摘 要：以高中化學(xué)選擇性必修2《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》中“微粒間的相互作用與物質(zhì)性質(zhì)”主題為例，從“理解什么”“如何理解”和“理解結(jié)果”三個(gè)維度，深刻認(rèn)識(shí)微粒之間存在不同類型的相互作用及物質(zhì)性質(zhì)與微粒結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系；結(jié)合實(shí)例重點(diǎn)探討了共價(jià)鍵的形成過程、共價(jià)鍵中原子的電負(fù)性對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的影響等，開展教學(xué)實(shí)踐，并給出了教學(xué)建議。

關(guān)鍵詞：高中化學(xué); 學(xué)科理解; 微粒間相互作用; 分子結(jié)構(gòu); 共價(jià)鍵

文章編號(hào)：1005-6629（2024）09-0055-07

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 問題的提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱“化學(xué)新課標(biāo)”）在課程實(shí)施建議中首次提出了“化學(xué)學(xué)科理解”的概念，并對(duì)其基本內(nèi)涵進(jìn)行了闡釋。化學(xué)學(xué)科理解是指教師對(duì)化學(xué)學(xué)科知識(shí)及其思維方式和方法的一種本源性、結(jié)構(gòu)化的認(rèn)識(shí)，它不僅僅只是對(duì)化學(xué)知識(shí)的理解，還包括對(duì)具有化學(xué)學(xué)科特質(zhì)的思維方式和方法的理解^［1］。對(duì)化學(xué)學(xué)科知識(shí)的本源性認(rèn)識(shí)，可以理解為對(duì)學(xué)科知識(shí)的形成、內(nèi)涵、功能和局限性等多方面的認(rèn)識(shí)；對(duì)化學(xué)學(xué)科知識(shí)的結(jié)構(gòu)化認(rèn)識(shí)，可以理解為對(duì)學(xué)科知識(shí)之間相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)；對(duì)化學(xué)學(xué)科思維方式和方法的結(jié)構(gòu)化認(rèn)識(shí)，可以理解為具有學(xué)科特質(zhì)的化學(xué)認(rèn)識(shí)視角和化學(xué)認(rèn)識(shí)思路的形成。化學(xué)新課標(biāo)將“學(xué)科理解”作為破解“由知識(shí)教學(xué)向素養(yǎng)發(fā)展教學(xué)轉(zhuǎn)變”這一難題的突破口，通過學(xué)科理解凝練化學(xué)知識(shí)的素養(yǎng)功能，以發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)^［2］。

課堂教學(xué)的構(gòu)建，依賴于教師對(duì)學(xué)科知識(shí)本質(zhì)的把握，以及依此形成的對(duì)學(xué)生知識(shí)理解、思維發(fā)展和能力培養(yǎng)的期待及系統(tǒng)考慮^［3］。“微粒間的相互作用與物質(zhì)性質(zhì)”是化學(xué)學(xué)科的核心內(nèi)容，對(duì)認(rèn)識(shí)物質(zhì)構(gòu)成的規(guī)律及化學(xué)變化的微觀實(shí)質(zhì)具有不可替代的作用。與此同時(shí)，不同類型微粒間相互作用及其相關(guān)概念具有高度的概括性和抽象性等特點(diǎn)，教師和學(xué)生在教材各階段的教學(xué)和學(xué)習(xí)中均存有一定的困難。必修課程中曾用電子式表示NaCl、HCl等化學(xué)鍵的形成過程，使學(xué)生初步認(rèn)識(shí)最外層電子在成鍵過程中的關(guān)鍵作用；在選擇性必修課程中，通過實(shí)驗(yàn)事實(shí)和相關(guān)數(shù)據(jù)等關(guān)鍵證據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生從原子軌道重疊、電子間相互作用等視角理解化學(xué)鍵的本質(zhì)和特征，將成為教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。以共價(jià)鍵為例，由此引發(fā)的知識(shí)關(guān)聯(lián)與融合，化學(xué)反應(yīng)中共價(jià)鍵的類型與反應(yīng)熱效應(yīng)的關(guān)系、電負(fù)性對(duì)物質(zhì)性質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)的影響等，都要求教師具有較高層次的化學(xué)學(xué)科理解能力。據(jù)此，筆者從教學(xué)實(shí)踐的視角對(duì)相關(guān)問題展開研究，旨在提升教師對(duì)“微粒間的相互作用與物質(zhì)性質(zhì)”的認(rèn)識(shí)水平，并通過教學(xué)改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，幫助學(xué)生逐步建立結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的聯(lián)系，發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

