晶体结构与性质,为学生空间想象力插上翅膀

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  高中化学知识的体系中,有一部分属于晶体的结构与性质,在这部分的教育教学中,对于教师的要求很高,因为这不仅是传授基本的化学知识,而且与学生的空间想象能力密切相关。对于空间想象力,是指学生对于抽象的立体空间的认识、分析、理解、应用、掌握的过程,在此过程中,学生是从基本的图形和结构的视觉认识开始,然后通过教师的讲解和分析建立基本的某些分子的晶体结构空间概念,再以这些简单的模型为基础,建立起一个基本的概念系统,如晶体、非晶体、晶体类型、晶胞等概念。在此基础上,学生在教师及课本的指引下,在练习中验证学到的知识,通过独立思考解决学习中的问题,在解决问题的过程中总结自己的做题方法,并建立自己对于晶体空间完整的空间架构与知识体系。
  一、扎实知识,为学生空间想象力打下基础
  在学习过程中,空间想象力是建立在扎实的知识基础上的,只有认识这个打根基的过程的规律性,才能在学习中无往而不利。没有概念知识打基础,培养空间想象力就是一句空话,“无源之水,无根之木”讲的就是这个意思。在这一部分,学生需要掌握的知识包括晶体和非晶体的概念,以固体是否有规则的外形作为衡量标准之一。基础知识对于一个人的重要性就相当于支撑一个人的基本的身体组成一样,没有了基础,做其他事情只能是望洋兴叹,悔之无门。
  当掌握了晶体的特性即拥有规则的几何外形,这是说作为晶体,它的内部质点和外形质点排列是非常有序的,像一个有组织有纪律的士兵阵列一样,充满科学性的美感;有固定的溶沸点,是说作为晶体有比较严格的条件下的沸腾和融化的温度临界点;各向异性是讲在强度和导热性和光学性质上的特定性质;通过X射线的衍射实验可以较准确地区分晶体和非晶体,就可以进入真正的化学知识学习,从基础的晶体构成学起,然后逐渐深入,掌握离子晶体、原子晶体、分子晶体、金属型晶体,以及混合物晶体等各类晶体的性质,从而系统学习这部分知识。
  在教授氯化钠的晶体结构组成时,作为一种基本的离子晶体,笔者要求学生记忆该晶体的基本构造,并且做出该晶体的模型结构,采用纸棒的形式进行构造该晶体的空间结构模型,然后观察该晶体中基本的晶胞单元中钠离子与氯离子的个数。“老师,其中含有4个钠离子和4个氯离子,每个钠离子和每个氯离子都被最近距离的12个氯离子或钠离子包围或是被6个相同离子包围”。在这种结构中,呈现出了高度的对称性和美感。通过严密的数学计算,可以通过钠离子和氯离子间的最近距离计算得出晶体密度,首先分析每晶胞中所含的粒子数目,计算出每个晶胞的质量,在此基础上再求出每个晶胞的体积,这样就可以利用质量与密度的比值作为晶体密度的计算策略。
  相比于抽象的概念合集,实际的计算例子更能建立起学生对于晶体结构和性质的基本认知,在以后的学习过程中,通过自己的经验判断晶体的特点与计算等,正是说明了打好扎实的基础对于培养学生空间想象力的重要性。
  二、方式多样,为学生空间想象力插上翅膀
  在这部分内容的化学教学中,要充分利用以下各种教育教学方式提高学生的空间想象力,让学生理解课堂内容,理解晶体结构的具体构成,在考虑晶胞等问题时要更积极主动地和同学老师交流和沟通,将学习中遇到的各种问题通过恰当方式解决。
  1.一般情况下,我们可以通过现实中存在的各种立体形态帮助我们认识立体图形的各部分要素,也可以通过标准的或原子或离子或分子的空间结构构筑基本的空间框架,虽然可能会有一部分空间架构体系的缺失,但是给予了我们一种基本的分析策略和行事方法,提供了对于变化结构的对应的分析方法。
