物质组成，化学是在分子、原子层次上研究物质的组成、结构、性质与变化规律的一门自然科学。要了解物质的结构，就必须进行物质结构思维。不了解物质的结构，就不能深入地了解、解释物质的性质和变化，更难以合成复杂的新物质来满足现代社会日益增长的需要。例如： 金刚石与石墨同是碳的单质，为什么性质差别很大;为什么碳可以形成巨量的化合物？再如： 化石燃料燃烧产生的NO会形成酸雨、破坏臭氧层，是有害气体。要除去产生的NO，最佳方案是利用下列反应： 2NON2+O2。由反应的ΔrHθm=-180kJ·mol-1 ΔrGθm=-173.8kJ·mol-1可以判断： 在热力学上该反应是可以自发进行的，但事实并不是这样。利用前线轨道理论可以确定该反应能垒很高，不可能正常进行，在动力学上是禁阻的，只有制备专用催化剂，才能实现这个过程（比如： 2NOPt Pd/Al2O3N2+O2）。

新材料的合成与表征必须以结构化学知识为基础，进行物质结构思维，否则就不可能从本质上理解材料的结构特点，并获得新材料。例如，摩尔定律预测半导体器件的尺寸会越来越小，然而当硅电子器件的尺寸从宏观状态演化到小分子尺度比如单个有机硅分子时，量子效应将起到主导作用，宏观下的电学规律将不再适用，量子隧穿效应等使摩尔定律面临挑战。上海师大肖胜雄教授、美国哥伦比亚大学科林·纳克尔斯教授、Latha·文卡塔拉曼教授以及丹麦哥本哈根大学杰玛·所罗门教授通力合作，通过扫描隧道显微镜断裂分子结（STMBJ）测试，结合密度泛函计算，从本质上解释了电导与分子结构的关系，发现Si[222]具有破坏性的d键量子干涉效应，在单分子电导测试中显示出超级单分子绝缘性能甚至低于同等尺寸的绝对真空，实现了在15nm以下的单分子超级绝缘，在单分子尺度阻止了量子隧穿。他们通过电子结构的调控，为摩尔定律突破到单分子级别提供了可行性支持，对单分子电子学以及量子计算机等研究领域具有重要意义[2]。

学会进行物质结构思维可以提升探讨宏观世界、微观世界及其相互联系的能力。因此，物质结构思维是化学学科思维的核心与特点之一。像尊重并关注原子、分子的存在，善于进行原子思维、分子思维那样，尊重并关注物质结构的存在，善于进行物质结构思维，关注物质结构跟其性质的关联，是化学学科的核心素养之一。研究化学、学习化学都必须重视进行物质结构思维。排斥和忽视物质结构的思维都不是科学的化学思维。

2 化学物质结构思维发展的历史回眸

一般认为，化学对物质结构的研究始于对亲和力的研究。早在公元前，古希腊哲学家恩培多克勒（Empedocles，公元前约490～435）曾假定万物都含有爱和憎两种成分，它们在爱的影响下结合，在憎的影响下分离[3]。为了解释物质微粒为什么能够结合在一起，中世纪的欧洲炼金术士借用“affinity（亲和力，本意是姻亲关系）”这个词提出了“化学亲和力”概念。例如炼金术士马格努斯（Albertus Magnus， 1193或1206～1280，德）就曾用这个术语来解释化学变化的原因[4][5]

。到了17、 18世纪，亲和力逐步由化学变化的动因变成了物质微粒结合的动因，人们把亲和力归结为机械作用，认为亲和力具有纯粹力学的性质，此时的“化学亲和力”是以“物质由微粒构成”为基础的。

18世纪末，人们对静电现象的研究已经相当深入。1800年伏打电堆问世后，尼科尔森（W. Nicholson， 1753～1815，英）实现了水的电解;戴维（H. Davy， 1778～1829）实现了苛性钾和苛性钠的电解……1814年贝采里乌斯（Jons Jakob Berzelius， 1779～1848）基于这些实验事实提出了电化二元学说：“所有的化合物都可以分割成带相反电荷的两部分”，把原子之间的结合归结为静电相互作用，从而用静电作用对亲和力学说作了重大发展[6]。

