基于学科本质视角的《物质结构与性质》模块内容功能分析

李鹏鸽 赵艺 左玉 韩红斐

摘   要 2017年新修订的高中化学课程标准提出了化学学科核心素养，强调化学教学要突出化学学科本质。化学学科物质结构的核心内容是分子结构、元素周期表与元素性质、微粒聚集状态与物质的性质。原子轨道、原子核外电子的排布式、化学键等知识是分析、说明、解释分子结构等核心知识的基础，单晶体X射线衍射是测定分子结构最好的方法。《物质结构与性质》模块修订凸显了各部分内容的功能价值，可以帮助学生落实化学学科核心素养，建立观念性、统摄性的认识。

关键词 物质结构与性质 化学学科本质 知识的功能 统摄性认识

2017年新修订的《普通高中化学课程标准》优化了课程结构，将《物质结构与性质》模块变为所有选考化学学生的必考模块[1]，这一变化对高中化学教师的教学提出了挑战。在2003年实验稿《普通高中化学课程标准》中，《物质结构与性质》属选修模块，由于该模块内容比较抽象，学生理解困难，教师认为学生在该模块的学习时间与得分不成正比，在考试中得分率很低，不愿意开设此模块课程，很多学生也都不选考这一模块。因此，《物质结构与性质》这一模块的教学现状是在过去十六年，全国十多个省份的学校整体不开设此模块教学内容，即使开设的学校，也存在内容偏离化学核心、知识碎片化和陈旧化的问题。为改变这一现状，新修订的《普通高中化学课程标准》将《物质结构与性质》这一模块由选修变成选择性必修，课程内容在保持原有课标适当难度和容量的基础上，解决了知识碎片化和失去功能的问题，明确要求教学应体现化学学科核心素养和大概念统领。为帮助化学教师理解该模块各部分内容的功能，适应化学学科核心素养背景下的教学要求，现以化学学科本质的视角对《物质结构与性质》模块内容从功能价值方面进行分析。

一、《物质结构与性质》模块的地位

学科本质是学科独立存在的根本属性，即研究对象、学科性质、理论体系、研究方法等本质问题[2]。化学是研究物质组成、结构、性质和变化规律的学科，化学学科本质是在微观层次认识物质，以符号形式描述物质，在不同层次创造物质。《物质结构与性质》模块的本质是在原子、分子水平上，深入到电子层次，研究物质的微观结构及其与宏观性能关系的科学，其内容涉及用物理的量子力学方法研究化学问题，进而建立物质结构理论，提出结构分析方法，剖析分子的结构，由此可见物质结构对于整个化学学科发展的重要作用。化学学科中很多重要的理论问题和分析测试方法都以物质结构的基本概念、基本理论和基本方法为基础。通过这一模块的学习，学生不仅可以掌握物质结构的相关知识，培养学生宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知等化学学科核心素养，同时还会为学生在微观层次研究物质方面打下基础[3]。因此，《物质结构与性质》模块在高中化学中占有重要的地位。

二、《物质结构与性质》模块内容的功能及学科本质问题分析

课程标准的修订，要求课程内容现代化，要求去除繁难偏旧的内容，引进时代性与基础性结合的内容，这里的“偏”是指课堂上讲授的内容是本学科非核心内容。由于本模块是用物理学的方法研究化学问题，因此，哪些内容属于物理学范畴，哪些内容才是化学的本真问题，是需要界定的首要问题。物质有各种各样的形式，原子、分子是物质，细胞、人体、建筑、桥梁也是物质，不同学科研究不同的物质结构。原子结构是物理学研究范畴，细胞结构属于生物学研究范畴，建筑结构属于建筑学研究范畴，化学学科物质结构的核心内容应该是分子结构。其他学科是不研究分子结构的，故分子结构是化学学科的本质问题。在新修订的课程标准中，《物质结构与性质》模块设置3个主题，下面分别分析三个主题中不同内容的功能。

1.“原子结构与元素的性质”主题的功能及学科本质问题分析

这一主题包括的核心概念主要有原子轨道、原子核外电子的排布式、电离能与电负性等，见表1。第1个二级主题“原子核外电子的运动状态”包括原子轨道这一核心概念。原子轨道，主要是基于能级的角度，用能级跃迁量子化思想描述核外电子的运动状态，要求学生知道电子运动状态可以通过原子轨道来描述，这一内容属于物理学核心知识。第2个二级主题“核外电子排布规律”，是对原子核外电子排布的构造原理从原子核外电子的能级高低顺序来解释，认识核外电子排布应该遵循三条基本原理，这也属于物理学的内容。让学生学习物理学知识，是用这些知识去解释和理解元素周期表的排布规律，解释共价键和分子结构。所以，尽管它們不是化学的核心知识，但有助于元素周期律、分子结构这些化学核心知识的学习。而第3个二级主题“核外电子排布与元素周期律”，就是化学学科的核心知识内容了，要求学生知道原子核外电子排布呈现周期性变化是导致元素性质周期性变化的原因，知道元素周期表的分区，知道周期与族这些元素周期表的结构特征及其应用价值。这一主题包括电离能和电负性两个核心概念。电离能、电负性这两个概念，是从元素的性质——得失电子能力角度，比较、解释、预测元素的某些性质，它应该是化学的主要内容。对这些核心内容应引导学生通过讨论、借助化学史展示、自主探究等教学策略，发现变化规律;理解假说、模型对原子结构发展的重要价值和意义，建构起基于“位、构、性”关系的系统思维框架。

