促进学生认识角度建构的项目式复习教学

杨伏勇 武衍杰 江合佩

摘要： “物质结构与性质”模块教学旨在外显“结构（如何）决定性质，性质（如何）决定用途”的学科观念。以“石墨烯”材料为载体，开展“物质结构与性质”模块的项目式复习，通过“石墨烯结构分析”、“石墨烯性质解释和预测”、“石墨烯功能化应用及改性”三个进阶性任务，帮助学生形成基于“构成微粒-微粒间作用-微粒空间排布”的物质结构认识视角，揭示物质结构与性质的关系，提升基于结构与性质分析和解决实际问题的能力。

关键词： 项目式教学； 物质结构与性质； 认识角度建构； 模块复习； 石墨烯

文章编号： 1005-6629（2022）11-0037-06

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

“物质结构与性质”模块教学旨在建构物质结构的认识视角，特别是《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》［1］（以下简称“新课标”）针对该模块的主题内容进行了重新梳理，进一步突出了“构成微粒-微粒间作用-微粒空间排布”的认识角度。当前针对该模块的研究集中于知识解析、教学策略、复习备考等方面，大都关注单个知识点的解析或单课时内容难点突破的教学策略，即使是模块复习备考也仅关注知识整合或解题方法，鲜有从模块整体视角关注学生认识角度建构的文献报道。学生在模块学习中能否建构完整的、结构化的认识视角（思路），直接决定了其能否真正认识结构、性质、用途间的关联。

项目式学习倡导学生综合利用所学知识解决陌生、复杂的问题，在项目实施过程中学生必须调用结构化的学科知识和技能、学科思维方式以及学科领域所孕育的价值观念，形成能够进行迁移应用的解决一类问题的思路和模型，因此其在实现学科知识、认识思路、学科观念结构化方面具有独特价值［2］。以“石墨烯”为情境载体，开展模块复习，从整体上重建物质结构分析的认识视角，突出结构、性质、用途的“宏微”联系，发展“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”的学科核心素养。

1 项目主题选择

1.1 重视学科认识角度的整体建构

复习课教学的价值在于整合知识，形成解决问题的认识思路。新课标将“物质结构与性质”模块统整为“原子结构与元素性质、微粒间的相互作用与物质性质、研究物质结构的方法与价值”三个主题，进一步外显了“结构（如何）决定性质，性质（如何）决定用途”的观念性认识，突出了构成微粒、微粒间相互作用和微粒空间排布的认识视角。基于“结构-性质-用途”的统整性认识，架构该模块的学科认识角度（见图1），基于学科认识角度的重建开展项目式教学，将有利于学生充分理解物质结构研究的学科认知与推理方式，进而形成可迁移的陌生物质结构研究的能力和品格。

1.2 突出认识角度的功能价值

随着化学科学的发展，结构与功能多样化的新材料层出不穷。虽然对结构领域的探索永无止境，但物质结构的认识角度却是稳定的，因此教学的归宿点在于学生形成物质结构研究的观念性认识并能够迁移认识角度去分析陌生问题。本项目以具有时代性的“石墨烯”材料为载体，基于结构特点，分析其优良性能，突出认识角

度在解决前沿问题中的价值性和针对性。例如基于化学键视角理解其超强的导电性和高熔沸点，通过改变空间结构控制其导电性等。

2 项目教学目标

新课标针对“物质结构与性质”模块提出的课程目标包括“从原子、分子水平上认识物质构成的规律，基于微粒间作用力研究不同类型物质的性质，提升学生有关物质结构的基本认识，深入认识物质结构与性质之间的关系，发展化学学科核心素养等”［3］。基于上述总体性要求，项目教学旨在通过“石墨烯”这一载体建构物质结构分析视角，并理解结构与性质及用途的联系。确定具体目标如下：