19世纪上半叶，人们发现一些有机化合物虽然有类似的组成，但却有不同的性质。如1824年前后，维勒（F. Whler， 1800～1882）与李比希（J. Liebig， 1803～1873）發现氰酸盐与雷酸盐具有相同的经验式;1824年维勒发现尿素与氰酸铵也具有同一经验式……1827年贝采里乌斯用“同分异构”来概括这一现象，并在1830年又发现葡萄酸与天然酒石酸具有同一经验式。大量的同分异构现象使人们想到有机化合物性质的不同与组成它们的原子的结合方式有关，引发了对物质结构问题的关注[7]。

在化学结构思维开启时期，化学家们主要从两个不同的侧面来展开思维： 凯库勒（F Kekule， 1829～1896）的重点在于原子的排列次序，强调结构的样式和形象;而布特列洛夫（А.М.Бутлеров， 1828～1886，俄）的着眼点在于原子之间的相互作用和影响，看重物质内部的原子结合关系。他们分别提出了不同的结构概念，形成了两种结构观。实际上，凯库勒和布特列洛夫各自侧重的两个方面是紧密联系在一起的，是同一个问题（化学结构）的两个不同侧面（化学相互作用和空间分布方式）： 化合物中各组成成分之间的相对位置、排列次序（即空间分布或空间样式）会使物质分子具有不同的结构，然而各组成成分之间的相互作用却是化学结构存在的前提。这两个方向的思维后来都为化学的发展做出了重要贡献： 从化学相互作用方面探索化学结构，导致了化学键理论或化合价理论形成;从空间样式角度探索化学结构，最终导致了有机空间化学、无机配位化学和晶体结构理论的形成。以化合价和化学键为基本概念的现代化学结构理论将原子之间的相互作用与原子的空间分布联系统一了起来。在现代化学中，讨论物质的结构必定涉及其中的化学键，这已经成了一种范式、一种公认的准则。化学键反映着分子中原子之间直接的（主要的、强烈的）或间接的（次要的、较弱的）联系。但是，仅仅从化学键的角度研究分子，只能解决比较简单的分子体系的问题，只能提供一种比较抽象化的图景，只有将化学键和空间因素结合起来，才有利于解决比较复杂的体系的问题，提供一种比较具体的、更与实际符合的图景。因此，现代化学在进一步深入地研究化学键理论的同时，越来越重视对空间效应的研究[8]。

到了19世纪末，化学家们对物质结构的探究主要是揭示分子怎样由原子构成，并通过化学反应来研究分子立体结构，只是对简单分子的结构有所了解。20世纪中叶以后，化学家们先后发现了蛋白质的基本结构，提出了DNA三维多级结构模型，建立了应用X射线分析直接测定晶体结构的纯数学理论，在研究激素、抗生素、蛋白质等大分子生物物质和新型药物分子以及非经典配合物的结构方面取得了重大进展;开辟了超微粒子、纳米材料以及分子机器、分子器件结构研究等新领域。结构化学研究从单纯为了阐明分子结构发展到研究物质的表面结构、内部结构、精细结构和高级结构等，开始了进行分子设计、超分子组装等方面的尝试。对超快分子过程、多光子过程、电子能量转移、各种激发和退激发过程、化学反应中间体研究、生物活性大分子的构象变化等进行的研究，促使化学家们除了静态结构外，还关注物质的动态结构、准动态结构的研究[9]。对化学物质的结构以及结构和性能之间相互关系的研究，逐渐形成了结构化学这门学科。化学键理论和结晶化学原理等，是现代结构化学理论的基本内容。

