《物质结构与性质》模块的学科认知理解及其教学启示*

高晓伟 王秀红

摘要： 现代物理实验技术是物质结构研究的重要手段，理论与实验事实相互拟合与佐证是物质结构研究的基本范式，作用与能量是物质结构研究的核心话题，解释与预测是物质结构理论的功能旨向。高中《物质结构与性质》模块的教学要以这种本原性和结构化的认识为依托，用“技术—方法—创新”、“实验—数据—推理”、“微粒—作用—能量”和“结构—性能—应用”等观念统整教学，让学生充分认识和理解学科认知与推理方式，实现素养为本的课堂教学。

关键词： 技术方法创新; 实验数据推理; 微粒作用能量; 结构性能应用; 物质结构与性质

文章编号： 1005-6629（2021）02-0015-06

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

高中化学选择性必修2《物质结构与性质》将从原子、分子水平上认识物质构成的规律，以微粒之间不同的作用力为线索，侧重研究不同类型物质的有关性质，进一步丰富物质结构的知识，提高分析问题和解决问题的能力[1]。关于该模块课标在修订过程中整合了内容主题，注重形成统摄性认识;发展学生对研究物质的不同尺度的认识;注重结构模型的发展过程和研究方法[2]。修订后，“粒子之间的相互作用”“尺度”“研究物质结构的方法与价值”等核心概念得到了加强。

对照2017年版课程标准的要求，反思10多年来教学的实际情况，可喜的是一线教师接纳了该模块的知识体系，积累了很多的教学经验，多数学生在高考中也愿意选考该模块，但也出现了识记性教学内容偏多，分析解决问题、方法观念类问题相关的教学渗透较少的情况。查阅文献也发现已有关于物质结构与性质的研究主要集中在三方面，一是对《物质结构与性质》教材编写、内容选择的相关研究[3]，二是对本模块教学实施状况的调查研究[4]，三是对疑难概念的澄清解读[5，6]，其中涉及学科本体理解及教学策略的研究较为少见，但也不乏从物质结构思维进行学科思维的认识[7]。可见，从学科上位加强对《物质结构与性质》的理解，从而对教学实践进行指导仍需全面而深入的思考。本文试图从研究方法和研究范式角度构建对该模块的本原性认知理解，剖析物质结构与性质的认知特点及其带来的教学启示，对增进化学教师的学科理解、落实素养为本的课堂教学有着重要的意义。

1  物质结构理论认知特点的剖析与理解

1.1  光谱分析打开物质结构研究的大门、推动物质结构理论不断发展

结构化学是化学科学中一门重要的基础学科，是一门直接应用多种近代实验手段测定分子静态、动态性能的实验科学。近代测定物质结构的实验物理方法的建立，对于结构化学的发展起了决定性的推动作用。

量子力学现已证实，原子轨道是量子化的，分子轨道能级也是量子化的，微观粒子的运动普遍具有量子化的特征，而光谱分析法的基本原理就是将一定波长的电磁辐射作用于待测物质后，激发能级之间的跃迁，通过检测其所产生的辐射信号而建立的分析方法。我们透过各种谱图分析可研究物质在各个尺度、空间和能量层面上的结构信息（见表1）。

实验技术的创新有时甚至带来科学的巨变。现今，光谱分析的核心部件（如光源）及分析方法仍在不断创新改造中，使得测定对象越来越复杂，不再局限于结构稳定的物质，甚至包括生物大分子以及复杂多变的溶液中“活的”生物大分子的形态和结构，测定的速度也由过去的数年或数月缩短到现在的数天或数小时。相信不久的将来，技术的不断发展进步会给人们带来更多关于物质结构的惊奇发现。

1.2  理论与实验相互拟合、互为佐证是物质结构独特的研究范式

理论与实验的大量拟合是结构化学不断向前发展的重要推动力量，量子力学的发展历程最能体现这种特点。量子力学包含若干基本假设，由此出发建立起整个体系，推导出许多重要结论，这些基本假设不能用逻辑方法证明，其正确性只能由实践检验[9]。基于这种理论与实践的拟合，哥本哈根学派所建立的波动力学与原子光谱实验的拟合从而确定了电子既作为粒子又作为波的存在;自洽场法对多电子原子进行了理论计算，并与原子光谱实验相结合，逐步阐明了多电子原子的结构，即“构造原理”;研究分子对称性的群论与分子光谱实验的拟合从而确定了大量分子的结构;研究晶体的点阵理论与X射线、电子衍射、中子衍射实验的拟合从而确定了多种晶体的结构。