（1） 基于微粒和微粒间作用视角分析石墨烯碳原子的成键特点，认识其空间结构并建立宏观球棍模型，建构分析物质结构的一般思路，发展宏观辨识与微观探析的学科核心素养。

（2） 基于石墨烯的结构特点，解释和预测其典型性质，理解结构与性质的关联，发展证据推理与模型认知的学科核心素养。

（3） 基于石墨烯的结构和性质，探究其功能化应用及改性，进一步认识（改变）物质结构对物质性质和用途的影响。

（4） 基于石墨烯结构探究项目，体会化学学科在材料制备和应用中的价值。

3 项目任务及教学流程

遵循建构认识角度、迁移认识角度的逻辑，以石墨烯结构为载体，以宏观建模和微观探析为切入口，基于图2中的三个进阶性任务，开展项目式教学。

4 项目实施及学生学习结果

以厦门市某重点中学高二完成“物质结构与性质”模块学习的普通班学生为教学实施对象，开展教学实践与改进。

［情境引入］认识石墨烯。

［教师］通过图片和视频展示石墨烯作为新材料之王的优良性能［4］。

［学生］总结石墨烯的性质和用途，如强导电性、高柔韧性；可用于制作传感器、晶体管等。

［学生疑惑］石墨烯为什么具有如此优良的性能？其是否具有独特的结构呢？

［教师过渡］结构如何决定性质呢？下面从结构的视角探究石墨烯。

设计意图：以石墨烯應用为切入口，感受功能材料的价值，激发学生的兴趣和探究欲望，引出项目核心任务。

4.1 基于物质结构视角研究石墨烯

4.1.1 基于构成微粒认识石墨烯

［教师提问］通过视频已经了解到石墨烯是由单层碳原子构成的二维材料，引导学生从微粒层面分析构成石墨烯的C原子（基态）的结构特点。其价电子轨道表示式是什么？未成对电子数目如何？

［学生］价电子轨道表示式为↑↓2s↑↑2p，未成对电子数为2。

［教师提问］碳原子的这种结构特点，对碳碳之间的成键有什么影响？

［学生］非金属原子间易形成共价键，再结合碳原子价层有4个电子，因此最多可以形成4根共价键。能采取sp、 sp2、 sp3等不同的杂化方式，因此碳碳之间可以形成共价单键、双键、三键。

［教师过渡］碳原子的结构特点如何影响石墨烯中化学键的形成呢？下面从化学键层面分析其结构。

4.1.2 基于微粒间相互作用认识石墨烯

［模型拼搭］石墨烯为二维平面结构，基于碳原子成键特点，试着画出石墨烯的微观结构图，并用所给的球、棍组装球棍模型。

［成果展示］学生建立的石墨烯典型结构如图3所示。

［教师提问］基于杂化轨道理论展开讨论，判断哪一种结构是正确的？

［小组讨论］图3a碳原子均形成4根σ键，应为sp3杂化，其空间构型应为四面体形，与事实不符；图3b结构中碳原子形成3根σ键，应为sp2杂化，其空间构 型应为平面形，符合事实。

［教师追问］基于碳原子的杂化方式和石墨烯的空间结构，试分析石墨烯中除了碳碳σ键，是否还存在其他类型的化学键？

［学生汇报］石墨烯为平面结构，每个C原子与周围三个C原子形成平面三角形（夹角120°），

由于C原子一共有4个价电子，因此还剩一个单电子在未杂化的2p轨道里，每个未杂化的2p轨道互相平行重叠可形成大π键。

［教师］展示石墨烯的大π键（见图4）。

［教师过渡］石墨烯的大π键结构，决定了其在空间上可以无限延伸形成稳定的平面结构，下面继续从空间视角认识石墨烯。

4.1.3 基于微粒空间排布认识石墨烯

［教师提问］要从空间视角研究石墨烯，首先要找出石墨烯的晶胞。请大家结合晶胞的特点，找出其晶胞。

［小组讨论汇报］由于晶胞在晶体结构中需无隙并置，在相应的各个轴向上应具有平移性，因此其顶点的环境必须要完全相同。平常我们经常看到的三维晶体的晶胞都是平行六面体，那对于二维晶体的晶胞必须是平行四边形。只要在平面上找到最小的顶点完全相同的平行四边形就可以了。