总的看来，人类对化学物质结构思维的发展过程大体上有如下特点：

●由发现结构的影响，到形成结构概念

●由关注静态的结构状态到关注动态的结构状态

●由关注物质的内部结构到也关注物质的表面结构

●由结构的认知和探查到结构的设计与实现

●由发现分子的结构到发现泛分子的结构，等等

化学物质结构思维逐步精细化、层次化、复杂化，内容日益深入、丰富;无机化学是物质结构思维的原始基础（例如提出原子论、化学亲和力、电化二元说等）;物质结构思维的产生跟有机化学的发展密切相关（例如发现各种同分异构现象等）;量子力学理论的建立为现代物质结构思维提供了理论基础;现代化学则大大丰富了现代物质结构思维的内容，拓展了现代物质结构思维的方法。

3 化学物质结构思维的基本结构与内容

化学物质结构思维主要由3个基本问题的思维构成： （1）物质的结构由哪些基本结构单元（组成微粒）构成？（2）基本结构单元（组成微粒）之间是怎样相互作用的？（3）基本结构单元（组成微粒）是怎样在空间分布的、产生了哪些空间效应？

3.1 关于基本结构单元（组成微粒）的思维

基本结构单元思维关注物质的不同层次结构的基本结构单元是什么、有哪些特点，以及不同层次结构的基本结构单元的相互关系等，其成果通常简称为微粒观，主要包括：

●物质可以分为原子、分子片、结构单元、分子、超分子、高分子、生物分子、纳米分子和纳米聚集体、原子和分子的宏观聚集体、复杂分子体系及其组装体等不同层次的微粒[10]。

●原子观： 原子是化学反应的基本微粒，可以构成更大、更为复杂的结构微粒;原子可以分为原子核和电子，原子核和电子也是可分的，但在化学反应里不能再分;原子不停地运动……

●分子观： 分子由原子按照一定方式构成，分子是保持物质化学性质的一种微粒，分子也在不停地运动……

现代结构化学中的结构概念进一步扩展，变为指称原子结合成分子或晶体以及进一步集聚成功能材料和功能体系（如催化剂）这些层次上的结构，包括分子和晶体中的各种化学键;原子及原子基团的空间排布;分子的转动、原子间的振动、电子的运动等各种内部运动以及这些运动状态给出的能级的分布。

3.2 关于基本结构单元（组成微粒）之间相互作用的思维

基本结构单元相互作用的思维既关注基本结构单元间的强相互作用，也关注基本结构单元间的弱相互作用，因为后者也可能会对物质的性质和化学变化产生不可忽略的影响。具体内容有：

●结构微粒之间强相互作用形成的化合价和化学键（简称价键），包括离子键（电价键）、共价键、金属键等，它们的形成原因各不相同，性质也不同。

●价键的数目和强度（键能）。元素原子的化合价与价键数的关系，形成单键、双键或三键以及共轭键等的条件;价键键能的意义，影响价键键能的因素，价键键能对物质性质的关系等。

●分子的电子结构跟分子中的电子云分布情况（包括对称性等）、分子的几何结构的关系。

●物质的微观结构中，不直接相连的原子之间弱相互作用的存在情况、原因与本质，等等。

分子轨道理论则从轨道变化等角度揭示了组成微粒间的相互作用。

3.3 关于基本结构单元（组成微粒）空间关系及空间效應的思维

关注原子的排列顺序和空间分布情况，以及原子的空间分布对物质性质及化学反应的影响。例如：

●基本结构单元之间的相对位置、排列次序、空间分布和相互作用如何展开（包括指向、间距）。

●结构微粒的空间关系和相互作用如何决定结构的存在和具体形象。

●结构微粒的几何因素如何影响物质的性质和化学反应。

●各种空间效应的比较以及协同作用结果（整体效应）如何，等等。

4 化学物质结构的思维方法

化学物质结构的思维方法主要有黑箱—假说验证方法、模型思维方法、量子思维方法和对称性思维方法4种基本类型。

4.1 黑箱—假说验证方法

所谓“黑箱”是指内部构造和机理不能直接观察的事物或系统。黑箱方法是通过外部观测和试验，建立输入信息和输出信息之间的关系，来探索黑箱的内部构造和机理的方法。化学物质是由其基本单元相互作用、相互联系而构成的系统，由于人的肉眼不能直接观察物质的内部结构，可以把物质（的内部结构情况）视做黑箱，通过典型化学反应性能试验，来勾画物质微观结构的轮廓，甚至某些细节。因此，由性质推测结构就自然地成为人们获得物质微观结构认识的常用方法。这种方法的有效性在于物质的微观结构与其微观性质乃至宏观性质是关联的，其本质属于黑箱方法。但是，由黑箱方法得到的“结论”具有猜测、假设性质，它需要得到验证。而且，这种验证常常需要恰当的宏—微转换。例如，由金刚石和石墨的硬度不同，可以推测它们具有不同的晶体结构;由二氯甲烷没有同分异构体，可以推测其分子不是平面结构，且具有高度对称性……

