助力化学素养培养的典型物理模型

科学模型具有三个功能：一是使物体和抽象概念简单化，二是使复杂现象可视化，三是提供对科学现象的解释和预测。化学模型作为科学模型的一种，具有同样的功能。“模型认知”是化学核心素养之一，它要求学生建构模型并运用模型解决化学问题，形成化学思维方法。这反映出理解模型和创建模型对化学学习的重要性。已有研究参照《美国国家科学教育标准》将高中化学涉及的模型分为物理模型、概念模型、数学模型三类。其中，物理模型是以实物或图画形式直观表达认识对象特征的模型，它通过将抽象的微观粒子及化学概念具体化、宏观化，帮助学生更好地理解知识本质，发展模型认知素养。实际教学中，教师可依托以下四类模型促进上述素养目标的达成。

一、球棍模型助力有机分子结构认知

在高中化学中，球棍模型广泛用于描述各种有机化合物的分子结构。搭建球棍模型是学生认识有机化合物分子结构特点的重要方法，能为后续有机物性质的学习奠定基础。

在“搭建分子球棍模型”学习活动中，教师先引导学生搭建结构比较简单的甲烷、乙烷等分子的球棍模型，进而认识其分子结构，发现烷烃中碳原子成键特征，即每个碳原子都形成四个单键且呈现以碳原子为中心的四面体结构。接着，教师引导学生搭建乙烯、乙炔等分子的球棍模型，感受烯烃、炔烃中碳原子成键特征：烯烃有碳碳双键，双键碳原子及其直接相连的原子在一个平面上；炔烃有碳碳三键，三键碳原子及其直接相连的原子在一条直线上。然后，学生通过对比甲烷、乙烷、乙烯、乙炔的分子结构，体会分子结构式与分子空间结构的关系。在此基础上，教师引导学生自主搭建CH2Cl2的球棍模型，通过对比辨析发现CH2Cl2只有一种结构，从而更好地理解甲烷的四面体结构。最后，教师引导学生搭建含4个碳原子的烃类球棍模型，探究有机物种类繁多的原因。通过以上教学活动，学生直观感知了有机物分子结构的特征，发展了模型认知素养。

有机物分子中原子共线、共面问题是常见题型，由于存在线面、面面交叉问题，学生解答有一定难度，教师可引导学生借助球棍模型直观地解决问题。例如：图1有机物分子中最多有多少个原子在一条直线上？最多有多少个原子在一个平面上？

作答本题，教师可引导学生搭建球棍模型，直观理解“苯环对位上的碳及其直接相连的原子在一条直线上、苯环及其直接相连的原子在一个平面上、碳碳三键及其直接相连的原子在一条直线上、碳碳双键及其直接相连的原子在一个平面上、甲烷分子5个原子中最多有3个共面、氨分子4个原子中最多有3个共面”。同时，教师提醒学生单键可沿轴转动，因此要解决“最多共线”问题，就要找苯环和碳碳三键。由此，学生可发现图1有机物分子中最多有6个原子在一条直线上。由于单键可旋转，教师可通过球棍模型帮助学生理解在解决“最多共面”问题时，单键碳要去掉2个氢原子，单键氮要去掉1个氢原子，因此图1有机物分子中最多共面原子数为原子总数减去3个氢原子，即最多有20个原子共面。需要注意的是，对于复杂的线面问题，学生需要在直观感知具体分子物理模型的基础上，借助简单分子空间结构的思维模型进一步探析。

二、吸管积木模型助力晶体结构理解

相较于球棍模型，吸管积木模型的搭建过程更简便，其体积较大，便于观察，有助于学生理解晶胞结构、晶胞中微粒的计算方法等晶体教学的难点。

例如，在晶体结构的教学过程中，教师引导学生先利用吸管和积木构建如图2所示的若干简单的立方体晶胞模型，接着将搭建好的模型有序地堆砌成如图3所示的小型晶体，并从顶角、棱、面和体心等角度观察小型晶体模型，交流晶胞的特征，分析用晶胞搭建晶体时晶胞的顶角是否相同、平行面是否相同等问题，然后比较不同微粒在空间中延伸的方向和距离，从微观角度解释晶体物理性质的各向异性，最后进一步观察小型晶体模型，明确晶体中晶胞“无隙并置”的含义，进而总结出计算晶胞中原子个数的“均摊法”。

