李夢(mèng)雪 吳俊明

摘要：化學(xué)空間思維對(duì)了解物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單元的空間關(guān)系及空間效應(yīng)，包括基本結(jié)構(gòu)單元間相互作用、基本結(jié)構(gòu)單元對(duì)物質(zhì)宏觀性質(zhì)的影響，以及宏觀層面的晶體形狀等問(wèn)題有重要作用。界定了空間、空間思維、化學(xué)的空間思維，研究了化學(xué)空間思維發(fā)展的歷史脈絡(luò)，分析了化學(xué)教材中涉及化學(xué)空間的內(nèi)容分布情況，討論了化學(xué)空間思維的教學(xué)策略思路、化學(xué)空間思維的測(cè)量及訓(xùn)練方法。

關(guān)鍵詞：空間思維;化學(xué)空間思維;化學(xué)空間思維教學(xué)

1 空間

1.1 作為科學(xué)名詞的空間

作為科學(xué)名詞的空間，是與時(shí)間相對(duì)的一種物質(zhì)客觀存在形式，兩者密不可分。按照宇宙大爆炸理論，宇宙從奇點(diǎn)爆炸之后，宇宙的狀態(tài)由初始的“一”分裂開(kāi)來(lái)，從而有了不同的存在形式、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等差異，物與物的位置差異度量稱之為“空間”，位置的變化則由“時(shí)間”度量?？臻g由長(zhǎng)度、寬度、高度、大小表現(xiàn)出來(lái)[1]。

空間是具體事物的組成部分，是具體事物具有的一般規(guī)定。眼睛可以看到、手可以觸到的具體事物，都是處在一定空間位置中的具體事物，都具有空間的具體規(guī)定，沒(méi)有空間規(guī)定的具體事物是根本不存在的[2]。

空間沒(méi)有邊界并且永遠(yuǎn)存在，即“空間無(wú)界永在”，被稱為“空間公理”。

從經(jīng)典物理學(xué)的角度看，物體存在運(yùn)動(dòng)的（有限或無(wú)限的）場(chǎng)所，即三維區(qū)域，稱為（三維）空間。任何空間點(diǎn)都必然出現(xiàn)在當(dāng)前時(shí)刻，是空間與時(shí)間的基本關(guān)系。根據(jù)狹義相對(duì)論中的四維時(shí)空概念，時(shí)空間隔是不變量，即時(shí)間和空間之間沒(méi)有間隔，“空間永現(xiàn)于當(dāng)前時(shí)刻”。

空間使事物具有了變化性：因?yàn)榭臻g的存在，所以事物才可以發(fā)生變化。

從數(shù)學(xué)的角度看，空間是指一種具有特殊性質(zhì)及一些額外結(jié)構(gòu)的集合。具體地說(shuō)，空間是“點(diǎn)”（即元素）的集合或具有某種幾何結(jié)構(gòu)的集合，例如n維空間、黎曼空間等等。

1.2 各種各樣的空間

宇宙空間、物理空間、數(shù)學(xué)空間等等，都屬于“作為科學(xué)名詞的空間”的范疇。

通常所說(shuō)的宇宙空間（Space），是指地球大氣以外的空間，又稱為外層空間或外太空，簡(jiǎn)稱太空，一般定義為大約距離地球表面1000千米之外的空間。

物理空間是客觀存在的真實(shí)的空間，有一定尺度的幾何空間，可以客觀測(cè)量。據(jù)說(shuō)有十個(gè)維度，其中有七維空間卷曲在三維空間內(nèi)部，是我們觀察不到的。

數(shù)學(xué)中不存在單稱為“空間”的數(shù)學(xué)對(duì)象，常見(jiàn)的空間類(lèi)型有仿射空間、拓?fù)淇臻g、一致空間、向量空間（或稱線性空間）、度量空間、歐幾里得空間、希爾伯特空間、射影空間、函數(shù)空間、樣本空間、概率空間等等。在初等數(shù)學(xué)或中學(xué)數(shù)學(xué)中，空間通常指三維空間，常常涉及位置關(guān)系和度量問(wèn)題。