2 關(guān)于學(xué)科理解的層級(jí)及內(nèi)涵

從教學(xué)設(shè)計(jì)來看，化學(xué)學(xué)科理解的貢獻(xiàn)在于為教學(xué)內(nèi)容分析提供“學(xué)科視角”，基于學(xué)科視角進(jìn)行學(xué)科功能分析^［4］。圍繞“微粒間的相互作用與物質(zhì)性質(zhì)”展開教學(xué)內(nèi)容的分析，從學(xué)科理解視角，主要剖析知識(shí)結(jié)構(gòu)中所蘊(yùn)含的本源性問題（理解什么）、認(rèn)識(shí)視角與認(rèn)識(shí)思路（如何理解）、知識(shí)結(jié)構(gòu)化和知識(shí)應(yīng)用（理解結(jié)果）三個(gè)層級(jí)，如圖1所示。

2.1 加強(qiáng)對(duì)知識(shí)本源性的認(rèn)識(shí)

微粒之間存在不同類型的相互作用，包括原子間相互作用和分子間相互作用，高中階段學(xué)生主要認(rèn)識(shí)化學(xué)鍵和分子間作用力。其學(xué)科本源性問題，即微粒間相互作用的方式是怎樣的、其形成過程又如何？原子間的相互作用，可分為離子鍵、共價(jià)鍵和金屬鍵，配位鍵在形成后其鍵能、鍵長等鍵參數(shù)與共價(jià)鍵無異，仍隸屬于共價(jià)鍵范疇。分子間的相互作用，其本源性問題聚焦在“分子是通過何種方式聚集成各種物質(zhì)的”，其中包含范德華力、氫鍵、π-π堆積和疏水作用等。

2.2 明晰認(rèn)識(shí)視角與認(rèn)識(shí)思路

認(rèn)識(shí)視角是對(duì)物質(zhì)變化規(guī)律及其特征的認(rèn)識(shí)切入點(diǎn)或維度?？茖W(xué)家們對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了漫長的過程，從無核原子結(jié)構(gòu)模型（實(shí)心帶電球原子模型）到有核原子結(jié)構(gòu)模型（太陽系模型），再到玻爾模型（核外軌道量子化），進(jìn)而研究并揭示“微粒間通過何種作用力結(jié)合到一起”。其認(rèn)識(shí)視角可歸納為靜電作用、電子得失和共用、原子軌道有效重疊使分子能量降低等，具體闡釋如表1所示。

據(jù)此，對(duì)“微粒間的相互作用”的認(rèn)識(shí)思路要將上述三個(gè)視角融合起來。首先，原子與原子間（或分子與分子間）普遍存在著靜電作用：庫侖力或靜電力（分子間作用力稱之為取向力、誘導(dǎo)力和色散力）；其次，原子間通過電子的得失或共用，以達(dá)到自身相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，即形成了化學(xué)鍵；最后，理解化學(xué)鍵的本質(zhì)是帶有相同電荷的電子進(jìn)行配對(duì)，即原子軌道的重疊，使體系能量降低。

2.3 逐步形成知識(shí)結(jié)構(gòu)化

核心素養(yǎng)導(dǎo)向的化學(xué)教學(xué)，在教學(xué)內(nèi)容的選取與組織上，要注重大概念的抽提^［6］。大概念可分為跨學(xué)科大概念、學(xué)科大概念、單元大概念和重要概念等^［7］。據(jù)此，將“微粒間的相互作用”抽提為學(xué)科大概念，則其本源性認(rèn)識(shí)“微粒間的相互作用方式”——化學(xué)鍵和分子間作用力為單元大概念，重要概念是“離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵、范德華力和氫鍵”，繼續(xù)發(fā)展的相關(guān)概念還有與之對(duì)應(yīng)的晶體類型和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（見圖1）。

與此同時(shí)，學(xué)科理解的結(jié)果不僅關(guān)注學(xué)生對(duì)相關(guān)概念的辨識(shí)和記憶，更要關(guān)注學(xué)生能否根據(jù)微粒的種類及微粒之間的相互作用方式，認(rèn)識(shí)物質(zhì)的性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系，主動(dòng)建構(gòu)相關(guān)概念之間的聯(lián)系，并基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)等證據(jù)，從微觀視角對(duì)物質(zhì)表現(xiàn)出的宏觀性質(zhì)或反應(yīng)規(guī)律等進(jìn)行合理解釋。