从物质的性质出发，可以弄清物质的结构。物质的内部结构决定它的典型化学反应性能和其他方面一些性能，是由性质推定物质结构的依据。物质结构与其性质关联策略是化学物质结构思维的非常重要的策略，是化学研究实现宏观与微观结合的桥梁。即使现在已经能够用特殊手段直接获得某些物质的结构图像，它仍不失其在化学研究和教学训练中的重要意义。

4.2 模型思维方法

模型是人们表达对事物（系统）的认识的一种重要方式，可以对事物的进一步认识、应用以及交流带来很大的便利，在科学、技术和生产活动中被广泛地应用。在化学的研究和教学中即是如此。例如，在原子和分子的教学中，由于不能直接观察，对原子和分子的认识，需要利用一定的模型来把握它们的结构、性能和变化。模型的意义在于能够推寻原型未被发现的信息，具有预测功能。模型是在运用中被完善、发展和分化的，就属性而言有理论模型、经验模型、思想模型、符号模型、理想模型等等类型。从形式看，在科学活动中常用的模型有语义模型（例如以语言或文字符号形式描述一类物质的通性或结构情况）、图像模型（以二维图形、图像等为主要形式）、物质模型（由实物构成，通常是三维有形物体）、数学模型（用数学语言描述和处理研究对象）以及非实物的、无形的抽象模型，等等[11]

。目前，化学教学中的物质结构模型主要是语义模型、图像模型或物质模型（例如电子云模型、晶体结构模型、空间分布模型等等）。直接跟思维联系的“模型”主要是语义模型，但不排除用图像模型、物质模型来表示物质结构思维的结果。

模型能够沟通科学现象与其本质，以简单、清晰的形象或意象表达直观、明确的含义，作为接近原型的重要手段，因而被化学物质结构研究广泛采用。结构化学中的模型大体上可以分为基本单元/系统模型（如分子模型、原子模型）、空间关系模型（如理想晶体模型、构型模型、构象模型、共轭键模型）和相互作用模型（原理模型，如化学键模型、杂化轨道模型等）、综合性模型（如理想气体模型、DNA双链螺旋模型）等主要类型。物质的化学结构式属于符号模型，它具有书面语言形态，也可以划属于语义模型。

模型思维涉及模型的建立、检验和应用。根据事实构建、检验、完善物质结构模型，应用物质结构模型来解决有关的问题等等，是化学物质结构思维的主要内容。化学中的模型的建立和发展依赖于对实验事实的概括，也依赖于得到验证的科学原理的指导。

4.3 量子思维方法

为了解释黑体辐射的实验现象，普朗克（M. Planck， 1858～1947，德）在1900年提出了量子概念，假设黑体辐射中的辐射能量是不连续的，只能取能量基本单位的整数倍。后来的研究表明，不但能量表现出这种不连续的分离化性质，角动量、自旋、电荷等物理量也有这种不连续的量子化现象，量子是能表现出某物质或物理量特性的最小单元。可以说，整个世界都是由量子组成的。量子化现象主要表现在微观物理世界，描写微观物理世界的物理理论是量子力学，跟以牛顿力学为代表的经典物理有根本的区别。量子力学基于微观粒子波粒二象性，用波函数描述微观粒子的运动状态，以薛定谔（E. Schrdinger， 1887～1961，奥）方程确定波函数的变化规律，用算符或矩阵方法对有关的物理量进行计算，来研究微观粒子运动规律，是现代物理学的一种基础理论。1980年代，诺贝尔物理学奖得主费曼（R. Feynman， 1918～1988，美）曾提出，自然界本质上是遵循量子力学的。