伴随着物质结构理论和实验事实的相互成功拟合，科学家定义了很多具有量化特征的概念，构成了理论研究和学习交流的重要话语体系（见表2）。

概念实验来源及数学解释

原子轨道原子中单电子的一种运动状态，可用一个状态函数（或称波函数）ψ（q， t）（q为坐标变量，t为时间）描述，ψ（q， t）包含着体系的全部可测物理量。根据电子的波粒二象性及一系列处理解析状态函数可得到n（主量子数），l（角量子数），m（磁量子数），后经光谱实验又引入自旋量子数ms，共4个量子数来描述原子轨道。

原子半径原子间距离可通过实验准确测定，但对原子半径的划分和推求又受所给条件的制约。可分為共价单键半径、共价双键半径、离子半径、金属原子半径和范德华半径等。其数值具有统计平均的含义。

电负性（Pauling）电负性标度χp是用两元素形成化合物时的生成焓的数值来计算的。Pauling认为若A和B两个原子的电负性相同，A—B键的键能应为A—A键和B—B键键能的几何平均值，而大多数A—B键的键能均超过此平均值，此差值可用以测定A原子和B原子电负性的依据。（χA-χB）2=EAB-EAA·EBB，式中EAB、 EAA、 EBB分别是以eV度量的化学键A—B、 A—A、 B—B的键能数值，Pauling指定F的电负性为4，其他元素的电负性即可相应地从键能求出[10]。

键能按照热化学的观点，键能是指在1个标准大气压和298K时，反应体系AB（g）A（g）+B（g）焓的增量。可直接从热化学测量中得到。从微观分析，键能可理解为A（g）和B（g）从无限远处彼此逐渐靠近，达到平衡距离时体系减少的能量。二者经过计算处理基本吻合[11]。

分子解离能双原子分子的解离能即为键能。多原子分子中仅仅拆断一个键，所需的能量称为该键的解离能D，它是很有价值的数据。但需要注意，键的解离能不能代表键能，因为拆开一个键，剩下的部分都可能发生键或电子的重排。把一个分子分解为组成它的全部原子时所需要的能量称为分子解离能，可以估算平均键能[12]。

晶格能测定结合盖斯定律计算，但由于电子亲和能数据不够准确，因此晶格能数据使用也不够广泛。

电子亲和能电子亲和能的绝对数值一般约比电离能小一个数量级，加之数据测定的可靠性较差，重要性不如电离能[13]。

电离能原子光谱实验测定不同谱线，结合数学推理计算。

键角、键长可以通过衍射光谱实验测定[14]。

1.3  作用与能量是物质结构研究的核心话题

薛定谔建立的波动力学、海森伯提出的矩阵力学以及狄拉克建立的算符力学统称为量子力学，为什么这里都用了“力”字？“力”表达出理论在建立之初充分考虑到了微观粒子的作用以及伴随的能量问题。作为量子力学的奠基人玻尔在成功解释氢原子光谱后马上投入到元素周期表的规律探讨中，因为他敏感地意识到了原子核与核外电子的作用规律。

在原子内部原子核与核外电子、核外电子与核外电子之间的作用，在能量的高低上表现为不同元素的独特的原子光谱谱线;分子内部则表现为原子核之间、价电子之间、成键电子与孤对电子之间的作用，主要作用形式（σ键和π键）的不同带来了共价键力学常数键长、键能、键角的不同;不同的聚集态如晶体、非晶体、超分子等内部粒子之间又表现为共价键、氢键、范德华力、离子键、金属键等，作用力强弱不同又带来了熔沸点、溶解性、反应温度等不同的理化性质。

需要注意的是，《物质结构与性质》模块中涉及的原子、分子、离子等静态的结构往往是多种相互作用使得体系能量达到最低的结果，可简称为能量最低原理。能量最低原理既是实验事实，也是量子化学计算的结果，是原子、分子、离子等微粒处于基态时作用的中心原理。能量最低原理在高中物质结构与性质学习中的举例如表3所示。

原子轨道按照构造原理、洪特规则和泡利不相容原理排布的电子才能使整个原子体系的能量处于最低，所以习惯叫“原子轨道”，而不叫“电子轨道”。这既是光谱分析的结果，也有量子理论计算的功劳。

价键理论现代价键理论认为成键原子的电子云只有正负匹配、对称性一致，才能实现最大重叠，电子云作为波的叠加效应才更明显;同时电子自旋相反才能使成键后体系能量降低，共价键才最稳定。