3 教學(xué)實(shí)踐

3.1 改變學(xué)習(xí)方式，增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)

化學(xué)新課標(biāo)倡導(dǎo)“素養(yǎng)為本”的教學(xué)，改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式。教學(xué)中“微粒間的相互作用”所涉及的“鍵”“靜電作用”“軌道重疊”“分子構(gòu)型”“微粒聚集”等相關(guān)概念較為抽象，由于“看不見、抓不住”，學(xué)生不易進(jìn)行聯(lián)想或類比，在學(xué)習(xí)中存有畏難情緒。在課堂教學(xué)中，教師采用“讀→看→畫→做”的教學(xué)方法，使學(xué)生對(duì)“微粒間的相互作用”的學(xué)習(xí)體驗(yàn)更加直接。如在共價(jià)鍵π鍵的教學(xué)中，學(xué)生先閱讀教材有了初步感知，然后通過教師的模型展示進(jìn)一步理解兩個(gè)原子的p軌道如何進(jìn)行“肩并肩”重疊，再到學(xué)生分組繪制重疊圖像及用橡皮泥做出實(shí)物形狀，逐步加深對(duì)成鍵方式的理解；又如認(rèn)識(shí)晶體中微粒的空間排布存在周期性時(shí)，讓學(xué)生動(dòng)手搭建晶體模型，提升了學(xué)生對(duì)晶胞具有無隙并置特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)，如圖2～圖4所示。

3.2 建立知識(shí)關(guān)聯(lián)，提升主題間的融合性

在探討“微粒間相互作用”關(guān)于化學(xué)鍵的斷裂與形成這一內(nèi)容時(shí)，學(xué)生未能直觀想象原子間的成鍵和斷鍵過程，難以深刻理解不同原子間所形成的共價(jià)鍵的強(qiáng)度有所不同。故教學(xué)中宜采用“基于學(xué)科思想的知識(shí)關(guān)聯(lián)和遷移”的教學(xué)策略，教師要“跳出結(jié)構(gòu)看結(jié)構(gòu)”，選取學(xué)生比較熟悉的宏觀概念或事實(shí)作為證據(jù)，建立知識(shí)間的聯(lián)系，應(yīng)用“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”及“性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)”的學(xué)科思想，基于宏觀證據(jù)解釋微觀實(shí)質(zhì)，使學(xué)生融合已經(jīng)學(xué)過的相關(guān)主題有邏輯地理解所學(xué)內(nèi)容。

案例1 從能量變化的視角認(rèn)識(shí)共價(jià)鍵的強(qiáng)度

人教版教材中對(duì)σ鍵和π鍵的形成和類型描述為：σ鍵是由兩個(gè)原子的p軌道“頭碰頭”重疊形成的，π鍵是由兩個(gè)原子的p軌道“肩并肩”重疊形成的，π鍵和σ鍵的強(qiáng)度不同^［8］，并以乙烯、乙炔分子為例，說明π鍵不如σ鍵牢固，容易斷裂。那么，如何讓學(xué)生更深層次地理解π鍵和σ鍵的強(qiáng)度差異呢？

教師可從化學(xué)反應(yīng)中能量變化的視角，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)兩種共價(jià)鍵的不同牢固程度。如烷烴的裂解反應(yīng)（圖5），當(dāng)反應(yīng)中有σ鍵轉(zhuǎn)變?yōu)棣墟I時(shí)，通常表現(xiàn)為吸熱反應(yīng)。查閱相關(guān)共價(jià)鍵的鍵能數(shù)據(jù)^［9］進(jìn)行計(jì)算，反應(yīng)的ΔH=+123.5kJ·mol^-1，說明斷裂σ鍵吸收的能量大于形成π鍵釋放的能量，證明σ鍵比π鍵更加牢固。

同理，當(dāng)反應(yīng)中有π鍵轉(zhuǎn)變?yōu)棣益I時(shí)，通常為放熱反應(yīng)，如烯烴的聚合反應(yīng)（圖6），說明斷裂π鍵吸收的能量小于形成σ鍵釋放的能量，同樣證明σ鍵比π鍵更加牢固。