  2.在当前多媒体盛行的教育方式中,采用多媒体的动态演示晶体结构的动态变化可以直观反映出晶胞的个体数目,以及在空间结构形成的过程中,晶胞是怎样占据空间的各个位置,以一种变化的角度呈现出晶体的空间结构组成,以及这样形成的晶体的性质。除了演示晶体的形成,还可以拿来全方位地呈现一种晶体的各个角度的视图,同时展现各种晶体的对比结构图,在不知不觉中为学生建立晶体空间结构的各种模型与结构,让学生可以很直观地了解到所学的几种晶体结构的空间构成的差异性。多媒体的动态教学的方式在激发学生学习兴趣,活跃课堂氛围,培养学生空间想象力等方面具有重要作用。
  3.在空间结构的学习过程中,鼓励学生动手进行画图也是一种培养学生空间方向感的一种有效方法。学习各种物质的最小晶胞单元的画法,晶胞是晶体中的最小重复单元,通过各种平移变换可以与其他晶胞完美契合,而且一般的,晶胞的几何性质基本上都是平行六面体。像一个蜜蜂的蜂巢一样,有序地排列组合形成一个大的蜂巢即几何结构的完美呈现。通过学生自己动手进行操作,实际形成了他对于这种结构的基本认知,只要碰到这样的结构或描述,立即就可以在脑海中形成这种结构,从而很快推算出晶胞中粒子个数,以及离子和原子在空间的位置构造,如头脑风暴一般,为学生的想象力成长插上了坚强而又厚实的翅膀,使其自由翱翔在晶体的空间结构中。
  三、反思回顾,为学生空间想象力再添助力
  子曰:“学而不思则罔,思而不学则殆。”在学习过程中,要达到思考与学习同步进行,在学习过后不忘反思回顾完整的知识和空间结构的特点,在不断地推翻再重建的思维训练中得到关于晶体结构与性质的总结,充分实现学生空间想象力的成长,学生在不断反思中除了可以巩固知识外,还可以对其结构做出不断的拆解重组,这个过程,可以将学生的思维创造力发展再发展,为学生的空间想象力的成长作出真正的贡献。
  在晶体的结构与性质之中,除了掌握基本的结构构造之外,对于计算,这是一个很重要的值得学习的部分,因为实际应用中很多晶体的要求不仅是能够从结构图上及图文描述中读出相关需要的信息,而且需要能够数并计算出晶胞的数目,晶胞中各离子的数目,以及各自相互围绕的离子或原子数目及结构组成。在计算过程中,我们在学习一种计算方法的基础上要掌握其计算的基本原理,做到“举一隅可以三隅反”,在学习过后将计算的本质展示出来。这部分的计算主要涉及摩尔质量、阿伏伽德罗常数与密度的关系,密度计算中主要应用密度的定义。通过各种或简或繁的分析计算,学生对于晶体的结构性质进一步深入了解,对知识的熟练程度及空间思维进一步提高。
  在大量的学习与分析过后,学生进行的就是空间创造性思维与创造性活动的开展,在熟练了基本知识之后,在认识新的空间晶胞结构的过程中,思维会自觉地将所见的新结构纳入已学过的知识体系中进行对比与分析,在最短时间内将新结构进行分解并按原有方式重新组合,分析出其中的晶胞及化学键的性质,然后在此基础上,对晶胞中粒子的数目进行分析,得出相应结论,这是学习的一个新阶段,也是空间想象力成熟的必经阶段。
  总之,在晶体的结构与性质教学部分中,空间结构是贯穿教师教学与学生学习过程的一根主线,对于主线的学习是主要的,但是在此过程中,要注意学习的规律性,从基础抓起,从每一次课堂分析抓起,使空间思维成为一种习惯性思维,在不断的学习、练习、巩固、回顾、反思中获得不断更新的知识体系和空间结构与性质体系。学生在学习过程中,还应当积极地与同学和老师交换自己的想法,获得更多的理解与发展空间思维的机会,让自己的化学空间思维从无到有,从简入繁再入简,实现空间想象力的腾飞。
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