“物質結構與性質”的綜合主題式復習教學

李家彬 王全 肖珊珊 王艷丹

摘要：新課標要求學生從構成微粒、微粒間的相互作用和微粒的空間結構三個層次認識物質結構與性質之間的關系。以往物質結構的教學往往局限于教材中的典型物質與典型結構，困擾于填隙率、晶胞密度等計算問題，而忽視了物質結構與性質之間的密切關聯。本研究以“傳統硅酸鹽陶瓷”為素材，選擇工藝中的 “選土”、“制坯”、“燒窯”等關鍵步驟，開展“物質結構與性質”模塊的主題式復習教學，幫助學生掌握研究物質結構的方法和技術手段。最后從“傳統陶瓷”向“新型陶瓷”遷移，基于一般方法分析和解決實際問題，形成知識體系的遷移應用。

關鍵詞：主題式教學；物質結構與性質；模塊復習；硅酸鹽；陶瓷

《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱“新課標”）針對物質結構與性質模塊提出“從原子、分子水平上認識物質構成的規律，以微粒之間不同的作用力為線索，側重研究不同類型物質的有關性質，進一步豐富學生物質結構的知識，提高學生分析問題和解決問題的能力”[1]。要求學生從構成微粒、微粒間的相互作用和微粒的空間結構三個層次認識物質結構與性質之間的關系。而以往物質結構主題的教學常常局限于教材中的典型物質與典型結構，困擾于填隙率、晶胞密度等計算問題，而忽視了物質結構與性質之間的關聯。新課標要求選取與現實生活和科學前沿密切相關的問題，促使學生認識研究物質結構的方法和技術，研究物質結構對于化學、材料科學和生產生活的價值。[2]

主題式教學以一個連貫、有機的主題為核心設計教學活動，充分調動學生的主觀能動性，培養完善的思維能力，引導學生利用結構化的學科知識分析解決生產生活中的實際問題，形成能夠解決一類問題的思路和模型[3-4]。陶瓷是我國傳統文化中的瑰寶，材料種類繁多，結構豐富，廣泛應用于各種工業、科研和日常生活中，非常適合作為主題式教學的素材。選取陶瓷工藝中的關鍵步驟“選土”、“制坯”、“燒窯”作為情境載體，綜合利用所學物質結構知識，采用“宏觀辨識和微觀探析”相結合的方式進行科學探究，查找相關資料，尋找研究物質結構問題的一般思路和方法，借助化學前沿的理論和方法，培養“證據推理與模型認識”等方面的學科核心素養。

1 ?課程主題選擇

1.1 整合模塊主題，重視學科認識角度

新課標將“物質結構與性質”模塊整合為“原子結構與元素性質”、“微粒間的相互作用與物質性質”、“研究物質結構的方法與價值”三個主題。分別從原子結構、分子結構、晶體結構、聚集態與超分子等層次由小到大闡述“結構（如何）決定性質，性質（如何）決定用途”。?物質結構與性質之間的認識關系如圖1所示。在學習了教材中典型物質結構與性質之間的關系之后，基于學生已有的認知開展主題式教學，分析陌生物質的結構，預測或解釋其性質。通過豐富的情境素材，有利于開闊學生視野，激發學生探索物質結構奧秘的熱情，幫助學生形成認識角度，應用核心知識解決實際問題。

1.2 體現高中化學改革內容

以人民教育出版社普通高中教科書化學（2019版）為例，教材從多角度發揮物質結構的理論指導作用。原本的小節?“無機非金屬材料的主角——硅”變為“無機非金屬材料”，更多地將硅元素及化合物的教學融入在實際應用中。在選擇性必修二的教學中新增了利用X射線單晶衍射和粉末衍射進行“晶體結構的測定”有關知識，呼應了第二章“分子是具有一定空間結構的，分子結構是可以實驗測定的”，加強研究物質結構的方法和技術的教學，從證據推理和模型建構的角度認識研究物質結構的過程和意義。[2]

基于此，本課程以陶瓷的工藝流程為主題，突出硅元素特有的STSE教育價值?；趯W生已有對硅和二氧化硅性質和結構的認知，從物質結構的視角分析硅酸鹽變化多樣的結構特點，解釋其熔點、硬度、吸水性等特點，分析陶瓷在燒結過程中結構的改變，推測新型陶瓷的結構并解釋其性質，體會物質結構的研究及其理論發展對化學學科發展的貢獻。