［成果展示］学生结合二维晶胞的特点，画出石墨烯的两种晶胞（见图5）。

［教师追问］一个晶胞中碳原子数目如何？课前视频中介绍石墨烯是已知的最轻材料，能否通过计算其密度说明呢？（已知石墨烯中碳碳键的键长a=142pm）

［学生讨论汇报］根据均摊法平行四边形顶点上的碳原子被4个晶胞共用，因此每个石墨烯晶胞所占有的碳原子数目为2。晶胞密度=晶胞质量/晶胞面积，晶胞面积可结合立体几何知识求得，代入数据可得密度仅约为7.61×10-8g/cm2！

［教师梳理总结］从原子到晶体，基于微粒、微粒间作用、微粒空间排布分析了石墨烯结构，带领大家建构如图6所示的分析视角，关联认识角度，形成一般认识思路。

设计意图：学生在思维碰撞和实践中绘制石墨烯的微观结构图，搭建宏观结构模型，并从微粒、微粒间作用、微粒空间排布三个视角对结构进行分析，发展宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知的学科核心素养。

4.2 基于物质结构解释和预测石墨烯性质

4.2.1 石墨烯性质解释——导电性

［实验事实］石墨烯作为非金属单质具有超强导电性，其导电效率是硅的100倍，电阻率比铝、铜和银低很多。从结构角度如何解释？

［学生汇报］石墨烯中C原子采用sp2杂化形成平面结构，未杂化的2p轨道含有一个单电子，且互相平行，形成大π键，使得电子具有较好的流动性，因此具有超强的导电性。

4.2.2 石墨烯性质预测——熔点

［教师提问］石墨烯和富勒烯（C60）（见图7）同为碳家族一员，试比较两者的熔点高低。

［学生汇报］石墨烯为共价晶体，内部是共价键组成的无限延伸的二维网状结构，熔化时需破坏共价键；而富勒烯为分子晶体，熔化时只需破坏分子间作用力，因此熔点：石墨烯>富勒烯。

［教师总结］对于物质熔、沸点的高低比较，关键是看破坏的是哪种相互作用力，根据相互作用力的强弱来判断。根据晶体类型不同，建构如图8所示的思路。

［认识思路迁移］结合图8，（从化学键的角度）试比较石墨烯与金刚石晶体熔点的高低。

［学生汇报］从结构视角看，都是共价晶体，共价键同为碳碳键。但由于石墨烯晶体中除了正常的σ键外，

还存在大π键，所以石墨烯内部共价键的键长比金刚石的键长短，作用力更大，破坏化学键需要更高能量。因此如果从化学键的角度来说，熔点大小：石墨烯>金刚石［5］。

设计意图：在学生建构了物质结构分析的视角后，基于石墨烯性质解释和预测任务，实现认识角度的迁移应用，突出结构与性质的密切关联，在知道结构决定性质的基础上帮助学生理解结构是如何决定性质的。

4.3 基于结构与性质实现石墨烯功能化应用及改性

［教师过渡］完美的石墨烯晶体是碳原子构成的六元环组合而成的二维平面结构，性质过于稳定，限制了其功能化应用。科学家利用物理和化学方法改变石墨烯的表面结构，从而实现了其在众多领域的应用。

4.3.1 石墨烯的共价键功能化应用

［资料1］我国科学家［6］利用氧化石墨烯（GO）（見图9）作为温敏传感器研制出了火灾自动报警耐火墙纸。火情发生时，

室温下是绝缘体的GO就会转变为导体触发警报。

［教师提问］从结构视角分析GO中C原子的杂化方式，并解释为什么在室温下GO是绝缘体，火情发生时却又能导电？

［学生讨论汇报］从结构视角看，引入含氧基团后，存在sp2和sp3杂化的两种C原子，sp3杂化的C原子破坏了其平面结构，从而不满足形成大π键的条件，故不再导电。而火焰产生的高温可以破坏GO中的含氧基团，使得C原子又恢复了sp2杂化形式，重新形成了大π键，恢复了它的导电性。

