聚焦模型建构，促进深度学习

1 问题的提出

本课例内容选自人教版《化学选择性必修2》（2019年版）第三章第一节“物质的聚集状态与晶体的常识”。课程主要涵盖以下内容：一、掌握气体、液体、固体三种经典物质聚集状态的相互转化；二、了解液晶、等离子体、离子液体等科学前沿特殊物质聚集状态。笔者尝试对教材进行整合，将位于第三章第三节的“离子液体”前置于本课，与“液晶”“等离子体”等特殊聚集状态的内容并行处理。教学中采用从典型聚集状态出发，构建宏观与微观相结合的解释模型，以模型为纽带，从物理、化学、数学视角出发，认识前沿概念。通过这种教学方式，期望能够帮助学生建立起结构化的认识思路，更深入地理解物质的聚集状态。

2 教学目标

（1）通过关联学生熟知H2、CCl4、NaCl气液固三态宏观性质与微观结构，构建气、液、固典型聚集状态宏观微观结构模型，诊断并发展学生从物质的微粒种类、微粒间相互作用、微粒聚集程度多角度、系统化、结构化认识物质能力。

（2）通过阅读化学史提取陌生聚集状态宏观性质，运用液、固宏微结构解释模型，构建液晶状态，完成液晶概念的学习。诊断并发展学生信息提取能力和多角度运用模型能力。

（3）从光学、力学、热学、电学等宏观角度自主设计实验，探测火的宏观性质，利用气、固宏微解释模型叠加构建以火为代表的等离子体组成及微观结构，掌握等离子体概念。诊断并发展学生的实验设计及分析解释能力。

（4）创设真实情境，设计高能量密度锂空气电池的电解质为高能量密度锂空气电池设计电解质。分析宏观要求，应用模型调控微观结构，创造性设计出符合条件的新聚集状态离子液体并预测其广泛用途，诊断并发展学生的问题解决及创新思维能力。

3 教学活动

3.1构建模型——典型聚集状态的再认识

任务一：探索影响典型聚集状态的微观因素

[引课]展示呈现冰、水、水蒸气的三态变化图片。

[问题1]水从固态到液态再到气态时，其微观结构发生了哪些变化？

[学生]分子间距离增大。

[问题2]所有物质的三态变化都是由于分子间距离变化引起的吗？

[学生]不是，因为有些物质不是由分子构成。

[活动1]探究影响物质三态变化的微观因素：绘制出1molNaCl（s）、1molCCl4（l）、1molH2（g）的微观体积状态图。

[问题3]当H2、CCl4、NaCl微粒数相同时，为什么体积越来越小？

[学生]思考视角：微粒间作用力、分子间距离较大、排列状态。

[设计意图]通过绘制分析熟悉物质H2、CCl4、NaCl的微观体积图，探索和理解物质三态的微观结构，深入理解微粒种类、微粒间作用力和微粒空间排布对物质聚集状态的影响。

任务二：构建典型聚集状态的宏观性质与微观结构解释模型

[教师]结合经典聚集状态微观结构，解释气、液、固常见的性质。

[学生]分析生活常见现象如空气流动、注射器移动、固体有固定形状的结构原因。

[构建模型]经典聚集状态微观结构与宏观性质解释模型如下图所示。

[设计意图]通过分析固液气三态中可压缩性、流动性、导电性、熔沸点等常见宏观物理性质产生缘由，在知其然并知其所以然的过程中建构经典三态宏观性质与微观结构的解释模型。

3.2完善模型——液晶的发现与特性

[过渡]1888年，奥地利植物学家莱尼采尔在加热苯甲酸胆甾酯时发现，当温度升至145.5℃时，出现不透明的浑浊状态；继续加热到178.5℃，又呈现透明清亮的液态。这种145.5℃时出现的不透明浑浊状态引起了科学界极大兴趣。

[资料]不透明浑浊状态宏观信息①具有流动性，能发生形变；宏观信息②1889年，德国物理学家莱曼通过偏光显微镜发现其双折射性（光学性质的各向异性）。

[学生]分析宏观信息1：由于具有流动性和形变能力，我们猜想这个浑浊状态具有经典液态的性质；分析宏观信息2：双折射性（光学性质的各向异性），猜想该浑浊状态具有经典晶体的性质。