2 ?教學目標

新課標針對“物質結構與性質”模塊提出的課程目標包括“從原子、分子水平上認識物質構成的規律，基于微粒間作用力研究不同類型物質的性質，提升學生有關物質結構的基本認識，深入認識物質結構與性質之間的關系，發展化學學科核心素養等”。本課程以“傳統陶瓷”為主題幫助學生分析硅酸鹽的構成微粒、微粒間的相互作用和微粒的空間排布，深入理解物質的結構與性質之間的關聯。確定教學目標如下：

（1） 基于硅、氧等元素的原子結構，分析成鍵特點。利用晶體學信息文件（Crystallographic Information File，CIF）和晶體學軟件（Mercury、Crystal?Maker）幫助學生分析晶體中微粒的空間排布，學習并應用研究物質結構的一般工具和過程方法，發展宏觀辨識與微觀探析的學科核心素養。

（2） 從硅酸鹽材料多變的結構出發，解釋其差異化的性質，進一步理解“結構如何決定性質，性質如何決定功能”，發展證據推理與模型認知的學科核心素養。

（3） 從傳統陶瓷的結構性質到新型陶瓷的結構性質，既追尋中華傳統文化的根脈，增強學生的文化自信，弘揚愛國主義情懷；又引導學生關注科技前沿，結合新材料新技術成果，充分體現化學學科推動科技發展和社會進步的價值，發展科學精神與社會責任的核心素養。

3 ?教學任務及教學流程

本課程以深圳市某中學完成“物質結構與性質”模塊學習的學生為授課對象，在學生完成選擇性必修二一書的學習之后開展主題式復習教學。授課時間為一課時。根據物質結構的認識層次，以陶瓷中的硅酸鹽結構為素材，設計學習活動，幫助學生認識物質結構如何決定性質，教學思路如圖2所示。

4 ?課程實施及學生學習結果

4.1 情境引入——認識陶瓷

[教師介紹]利用圖片和視頻介紹傳統硅酸鹽陶瓷的發展歷史、分類和加工工藝等。

[學生]總結硅酸鹽陶瓷的性質和用途。

[教師追問]什么樣的結構賦予了陶瓷的諸多的優良性能，如高熔點、絕緣性等，硅酸鹽陶瓷是否具有獨特的結構？下面我們從不同的層次和視角探究陶瓷材料。

[設計意圖]以中華民族傳統工藝陶瓷為引入，感受陶瓷承擔的實用功能價值、科學價值和文化價值，激發學生進行學習探究的興趣，引出教學核心任務。

4.2 基于物質結構的不同層次認識硅酸鹽陶瓷

4.2.1 構成微粒和微粒間的相互作用——“選土”

[教師提問]制作陶瓷前首先要“選土”，其主要成分是硅酸鹽（長石、高嶺土、蒙脫土等）和石英，我們已經學習過二氧化硅和硅酸鹽的基本結構單元是Si和O組成的四面體：每個Si結合4個O，Si在中心，O在四面體的4個頂角。硅原子什么樣的電子軌道和雜化方式決定了硅酸鹽的這一成鍵特點？

[學生]硅原子的價電子排布式為3s23p2，通過sp3雜化的方式與周圍的四個氧原子結合，形成硅氧四面體。

[教師提問]硅氧四面體與硅氧四面體之間的關系是怎樣的？

[學生]由于氧原子形成兩個共價鍵，硅氧四面體之間以共頂點的方式相連接，每個氧被兩個硅原子共用。

[教師補充] 硅氧四面體之間通過共用四面體頂點可以彼此連接成單鏈、雙鏈或層狀、網狀的復雜硅氧骨架結構，除此之外硅酸鹽中還含有K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Al3+等金屬離子，這些特點決定了硅酸鹽的多樣性。

[教師提問]我們在有機化學模塊中學習了碳原子的成鍵方式，硅原子的成鍵方式與其同主族的碳原子的成鍵方式有何不同？為什么會有這樣的不同？

[學生]硅酸鹽結構中都是硅氧單鍵，而不存在硅硅單鍵、硅硅雙鍵和硅硅三鍵，也不存在硅氧雙鍵，沒有碳原子的成鍵形式豐富?？赡苡捎诠柙虞^碳原子原子半徑更大，共價鍵長，鍵能小。