分子构型价层电子对互斥模型认为中心原子价层电子对互相排斥，进而导致远离，从而使得分子体系能量最低，从而稳定存在。

晶体结构分子晶体、原子晶体、金属晶体、离子晶体的结构看似复杂多样，但都是根据微粒半径大小、微粒所带电荷以及微粒间作用力的不同所采取的使整个晶体体系能量最低的排布方式。例如范德华力没有方向性，所以分子晶体为了使整个体系能量最低，采取分子密堆积的方式;又因为分子形状各异，有长的、圆的、扁的等各种形状，所以又有分子取向的问题，如碘单质晶体中有2种取向的分子，二氧化碳晶体中则有4种取向的分子等等。

1.4  解释与预测是物质结构理论重要的功能旨向

量子力学以及在此基础上建立的价键理论、分子轨道理论、配合物理论等数学复杂、概念抽象的深奥理论，只有少数的理论化学工作者精通计算、熟练运用，但它们却能成为整个化学研究工作者的理论基础，关键在于这些理论能在物质结构、性质和应用之间架起解释与论证的桥梁。人们在运用物质结构理论解释物质的性质、预测指引药物的合成、新材料的开发、高效催化剂的寻找等方面屡试不爽，解释与预测是结构化学理论重要的功能旨向。高中阶段物质结构理论的相关应用举例如表4所示。

原子结构理论的重大应用（1） 能级跃迁理论可应用于铯原子钟的制作，铯原子钟与一个国家的国防、卫星通信、军事等领域有重大的关系。

（2） 二战期间，纳粹德国看重量子理论的奠基人——玻尔，想让玻尔为其效力。玻尔逃亡到美国后与爱因斯坦等众多科学家参与了曼哈顿计划——投到日本的原子弹，从而导致了二战的及早结束。由此可见，原子结构理论并不抽象，其实际应用具体显见，威力巨大。

分子间作用力的实际应用（1） 水分子的极性与微波炉。微波振荡的电磁场对极性分子中正电荷和负电荷的两极发生静电相吸，结果造成这些分子发生振荡。由于分子的动能增大，则分子的温度也随着升高，水分子将其热能传递给食物，从而达到食物的加热目的。

（2） 壁虎的脚和日常生活的胶带的原理。壁虎的脚底上长有大量细毛，当接触物体表面时，这些细毛与物体表面的分子产生分子间作用力，而分子间力不太强，这样壁虎就可以行走自如。

（3） 氢键与植物吸水的原理。植物細胞里的纤维素、淀粉颗粒、蛋白质等亲水物质与极性水分子靠氢键的作用而引起细胞吸水。

（4） 波长为30nm的紫外线光子的能量为399kJ·mol-1，结合键能数据可分析出物质吸收这一波长的紫外线后易发生光化学反应，从而导致皮肤晒伤。

化学键的特点及实际应用（1） 陶瓷刀一般为原子晶体，虽然其硬度大，切菜锋利，但一旦遇到锤击的敲打，造成共价键的断裂，从而造成整个晶体的坍塌，因此使用时不能剁骨头，容易崩。

（2） 金属刀由于原子层滑动而金属键不被破坏，所以金属刀有一定的延展性，可以剁骨头。

（3） 金属晶体中自由电子可吸收波长范围极广的光，并重新反射出，所以金属晶体不透明，且有金属光泽，对辐射能有良好的反射性能。因此，医院中核磁或X光照射检查室的门都是用金属制成的。

（4） 离子晶体比较脆，例如鸡蛋壳易碎;大理石不易加工铸型，只能做线雕等等。

2  學科认知理解带来的教学启示

基于前述对物质结构与性质的学科认知理解，分析其对高中化学的教学策略启示如图1所示。

2.1  “技术—方法—创新”作为素材引入统整教学

光谱分析方法打开了物质结构研究的大门，物质结构分析中处处应用了高精尖的物理科技手段。“技术”“方法”“创新”三个关键词应作为教学引入的素材统整物质结构的全程教学。“创新”是技术发展的关键词，也是高中学生要领悟的学习方法的精华。因此，物质结构教学要引导学生利用技术创新的视角扩大学生的思想境界。例如在氢键的教学过程中，教师可借助下面的教学素材[15]增进学生对技术的理解，激发学生的家国情怀以及创新意识。

教学素材： 自从诺贝尔化学奖得主鲍林在1936年提出“氢键”这一概念后，化学家们就一直在争论： 氢键仅仅是一种分子间弱的静电相互作用，还是存在有部分的电子云共享？2013年，我国国家纳米科学中心研究员裘晓辉和副研究员程志海领导的实验团队，以及中国人民大学物理系副教授季威领导的理论计算小组合作完成了对氢键的观测。他们通过对非接触原子力显微镜进行了核心部件的创新，极大提高了这种显微镜的精度，终于首次直接观察到氢键，为争论提供了直观证据。

