基于本体分类学和微观结构图的离子键教学设计

徐志军 郑哲楷 李振俊 王存宽

摘要： 众多研究表明，学生对化学键概念存在学习困难并容易产生各种迷思概念。针对化学键概念的复杂性与抽象性等问题，以离子键为例，重新设计化学键的教学。实施结果显示，基于本体分类学和微观结构图的离子键教学设计，能帮助学生避免产生常见的离子键迷思概念、形成离子键的静电力认知模型、建立物质微观结构影响物质宏观性质的核心观念。

关键词： 教学设计; 本体分类学; 微观结构图; 离子键; 结构与性质

文章编号： 1005-6629（2021）09-0044-07

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

化学键是化学学科的核心概念之一，学生对此概念的掌握程度会影响他们对于物质的结构与性质、化学反应能量变化等内容的学习。因此，化学键在高中化学课程中的地位十分重要。但众多研究表明，由于化学键概念本身的复杂性与抽象性，常规的化学键教学会让学生不自觉地形成各种相关的迷思概念，阻碍学生对相关新概念的理解与掌握，不利于化学学科核心素养的进一步落实[1～3]。

针对化学键及物质结构与性质方面迷思概念的形成，不少学者提出了应对建议，大致分为三种取向： 一

是通过重新调整化学键、离子键和共价键的教学顺序及教材内容安排来避免学生产生相关的迷思概念[4];二是通过选择与学生前概念密切相关的教学资源，创设合理情境对化学键进行教学[5，6];三是从学生元认知视角出发，通过提升学生元认知水平来实现学生对迷思概念的自我纠正[7]。以上研究和建議虽然能避免学生产生某些常见的化学键迷思概念，但它们都没有从化学键概念本身的属性角度考虑，真正从化学学科理解的角度解决学生对化学键及物质结构与性质方面的学习困难。

为此，针对化学键概念复杂性与抽象性的问题，本课时将基于本体分类学与物质微观结构图，以离子键及离子化合物的结构与性质为知识载体，重新进行教学设计，并在教学实施后进一步探讨学生在课堂上的表现、遇到的问题以及获得的成效。

1  理论基础

1.1  本体分类学与复杂概念的学习

本体分类学（Ontological Categories）是由美国亚利桑那州立大学Chi教授提出的[8]。他在研究中指出： 通过概念本体含义的分析及分类能有效实现迷思概念的转变，从而进一步促进复杂概念的学习[9]。具体而言，从概念的本体属性出发对概念进行分类，如图1所示。

实体类概念是指关于物质的概念，它具有一定的质量，占据一定的体积。例如氯化钠具有质量和体积，形成氯化钠的钠离子、氯离子也具有质量与体积。因此，氯化钠、钠离子、氯离子均为实体类概念。而过程类概念的根本属性为： 变化或影响会持续存在。例如在氯化钠晶体中，钠离子与氯离子之间的静电作用力会一直持续，产生的离子键（静电作用力）会持续存在，故离子键是过程类概念。

实体类概念与过程类概念的分类错误是学生产生化学键迷思概念的重要原因之一。研究发现，学生若把化学键、离子键等过程类概念错误地理解为实体类概念，就会错误地认为氯化钠球棍模型中钠离子连接的6根“棒子”为1个离子键和5个实体键[10]，或离子键中存在着共用电子对。

过程类概念可以进一步分成突现过程类概念和顺序过程类概念。在顺序过程中，系统的个体行为会按一定的顺序进行。例如，

钠原子失去电子，同时氯原子得到电子，电子发生转移后，钠原子和氯原子分别形成钠离子与氯离子，体现了顺序过程，强调了变化的先后过程，即先得失电子后形成阴阳离子。而突现过程是指系统中的个体均同时并持续地进行相同的变化。例如在氯化钠中钠离子/氯离子与相邻的氯离子/钠离子存在着正负离子间的相互静电作用力，而这种作用力是相同的且会一直持续，除非钠离子和氯离子受到其他因素影响而发生改变。

如果学生将过程类概念错误分类，也会直接导致复杂概念的学习困难。例如，当问及对离子键概念的理解时，很多学生解释离子键是“原子得失电子，形成离子的过程”，但科学的化学理解应该是“阴阳离子间的静电作用力”（突现过程理解为顺序过程）[11]。