[教師提問]除了硅氧單鍵外，硅酸鹽中還可能含有哪些相互作用？成鍵條件是怎樣的？

[學生] 如果O2-只與一個Si4+連接，那么O2-還會與其它金屬陽離子形成離子鍵。

[教師提問]硅酸鹽是由共價鍵和離子鍵組成的混合晶體，請總結不同晶體類型的作用力種類及性質，并解釋為什么硅酸鹽具有熔點高、絕緣性好，但是質脆、韌性差等特點。

[學生]（學生總結如表1所示）硅酸鹽作為混合晶體兼具離子晶體和共價晶體的性質特點，熔點高、在固體狀態下不導電。但是共價鍵骨架具有明顯的方向性，在收到外力作用后很難像金屬晶體一樣發生滑移，導致質脆、韌性差。

4.2.2 微粒的空間排布——“制坯”

[教師過渡]“選土”之后需要將粉料“土”制成泥料或漿料即“制坯”，泥料、漿料品質好壞的核心指標是成型性和含水率，那么如何調節泥料和漿料的成形性和含水率？與硅酸鹽的結構有怎樣的關系？

[模型建構]晶體學文件CIF是記錄晶體結構信息的標準文件格式，包含晶胞參數、原子坐標、鍵長、鍵角等關鍵信息。利用晶體學軟件得到硅酸鹽陶瓷的三種主要原料——長石（KAlSi3O8）、高嶺土（Al2[Si2O5]（OH）4）和蒙脫土（（Na，Ca）0.33（Mg，Al）2[Si4O10]（OH）2·nH2O）的晶體結構，并用配位多面體及其連接方式進行描述（如圖3所示）。學生用語言描述、結構繪制的方式說明三種硅酸鹽的成鍵方式、空間結構、配位數等。

[學生展示]（學生繪制的硅酸鹽結構作品見圖4）鉀長石由硅氧四面體和鋁氧四面體共用頂點形成立體骨架，鉀離子位于骨架的空隙中平衡電荷，配位數為9。

高嶺土是由硅氧四面體和鋁氧八面體共用頂點1：1形成的層狀結構。除此之外，層間還存在O-H···O的氫鍵作用。

蒙脫土是由兩層共頂點的硅氧四面體中間夾一層共邊的鋁氧八面體構成，層間還存在金屬陽離子形成的離子鍵和水分子的氫鍵作用。

[教師提問]?（進一步提供硅酸鹽原料的性質對比資料，見表2）請從晶體結構的角度解釋為什么鉀長石的硬度較大，高嶺土硬度小且具有強吸水性，蒙脫土吸水性更強且具有陽離子交換性？

[學生]鉀長石為空間網格結構結構很難發生滑移，而高嶺土和蒙脫土為層狀結構，層與層之間可以發生滑移，質地較軟。水分子可以進入到層與層之間，所以高嶺土和蒙脫土具有吸水性。蒙脫土層與層間距更大，能夠吸收結合的水分子更多，吸水性更強；層間的金屬陽離子可以被其他金屬陽離子置換。

4.2.3 微?？臻g排布的轉變——“燒窯”

[教師提問]陶坯最終如何變成堅硬的陶瓷呢？在經過“燒窯”（高溫熔融冷卻）后，觀察PXRD（X射線粉末衍射）示意圖（圖5所示），說明結構發生什么樣的變化？

[學生]由PXRD圖譜看出，原本晶體具有的尖銳的衍生峰變弱寬化，可能是由晶體轉化成非晶體，原本有序的晶體結構向無序轉化。

[教師補充]在經過燒制后陶瓷發生一系列復雜的物理和化學變化，總的來說微觀結構是由晶相、玻璃相和氣相所組成（如圖6所示）。其中玻璃相是非晶態的無定形物質，高嶺土和蒙脫土原本的層狀結構坍塌變形，也轉變為堅硬的空間網格狀結構。

[設計意圖]對比“燒窯”前后的衍射圖像，學生補充了解除晶態之外，其他的物質聚集狀態如非晶態及多相聚集體等也會對物質的性質產生重要影響，拓寬科學視野。

[設計意圖]在學生基于構成微粒、微粒間相互作用和微粒的空間排布三個角度認識硅酸鹽，從由小到大的不同層面形成認識物質結構的一般思路，解釋硅酸鹽具有的性質和功能，突出結構和性質的密切關系。利用專業的晶體學軟件，描述或繪制晶體模型，幫助學生不但能夠掌握教材中的典型晶體結構，而且遷移發展分析復雜晶體結構的能力。發展宏觀辨識與微觀探析、證據推理與模型認知的學科核心素養。