不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)反應(yīng)中沒有發(fā)生σ鍵和π鍵的相互轉(zhuǎn)變時(shí)，如酯化反應(yīng)，一般反應(yīng)熱都很小。據(jù)此，通過引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注化學(xué)反應(yīng)中σ鍵轉(zhuǎn)變?yōu)棣墟I或π鍵轉(zhuǎn)變?yōu)棣益I時(shí)的能量變化，結(jié)合化學(xué)反應(yīng)原理的相關(guān)知識(shí)，可以從微觀視角認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)的某些特點(diǎn)及變化規(guī)律。

案例2 從“成鍵三要素”的視角，認(rèn)識(shí)氫鹵酸的酸性強(qiáng)弱

現(xiàn)代價(jià)鍵理論的基本要點(diǎn)包含電子配對(duì)原理和最大重疊原理，分別體現(xiàn)了共價(jià)鍵的飽和性和方向性。從成鍵三要素的視角看，原子軌道“對(duì)稱性匹配”是能否成鍵的首要因素，在數(shù)學(xué)計(jì)算中可用重疊積分進(jìn)行度量?？紤]學(xué)習(xí)的階段性，高中階段不做討論?！败壍滥芰肯嘟焙汀白畲笾丿B”原則可衡量成鍵的有效性。那么，在課堂教學(xué)中，如何結(jié)合具體實(shí)例，使學(xué)生更為深刻地理解以上兩個(gè)因素呢？

例如，可通過比較第ⅦA族氣態(tài)氫化物在水中的酸性依次增強(qiáng)（HF＜HCl＜HBr＜HI），從成鍵三要素的視角引導(dǎo)學(xué)生展開討論：由F到I，其原子外層p軌道能量依次增大，與H原子的1s軌道能量差值逐漸增大，軌道重疊程度逐漸降低，成鍵的有效性也逐漸降低，故氫鹵酸的酸性逐漸增強(qiáng)。相較于從鍵長（或鍵能）的視角進(jìn)行分析，從原子軌道重疊的視角分析更為本質(zhì)，也使學(xué)生更加深刻地理解原子軌道能量與共價(jià)鍵形成的關(guān)系。

3.3 應(yīng)用“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”解釋問題，全面提升問題解決能力

“元素的電負(fù)性”“化學(xué)鍵的極性”是本主題的重要核心概念，教學(xué)中可采用“基于核心概念進(jìn)行思維建構(gòu)”的教學(xué)策略，由特殊到一般、由靜態(tài)到動(dòng)態(tài)，基于核心概念間的因果關(guān)系對(duì)陌生物質(zhì)的性質(zhì)進(jìn)行分析、解釋或預(yù)測(cè)；開展綜合應(yīng)用相關(guān)核心概念進(jìn)行分析推理等課堂教學(xué)活動(dòng)，逐步深化學(xué)生的認(rèn)識(shí)視角，全面提升學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

案例3 從物質(zhì)性質(zhì)的視角，認(rèn)識(shí)“電負(fù)性”及其內(nèi)涵

元素的電負(fù)性是指分子中的某一元素的原子吸引電子的能力，電負(fù)性的大小總是表示分子中的原子而非孤立原子。電負(fù)性是化學(xué)中非常重要的概念，在分子結(jié)構(gòu)中由電負(fù)性差異引起的形式電荷及分子中的部分電荷等，將對(duì)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生一定的影響。中學(xué)階段，可應(yīng)用電負(fù)性相關(guān)知識(shí)判斷元素的金屬性和非金屬性的相對(duì)強(qiáng)弱、預(yù)測(cè)鍵的極性和分子的極性、鍵角的大小、判斷共價(jià)化合物中元素化合價(jià)的正負(fù)、一些含氧酸的酸性強(qiáng)弱、有機(jī)反應(yīng)類型等等?，F(xiàn)行四套教材（人教版、魯科版、蘇教版、滬科版）中與“電負(fù)性”及其應(yīng)用相關(guān)的教學(xué)素材羅列于表2。

通過比較與分析不難看出，四套教材中涉及與電負(fù)性相關(guān)的教學(xué)素材在化學(xué)新課標(biāo)學(xué)業(yè)要求的基礎(chǔ)上均有一定程度的拓展與延伸，其中涉及分析解釋與推論預(yù)測(cè)等應(yīng)用層次的要求居多。在課堂教學(xué)中，教師可給出物質(zhì)的相關(guān)性質(zhì)，并設(shè)計(jì)系列問題串，引發(fā)學(xué)生的思考。如已知NH和NF的部分性質(zhì)如表3所示，從微粒間的相互作用（分子結(jié)構(gòu)）角度進(jìn)行分析并解釋原因。