现在，量子理论的影响已经超出了物理学的范畴，逐渐成为一种新的世界观和思维方式——量子思维方式。其特点/法则是： 不连续性、跃迁、复杂因果关系、不确定性等等[12， 13]。本文讨论的量子思维不是这种广义的、借代性的术语，而是专指化学中的量子思维（特称化学量子思维/量子化学思维）。

量子化学是应用量子力学的原理和方法来处理和研究化学问题的一门学科，主要研究电子云的密度与空间分布——化学键的本质及其在化学反应中的变化、分子间的相互作用、微观结构及其跟宏观性能的关系等。1927年海特勒（W. Heitler， 1904～1981，德）和伦敦（Fritz London， 1900～1954，德）通过求解氢分子的薛定谔方程寻找氢分子基态能量曲线的最低点，结合光谱分析进行讨论，来揭示共价键的本质。继之，基于电子配對的价键理论在1930年代建立，开启了化学量子思维的发展历程[14， 15]。现代量子化学思维主要内容和发展成果可概括为：

●将量子力学的原理和化学的直观经验紧密结合，在经典化学中引入量子力学理论和一系列新概念，例如杂化、共振、σ键、π键、电负性、电子配对等，其结果是形成化学键的理论（VB）。

●从分子的整体性出发，考察分子中电子的运动状况，以新的概念（分子轨道）来克服价键理论中强调电子配对造成分子电子波函数难以进行数学运算的缺点，结果导致形成莫利肯（R.S. Mulliken， 1898～1986，美）分子轨道理论，阐明了分子的共价键本质和电子结构。

●基于分子的许多性质是由最高占据轨道和最低未占轨道决定（前线轨道理论）这个规律来讨论周环反应的立体化学选择定则，从动态角度来判断和预言化学反应的方向、难易以及产物的立体构型等，其结果是提出分子轨道对称守恒原理（伍德沃德霍夫曼规则），把量子力学由静态发展到动态。

●基于基态是非简并态多电子体系，其电子密度决定该体系基态的一切物理性质，把单个电子的波函数变成电子密度的概念来进行计算，简化程序，减少计算量。这个思路的实现，结合NDDO（忽略双原子微分重叠）、CNDO（全略微分重叠）、INDO（间略微分重叠）等量子化学计算方法……可以计算分子体系的能量，分子的平衡性质，过渡态和反应途径，分子的电、磁和光学性质等等，使化学进入实验和理论计算协力探讨分子体系的新时代。现在，根据量子化学计算已经可以进行一些分子的合理设计与物性预测[16]。

4.4 对称性思维方法

分子中核的平衡骨架决定了它的对称性，所有分子波函数必须严格地满足分子对称性的一定要求，而这些波函数制约着分子中电子的分布、振动光谱、核磁共振谱等等。当分子对称性高时，这些限制是很严格的，仅由对称性知识往往就能获得有关分子中电子结构的一些有用的定性结论，并由光谱推断有关分子的结构。因此，分子的对称性以及用数学精确地确定它的方法是很重要的，对称性思维方法成为物质结构研究的一种重要方法，分子对称性概念和符号可以精确地描述物质的结构。考察物质分子的对称操作和对称元素，考察物质分子的对称群，是对称性思维的主要内容。对称性思维方法可视为一种特殊的模型思维方法。

4.5 化学物质结构思维材料的获得方法——实验

物质的微观结构难以直接观察，其本质规律又很抽象。但是，物质的微观结构会影响其性质而在宏观上有所表现，通过实验观察可以获得物质结构思维的材料。对实验所得材料进行加工需要以抽象的理论思维和严密的数学思维（计算）做工具。对于复杂一点的分子，有关薛定谔方程的求解难度很大。目前的应对策略主要包括理论探索与实验研究结合;量子化学研究与结构化学研究结合;区分整体性问题与局部性问题并抓住主要问题使问题简化;采用适当的近似处理方法;动态研究与静态研究结合等。