4.3.2 石墨烯的非共价键改性

［资料2］将抗肿瘤药物盐酸阿霉素（DXR）（见图10）与GO进行处理，可实现GO对DXR的有效负载和可控释放，使其在生物医药方面有重要应用［7］。

［教师提问］分析DXR药物分子之间存在的作用力有哪些？试从结构的角度分析DXR能够负载在GO上的本质原因？

［学生讨论汇报］DXR分子之间存在范德华力和氢键；DXR和GO结构中都存在含氧（含氢）基团，具备形成分子间氢键的条件，故DXR能够负载在GO上可能是氢键的作用。

设计意图：从石墨烯结构分析到石墨烯功能化应用，进一步体会结构与性质的关系，认识改变物质结构对物质性质的重要影响。在陌生的学术情境中面对复杂的物质结构，评价学生能否基于结构视角分析和解决实际问题。

5 教学效果及反思

5.1 基于项目的模块复习有利于从整体视角建构学科认知角度

本项目以石墨烯的结构和性质分析为线索，建构从结构角度认识物质性质和改变结构进而改进物质性质的思维模型，体验科学研究的一般过程。整个项目从物质结构分析过渡到物质性质和功能探究，精心设计探究型、分析型、评价型等高阶学习任务，在推进过程中，将学科核心知识、学科方法和学科观念进行结构化整合，促进学生从整体视角建构学科认知角度。

5.2 基于项目的模块复习有利于认识角度的建构与迁移

项目式学習倡导学生在真实情境中综合利用所学知识解决陌生复杂的问题。在真实情境中学生能切身感受认识角度的功能价值。如本项目基于“石墨烯的结构分析”任务帮助学生建构物质结构分析视角，并基于结构视角解决“石墨烯性质解释和预测”“石墨烯功能化应用和改性”两个应用性问题，充分体现认识角度的功能性。教学实践表明，多数学生在面对GO与DXR等陌生结构的远迁移问题时，能够主动从结构视角进行较为准确的解释与说明。

5.3 基于项目的学习有利于学科认识方式的稳定输出

学科认识方式是学科核心素养的实质内涵。学生建构的认识角度是否趋于稳定，关键在于陌生情境中能否自主调用学科认识角度。课后以图11所示的陌生结构［8］设计“（1）尿素中N原子的杂化方式和空间构型判断；（2）尿素分子间依靠何种作用力形成蜂窝状六角形通道结构；（3）尿素分子与正烷烃为什么能形成稳定的晶体结构，试猜想其用途”等三个递进性问题测查学生的学习效果。其中问题（1）作为基础性问题95%以上的学生都能答对，问题（2）、 （3）80%以上的学生能正确关联认识角度进行预测说明，且特别可喜的是，在访谈中有学生提到“原来考试的时候碰到这么复杂的结

构基本就放弃了，但通过今天老师所讲的认识模型，我就从微粒间作用的角度分析空间排布，尿素分子间只能依赖分子间作用力结合，再具体到N、 H、 O等元素就只能是氢键的作用了，好像也没那么复杂……”，说明学生不仅具备了多角度认识物质结构的视角，还能稳定输出这些角度来解决陌生且复杂的问题。

参考文献：

［1］ ［3］ 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2020年修订）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020.

［2］ 武衍杰， 江合佩等. 基于化学教学内容“结构化”的项目式教学［J］. 化学教学， 2021，（3）： 44～50.

［4］ https：//v.youku.com/v_show/id_XNTExMzE2NDgwNA==.html.

［5］ 苑凌云， 岳文虹等. 关于石墨、金刚石熔点比较的思考［J］. 化学教学， 2020，（11）： 90～93.

［6］ Chen Fei-Fei， Zhu Ying-Jie， Chen Feng， et al.. Fire Alarm Wallpaper Based on Fire-Resistant Hydroxyapatite Nanowire Inorganic Paper and Graphene Oxide Thermosensitive Sensor ［J］. ACS NANO， 2018， 12（4）： 3159～3171.

［7］ 李晓， 赵东林等. 盐酸阿霉素在纳米载体氧化石墨烯上的可控负载与释放［J］. 功能材料， 2013， 44（1）： 96～98，102.

［8］ 周公度. 超分子结构化学［J］. 大学化学， 2002，（5）：1～12.