應(yīng)用“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”這一基本觀念，首先從分子結(jié)構(gòu)入手展開分析：NH和NF分子的空間結(jié)構(gòu)均為三角錐形，有一對(duì)孤電子對(duì)。由于元素電負(fù)性的大小為：F＞N＞H。故NH分子中，N原子帶部分負(fù)電荷；NF分子中，N原子帶部分正電荷（圖7）。因此，NF中的孤電子對(duì)與中心原子結(jié)合更為緊密，電子不易給出，NF的堿性弱于NH。在NF中孤電子對(duì)對(duì)成鍵電子的斥力大，其鍵角小于NH。由于NF中鍵的極性與孤電子對(duì)的極性相反，故NF分子的極性小于NH。在NH中存在氫鍵，分子間作用力大，其沸點(diǎn)高于NF。

案例4 從“共價(jià)鍵的極性”看有機(jī)分子間的相互作用

人教版化學(xué)選擇性必修3《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》指出：由于不同的成鍵原子間電負(fù)性的差異，共用電子對(duì)會(huì)發(fā)生偏移。偏移的程度越大，共價(jià)鍵極性越強(qiáng)，在反應(yīng)中越容易發(fā)生斷裂。因此，有機(jī)化合物的官能團(tuán)及其鄰近的化學(xué)鍵往往是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活性部位^［10］。在新課程中，結(jié)構(gòu)化學(xué)與有機(jī)化學(xué)的融合是大勢(shì)所趨。在學(xué)習(xí)了結(jié)構(gòu)化學(xué)的相關(guān)知識(shí)后，學(xué)生要能夠應(yīng)用結(jié)構(gòu)化學(xué)的知識(shí)對(duì)有機(jī)物的性質(zhì)和反應(yīng)進(jìn)行預(yù)測(cè)與剖析，發(fā)揮理論對(duì)實(shí)踐的指導(dǎo)作用。例如，乙醛和HCN的加成反應(yīng)，通過對(duì)反應(yīng)物中羰基和HCN中化學(xué)鍵的極性進(jìn)行分析，找到正電荷和負(fù)電荷的分布情況，通過“電性匹配原則”找到斷鍵部位并預(yù)測(cè)產(chǎn)物，使靜態(tài)的結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)動(dòng)起來，學(xué)以致用。分析過程如圖8所示。

魯科版教材化學(xué)選擇性必修3從電荷分布的角度，對(duì)能與醛、酮中的羰基發(fā)生加成反應(yīng)的試劑及加成產(chǎn)物進(jìn)行了總結(jié)^［11］。在有機(jī)反應(yīng)中，由于成鍵元素電負(fù)性差異導(dǎo)致在一定條件下化學(xué)鍵的異裂，通過電性作用促使反應(yīng)發(fā)生的實(shí)例比比皆是，如有機(jī)反應(yīng)中兩種重要中間體乙酰乙酸乙酯（）和丙二酸二乙酯（）中a-H的活性，均與相鄰基團(tuán)間的電子效應(yīng)而使鍵的極性增強(qiáng)有關(guān)。現(xiàn)另舉幾例加以說明，如表4所示。

4 結(jié)束語

在新課標(biāo)、新教材、新課程、新高考實(shí)施的“四新”背景下，對(duì)教師的業(yè)務(wù)能力及專業(yè)素養(yǎng)提出了更高的要求，教師對(duì)“學(xué)科主題內(nèi)容及其教學(xué)價(jià)值的理解能力”是教師的核心教學(xué)能力之一^［12］。誠然，在課堂教學(xué)中，教什么、什么知識(shí)值得去教，是每位教師需要永恒思考和討論的話題。諸如“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”是指何種結(jié)構(gòu)，是原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)還是電子結(jié)構(gòu)？“電離能和電負(fù)性兩者有何區(qū)別”“微觀是什么”等問題在新課程背景下引發(fā)了教師新的思考。中學(xué)教師的化學(xué)水平不能停留在中學(xué)階段。立足課堂教學(xué)，增強(qiáng)學(xué)科理解，還需要廣大一線教師勇于做出更多的探索與實(shí)踐。

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［11］王磊，陳光巨主編.普通高中教科書·有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)［M］.濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2019：12，75.

［12］王磊，魏艷玲，胡久華等.教學(xué)能力系統(tǒng)構(gòu)成及水平層級(jí)模型研究［J］.教師教育研究，2018，30（6）：16～24.