[问题4]根据以上分析，中间浑浊态属于什么聚集状态？

[数学视角]如果经典液态模型类比为集合A，晶体模型类比为集合B，则该特殊状态类似A∩B；故液晶是介于液态和晶态之间的一种特殊聚集状态。

[问题5]分析以上两种模型，如何解决微观排布的矛盾？

[学生]猜想微观结构：某些方向微粒容易移位（类似液体），另外方向微粒有规律的排布（类似晶体）。

[完善模型]呈现苯甲酸胆甾酯的分子构型胆甾型液晶的材料结构证实猜想。

[设计意图]原有知识经验中“生长”出新知识的过程激发了学生信息提取能力、知识关联能力的提升，微粒观、结构观等学科思维得以养成。

3.3发展模型——等离子体的探测

[问题6]火焰是生活中常见的现象，它属于那种聚集状态呢？是否属于经典气液固三态之一？设计实验探查火焰的宏观性质，推测火焰的组成微粒。

[学生]基于性质流动性、导电性设计实验来探测火焰微观结构。

[数学视角]把经典气态模型类比为集合A，经典固态模型类比为集合B，则该特殊状态类似A∪B，故推测组成微粒是电子、阳离子和电中性粒子，这种特殊聚集状态被称为等离子体。

[资料]日光灯和霓虹灯的灯管里、蜡烛的火焰中、极光和雷电中都能找到等离子体。它是宇宙物质超过99%都存在的状态，又被称为第四聚集态。

[问题7]为什么要研究等离子体？

[学生]扩大认知，加强对自然界的认识，应用等离子体为人类创造美好生活，如等离子体电视、化学合成等。

[设计意图]通过自主设计实验、分析实验现象获取“火”的物理宏观性质，推断“火”的聚集状态，发展学生的实验设计能力，创新思考力。

3.4应用模型——离子液体的设计

[解决问题]中国科学院合肥物质科学研究院人员利用石墨和过渡金属氧化物纳米颗粒制备了一种具有高储能密度和优异循环稳定性的锂空气电池。为实现高能量密度锂空气电池的商业化应用，请设计一款配套常温无水体系电解液促进电池的高速发展。

[学生]分析该电解液需要具备的关键宏观性质：导电，无水，常温，液态。

[问题8]熟知的导电物质是否满足需求？若不能的话，如何改进？

[学生]分析常见固态金属、液态汞、电解质的水溶液、熔融的离子化合物的利弊，寻求改进方案。

[方案原理]可以尝试降低离子化合物熔点至常温。要降低熔点，必须减少微粒间作用力。

[物理视角]导电物质的作用力是库仑力，库仑力F=kQ1Q2/r2（k为常数，Q1、Q2、r分别为两电荷电荷量及两电荷间的距离）。要减少库仑力可采取措施：1.降低阴、阳离子的电荷量；2.尽量增大阴、阳离子的半径。

[资料1]常见一价阴离子：除常见氯离子（Cl-）、溴离子（Br-）、碘离子（I-），还有四氯铝酸根（AlCl4-）、六氟磷酸根（PF6-）、四氟硼酸根（BF4-）等。

[资料2]引入有机基团可降低离子化合物的熔点，如NH4NO3熔点170℃；C2H5NH3NO3的熔点只有12℃。

[活动]设计符合条件的“电解液”。

[学生]小组讨论、设计作品。

[教师]离子液体：室温或稍高于室温时呈液态的离子化合物。分析离子液体结构，预测其应用。

[学生]从结构、性质、功能三维视角讨论，思考。

[设计意图]为高速发展电池设计非水常温电解液的真实情境，发展学生的分析思考能力，展现学科解决问题的学科价值。

4 教学反思

4.1 模型统领下不断尝试，亲身体验概念的构建过程

基于典型聚集状态的宏-微结构解释模型，学生从微粒组成、微粒间作用力及微粒空间排布等化学视角，建构液晶、等离子体、离子液体等特殊聚集状态概念，学生不仅知其然，更知其所以然。

4.2基于真实情境的跨学科协同效应，促进多学科自然有机地融合

面向真实情境问题解决的跨学科主题学习，侧重在特定主题领域下创设真实情境，用具有趣味性和挑战性的真实问题来驱动不同学科相互协作，该方式鼓励学生根据已有经验主动去探索知识，将新知和旧知联系起来，产生同化或顺应，从而重建自己的认知结构。

【注：本文系广东省基础教育教研基地学科教研基地项目“指向深度学习的高中化学学科实践推动育人方式变革”阶段性成果】

责任编辑 钱昭君