基于大单元教学的自制教具作业设计——以“物质模型搭建”为例

赵延军

青海师范大学附属实验中学 (810008)

1 问题的提出

《普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订)》在多处提出搭建球棍模型或实物模型,通过模型认识物质的结构,降低学习内容的抽象性,促进学生对相关内容的理解和认识[1],其所在模块、要求及核心知识间的对应关系见表1。针对化学学习中的晶体结构、有机物分子结构等微观抽象的内容,借助实物模型可以将微观结构宏观化、抽象内容直观化,帮助学生全面地认识物质的结构,实现化学思维的有效进阶。

表1 新课标中模型搭建活动所在模块及要求与核心知识间的关系

马薇提出:“如果能让学生利用简单的材料亲自动手组装晶体模型,保证人手一个,对于加深学生对晶体结构的理解、构建合理的空间想象力、同时激发学生的学习兴趣有十分积极的作用”[2]。赵旭东认为:“学生亲自动手制作的模型,不仅直观,而且在制作过程中就解决了有机物分子结构特点的绝大部分问题。学生能轻松突破原子共面、共线难点。搭建球棍模型的实验活动非常有意义,是其他学习方式无法代替的”[3]。为了让学生彻底理解晶体结构和有机物分子的结构特点,在学生充分学习杂化轨道理论、价层电子对互斥理论、晶体结构、有机物分子结构的基础上设计了以“物质模型搭建”为大单元教学主题的自制教具作业。将模型搭建作为明线,将渗透其中的学科思想方法作为暗线,为学生创造自主动手、动脑的探究机会[4],让学生利用生活中常见的橡皮泥、泡沫球等作为小球,以牙签、铁丝、吸管等作为化学键搭建晶体结构和有机物分子的结构模型,学生在自己搭建模型的过程中可以内化物质结构、突破学习难点,强化对晶体结构和有机物分子结构的深度认识,同时在制作模型的过程中能提高学生的动手能力、协作能力和空间想象能力,帮助学生建立系统的思维逻辑[5],利用搭建的模型分析物质具体性质,强化“结构决定性质”的化学思维,最终提升学生“证据推理和模型认知”等维度的化学学科核心素养。

2 作业设计方案

2.1 作业目的

激发学生对化学的学习兴趣,帮助学生深入理解物质的空间结构与性质的关系,培养学生的动手能力、协作能力、空间想象能力,丰富学生的课余生活,扩大学生的化学知识面,落实化学学科“证据推理与模型认知”的核心素养。

2.2 材料选择

学生根据自己的特长自行选择搭建模型的材料,可以用橡皮泥、乒乓球、牙签、小木棒等。不建议从网上购买制作好的模型或已经打好孔的小球搭建模型,因为这种小球打孔后方向已经固定,学生搭建模型时对原子的位置关系、键角等产生思维定势,不利于发展学生的空间想象能力。

2.3 搭建模型范围

分子晶体、原子晶体、金属晶体、离子晶体等物质的晶体结构以及有机物的分子模型(球棍模型、比例模型)或自己感兴趣的物质模型。

2.4 搭建思路

(1)晶体结构模型搭建思路:选择要搭建的晶体→分析晶体类型→分析晶体的成键微粒→查找教材及网络模型→搭建晶体骨架结构→进行美观处理。

(2)有机物分子模型搭建思路:选择要搭建的有机物分子→分析分子组成和不饱和度→搭建碳骨架结构→分析官能团的结构及连接方式→依据碳四价原则补齐氢原子数→进行美观处理。

模型搭建时要充分挖掘课本原型,从教材中寻找素材,也可以从网络资源中寻找创作灵感,确定好创作模型和所用材料,充分发挥空间想象能力,通过小组合作科学准确搭建出美观且趣味性较强的模型。搭建过程中要注意原子间的比例大小、化学键的长短、键角的度数等,制作的模型大小不限,最好配有简洁的文字解释说明。

3 作业收集展示

3.1 晶体模型

学生搭建的晶体模型如图1所示,主要有NaCl的晶胞结构,石墨、金刚石和C60的空间结构,也有个别小组搭建了金属原子在三维空间的六方最密堆积模型。

图1 学生搭建的晶体模型

3.2 有机物分子模型

如图2所示,在有机物分子模型中学生搭建最多的有甲烷的球棍模型、乙烯的比例模型、苯的球棍模型、乙酸乙酯的比例模型等,最吸引眼球的当属一组同学制作的预防及治疗深静脉血栓及肺栓塞的药物法华林钠的球棍模型。

图2 学生搭建的有机物分子模型

4 总结

本作业设计以 “物质模型搭建”作为大单元教学主题,以学生所学的晶体结构、有机物分子结构、杂化轨道理论、价层电子对互斥理论等具体核心知识作为载体,利用生活中常见的材料设计搭建了各种物质的模型。从学生的展示情况看,学生在模型搭建时根据课堂所学的晶体结构的特点及各种有机物的分子结构,充分利用价层电子对互斥理论及杂化轨道理论分析键长、键角的关系,搭建了各种有趣的结构,这些模型有课堂所学的结构,如石墨、金刚石、甲烷、乙烯、苯等,也有课堂之外的拓展性物质,如多巴胺、法华林钠等。在材料选择上学生们的想象力也非常丰富,除了用橡皮泥、乒乓球、牙签外,也有部分同学用到了泡沫球、弹力球、磁力球、塑料吸管、铁丝、铜丝等,甚至有一组同学用棒棒糖制作了甲烷的球棍模型,最让人意想不到的是有一个小组的同学自己电脑上3D建模后利用3D打印技术搭建了C60的空间构型。

采用实物模型探究教学,给学生创造了动手、动脑、自主探究的机会,可以激发学生的学习兴趣,引发和保持学生良好的学习动机[6]。学生在搭建模型时要系统回顾自己所学的知识,充分发挥空间想象力,对不同类型的晶体结构、杂化轨道理论、碳原子的成键特点、键角等非常熟悉才能正确美观地制作出相关物质的模型,制作过程中需要充分发挥各小组同学的动手能力、协作能力、空间想象能力,借助球棍模型搭建作业,还可以将外在的搭建活动和内在的思维活动紧密结合起来,并迁移到具体物质的符号表征和性质分析中,使结构模型成为分析物质化学符号和性质的有效手段[7]。学生通过搭建晶体模型和有机物分子模型能深度认识各种晶体结构、粒子的堆积方式、有机物碳骨架特点、原子共线共面、官能团的空间结构等,突破了晶体结构和有机物分子结构的空间认知障碍,强化对物质的结构认知,帮助学生建立晶体和有机物分子的空间思维逻辑,深入理解物质的空间结构与性质的关系,体会“结构决定性质”的化学核心思想。