4.3認識新型陶瓷的結構性質關系

[教師提問]除了傳統的硅酸鹽陶瓷外，近些年科學家還開發了諸多種類的新型結構陶瓷，如氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷等。從構成微粒、微粒間相互作用和晶體結構的角度分析氮化硅（Si3N4）陶瓷，預測其可能具有的結構和性能。

[學生]根據硅和氮的原子結構，硅原子與四個氮原子形成硅氮四面體，而每個氮連接三個硅，通過共用氮的方式形成空間網狀結構。氮化硅晶體中Si-N之間的共價鍵鍵能較大，因此具有熔點高，硬度高，結構穩定等特點。

[教師補充]（教師展示氮化硅的晶體結構如圖7所示，主要性質如表3所示）同學們的預測和解釋基本正確，相信大家已經掌握了認識物質結構和性質的基本方法。

[設計意圖]在學生掌握認識物質結構的三個角度后，對于陌生的物質氮化硅學生能否基于已有的知識方法進行合理預測和解釋。同時帶領學生了解材料科學前沿熱點，提高學習興趣，培養科學探究精神。

5 ?教學效果與反思

本主題式復習課以硅酸鹽陶瓷的結構和性質的分析為主要線索，將物質結構模塊進行有機統一整合，從不同的微觀層次認識物質結構，學習研究物質結構的一般方法，進一步體會物質結構如何決定性質，性質如何決定功能，把視角聚焦在“材料”上，更多的體現物質結構的應用價值。硅酸鹽陶瓷的三種原料（長石、高嶺土、蒙脫土）都有同樣的硅氧四面體，又各有結構特點（網狀和層狀），通過提供性質數據進行對比研究，這一過程中學生還可以與已學的教材內容（如金剛石和石墨）進行類比思考，更突出了結構和性質之間的緊密聯系。

在晶體結構的教學過程中很多同學有“晶體恐懼癥”，通過死記硬背記憶課本上典型的晶體模型和數據。學生面對未知的晶體結構一方面面對諸多原子無從下手，不知道從何看起；另一方面缺乏空間想象能力，容易分析位于晶胞特定位置的原子（頂點、楞上等）而難以分析晶胞空隙中的原子（如四面體空隙和八面體空隙）及其配位數。學生利用晶體學文件和軟件，通過閱讀結構信息，沿晶胞的不同軸向直接觀察，分析硅酸鹽的晶體結構，自己完成結構描述和晶體模型的繪制，直觀感受X射線衍射這一技術對物質結構研究的巨大貢獻。比起教師講授或者傳統的教具模型更加的簡單直觀，在這一過程中完成知識的轉化和思維的外顯。

最后以新型陶瓷Si3N4為例檢驗學生能否在新情境下遷移使用建構的認識角度和分析方法。在未知晶體結構的情況下，絕大多數學生通過原子結構和價鍵分析就能認識到氮化硅中存在硅氮四面體，每個氮連接三個硅。這點突破了在過去的二氧化硅晶體結構教學中，學生往往錯誤地認為二氧化硅同二氧化碳一樣屬于分子晶體。在解釋和比較熔沸點、硬度等物質性質的過程中，學生可以從化學鍵類型和晶體結構等角度進行思考回答，說明學生具備了一定從不同層次解決陌生情境問題的能力。以后遇到其他類型的結構，如沸石的孔道結構，金屬有機骨架化合物（MOFs）的骨架結構等，學生也可以對其應用進行大膽的猜想。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版，2018.1．

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[4] 楊伏勇，武衍杰，江合佩.促進學生認識角度建構的項目式復習教學——以“探析石墨烯”進行“物質結構與性質”模塊復習為例[J].化學教學，2022（11）：37-42.

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[6] Schneider J.， Frey F.， Johnson N.， Laschke K. Structure refinements of Si3N4?at temperatures up to 1360 °C by X-ray powder investigation. ZEITSCHRIFT FUER KRISTALLOGRAPHIE 1994（209）： 328-333.