空間概念引申到網(wǎng)絡(luò)、信息學(xué)、思維學(xué)等領(lǐng)域，產(chǎn)生了網(wǎng)絡(luò)空間、信息空間、思維空間等概念，它們代表目標(biāo)事物的概念范圍。事物的抽象概念是參照于空間存在的[3]。但是，這類(lèi)“空間”（例如“情的空間”“知的空間”）跟作為科學(xué)名詞的空間有所不同，要注意區(qū)分[4]。與此有關(guān)，所謂空間思維也有類(lèi)似的情況：一類(lèi)是指關(guān)于三維空間的思維，另一類(lèi)是引申意義的，是指跳出點(diǎn)、線、面的限制去思考問(wèn)題的思維方式，例如“多元思維”“全方位思維”“整體思維”或“多維型思維”等等。

在中藥學(xué)與西方現(xiàn)代藥學(xué)中，要通過(guò)對(duì)每一個(gè)分子計(jì)算一系列的分子描述符，用這些描述符來(lái)刻畫(huà)其性質(zhì)，并用這些數(shù)值作為一個(gè)個(gè)點(diǎn)構(gòu)成多維空間，將化合物映射到多維空間中的一個(gè)點(diǎn)，通過(guò)判斷多維空間中兩點(diǎn)之間的距離來(lái)對(duì)比分子的相似性，進(jìn)而推測(cè)兩個(gè)化合物性質(zhì)的相似性。通過(guò)一些特定選擇的描述符來(lái)描述化合物的性質(zhì)，所形成的多維描述符空間被稱為化學(xué)空間[5]。顯然，這里的“化學(xué)空間”也是引申性的，在其他領(lǐng)域未見(jiàn)采用。

2 空間思維

所謂空間思維，是指基于空間的屬性和特點(diǎn)，著眼于事物的空間，在腦內(nèi)進(jìn)行的、對(duì)空間事物進(jìn)行的一系列分析與判斷、認(rèn)知與操作的思維過(guò)程，包括確定物體的形狀（空間分布）、位置、空間關(guān)系、動(dòng)靜態(tài)關(guān)系，通過(guò)想象和視覺(jué)化形成新的形狀、位置、空間關(guān)系表象等等，是指向目標(biāo)事物跟空間有關(guān)問(wèn)題解決的間接和概括的意識(shí)活動(dòng)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，空間思維是人腦中指向空間問(wèn)題解決的間接和概括的認(rèn)知活動(dòng)。

跟對(duì)象形狀、位置、空間關(guān)系有關(guān)的問(wèn)題，空間概念及空間表征，對(duì)象的空間變換規(guī)則和變化規(guī)律是空間思維的基本內(nèi)容。

空間思維能力涉及對(duì)空間的意義理解和表征，涉及形成空間內(nèi)外結(jié)構(gòu)與動(dòng)靜關(guān)系的表象，涉及形成有關(guān)問(wèn)題，形成分析、解決問(wèn)題的方案并獲得答案。

3 化學(xué)的空間思維

化學(xué)的空間思維主要解決涉及微觀層面的微?？臻g分布/堆積情況和相互作用、對(duì)宏觀性質(zhì)的影響（尋找規(guī)律，如鍵長(zhǎng)的影響、鍵角的影響）以及宏觀層面的晶體形狀等問(wèn)題。為解決涉及微觀層面的微?？臻g分布/堆積情況的問(wèn)題，常常需要建立模型，進(jìn)行分析、模擬、旋轉(zhuǎn)、透視、轉(zhuǎn)換、匹配、表征等活動(dòng)。為解決涉及微粒相互作用、對(duì)宏觀性質(zhì)的影響和宏觀對(duì)稱性問(wèn)題，需要尋找有關(guān)規(guī)律，確定某些規(guī)則。

關(guān)于基本結(jié)構(gòu)單元（組成微粒）空間關(guān)系及空間效應(yīng)的思維，即化學(xué)的空間思維，以及關(guān)于基本結(jié)構(gòu)單元（組成微粒）的思維、關(guān)于基本結(jié)構(gòu)單元（組成微粒）之間相互作用的思維，都是化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維的三大基本內(nèi)容之一[6]。中學(xué)化學(xué)中空間思維的主要問(wèn)題及解析過(guò)程如表1所示。

化學(xué)空間思維含旋轉(zhuǎn)、透視、轉(zhuǎn)換、匹配，尋找對(duì)稱元素、定位、想象—尋找有關(guān)聯(lián)系、表征等思維操作，以及空間信息的化學(xué)問(wèn)題解決策略。