2.“微粒间的相互作用与物质的性质”主题的功能及学科本质问题分析

这一主题把课标实验稿的“化学键与物质的性质”“分子间作用力与物质的性质”两个主题进行合并，修订后叫“主题2微粒间的相互作用与物质的性质”。本次修订课标的一个特点是通过整合，形成统摄性的认识，在每个模块内容修订的时候，都特别注重帮助学生建立一些观念性、统摄性的认识，把一些零散的知识条目整合起来，抓住这些知识条目背后的核心概念、基本观念，用这些核心概念来结构化内容，统领学生对于相应内容的认识[4]。这一模块修订前的“化学键与物质的性质”“分子间作用力与物质的性质”属于分子与分子的相互作用，两种作用都是微粒之间相互作用，把原子和分子都看作基本微粒，两个主题想表达的都是微粒之间的相互作用，所以把两个主题统整为一个主题，叫“微粒间的相互作用与物质性质”。这样进一步聚焦学科大概念，整合了知识内容，突出了化学基本观念微粒观。另一个特点是抓更具有解释力的概念，比如分子中的电荷分布、电负性是具有解释力的概念，强调电负性、键的极性、分子的极性，即可据此对分子的一些典型性质及其应用作出解释。减少非化学学科本质的内容，降低学习难度，比如删减晶格能、等电子原理、金属晶体的堆积模型等。

这一主题包含的核心概念有离子键、共价键、配位键、金属键、氢键、分子晶体、离子晶体等，见表2。第1个二级主题“微粒间的相互作用”中，涉及很多核心概念，微粒间的作用作为一个重要关键词反复出现。在这部分内容学习中要求学生认识离子键、共价键的本质，结合常见的离子化合物和共价分子的实例，认识物质的构成微粒、微粒间相互作用与物质性质的关系。离子键、共价键、范德华力、氢键这些作用力都是事实性的、具体性的概念，这些概念的价值是以它们为例，帮助学生建立微粒、微粒间的相互作用与性质这一重要的、统摄性的认识。由于配位现象和配合物要为学生理解生命现象和生命的本质奠定基础，所以配合物的知识在内容和学生必做实验方面有所加强。

第2个二级主题“共价键的本质和特征”中，涉及的核心概念有σ键和π键、键参数等，这些核心概念是基于原子轨道认识化学键的[5]。内容涉及到在共价键形成之后，电荷的分布、电荷分布对性质的影响等内容，掌握这些知识对物质的性质是有解释力的。

第3个二级主题是“分子的空间结构”。在《物质结构与性质》模块，最重要的应该突显分子空间结构内容，这是化学学科最本质的内容，前几个主题内容基本属于工具性的，而“分子的空间结构”内容是该模块的核心内容。在这个主题中涉及到的杂化轨道理论、价电子对互斥理论两个基本理论是基于空间特征对分子的空间结构进行说明、解释和预测的。对于极性这一部分，要从元素的电负性、键的极性和分子的极性三个层次来理解，这三者是一个系列。通过对分子的成键特点、电荷的分布情况、对性质的影响进行分析，进而进一步研究分子的空间结构。

第4个二级主题“晶体和聚集状态”中，涉及到的核心概念有分子晶体、离子晶体等，晶体和聚集状态这两个概念，是帮助学生认识物质的聚集状态与性质的。课标的这部分内容发生了很多变化，在实验稿中对晶体部分更多强调分子、原子、离子、金属四类晶体。修订之后，第一个重要的变化是把原子晶体改成了共价晶体，因为共价晶体更能表现这一类晶体的特点，在这类晶体中，有些原子之间是以配位键相连，它就不能叫做原子晶体。第二个重要的变化是淡化删减一些属于材料科学的内容，比如晶胞参数、衍射指标。化学需要研究的是晶胞中的原子坐标，它能确定分子的结构，这是化学学科的本质内容。第三个变化是修订后四类晶体的词仍然存在，但表述方式和要求发生了改变，修订前是认识四类晶体本身，修订后是借助四类晶体的概念模型认识晶体的周期性结构特点，侧重点不是认识四种晶体以及它们之间的区别，而是借助四种晶体类型认识晶体结构的周期性特点。强调晶体有周期性，可以借助晶体的X射线衍射技术测定物质结构、测定分子结构，是科学家认识物质结构的重要工具和途径，所以周期性是统摄性认识。课程标准还指出了介于典型晶体之间的过渡晶体、混合型晶体是普遍存在的，真实晶体远远比四种晶体模型复杂得多。在该部分内容的学习中，以四种晶体为例，认识晶体结构的特点以及认识晶体对于研究物质结构的意义是非常重要的。