Chi教授建议，教师在进行相关复杂概念教学时，可从概念的本体分类出发，强调概念的本体属性从而帮助学生理解和区分概念、加深对概念本质的认识[12]。也有学者在研究中指出，通过强调化学键概念的本体分类，能有效地避免某些化学键迷思概念的形成[13]。因此，本课时以本体分类学作为教学设计的理论基础。

1.2  微观结构图与抽象概念的学习

化学键及物质的结构与性质无法被直接观察与触摸，其概念的抽象性是造成学生学习困难的重要原因之一。要想帮助学生有效学习此类抽象概念，使用有效的可视化工具（Visual Tools）是一个上选之策。

新西兰怀卡托大学的郑文伟教授在其研究中发现，现在大部分教材对于物质结构与性质的描述和解释，很多仅停留于用图示表示物质的微观结构以及文字解释化学键及物质的结构与性质的关系上。这些均未能将物质结构变化时，化学键如何影响这些微观粒子并反映为宏观现象解释清楚。郑教授进一步研究发现，通过微观结构图展现物质变化时的微观情况，能让学生在头脑中形成物质微观结构决定宏观性质的概念框架[14];利用微观结构图还可以有效促进学生形成化学键的静电力模型。例如，学生可以通过离子键的作用力分析（如图2所示），用双箭头来理解氯化钠中的离子键为相邻阴阳离子间的相互作用力，用单箭头来表示氯化钠中相同离子间的斥力;由于离子键的存在，钠离子与氯离子可以无限延伸，形成巨大的离子化合物结构（如图3所示）。

因此，本课时采用物质微观结构图来展现物质变化时的微观情况及内部作用力（化学键）[15，16]，并基于此进行离子键及离子化合物结构与性质的教学设计。

2  教学设计

2.1  教学分析

本课时“离子键、离子化合物的结构与性质——以NaCl为例”内容选自普通高中人教版化学必修第一册（2019年6月第1版）第四章第三节，课型为新授课。课程标准中关于化学键的学习要求为“认识构成物质的微粒之间存在相互作用，结合典型实例认识离子键和共价键的形成，并能够理解物质的结构与性质的关系”。化学键在不同学业质量水平下的具体质量描述如表1所示[17]。

离子键内容是在学习了原子结构、元素周期律和元素周期表等内容后，在微粒结构的基础上对构成物质作用力知识的学习。通过对照浙教2012版初中科学七年级上册、八年级下册相关内容的学习，学生已具有如下概念：

（1） 物质的三态变化及三种状态的微观结构图;

（2） 离子的概念和离子的形成过程（钠离子与氯离子）;

（3） 异种电荷相互吸引，而同种电荷相互排斥。

2.2  教学目标

（1） 能识别、描述微观简单粒子图，包括固液气三态的微观粒子图;

（2） 能理解微粒（简单粒子、离子）是通过粒子间作用力或阴阳离子间的静电作用力，才能聚集形成不同状态（固、液、气）的，相邻阴阳离子之间的强静电相互作用力是离子键;

（3） 能理解离子键和离子化合物的结构对离子化合物熔沸点的影响;

（4） 能将离子键（静电力模型）的学习经验迁移到金属键的学习中，并解释金属键与金属的性质之间的关系。

2.3  教学对象

本研究基于上述教学设计，随机抽取了浙江义乌市某中学高一共83名学生，进行了1课时（45分钟）的教学，并于课后实施了离子键及离子化合物物质结构与性质的测试。学生之前未学习过离子键及离子化合物、物质的结构与性质等相关知识，符合抽样要求。

2.4  教学过程

2.4.1  环节一： 引入

[学生活动1]描述物质固液气三态微观结构图（略）中微粒的排布特征，回答问题： 这些微粒又是如何聚集形成固液气三态的？

[学生表现]大多数学生都能答出“固体微观结构图中微粒排列较为紧密，而气体微观结构图中微粒排列较为松散”，但他们不能很好地回答“微粒如何组成物质”这一问题。于是便适时提供支架：如果把这些微粒类比成一粒粒的沙子，一堆松散的沙子怎样才能搭成一座紧密的城堡呢？学生从已有经验出发会想到： 可以使用胶水、水泥等粘合剂，而这些粘合剂就是通过力的作用，将沙子结合在一起。进而想到微粒组成物质，也需要某种力的作用。