4 化學(xué)空間思維發(fā)展的歷史追溯

對(duì)化學(xué)空間的研究最先開(kāi)始于原子內(nèi)部空間的研究。道爾頓（J. John Dalton，1766～1844）創(chuàng)立原子學(xué)說(shuō)以后，很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)人們都認(rèn)為原子就像一個(gè)小得不能再小的實(shí)心球。1869年發(fā)現(xiàn)陰極射線以后，湯姆生（Joseph John Thomson，1856～1940）發(fā)現(xiàn)了電子的存在，提出了原子的葡萄干面包模型。隨后，原子放射性的發(fā)現(xiàn)促使盧瑟福（Ernest Rutherford，1871～1937）提出了原子行星模型。玻爾（Niels Henrik David Bohr，1885～1962）則在盧瑟福模型的基礎(chǔ)上，提出了電子在核外的量子化軌道。

1811年阿伏伽德羅（Avogadro A.，1776～1856）提出分子概念后，化學(xué)家對(duì)分子的空間開(kāi)始感興趣，發(fā)現(xiàn)分子空間的研究涉及原子在空間中的位置，并與原子在分子中的成鍵情形與空間排列有關(guān)系。

分子空間的研究最先從分子內(nèi)部相鄰原子間聯(lián)結(jié)的方式和次序的研究開(kāi)始。原子間聯(lián)結(jié)方式和次序的研究開(kāi)始于分子結(jié)構(gòu)式和化學(xué)鍵的研究。19世紀(jì)初，弗蘭克蘭（Frankland Edward，1825～1899）提出在分子中原子間按“化合價(jià)”結(jié)合，且這種“化學(xué)價(jià)”無(wú)正負(fù)之分。20世紀(jì)初，美國(guó)化學(xué)家路易斯（Gilbert Newton Lewis，1875～1946）提出“化學(xué)價(jià)”實(shí)質(zhì)上是原子能夠用來(lái)形成共用電子對(duì)的電子數(shù)，分子中除鍵合電子外，還經(jīng)常存在未用于形成共價(jià)鍵的非鍵合電子（孤對(duì)電子）[7]。共價(jià)鍵的提出促進(jìn)了溶液中、金屬中原子間空間思維的發(fā)展，產(chǎn)生了離子鍵、金屬鍵概念。

雖然分子結(jié)構(gòu)式和化學(xué)鍵能夠反映分子內(nèi)或晶體內(nèi)相鄰兩個(gè)或多個(gè)原子（或離子）間的聯(lián)結(jié)，卻是側(cè)重于平面維度的聯(lián)結(jié)，未能反映分子或晶體單獨(dú)的、整體的形狀分布。

隨著貝采利烏斯（Jns Jakob Berzelius，1779～1848）于1830年發(fā)現(xiàn)了同分異構(gòu)現(xiàn)象，人們開(kāi)始逐漸意識(shí)到不同分子或晶體的空間形狀不同，組成相同的分子可能具有不同的空間形狀。不過(guò)此時(shí)大部分人都認(rèn)為分子或晶體形狀都是平面形的，即分子內(nèi)或晶體內(nèi)所有原子都處在同一個(gè)平面內(nèi)。直到19世紀(jì)中葉至19世紀(jì)末，巴斯德（Louis Pasteur，1822～1895）、威利森努斯（Johannes Wislicenus，1835～1902）等人發(fā)現(xiàn)酒石酸、乳酸等有機(jī)化合物存在旋光異構(gòu)現(xiàn)象，凱庫(kù)勒（FriedrichA·Kekule，1829～1896）提出了碳四價(jià)的特殊性、有機(jī)物碳鏈結(jié)構(gòu)、苯的環(huán)狀結(jié)構(gòu)……才將人們對(duì)分子內(nèi)原子間的排列次序的注意力轉(zhuǎn)移到了分子的立體形狀。范特霍夫（Jacobus Henricus vant Hoff，1852～1911）針對(duì)有機(jī)物異構(gòu)體現(xiàn)象在理論與實(shí)際中的不統(tǒng)一提出設(shè)想，把碳原子的價(jià)鍵看成直接指向一個(gè)四面體的各個(gè)角，碳原子位于四面體的中心。這樣就把分子空間分布由平面推向立體，解釋了許多由于原子的空間排列不同而引起的立體異構(gòu)現(xiàn)象，為立體化學(xué)的形成奠定了基礎(chǔ)[8]。之后，隨著觀察、實(shí)驗(yàn)方法的進(jìn)步，發(fā)現(xiàn)大部分的化合物并非是平面結(jié)構(gòu)，不同分子的構(gòu)造不同;對(duì)于由成千上萬(wàn)個(gè)C—C單鍵所組成的高分子鏈，由于每個(gè)單鍵可以做不同程度的內(nèi)旋轉(zhuǎn)，分子內(nèi)原子在空間的排布方式隨之不斷地變更而取不同的構(gòu)象。

