基于建构认知模型的“晶体结构与性质”复习课研究

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　　摘 要：“晶體结构与性质”是中学物质结构与性质的核心内容，改进和优化“晶体结构与性质”复习教学至关重要。笔者基于建构认知模型，设计了“晶体结构与性质”复习课教学，并进行了教学实践，取得了较好的教学效果。本文在此基础上对有效的教学策略展开了研究，希望能为相关工作者提供借鉴。
　　关键词：晶体结构与性质;复习课;模型认知;高中化学
　　中图分类号：G427                       文献标识码：A                     文章编号：095-624X（2020）02-0082-03
　　引 言
　　“物质结构与性质”是高中化学课程的选修模块，侧重于帮助学生了解人类探索物质结构的重要意义和基本方法，研究物质构成的奥秘，认识物质结构与性质之间的关系，提高分析和解决问题的能力[1]。“晶体结构与性质”是这一模块的重点教学内容，也是学生学习的难点和考试易失分点。由于受到晶体结构自身复杂、抽象性的制约，加上学生的空间想象能力、计算迁移能力、知识表征能力等比较欠缺，因此，基于构建认知模型是完成“晶体结构与性质”相关知识教学目标的重要途径之一。
　　《美国国家科学教育标准》对模型的表述为：“模型是与真实物体、单一事件或一类事物相对应的，且具有解释力的试探性体系或结构。”模型认知分为两类，第一类是利用模型认识事物，即实物模型;第二类是通过建构认知模型建立解决问题的思考框架，即理论模型。第一类是科学的模型，第二类是科学的认知模型，既可以是实物、现象和过程的抽象表现形式，也可以是我们所描述的对象及分析其行为方式的抽象表现形式，又叫观念模型[2]。
　　在“晶体结构与性质”的授课过程中，笔者充分借助实物模型，清晰直观地展示晶体中粒子的相对位置关系，帮助学生构建空间想象能力，了解掌握晶体结构特点，并鼓励学生利用乒乓球、热塑胶等材料自己动手制作实物模型。所用材料廉价易得，制作安全简单，模型清晰稳定。在这一过程中，学生体会到了学习的乐趣，收获了较为扎实的知识。“晶体结构与性质”这一课的核心是“类型—结构—性质”，其复习教学的主要目标是发展学生的认知，让零散的知识结构化，并将知识整合到“类型—结构—性质”的认知模型中，使学生能够应用认知模型解决问题[3]。在上述思路的指导下，笔者进行了基于建构认知模型的“晶体结构与性质”复习课的教学研究。
　　一、教材内容分析
　　在必修2中，学生已初步掌握了物质结构和元素周期表、离子键、共价键、分子间作用力等微粒间作用力的知识，也初步了解了离子晶体、分子晶体和原子晶体等结构知识。本专题内容是在学生学习必修2和从原子、分子水平上认识物质构成的基础上，以“如何认识一个晶体”为问题线索，以“晶体类型、晶体结构、晶体性质、晶体相关计算”为知识线索，帮助学生建立分析晶体的思维模型，使学生能够从更深层次上认识物质的结构与性质之间的关系[4]，帮助学生进一步深化“结构决定性质”的认知。
　　二、学情分析
　　学生学完选修三“晶体结构与性质”的基础知识，已初步掌握了关于晶体的常识，了解了晶胞的概念，能够简单计算晶胞微粒个数;了解了分子晶体与原子晶体、金属晶体及离子晶体的基本堆积模型、结构特征、结构与性质的关系等基础知识，也具备了一定的分析问题的能力，但对四大晶体的宏观性质和微观结构尚未进行深入的探究。教师应挖掘这部分知识，使学生形成更深层次的认识，提炼解决晶体问题的一般思维模型，并能够在陌生情境中加以应用[5]。
　　三、教学目标
　　1.宏观辨识与微观探析
　　学生应了解晶体微观粒子规则排列，能从微观角度解释晶体具有规则几何外形的原因;能利用图表信息与讨论，判断四类常见晶体构成微粒、微粒间作用力，了解其对某些物理性质的影响[6]。学生应能从宏观特征入手对物质进行辨识、分类和表征;能从晶体的微观排列上解释说明晶体的宏观共性;能从原子、分子水平解释不同类型晶体宏观性质特征与差异。
　　2.证据推理与模型认知
　　学生应借助常见晶体模型，了解常见晶体结构特点，能够识别常见晶体的结构模型;根据陌生晶体宏观性质数据（证据）推测所属晶体的类别，能够结合宏观性质感知微观结构差异，利用微观结构解释、预测可能的宏观性质。
　　3.科学精神与社会责任
　　教师应利用多媒体资源，使学生了解晶体相关微观结构，激发学生探究知识的兴趣，使学生保持对生活中的化学现象的好奇心。此外，教师要引导学生与同伴分享学习成果，并反思自己的不足，进一步认识到化学的魅力，学会与他人合作。
　　四、教学过程片段
　　1.创设情境，提出问题
　　引入：借助禅宗三境界“看山是山，看水是水;看山不是山，看水不是水;看山还是山，看水还是水”，让学生体会自己对晶体结构与性质的认识层次。
　　设疑：展示晶体图片（见图1），如何认识和分析晶体？
　　设计意图：通过展示漂亮的晶体图片，激发学生的学习兴趣，引导其回顾已有认知，初步尝试归纳分析认识晶体的模型。通过师生共同协作补充，建构分析认识晶体的模型（见图2）。
　　2.拆解模型，各个击破
　　教师设疑：如何确定晶体的类型？