物质的聚集状态也是一个统摄性的认识。物质的聚集状态在一定条件下随构成物质的微粒种类、微粒间的相互作用、微粒的聚集程度不同而不同，这是需要学生认识的。改变物质的聚集状态可能获得特殊的材料，因为物质的聚集状态会影响物质的性质，这是课标要求学生理解的。会举例说明物质在不同尺度聚集态对物质性质是有影响的，比如纳米材料、液晶材料等都与它的聚集状态有关系，这是需要学生掌握的。

3.“研究物质结构的方法与价值”主题的功能及学科本质问题分析

在课程标准修订之前，只有研究物质结构的价值，修订后进一步突显了研究物质的过程、方法和技术手段，让学生体会到化学家认识物质结构的思路。学生在这部分学习中，不仅应学习相应的理论知识，还应了解研究的过程和方法。比如对于原子核外电子的运动状态、原子轨道，须要了解到原子轨道的建立经历了假说——建立模型——旧模型被新实验否定——建立新假说新的模型这样的认识过程，这种螺旋式的结构让学生体会科学的进步，也促进学生证据推理与模型认知的相应素养的形成。该主题的内容并不是以具体知识点的形式呈现出来，而是渗透在其他主题内容的教学过程中，让学生在学习理论知识的同时进行相应的过程和方法的体会。

测定物质结构的基本方法和实验手段有原子光谱、分子光谱、晶体X射线衍射等。学生须知道可以借助某些实验手段来测定和认识物质的空间结构，通过这些手段和方法得到的信息可以用来推理构建物质结构模型或相关理论。这部分增添了能够测定分子空间结构的X射线衍射方法，具体仪器测量的原理对于高中学生来说内容比较抽象，增加了理解的难度，教师不需要强调学生掌握原理，但是要让学生清楚分子空间结构是通过专门的仪器测定出来的。在以往的教学中，教师更多关注结构是一个事实性的知识，传达给学生微观原子、分子和晶体的具体结构内容，但是作为科学教育来讲，不能单纯帮助学生认识事实性知识，还要帮助学生认识这些概念理论模型的具体形成过程，这一思想也是对于化学学科核心素养中的“证据推理与模型认知”内容的反映。这部分可能比较难，但是只需让学生说明这种技术手段发挥的作用，并不需要学生对谱图进行分析，目的是让学生体会科学家借助了什么样的工具手段获得了什么样的信息，把工具手段、获得的信息以及建立的模型三者之间建立联系就可以了，不需要精确推理。

在“研究物质结构的价值”中，通过理解物质的结构与性质之间的关系，为设计与合成新物质提供理论基础，知道物质结构的研究有助于發现具有预期性质的新物质，这也是学习《物质结构与性质》模块的一个目标，物质的结构决定性质，通过借助一定的方法、手段对物质所具有的结构进行研究，从而预测和认识物质的性质，并且能进行相应的设计和合成新物质。这样能够促使学生认识研究物质结构的价值，激发其探索物质结构奥秘的热情与好奇心，扩展他们的视野，培养学生的创新精神。

总之，教师要把握《物质结构与性质》模块内容的变化点，体会这个模块的修订更多的是帮助学生建立观念性的、统摄性的认识，强调化学教学要突出化学学科本质与化学学科思维，凸显各部分内容的功能价值，体会认识物质结构的基本方法和思路是什么，对于一些技能方面的要求做了明显的删减，尤其是等电子原理、金属晶体的堆积模型的删掉对减轻学生的负担是特别重要的，因为借助等电子原理推测分子的空间结构，金属晶体的球是怎样堆积的，立体几何的问题是非常复杂的，删掉这两部分之后可以减轻学生技能学习的负担。加强的内容更多是帮助学生理解对解决实际问题、分析问题有统摄性、有方法性的内容。加强了三组概念的要求：第一组是与电荷不均衡性有关系的电负性、键的极性和分子的极性;第二组是与化学键和物质类型密切相关的配合物、氢键;第三类是聚集状态，带给学生不同尺度和层次认识。化学教师要整体把握、深刻理解该模块各部分内容的功能，以适应化学学科核心素养背景下的教学要求。

参考文献

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

[2] 万福仁.《物质结构与性质》教学中化学核心素养的培养[J].考试周刊，2018（25）.

[3] 杜艳梅.不同版本高中化学教材《物质结构与性质》的比较研究[D].南京：南京师范大学，2011.

[4] 王磊，魏锐.学科核心素养发展导向的高中化学课程内容和学业要求——《普通高中化学课程标准（2017年版）》解读[J].化学教育（中英文），2018，39（09）.

[作者：李鹏鸽（1963-），女，山西绛县人，太原师范学院化学系，教授，硕士生导师;赵艺（1995-），女，山西盂县人，太原师范学院教育学院，硕士研究生;左玉（1982-），女，湖北麻城人，太原师范学院化学系，副教授，硕士生导师;韩红斐（1980-），男，山西襄垣人，太原师范学院化学系，副教授，博士。]

【责任编辑  郭振玲】