總體來(lái)看，人們逐步發(fā)現(xiàn)，原子內(nèi)部呈現(xiàn)一定的空間結(jié)構(gòu);分子或晶體中原子不是雜亂無(wú)章排列在一起，而是按照一定規(guī)律結(jié)合，從而使分子或晶體在空間呈現(xiàn)出一定的幾何形狀，相同分子內(nèi)原子的排列可能不同。

早期人類(lèi)探索化學(xué)空間的思維過(guò)程有如下特點(diǎn)：

由經(jīng)驗(yàn)歸納到假設(shè)檢驗(yàn)再到實(shí)驗(yàn)論證。

從線式、平面的維度到立體的維度。

從構(gòu)造（原子間的聯(lián)結(jié)方式和次序）到構(gòu)型（分子的空間形狀）再到構(gòu)象（有機(jī)化合物分子中，由C—C單鍵旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的原子或基團(tuán)在空間排列的無(wú)數(shù)特定的形象）。

化學(xué)空間思維主要依賴于想象、模型、觀察、實(shí)驗(yàn)、邏輯論證的手段和方法。

5 現(xiàn)代化學(xué)空間思維的發(fā)展與深化

早期化學(xué)空間思維更多地從定性分析的角度探討微觀層面的微?？臻g分布和相互作用，雖然有實(shí)驗(yàn)事實(shí)作為觀點(diǎn)的依據(jù)和支撐，但是缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撘罁?jù)和科學(xué)的定量分析手段。隨著科學(xué)的進(jìn)步與科學(xué)方法的發(fā)展，化學(xué)空間思維得以發(fā)展和深化。尤其是物理測(cè)量方法、量子力學(xué)、數(shù)學(xué)方法和計(jì)算機(jī)的運(yùn)用，促使化學(xué)空間思維向著多元化、抽象化、理性化的方向發(fā)展。

例如，20世紀(jì)中葉，多種物理測(cè)量方法如X射線技術(shù)、電子衍射技術(shù)、分子吸收光譜、分子偶極運(yùn)動(dòng)、核磁共振等進(jìn)入化學(xué)結(jié)構(gòu)的研究領(lǐng)域，人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到化學(xué)空間是可以直接觀察和測(cè)量的，通過(guò)這些物理測(cè)量方法可以比化學(xué)分析方法更快確定化學(xué)空間的形狀和細(xì)節(jié)。威廉·亨利·布拉格（Sir William Henry Bragg，1862～1942）就利用X射線觀察金剛石晶體中的原子排列，發(fā)現(xiàn)金剛石晶體中，每個(gè)碳原子與相鄰的四個(gè)碳原子緊密結(jié)合，形成致密的三角錐結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)一個(gè)正四面體的形狀?；瘜W(xué)家們還通過(guò)電子衍射法驗(yàn)證了環(huán)己烷的非平面結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了直立鍵和平伏鍵的差異。

同時(shí)，量子力學(xué)的運(yùn)用也加深了人們對(duì)化學(xué)空間的認(rèn)識(shí)。薛定諤方程以及波函數(shù)的運(yùn)用，揭示了原子結(jié)構(gòu)、共價(jià)鍵和雙原子分子結(jié)構(gòu)的本質(zhì)，以及原子軌道、分子軌道成鍵的過(guò)程。人們逐漸認(rèn)識(shí)到微粒的空間分布、微粒間相互作用、晶體的形狀等空間問(wèn)題可以通過(guò)理論推演得出?；瘜W(xué)家們推演出了用來(lái)判定分子空間分布的幾何構(gòu)型的理論。海特勒（Heitter，W.）、倫敦（London，F(xiàn).）、鮑林（Pauling，L.）等人把量子力學(xué)理論應(yīng)用到分子結(jié)構(gòu)中，建立了現(xiàn)代價(jià)鍵理論;1932年，密立根（Mulliken）和洪特（Hund）從分子中電子空間狀態(tài)的角度提出了分子軌道理論;后來(lái)，為了更好地解釋分子的實(shí)際空間構(gòu)型和穩(wěn)定性，鮑林（Pauling，L.）在“電子配對(duì)”假設(shè)的基礎(chǔ)上又提出了“軌道雜化理論”[9]。

