促进空间能力进阶发展的物质结构空间模型教学分析

邹国华 童文昭 韩闽江

摘要： 物质结构模块是从微观层次逐步认识物质结构与性质的联系，学生要理解多种类型的微观模型，需要具备一定的空间能力，而各类微观模型是分段学习的。对各阶段涉及的空间模型进行学习进阶分析，并探索在此基础上整体规划教学： 以物质结构空间模型为主题，以促进学生空间能力发展为目标，科学设计教学单元。

关键词： 物质结构； 空间能力； 学习进阶； 教学单元设计

文章编号： 10056629（2018）9005205 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的一门基础学科，其特征是从微观层次认识物质，以符号形式描述物质，也在不同层面创造物质[1]。高中物质结构模块是带领学生从原子、分子水平上认识物质构成的规律，以微粒之间的不同的作用力为线索，侧重研究不同类型物质的有关性质，进一步丰富学生物质结构的知识，提高学生分析问题和解决问题的能力[2]。微粒结构的模型要用特定的符号进行呈现，学生要从微观上认识物质，就必须理解微粒的结构模型，并理解微粒结构模型的符号表示。物质微观结构的模型相当一部分是以三维的形式呈现的，从原子的结构，到分子的空间构型，再到分子晶体、离子晶体、金属晶体和原子晶体的晶胞结构等等，学生在解决这些涉及抽象的符号和微观水平的三维空间问题时，出现了很大的困难[3]。物质结构模块的学习需要较强的视觉空间能力，学生在该部分内容的学习过程中，空间能力起重要作用。学生对物质结构的微观模型的认识需要由浅入深，循序渐进，每个阶段的教学需要教师先研究各种微观模型的空间构型，再引导学生从各个角度透彻理解有限的模型，形成模型认知，从而才能推广到对陌生微观模型的认识。

1 空间能力的意义与内涵

空间能力研究在心理学和教育学领域由来已久，研究者因所持的观点、分析角度或层次的不同，对空间能力的解释会有些差异，台湾学者郑海莲[4]（2007）综合国内外学者的观点后认为空间能力是指个体能够正确观察、辨识物体，并根据视觉所吸收的图像记忆于脑中，且进一步透过思维想象方式，在2D平面与3D立体之间任意移动、旋转或翻转，展现出再认、保留与回忆图像的思考能力。空间能力构成要素有很多，Lohman[5]（1988）通过综合文献，归纳出十种不同空间能力构成因素，其中主要构成要素有： 空间视觉、空间定位和空间关系三个，三者的内涵见图1。

在物质结构教学中引入空间能力概念，旨在运用空间能力的研究成果，指引教师从空间视觉、空间定位、空间关系三个角度引导学生对微观模型进行观察和分析，加深学生对微观空间模型的认识，促进学生深度学习微观空间模型，进而促进其空间能力的发展。

学习物质结构模块需要学生具有较好的空间能力，但学生的空间能力不可能一蹴而就，所以教学中需要遵循学生的认知规律。教师要清楚每个阶段学生空間能力水平的起点和教学后需要达到的空间能力水平，合理安排教学计划，逐步提高学生的空间能力。

2 物质结构空间模型的学习进阶构建

2.1 学习进阶理论的意义

科学知识和技能的学习是分阶段有明确的路径的，思维要遵循一条连贯的、由简单到复杂的轨迹。人们在过往已经认识到学科知识和技能的形成、建立和深化是一个螺旋式的学习过程[6]。学习进阶描述学生在一定时间跨度下对某一核心概念的理解以及对某种技能的掌握连贯且逐渐深入的典型发展路径[7]。其研究价值有： 学习进阶的研究成果具有对学生的学习和发展进行预测的功能，有利于解决课程设计的核心问题，即选择合适的课程内容并进行学段组织的问题[8]；了解学生对学科中核心概念认识的发展规律，作为制定学科课程标准中科学概念进阶发展的依据，合理规划学生在各个学习阶段的概念理解水平[9]；能让教师在教学前通过交流情况对学生既有水平做出准确评估，也能在教学中依据相应的进阶水平对学生的学习表现作出评判并依此调整教学，还能在教学后有效合理地评价课堂学习效果[10]。

学习进阶理论对跨时间段出现的同类型核心概念的教学有很重要的指导作用，根据学习进阶描述的学生对核心概念的理解所经历的多个水平层次，教师可以设计适合学生发展的教学流程，逐步达到教学目标，这有助于促进学生更深层次地理解概念，从而促进学生对具体知识内容的学习及关键性内容的掌握。2017年版普通高中化学课程标准引入学习进阶理论对学业质量水平进行界定，对化学学科核心素养水平进行划分，将化学学业质量水平和化学学科核心素养的水平划分为4级。1级到4级能力水平逐渐递增，每个学习阶段的学生需要达到相对应的学业质量和学科核心素养水平。2017年版课程标准引入学习进阶理论更好地界定了各阶段学生的学业质量和核心素养应达到的水平等级，为各阶段的教、学、评提供了参考。