[学生活动2]观看金属钠在氯气中燃烧的演示实验，描述观察到的现象并回答问题： 白烟是什么？这种固态物质如何形成？

设计意图： 唤起学生对物质结构的已有认知，并以氯化钠为例，引入离子键的学习。

2.4.2  环节二： 离子键教学

[学生活动3]分析氯化钠的3D和2D微观结构图（见图4），通过小组合作学习，回答以下5个问题。

问题1： 图4为氯化钠固体的微观结构图，指出图中不同粒子是什么？

问题2： 钠离子和氯离子为什么能够组合成氯化钠固体？是什么作用力使它们组合在一起？

问题3： 请在固态氯化钠的2D微观结构图上画出钠离子与氯离子之间的相互作用力？

问题4： 这种相互作用力有什么特点？

问题5： 图中离子的排列方式有什么特点？

设计意图： 本活动意图通过物质微观结构图，强调离子键概念的本体（阴阳离子间的相互静电作用力），促进学生对离子键概念的理解。根据文献[18～20]，学生对离子键的迷思概念主要有：

（1） 离子键和金属键是有方向的;

（2） 离子键包括共用电子对;

（3） 离子键是由于电子转移而形成的;

（4） 只有当原子发生电子转移的时候才会产生离子键，因此一个钠离子与一个氯离子可形成一个离子键;

（5） 钠离子和氯离子形成化学键是为了达到各自的稳定结构;

（6） 氯化钠以分子/离子对形式存在。

本体分类学强调，要想避免学生产生相关迷思概念，概念教学应从概念本身的属性出发。离子键是指相邻阴阳离子之间持续的强静电相互作用力，应是突现过程概念。因此，我们建议在教学中不应强调顺序过程概念，即把离子键描述为“原子先得失电子后形成离子，然后离子相互作用再形成离子键”。而是强调离子键的特征，即阴阳离子相互作用的静电作用力，且具有不饱和性和无方向性。

[学生表现]

大部分学生能指出钠离子与氯离子分别带有正电与负电，且正负电荷能相互吸引（如图5a所示，学生A用两个单箭头表示两个因带异种电荷而产生的吸引力）;一部分学生发现若是只存在阴阳离子间的吸引力，最终会导致阴阳离子相互靠近并发生电荷中和。通过小组讨论，部分学生能自主发现钠离子与氯离子间也存在着原子核之间及电子之间同种电荷的斥力（如图5b所示，学生B用F斥（核）表示因钠离子与氯离子原子核中质子都带正电所产生的斥力，用F斥（电）表示因核外电子都帶负电所产生的斥力，用单箭头表示力的方向及相对大小）。其他学生在教师引导下也可得出上述结论，从而得出钠离子与氯离子间存在着静电相互作用。但因为缺乏训练，很多学生不知道如何在微观结构图上表达离子键的相互作用力。教师提供“库伦定律”公式作为支架，大多数小组完成了任务。下图是其中一个小组的汇报成果（如图5c所示），用单箭头表示钠离子与氯离子间引力，用双箭头表示钠离子与氯离子之间斥力。

此外，大多数学生也能分析固态氯化钠的微观结构图以及3D固态微观结构示意图，得出固体中钠离子与氯离子的排列方式是相间的，并可以在二维和三维空间无限延伸。学生C在小组汇报中说：“一个钠离子可以同时和旁边多个氯离子发生作用（不饱和性）;同时，它们间的作用力没有特定的方向（无方向性）。”因此，学生通过对固态氯化钠微观结构图的分析，能够掌握离子键的无方向性和不饱和性。

[学生活动4]在分析固态氯化钠微观结构图的基础上，通过小组合作学习思考液态、气态NaCl中是否存在离子键并作图，如图6。

[学生表现]大部分学生都能作图并描述出液态氯化钠中仍存在离子键，且学生的作图中均反映了液态氯化钠中离子键的不饱和性及无方向性。如图6，学生以不同形式的箭头表示相邻钠离子和氯离子之间的离子键。如图6（a），学生用单箭头表示钠离子与氯离子之间的相互吸引力。而（b）中学生却用双箭头表示离子间斥力，包括钠离子与氯离子间原子核正电荷的斥力及原子中电子负电荷的斥力。（c）中学生用单箭头表示钠离子与氯离子的引力，用双箭头表示氯离子与氯离子间的斥力。

此外，所有学生都能指出气态氯化钠中没有离子键。以下为部分学生的解释：“因为没有相邻的离子（学生D）”;“气态状态下没有相邻离子，所以不存在离子键，但离子间有相互静电作用力（学生E）”;“无离子键（全部被破坏），阴阳离子不相邻，所有离子可自由移动（学生F）”。