幾何方法、圖論等數(shù)學(xué)方法的運(yùn)用，促使化學(xué)空間思維改進(jìn)了早期主要依靠幾何想象推理的思維方式，如早期范特霍夫完全依靠幾何推理，提出分子存在立體的空間分布。數(shù)學(xué)方法在化學(xué)空間思維發(fā)展中的運(yùn)用，主要是借鑒其思維方式和分析解決問(wèn)題的過(guò)程和方法。具體表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

首先是幾何思維（對(duì)稱、平移、空間坐標(biāo)系等）的應(yīng)用，其中應(yīng)用較為廣泛的是對(duì)稱思維。在研究分子內(nèi)部相同原子原子團(tuán)的等效性、原子軌道成鍵過(guò)程中原子間總是盡可能沿著原子軌道最大重疊的方向成鍵[10]等問(wèn)題時(shí)，可以用軸對(duì)稱思維加以解釋;在研究不同液體“相似相溶”現(xiàn)象以及分子極性時(shí)，可以用中心對(duì)稱思維確定分子中的對(duì)稱元素是否只交于一點(diǎn)（偶極矩是否為零）、分子中正負(fù)電荷中心是否重合，即分子是否有極性[11]?；瘜W(xué)中還存在特殊的對(duì)稱思維，如手性實(shí)際上涉及分子內(nèi)是否有任意次映軸Sn等對(duì)稱元素的對(duì)稱性，可以用來(lái)解釋分子的旋光性。對(duì)稱思維對(duì)化學(xué)空間思維的啟示和發(fā)展不僅局限于研究物質(zhì)的靜態(tài)性質(zhì)，也可以用來(lái)解釋分子在反應(yīng)過(guò)程中的機(jī)理，從理論上分析，當(dāng)一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物和產(chǎn)物的分子軌道對(duì)稱性一致時(shí)，反應(yīng)就易于發(fā)生，不一致時(shí)，反應(yīng)就難以進(jìn)行。除對(duì)稱思維外，還可以運(yùn)用平移思維和坐標(biāo)系思維研究晶體的空間結(jié)構(gòu)，晶體是由完全等同的晶胞無(wú)縫平移堆積而成，晶胞具有相同的頂角、相同的平行面和相同的平行棱;可以用空間坐標(biāo)系的方法來(lái)標(biāo)注晶胞中原子的位置，用來(lái)判斷平均每個(gè)晶胞中原子個(gè)數(shù)。

其次是圖論思維的應(yīng)用?；瘜W(xué)中一直以來(lái)就常用圖（式）來(lái)表示空間分布：從早期分子結(jié)構(gòu)式到路易斯結(jié)構(gòu)式，再到后來(lái)分子的空間構(gòu)型、構(gòu)象，晶體的空間點(diǎn)陣式。用圖（式）不僅可以反映不同分子或晶體、相同分子間的空間形式、形狀及細(xì)節(jié)，也可以表述反應(yīng)步驟的復(fù)雜序列（如玻恩圖）。

以上種種方法運(yùn)用在化學(xué)空間研究中，使得化學(xué)空間思維逐步細(xì)致和豐富。但是，由于不同微粒具有不同的質(zhì)量、體積以及電荷、變形等性質(zhì)，化學(xué)空間研究不能單純地只應(yīng)用幾何思維和物理測(cè)量等方法，還需要考慮到化學(xué)中特有的一些空間效應(yīng)，如空間位阻、誘導(dǎo)、共軛，才能更完美地解釋化學(xué)空間分布現(xiàn)象。

總的來(lái)看，現(xiàn)代化學(xué)空間思維的發(fā)展和深化表現(xiàn)出以下特點(diǎn)：

逐漸放棄了盲目性較大的猜想—驗(yàn)證的思維方式，測(cè)量—推演逐漸成為主導(dǎo)的思維方式。

由片面的思維方式逐步走向整體的思維方式。早期對(duì)物質(zhì)空間接結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)比較片面，往往停留在想象層面，后來(lái)結(jié)合一些測(cè)量方法、數(shù)學(xué)方法、量子力學(xué)等，才逐漸認(rèn)識(shí)到物質(zhì)空間結(jié)構(gòu)是內(nèi)外相互作用、豐富的、具體的。