三、气球模型助力价层电子对互斥模型建构

学生对价层电子对互斥模型（VSEPR模型）比较陌生，教师利用气球模拟呈现价层电子对互斥模型，让每个价层电子对对应一个充气气球，能帮助学生直观感知电子对之间的排斥作用所导致的分子或离子空间结构的差异。实践中，教师可通过以下三个学习任务达成上述目标。

任务一，分别计算[CO2]、[SO2]、[CO2-3]、[CH4]、[NH3]、[H2O]、[PCL5]、[SF6]中心原子上的价层电子对数。该任务旨在引导学生通过计算发现不同分子或离子中心原子上的价层电子对数存在差异，如[CH4]、[NH3]、[H2O]中心原子上的价层电子对数为4，[SO2]中心原子上的价层电子对数为3等。

任务二，利用充气气球搭建分子或离子的VSEPR模型。该任务旨在引导学生通过气球模型的搭建，了解中心原子上的价层电子对数与VSEPR模型间的关系。实践中，学生先给若干个球形和椭球形小气球吹满气，然后用椭球形气球代表成键电子对，用球形气球代表孤电子对，根据任务一的计算结果分别搭建分子、离子的VSEPR模型，如图4是[CH4]分子的VSEPR模型，最后在教师引导下总结出如表1所示的5种模型，获得对价层电子对数与分子、离子空间结构关系的直观认知。

任务三，根据搭建的模型推测分子、离子的空间结构。该任务旨在让学生理解价层电子对互斥理论能预测分子、离子的空间结构。学生对比观察自己搭建的价层电子对气球模型与相应的VSEPR模型发现：当中心原子无孤电子对时，其分子或离子的空间结构与VSEPR模型相同；当中心原子有孤电子对时，略去孤电子对就得到分子或离子的空间结构。[CH4]中心原子上无孤电子对，[NH3]中心原子上有一个孤电子对，[H2O]中心原子上有两个孤电子对，因为孤电子对占据较大的空间，所以[CH4]、[NH3]、[H2O]的键角由大到小的顺序是[CH4]＞[NH3]＞[H2O]。这为后续“键参数—键角大小的比较”教学奠定了认识基础。

以上教学还能避免学生对分子、离子的空间结构形成错误认知。例如，当价层电子对数为4时，学生可能会主观地认为其结构趋向正方形，但通过气球模拟实验，他们会发现其结构实际上是正四面体，因为将四个气球压在一个平面上，撤掉外力后，这四个气球会自发地形成正四面体结构。

四、竹签胡萝卜模型助力微粒键角大小比较

分子结构被认为是认识和掌握物质化学性质和化学反应规律的基础。键角是描述分子结构的重要参数。关于微粒键角大小的比较，学生常常遇到这样的问题：中心原子不同、配原子相同且结构相似的分子如[NCl3]与[PCl3]的键角大小比较；中心原子相同、配原子不同且结构相似的分子如[NH3]与[NF3]的键角大小比较。在比较微粒中键角的大小时，为了解决气球与中心原子的距离相对固定、不易移动的问题，教师可对气球模型进行改进，构建竹签胡萝卜模型（如图5所示）。

此模型中，手代表中心原子，胡萝卜代表价层电子。通过模型演示，学生发现胡萝卜越靠近手，胡萝卜之间的排斥力导致的竹签夹角越大，进而得出“价层电子对离中心原子越近，键角越大，反之键角越小”的结论。

比较[NCl3]与[PCl3]的键角大小时，教师引导学生使用竹签胡萝卜模型直观地观察与分析。由于N-Cl键长比P-Cl短，并且电负性关系为N＞Cl＞P，所以N-Cl共用电子对更靠近中心原子N，要将胡萝卜拨到离手更近的位置；而P-Cl共用电子对更靠近配位原子Cl，要将胡萝卜拨到离手更远的位置。由此，学生得出[NCl3]的键角大于[PCl3]的键角。多次比较后，教师引导学生总结规律：一般情况下，对于中心原子不同、配位原子相同且结构类似的分子，中心原子的电负性越强，成键电子离中心原子越近，键角越大。[NH3]与[NF3]的键角大小比较问题与此类似，学生可借助模型直观地观察与分析，得出[NH3]的键角大于[NF3]的键角。

基于以上两种类型键角大小比较的分析，教师引导学生进一步总结规律：对于同种结构的非直线形极性分子，分子的键角大小会受到原子电负性的影响——一般情况下，成键电子离中心原子越近，键角越大，反之键角越小。

（作者单位：利川市第一中学）

文字编辑  刘佳