基于证据推理与模型认知的“原子轨道杂化与分子空间结构”教学设计

2023-12-25王广扬经志俊

化学教学 2023年11期

王广扬　经志俊

摘要：以常见烃分子空间结构的实验事实为依据，基于认知冲突通过证据推理引导学生自主建构原子轨道杂化的概念，并运用杂化轨道理论解释分子的空间结构；通过常见微粒空间结构的列表分析，探究原子轨道杂化方式与价层电子对数的关系；基于知识关联和认识思路的内容结构化，引导学生学会预测与解释微粒（分子）的空间结构，促进学生“证据推理与模型认知”学科核心素养水平的发展。

关键词：分子空间结构；杂化轨道理论；证据推理；模型认知；内容结构化

文章编号： 10056629（2023）11004505 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 基于前期分析定位教学策略

“杂化轨道理论简介”是人教版选择性必修2《物质结构与性质》第二章第二节“分子的空间结构”的重要组成部分，也是化学高考的评价热点。缘于该内容本身的抽象程度较高，加之教师对其在研究“分子的空间结构”中功能与价值的定位比较模糊及其与VSEPR（价层电子对互斥）模型逻辑关联的发掘不力，导致其成为高中化学学习的难点之一。

基于研读课标、分析教材、把握学情的前期分析（见表1），将教学主题设定为“原子轨道杂化与分子空间结构”。将

教学的基本策略确定为：

基于学习内容并对标课程要求，通过“任务驱动”“问题解决”等学习策略，聚焦“证据推理与模型认知”学科核心素养的发展；依托实验事实并重组教材内容，通过甲烷、乙烯、乙炔、苯等常见分子空间结构的科学解释，自主建构并深度理解杂化轨道理论；运用列表梳理并归纳提炼，通过分子的空间结构预测与解释的思维建模，落实基于认识思路的内容结构化，促进学科知识向学科素养的转变。

2 聚集素养发展规划教学实施

基于杂化轨道理论解释分子的空间结构，是“证据推理与模型认知”水平发展的重要载体，选择“由结构事实推理轨道杂化，用軌道杂化解释空间结构”的学习策略，设置“激活杂化轨道理论建构的必备知识”“形成杂化轨道理论建构的基本策略”“优化分子空间结构问题的认知模型”和“落实学业质量水平达成的有效评价”等四个教学环节。

2.1 环节一：激活杂化轨道理论建构的必备知识

唤醒对“电子跃迁”“共价键的饱和性与方向性”的认知，深化对“VSEPR模型”的理解，体验跨学科知识解决化学问题的魅力。

学习任务1：以碳元素为例说明原子结构的基态与激发态（见图1）；以HCl为例诠释共价键的饱和性与方向性（见表2）；用库仑定律解读价层电子对互斥模型（见表3）。

2.2 环节二：形成杂化轨道理论建构的基本策略

以CH4、 C2H4、 C2H2分子结构的相关事实（分子模型、键参数等）为依据，基于事实与前概念的认知冲突，从电子跃迁、原子轨道杂化、杂化轨道及未杂化轨道的空间分布、σ键与π键的形成，逐步建构sp3、 sp2、 sp等碳原子轨道杂化方式，并在此基础上科学解释CH4、 C2H4、 C2H2分子的空间结构。

学习任务2：以CH4为例认识碳原子轨道的sp3杂化。

从CH4的空间结构的事实出发（见图2），引导学生基于证据推理逐步解决问题（见表4），自主建构碳原子轨道的sp3杂化的概念，初步体验用杂化轨道理论解释分子空间结构的科学方法。

学习任务3：以乙烯、乙炔为例认识碳原子轨道的sp2、 sp杂化；运用杂化轨道理论解释苯分子的空间结构。

从乙烯、乙炔空间结构的事实出发（见图3、图4），引导学生基于证据推理逐步解决问题（见表5），自主建构碳原子轨道的sp2、 sp杂化的概念，进一步体验用杂化轨道理论解释分子空间结构的科学方法。

从苯空间结构的事实出发（见图5），组织学生讨论交流并基于证据推理逐步形成“碳原子成键时，1个2s电子跃迁到2p轨道。2s轨道与2个2p轨道进行重组形成3个完全相同的sp2杂化轨道，3个sp2杂化轨道分别沿平面三角形的3个顶角方向伸展。未杂化的p轨道与sp2杂化轨道彼此垂直。3个sp2杂化轨道分别与另2个碳原子及1个氢原子形成σ键，6个碳原子组成了一个六元环，6个未杂化的p轨道形成1个大π键。这就决定了苯分子中的键角为120°，12个原子共处于同一平面。6个碳原子未杂化的p轨道彼此重叠形成的大π键，导致相邻2个碳原子间未杂化的p轨道电子云重叠的程度小于CC。使得苯分子中碳碳键键长介于CC、 C—C之间”等结论，深度体验用杂化轨道理论解释分子空间结构的科学方法。

2.3 环节三：优化分子空间结构问题的认知模型

通过列表分析，引导学生归纳出原子轨道杂化方式与价层电子对数之间的对应关系，结合列表梳理，提示“微粒组成、中心原子价层电子对数、轨道杂化方式、VSEPR模型、微粒空间结构”的内在联系，形成结构化的认知图式；基于“微粒组成分析中心原子价层电子对数”“价层电子对数匹配VSEPR模型或原子轨道杂化方式”“VSEPR模型结合组成预测微粒空间结构，轨道杂化方式结合组成解释微粒空间结构”的认识思路，建构结构化的认知模型。

学习任务4：基于表6归纳原子轨道杂化方式与价层电子对数的关系；填写表7发掘原子轨道杂化方式与价层电子对互斥模型的内在联系；基于“VSEPR模型”“杂化轨道理论”的功能定位差异，建构微粒空间结构的预测与解释的思维模型（见图6）。

2.4 环节四：落实学业质量水平达成的有效评价

基于学业质量水平要求，聚焦教学评一体化。以高考试题为素材，评价学生学业质量水平的达成情况和学科核心素养的发展水平，反馈课堂教学的效果。

学习任务5：按要求回答下列问题。

（1） FeSO4隔绝空气受热分解生成SO2、 SO3、 Fe2O3。

SO2分子的空间构型为＿＿＿＿，其中S原子的杂化类型为＿＿＿＿。

（2）乙二胺（H2NCH2CH2NH2）是一种有机化合物，分子中氮、碳的杂化类型分别是＿＿＿＿、＿＿＿＿。

（3）有＿＿＿＿种不同杂化类型的碳原子，其中采用sp2杂化的碳原子有＿＿＿＿个。

3 依据学生表现反思教学实践

“学习内容抽象度高，素养目标针对性强”是“原子轨道杂化与分子空间结构”这一学

习主题的显著特点，结合课堂教学学生的实际表现（见表8），笔者在课后与芮城县高中化学骨干教师重点交流了以下教学体会和优化措施。

（1）展示分子结构模型，追求结构可视化。