6 中學(xué)化學(xué)中的化學(xué)空間思維

現(xiàn)行中學(xué)化學(xué)教材中有關(guān)化學(xué)空間的內(nèi)容分布情況如表2、表3[12]所示。大體上包含的內(nèi)容有：

原子內(nèi)部電子的空間排布。

分子的空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，包括原子間連接順序、成鍵方式和空間排布。

化學(xué)鍵的類(lèi)型、形成、與空間結(jié)構(gòu)判斷的關(guān)系。

晶體中構(gòu)成微粒的空間排布方式。

有機(jī)化合物中存在的同分異構(gòu)現(xiàn)象。

有機(jī)化合物基團(tuán)之間的空間影響。

3.1 原子結(jié)構(gòu)與元素周期律

認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)，了解原子核外排布。能畫(huà)出1～20號(hào)元素原子的原子結(jié)構(gòu)示意圖。教學(xué)中應(yīng)注重運(yùn)用實(shí)驗(yàn)事實(shí)、數(shù)據(jù)等證據(jù)素材，幫助學(xué)生轉(zhuǎn)變偏差認(rèn)識(shí)。

3.2 化學(xué)鍵

認(rèn)識(shí)構(gòu)成物質(zhì)的微粒之間存在相互作用，結(jié)合典型實(shí)例認(rèn)識(shí)離子鍵和共價(jià)鍵的形成，建立化學(xué)鍵概念。知道分子存在一定的空間結(jié)構(gòu)。能判斷離子化合物和共價(jià)化合物中的化學(xué)鍵類(lèi)型。注重組織學(xué)生開(kāi)展概括關(guān)聯(lián)、比較說(shuō)明、推論預(yù)測(cè)、設(shè)計(jì)論證等活動(dòng)。

4.1 有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

知道有機(jī)化合物分子是有空間結(jié)構(gòu)的，以甲烷、乙烯、乙炔、苯為例認(rèn)識(shí)碳原子的成鍵特點(diǎn)。能辨識(shí)常見(jiàn)有機(jī)化合物分子中的碳骨架和官能團(tuán)。能搭建甲烷和乙烷的立體模型。通過(guò)模型拼插等活動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)有機(jī)化合物中碳原子的成鍵特點(diǎn)、價(jià)鍵類(lèi)型和簡(jiǎn)單分子的空間結(jié)構(gòu)。

4.1 有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

知道有機(jī)化合物存在同分異構(gòu)現(xiàn)象。能寫(xiě)出丁烷和戊烷的同分異構(gòu)體。通過(guò)模型拼插等活動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)有機(jī)化合物中碳原子的成鍵特點(diǎn)、價(jià)鍵類(lèi)型和簡(jiǎn)單分子的空間結(jié)構(gòu)。

模塊2 物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)1.1 原子核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

了解有關(guān)核外電子運(yùn)用模型的歷史發(fā)展過(guò)程。知道電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（空間分布及能量）可通過(guò)原子軌道和電子云模型來(lái)描述。能說(shuō)明微粒粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與宏觀物體運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的差異。

能結(jié)合能量最低原理、泡利不相容原理、洪特規(guī)則書(shū)寫(xiě)1～36號(hào)元素基態(tài)原子的核外電子排布式和軌道表示式，并說(shuō)明含義。引導(dǎo)學(xué)生反思已有理論模型的局限，建立新的原子結(jié)構(gòu)模型。借助科學(xué)史的故事和素材多角度展示人類(lèi)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)過(guò)程，促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解。

2.2 共價(jià)鍵本質(zhì)和特征

認(rèn)識(shí)原子間通過(guò)原子軌道重疊形成共價(jià)鍵，了解共價(jià)鍵具有飽和性和方向性。知道原子軌道的重疊方式，共價(jià)鍵可分為σ鍵和π鍵等類(lèi)型;共價(jià)鍵的鍵能、鍵長(zhǎng)和鍵角可以用來(lái)描述鍵的強(qiáng)弱和分子的空間結(jié)構(gòu)。能根據(jù)共價(jià)分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)說(shuō)明簡(jiǎn)單分子的某些性質(zhì)。借助事物模型、計(jì)算機(jī)軟件模型、視頻等多種直觀手段，充分發(fā)揮學(xué)生搭建分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)模型等活動(dòng)的作用，降低教學(xué)內(nèi)容抽象性，促進(jìn)學(xué)生對(duì)相關(guān)內(nèi)容的理解和認(rèn)識(shí)。