进入20世纪后，随着微观物理学和新的物理实验方法和实验技术的发展，现代化学物质结构研究广泛应用各种波谱、质谱、电子显微镜、电化学技术、激光技术、动态测试技术和电子计算机等高新技术，从物质的表面到体相，从静态到动态，从空间结构到电子结构，高灵敏度、快速、实时地进行自动控制、记录和数据处理的综合探测，提供包括元素组成、分子中原子排列的空间形式（键长、键角、配位结构等）和电子结构（包括电子的组态、电子云密度、电子的空间排布及能级等）以及动态信息（包括反应中间产物的构型变换、电子在各能阶存活的寿命、晶格的振动转动模式）等大量有用信息，能从大量的结构测定和计算工作中总结出许多有用的概念和规律。经典结构化学中根据物质的组成和性质来推断分子结构，化学结构和化学反应性能之间相互依赖、相互制约的研究，已经发展成为现代结构化学中直接应用新的实验手段测定物质的微观结构，进而探讨微观结构与宏观性能之间的相互关系的研究。

概括了大量化学经验事实的经典结构理论以及化学实验，是现代结构化学和量子化学赖以产生的共同前提和实践基础。结构化学研究离不开量子化学的理论解释和论证，现代结构化学中使用的新实验方法大多以量子化学基本原理为依据，需要运用量子化学的原理和计算结果加以分析。这两门学科的发展密切联系并相互促进。它们的发展推动着整个化学学科从主要是归纳经验材料的定性的科学，逐步成为定量的理论科学[17]。

5 中学化学中的物质结构思维

讨论中学化学中的物质结构思维，需要对课程标准中的有关规定进行分析。

5.1 对课程标准规定内容的分析

5.1.1 初中化学课程中规定的内容

根据教育部颁发的《义务教育化学课程标准（2011年版）》，初中化学课程中涉及物质结构思维的内容是：

●“初步认识物质的微观构成（课程目标）”，“能用微粒的观点解释某些常见的现象”;

●“认识物质的微粒性，知道分子、原子、离子等都是构成物质的微粒”;

●“知道原子是由原子核和核外电子构成的”;“知道原子可以结合成分子、同一元素的原子和离子可以互相转化，初步认识核外电子在化学反应中的作用”。

总的看来，初中化学课程中只要求初步的结构整体思维和结构单元思维，不涉及结构单元相互作用的思维和结构单元空间分布的思维。由于有关的知识技能较少、较浅，不需要也不足以形成对物质结构最低程度的全面认识[18]。

5.1.2 高中化学必修课程中规定的内容

根据教育部颁发的《普通高中化学课程标准（2017年版）》，高中化学必修课程中涉及物质结构思维的内容集中于“主题3： 物质结构基础及化学反应规律”和“主题4： 简单的有机化合物及其应用”，主要内容是：

●原子核外电子的排布，认识原子结构、元素性质以及元素在元素周期表中位置的关系;

●化学键，离子键和共价键的形成;

●化学键的断裂和形成与化学反应中物质变化及能量变化的关系;

●碳原子的成键特点;

●甲烷、乙烯、乙炔、苯以及乙醇、乙酸、乙酸乙酯等简单有机物的分子結构、碳原子成键类型及官能团;

●有机化合物的同分异构现象;

●分子的空间结构。

总的看来，高中化学必修课程中有了结构单元相互作用思维和结构单元空间分布思维的内容，但要求不是太高，能适应大多数高中学生的学习需要和学习能力[19]。

5.1.3 高中化学选择性必修课程中规定的内容

高中化学选择性必修课程中物质结构思维的内容较多，主要分布在“模块2物质结构与性质”（见表1）、“模块3有机化学基础”（见表2）和“系列3发展中的化学科学”（见表3）中，主要内容是：

●原子核外电子的运动状态和排布规律;

●微粒间的相互作用，共价键的本质和特征;

●分子的空间结构;

●晶体和聚集状态;

●有机化合物的分子结构，有机化合物中的官能团和化学键;