2.2  “实验—数据—推理”作为证据推理统整教学

量子力学理论、对称性理论、点阵理论与现代物理实验相互拟合的证据推理过程在基础教育阶段中很难向学生介绍，但其基于实验事实运用数学推导进而与实验相吻合的定量化推理方式却应是我们重点关注的教学方向。基于实验、运用数据、论证推理的“实验—数据—推理”思想是落实证据推理与模型认知素养的关键举措，应统整物质结构的课堂教学。下面展示了笔者在教学中利用“实验—数据—推理”思想指导的“金属键”教学片段。

[教师]原子化热可理解为金属离子挣脱金属键的束缚重新将电子捕获过来，成为金属原子并相互远离所吸收的能量，可通过实验测定。你认为原子化热与金属键是怎样的联系？

[学生]金属键是金属内部原子与自由电子之间强烈的相互作用，相互作用的强弱可以通过原子化热的实验测量进行表征。原子化热越大，证明金属键越强。

问题链的教学意图：促进学生运用实验数据进行证据推理。

[教师]下表展示了Na、Mg、Al原子结构、原子化热、熔点等信息。你能构建这些信息之间的关系吗？

[学生]按照Na、Mg、Al的顺序，原子化热越大，说明金属键越强。微观上金属键的强弱受制于原子半径和外围电子，价电子越多、原子半径越小，金属键越强;宏观上金属键影响了熔点，金属键越强，熔点越高（也包括硬度）。

[教师]同学的回答非常好。那熔点、原子化热又有什么区别和联系？

[学生]熔点、原子化热都是通过实验测定的数据，和金属键的强弱都有关系。熔点涉及金属由晶体到液体的过程，金属键并没有完全消失;原子化热涉及由金属晶体到气态的过程，金属键完全断开，可更好地表征金属键的强弱。

问题链的教学意图：促进学生利用数据、辨析数据，进行宏微结合、证据推理。

[教师]好，通过同学们的分析，我们可以构建如下关于金属键的分析模型：

金属NaMgAl

外围电子排布3s13s23s23p1

原子半径/pm186160143

原子化热/kJ·mol-1108.4146.4326.4

熔点/℃97.5650660

2.3  “微粒—作用—能量”作为核心话题统整教学

微粒、作用和能量是贯穿《物质结构与性质》模块的核心概念。虽然从微观角度微粒及其作用不可见，但其物理化学意义却非常真实。教学中要借助熔沸点、吸放热、反应温度等各种数据或反应事实充分揭示物质内部粒子之间的相互作用以及伴随的能量问题。以水为例，水在0℃、 100℃、 1200℃的三种变化分别表现了氢键、范德华力、共价键等作用力的本质。教学中引导学生对比100℃和1200℃温度能看出氢键以及范德华力的作用远远小于共价键的作用（见图2）。

需要特别注意的是“微粒”“作用”“能量”三个核心概念是统一于一体的，而能量最低原理是理解微粒之间相互作用的重要观念，教师要在充分理解这一概念的基础上让学生明晰构造原理、电子配对原理、价层电子对互斥模型、晶体的不同结构特征等等都是基于能量最低原理的体现，减少学生的死记硬背，加强学生的理解。

2.4  “结构—性质—应用”作为核心观念统整教学

成功地发挥解释和预测功能是结构化学理论不断蓬勃发展的重要原因。教学中要充分发挥结构化学理论的这一功能旨向，也借此调动学生对结构化学的学习兴趣。例如在氢键的教学中教师利用氢键解释同主族氢化物的熔沸点规律、分子内和分子间氢键对熔沸点的影响、不同物质的溶解性、水杨酸二级电离的酸性、多聚体带来分子量测定时的异常、氢键方向性带来冰与水的密度比较，甘油、硫酸粘度较大，水的表面张力很大、植物细胞吸水、DNA的双螺旋等，充分发挥氢键的解释功能，引起学生对理论学习的超强价值体验，提高学生分析问题和解决问题的能力。

综上所述，结合物质结构与性质的认知理解，教学中用“技术—方法—创新”“实验—数据—推理”“微粒—作用—能量”“结构—性质—应用”等观念统整教学，让学生充分认识和理解学科认知与推理方式，构建对化学科研理解的真实图景，形成可迁移到其他模块或其他学科的学习能力和必备品格，为以后的学习研究打下坚实的基础，是《物质结构与性质》模块教学中教师要摸清的重要教学方向。

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