2.2 物质结构空间模型的学习进阶构建

物质结构模块从原子、分子水平上认识物质构成的规律，并以微粒间不同作用力为线索，深入认识物质的结构与性质的关系。学习中有很多微观的空间模型需要学生掌握，如理解原子轨道空间结构、共价键的空间模型、分子的空间构型和各种晶体的空间构型。这些微观层面的模型，学生看不见、摸不着，内化这些空间模型，学生需要具备一定的空间认识能力。为更好地帮助学生理解这些模型特征，一方面，教学要有条不紊，层层递进，以分散难点，帮助学生克服恐惧心理；另一方面，在教学中又不能因为空间模型抽象难懂而降低对学生学习的要求，降低课标规定的难度水平，降低评价标准。为遵循学生空间认识规律和各阶段课标规定的能力水平，基于学习进阶理论，构建物质结构空间模型发展水平如表1，从1级到4级，能力逐渐增强。

学生需要理解的微观模型越来越复杂，空间能力的要求也逐级增加，而这部分内容的学习是隐含在整个模块中的。微粒的空间构型与物质性质有紧密的联系，若要进一步丰富学生的物质结构知识，提升学生对微观模型的空间认识能力是关键，而学生对空间模型的认识不能仅仅停留在视觉感受上，应该从空间视觉、空间定位、空间关系等角度去观察、认识微观模型，这样才能引导学生深度理解物质结构知识，深入认识物质的结构与性质的关系。在各个阶段的学习中，学习的起点和学习任务都不相同，表1对物质结构模块中涉及空间模型部分进行进阶分析，旨在为教学和评价提供参考，促进教师深度教学，引导学生深度学习。

此处选取水平4中金刚石的空间模型进行分析（见表2），一则为进一步阐释物质结构引入空间能力概念对教学的指引作用，二则为读者提供示范，体会如何将表1中的分析运用于实际教学，提升学生空间能力。

教学中应引导学生从不同角度观察、分析金刚石的空间立体网状结构和晶胞，总结晶胞中每个碳原子的位置特点，金刚石中每个碳原子与四个碳原子相连，形成正四面体结构单元，六个碳相连形成椅式的六元环结构；引导学生进一步观察、分析，总结网状结构与晶胞间的空间关系，包括金刚石晶胞、晶体硅晶胞、二氧化硅晶胞、硫化锌晶胞、氟化钙晶胞的空间关系。

3 促进空间能力进阶发展的物质结构空间模型主题教学单元设计

物质结构所蕴含和培育学生的空间能力分散并渗透在整个模块的学习中，空间能力的培养和提高需要有目的、有计划地进行，可根据不同的内容和教学目标，参照表1的进阶分析实施教学。目前教学中，往往没有系统地对物质结构模块中的空间模型进行整体分析和研究，没有理清各个知识点、各教学环节在空间能力发展层面的内在联系；没有从物质结构空间能力培养这个主题来分析把握各知识点、各环节的教学；没有基于整个主题来剖析各环节、各部分内容在整个空间能力培养中的地位和作用。

物质结构空间模型的学习进阶构建，为教学设计提供了可参考的教学起点和教学目标。以物质结构空间模型为主题，以促进学生空间能力进阶发展为目标，整体把握学生空间能力的培养，设计教学单元如表3所示。

物质结构微观模型的教学分散在整个模块中，是分阶段、依次加深的，教师要有宏观、整体的教学意识，每个阶段的教学要运用好实物模型和多媒体设备，化难为易、化抽象为具体。教学中使用的模型是有限的，教师需要引导学生从空间视觉、空间定位和空间关系上透彻理解有限的模型，形成模型认知，进而推广到对其他微粒的认识。

参考文献：

[1][2]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 1， 36.

[3]魏钊， 王后雄. 化学学习中的空间能力研究[J]. 化学教学， 2018，（3）： 12～17.

[4]郑海莲， 陈世玉. 标准化空间能力测验之建模与验证[J]. 教育研究与发展， 2007，（4）： 185～190.

[5]Lohman D.F. Spatial abilities as traits， processes and knowledge [M]. Advances in the psychology of human intelligence， Sternberg R. J， Eds， Hillsdale， N J， England： Lawrence Erlbaum Associates， Inc， 1988： 181～248.

[6]邹国华. 学习进阶视域下电化学核心概念的认识功能分析[J]. 化学教学， 2017，（10）： 22～26.

[7]鄭曼瑶， 张军朋. 学习进阶的研究及其在物理教学中的应用[J]. 物理通报， 2014，（12）： 2～4.

[8]王磊， 黄鸣春. 科学教育的新兴研究领域——学习进阶研究[J]. 课程·教材·教法， 2014， 34（1）： 114.

[9]郭玉英， 姚建欣， 张静. 整合与发展——科学课程中概念体系的建构及其学习进阶[J]. 课程·教材·教法， 2013， 33（2）： 48.

[10]童文昭， 王后雄. 学习进阶本土化研究的意义及面临的问题[J]. 化学教育， 2016， 37（7）： 3.