●聚合物的结构特点等。

“系列3发展中的化学科学”承载了高中化学选修课程中物质结构思维的重要内容。

由上列诸表可见：

跟实验版课程标准[23]比较，高中化学选择性必修部分（“物质结构与性质”模块）中，跟物质结构本体观念相应的知识（物质结构价值、方法等），跟物质结构基本观念相应的知识（结构微粒及其相互作用、空间结构等），跟物质结构拓展观念相应的知识（结构与物质状态、性质关系等）大幅增加，比较丰富，特别是还提出了不少应用性问题和活动任务，不但使有关的物质结构观念的形成有了可能，也很有必要。为了促进物质结构知识、技能和观念的学习，还注意了学习兴趣和科学态度的养育。

由于内容大量集中且比较抽象，使“物质结构与性质”模块的教学难度比较突出。

6 中学化学中物质结构思维的教学

中学化学中物质结构思维的教学应该注意下列诸点：

（1） 执行课程标准的规定;尊重学生的选择权和选择结果，不随意增减内容。

（2） 注重符合物质结构思维规律，首先抓好物质结构核心概念的教学，注重形成正确的物质结构观念并用于指导其他内容的教学。

（3） 物质结构内容比较抽象，要注意抽象思维跟具象思维结合，使物质结构思维得以顺利开展，积极地以具象思维促进学生抽象思维能力的提升和发展。

（4） 抓住典型题材培养物质结构思维能力。

（5） 重视培养兴趣，重视打好基础，重视学用结合，重视强化学习体验、引导学后小结。

（6） 重视有关的物理、数学基础知识（例如原子结构理论、对称性知识等）的巩固与应用。

据网络媒体2018年5月报道： 20世纪50年代，科学家发现碳有时可以形成5键。2016年，一个德国团队展示了如何制造6键的超级碳。AK Fazlur Rahman博士在俄克拉荷马州的俄克拉荷马科学与数学学院做了一个关于碳的讲座。他利用2016年的论文来挑战他的学生，要求证明存在超过6键以上的碳的可能性。意想不到的是，他的一个名为George Wang的学生发现可能有七键的碳（图1）。Wang的计算结果显示了碳和氢7键的稳定性，还显示了相同两种元素的8键组合会不稳定。这些计算现在发表在《Journal of Molecular Modeling》中。一名高中生居然取得了结构化学方面的巨大突破！这件事能给我们哪些启示？值得深思。

参考文献：

[1][8]吴俊明，吴敏.刍议化学物质结构观的内涵与形成[J].化学教学，2014，（11）： 9.

[2][4]Comprehensive suppression of single-molecule conductance using destructive σ-interference. https：//www.nature.com/articles/s41586-018-0197-9.

[3][17]《化学思想史》编写组.化学思想史[M].长沙： 湖南教育出版社，1986： 84，379～380.

[5][6][7][15]趙匡华编著.化学通史[M].北京： 高等教育出版社，1990： 82～84，111，165～166，第十五章、第十六章.

[9]唐敖庆，卢嘉锡，徐光宪主编.化学哲学基础[M].北京： 科学出版社，1986： 368.

[10]张礼和主编.化学科学进展[M].北京： 化学工业出版社，2005： 13.

[11]吴俊明，汪青.物质微粒观及其学习基础的构筑[J].化学教学，2015，（3）： 3.

[12]https：//baike.baidu.com/item/%E9%87%8F%E5%AD%90%E6%80%9D%E7%BB%B4/7904798.

[13]https：//baike.baidu.com/item/%E9%87%8F%E5%AD%90%E6%80%9D%E7%BB%B4/22057736？fr=aladdin.

[14]《化学发展简史》编写组编著.化学发展简史[M].北京： 科学出版社，1980： 第十四章.

[16]王佛松，王夔，陈新滋，彭旭明主编.展望21世纪的化学[M].北京： 化学工业出版社，2000： 9～10.

[18]中华人民共和国教育部制定.义务教育化学课程标准（2011年版）[S].北京： 北京师范大学出版社，2012.

[19][20][21][22]中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京： 人民教育出版社，2018.

[23]中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准（实验）[S].北京： 人民教育出版社，2003.