2.4.3  环节三： 离子化合物性质教学

[学生活动5]根据背景信息（氯化钠熔点是801℃，氯化钠的沸点是1465℃），思考以下两个问题：

问题6： 在氯化钠熔融、甚至气化的时候，氯化钠的结构和离子键发生了什么变化？

问题7： 为什么需要这么高的温度，氯化钠才能发生熔融和气化？你能得出什么结论？

设计意图： 本活动通过将微观结构变化（离子键的破坏）与宏观观象（氯化钠的高熔沸点）主动联结，培养学生宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知的化学学科核心素养，加深学生对物质结构与性质的理解。

[学生表现]

通过分析氯化钠的微观结构示意图，大多数学生能意识到破坏钠离子和氯离子间的相互作用需要一定的能量，而提供能量的强弱和环境温度的高低有密不可分的联系。例如学生F解释道：“氯化钠之所以熔沸点较高，是因为它熔融及气化需要破坏众多离子键，而离子键（钠离子与氯离子之间的静电作用力）较强，所以需要较高的温度（较强的能量）才能打破众多离子键的束缚。”

[学生活动6]思考并回答问题8： 为什么氯化钠固体不能导电？但熔融氯化钠可以导电？

设计意图： 如果只解释离子键对离子化合物熔沸点的影响，学生仍不能全面理解物质微观结构是如何影响宏观性质的，所以这里加入了对离子化合物导电性条件的讨论。学生通过分析物质三态微观结构示意图，理解了温度和能量对离子键与氯化钠内部微粒结构的影响（离子键断裂，钠离子与氯离子开始自由移动），并反映为宏观可观察的现象（导电）。学生的回答情况也可直接反映出他们对离子键相关性质的理解以及解释离子化合物相关理化性质的能力。

[学生表现]

学生通过分析三态氯化钠微观结构图中的离子键，指出氯化钠固体不能导电的原因是钠离子与氯离子仍受离子键的束缚不能自由移动;而在熔融氯化钠中，部分离子键因足够的能量被打破，引发了部分钠离子与氯离子的自由移动，在宏观上表现出了导电性。例如同学G在回答中说：“氯化钠固体中没有自由移动的离子，而熔融氯化钠中因为（部分）离子键被打破了，所以有自由移动的离子，能发生电荷的定向移动（导电）。”

2.4.4  环节四： 归纳整合

[学生活动7]和教师一起参与归纳总结，巩固刚刚建立的静电力模型。

[学生表现]通过回顾学习任务的方式总结新知： 离子键是指相邻阴阳离子之间的相互静电作用力，离子键有不饱和性和无方向性;由离子键构成的化合物叫做离子化合物，由于离子键的存在和变化，离子化合物有熔沸点较高、在熔融状态下可导电等性质。

3  教学效果

为了进一步评价教学效果，考察学生是否真正掌握离子键及离子化合物的物質结构与性质的相关知识，本研究根据教学分析及教学目标，经过预命题、相关学科专家把关及试测，筛选研制出6道测试样题，并在课后以作业题的形式实施。具体测试题与考核水平如表2所示。

测试结果显示： 绝大多数的学生均避免了前文中提及的文献中报道的相关离子键的迷思概念，并能对常见物质（氯化钠）及其三态变化进行描述和符号表征，能从构成物质的微粒、化学键等方面说明常见物质的主要性质（熔沸点高低，导电性强弱），达到了化学键学业质量水平1和水平2。超过一半的学生不仅能说明微粒间作用力的差异对物质宏观性质的影响，还能根据物质的类别、组成、微粒的结构、微粒间作用力等说明或预测物质的性质，评估所作说明或预测的合理性，达到了化学键学业质量水平3和水平4。

测试结果和学生课堂表现表明，在本体分类学视角下，通过微观结构图，学生不仅能避免产生文献提及的大部分相关迷思概念，形成化学键（离子键）的静电力模型及化学键、物质结构与性质的认知模型，还能将此模型自主迁移至对别的离子化合物（如氧化镁）以及金属键、金属性质的学习，从而实现深度学习。

需要说明的是，本课时重点关注学生对离子键及离子化合物结构和性质的学习，还没有涉及关于阴阳离子原子核之间质子正电斥力的教学，也没有强调如何判断物质中是否存在离子键。计划在学生学习并掌握三种化学键后，再对此进行教学;学生在初中《科学》中已经学过离子的形成，因此本课时没有强调钠离子和氯离子的形成过程，也没有引出电子式。计划在学生学习并掌握三种化学键后，再提出如何表述化学键，从而引出电子式。

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