　　学生交流讨论晶体类型的判断方法，完成表1，分析适用的情况。
　　设计意图：针对晶体认知模型中第一步，学生对晶体类型的判断展开讨论。教师提供三种不同的情境：已知化学式，即组成元素;已知相关物理性质信息;已知构成微粒及微粒间作用力，帮助学生从多角度判断晶体类型，培养学生分析和解决问题的能力。 　　教师设疑：如何分析晶体的结构？展示常见晶体结构图片（见图3）。
　　学生激活已有认知，感悟晶体结构分析要点，明确晶体结构分析中，应关注晶体晶胞结构中微粒的相对位置、微粒的个数等要点。
　　教师设疑：如何分析晶体的物理性质（见表2）？
　　设计意图：受高中结构与性质相关知识局限性的影响，在此模块中，晶体的相关性质只涉及物理性质，教师应归纳整合，帮学生明确如何联系微粒间的作用力解决物理性质的问题。
　　教师设疑：如何解决晶体的计算问题？
　　学生总结：第一，利用均摊法解决具体晶胞结构中的微粒个数计算;第二，借助金刚石的实物模型，解决晶胞坐标参数问题（见图4）;第三，根据公式进行密度和空间利用率的计算（见图5）。
　　设计意图：在晶胞的计算问题教学中，教师除了要凸显晶体晶胞结构的特点，还应特别注意学科知识点交叉，提醒学生应用相关数学知识，如球体的计算公式、立方体的面对角线与棱长的关系、立方体的体对角线与棱长的关系。另外，数学知识能够较为简洁明晰地展示晶体结构特点。例如，金刚石晶胞特点是重难点知识，如果把金刚石立方体晶胞切割为上下两层8个完全相同的小立方体，则四个内部点可以看成上层1、3象限两个小立方体的体心，下层2、4象限两个小立方体的体心，这样就可以比较轻松地得出金刚石两个碳原子之间的最短距离。
　　3.回归模型，巩固解决问题的思路
　　师生共同梳理归纳分析晶体结构与性质的一般思路。
　　设计意图：通过之前的拆解，学生在认识研究晶体的本质特征、构成要素及其相互关系的基础上，建构了认知模型，为解决陌生复杂的问题提供思考框架，形成解决问题的思路与方法[7]。
　　五、结论及反思
　　科学教育的主要目的是培养和发展学生的认知素养[8]。想要促进学生认识素养的发展，教师不仅要让学生清楚化学知识说明的是什么，而且要将化学知识转化为学生观察、分析现象和问题的方式和思路，并通过具体的认识实践活动，让学生形成稳定的认识方式，从而培养其化学认知素养。晶体结构与性质模块是整个中学化学教学课程中不可缺少的组成部分，是中學化学学习的核心主题内容，改进和优化其教学至关重要，教师应特别关注其在复习教学中实现学生的认知发展[9]。根据现代教学的需求和学生在求学过程对切实有效的教学方法的渴求，教师应对此加以重视，解决传统教学中的弊端，有效深化教学改革成果，提高课堂教学效率。复习课作为学生学习过程中至关重要的环节，可以使学生对前期所学知识进行系统化的整合，并在此基础上查漏补缺，使学生加强对所学知识的理解，起到巩固和提升的作用。复习课还可以进一步完善、提升学生的基本技能，进而使学生迁移运用所学知识。基于建构模型的复习课，可以有效打破“灌输多于互动”“多练习少探究”的传统复习课模式。在缺乏新理念支撑的复习课中，基本教学模式是教师对所学知识进行梳理，并搭配大量习题练习。这一模式下，知识的梳理以知识点的罗列为主，学生缺少自主思考和总结的过程，对知识点间深层次的联系把握不到位，无法在思想上形成知识间的脉络图，不利于自己的发现、分析和解决问题能力的培养[10]，忽视了知识与生活生产的融合。
　　教学实践研究表明，晶体结构与性质分析模型对学生学习晶体的意义主要有两方面。（1）“结构决定性质”学科思想能在教学中得到落实，可以转化为分析结构、解释和预测性质的方法;帮助学生理解“结构决定性质”的学科思想和方法，促进学生对晶体结构与性质的认识上升到微观本质。建构分析模型能提高学生的认识水平，使学生加深对这一学科思想方法的理解和应用，有利于将其转化为问题解决的理解和应用。（2）晶体结构与性质分析模型可以作为桥梁，将相关知识串联起来，将空间结构与晶体性质联系起来，既可以解释已有的熟悉物质的结构与性质，又可以分析陌生复杂物质的结构，并为结构推断、性质预测等复杂问题的解决提供方法。
　　结 语
　　建构模型的教学策略可以帮助学生掌握应用模型分析晶体结构与性质的思路和方法，促进学生的认识水平从宏观物质发展到微观结构，使学生形成微粒观，帮助学生做到自主分析，提高学生解决问题的能力。在笔者课后与学生的讨论中，学生给出反馈：“通过本次复习课，知道了遇到陌生晶体该如何入手分析”“用这个模型，相当于一个思维程序，按步骤一步一步来，就可以分析得比较清楚”“用这个认知模型，更加明确了结构决定性质的意义”。这说明学生对建构模型的需要，表明学生认同模型建构的功能。由此可见，基于建构模型的“晶体结构与性质”复习课教学效果良好，教学实践思路清晰，针对性强，值得提倡。
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　　作者简介：马娜（1988.12—），女，甘肃武威人，硕士研究生，中学一级教师，研究方向：化学教育。
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