2.3 分子的空間結(jié)構(gòu)

結(jié)合實(shí)例了解共價(jià)分子具有特定的空間結(jié)構(gòu)，并可運(yùn)用相關(guān)理論和模型進(jìn)行解釋和預(yù)測(cè)。知道分子的結(jié)構(gòu)可以通過(guò)波譜、晶體X射線衍射技術(shù)進(jìn)行測(cè)定。知道分子極性與鍵的極性、分子的空間結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。能根據(jù)給定的信息分析常見(jiàn)分子空間結(jié)構(gòu)，能利用相關(guān)理論解釋簡(jiǎn)單的共價(jià)分子的空間結(jié)構(gòu)。借助事物模型、計(jì)算機(jī)軟件模型、視頻等多種直觀手段，充分發(fā)揮學(xué)生搭建分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)模型等活動(dòng)的作用，降低教學(xué)內(nèi)容抽象性，促進(jìn)學(xué)生對(duì)相關(guān)內(nèi)容的理解和認(rèn)識(shí)。

2.4 晶體和聚集狀態(tài)

了解晶體中微粒的空間排布存在周期性，認(rèn)識(shí)簡(jiǎn)單的晶胞。能從微粒的空間排布及其相互作用的角度對(duì)生產(chǎn)、生活、科學(xué)研究中的簡(jiǎn)單案例進(jìn)行分析。借助事物模型、計(jì)算機(jī)軟件模型、視頻等多種直觀手段，充分發(fā)揮學(xué)生搭建分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)模型等活動(dòng)的作用，降低教學(xué)內(nèi)容抽象性，促進(jìn)學(xué)生對(duì)相關(guān)內(nèi)容的理解和認(rèn)識(shí)。

3.2 認(rèn)識(shí)物質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)可以借助某些實(shí)驗(yàn)手段來(lái)測(cè)定。通過(guò)這些手段所獲得的信息為建立物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型或相關(guān)理論提供支撐。能說(shuō)明原子光譜、分子光譜、聚集態(tài)等不同尺度上結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的影響。選取與現(xiàn)實(shí)生活與科學(xué)前沿密切相關(guān)的案例，促使學(xué)生認(rèn)識(shí)研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的價(jià)值。通過(guò)查閱文獻(xiàn)、聽(tīng)專家講座、觀看化學(xué)影視資料等多種途徑開(kāi)展教學(xué)，開(kāi)闊學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)奧秘的熱情。

模塊3 有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)1.1 有機(jī)化合物的分子結(jié)構(gòu)

認(rèn)識(shí)有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)決定于原子間連接順序、成鍵方式和空間排布，認(rèn)識(shí)有機(jī)化合物存在構(gòu)造異構(gòu)和立體異構(gòu)等同分異構(gòu)現(xiàn)象。能辨識(shí)有機(jī)化合物分子中的官能團(tuán)。能辨識(shí)同分異構(gòu)現(xiàn)象，能寫(xiě)出符合特定條件的同分異構(gòu)體，能舉例說(shuō)明立體異構(gòu)現(xiàn)象。通過(guò)模型拼插或動(dòng)畫(huà)模擬建立對(duì)有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)的直觀認(rèn)識(shí)，利用物質(zhì)結(jié)構(gòu)的有關(guān)理論幫助學(xué)生理解有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，碳原子結(jié)構(gòu)特征及其成鍵特征和分子空間結(jié)構(gòu)的決定作用。

1.3 有機(jī)化合物中的化學(xué)鍵

認(rèn)識(shí)有機(jī)化合物分子中共價(jià)鍵的類(lèi)型、極性及其與有機(jī)反應(yīng)的關(guān)系，知道有機(jī)化合物分子中基團(tuán)之間的相互影響會(huì)導(dǎo)致鍵的極性發(fā)生改變，從化學(xué)鍵角度認(rèn)識(shí)官能團(tuán)與有機(jī)化合物之間是如何相互轉(zhuǎn)化的。判斷有機(jī)化合物分子中碳原子的飽和程度、鍵的類(lèi)型，分析鍵的極性;能根據(jù)有機(jī)化合物分子的結(jié)構(gòu)特征分析簡(jiǎn)單化合物的某些化學(xué)性質(zhì)。通過(guò)對(duì)有機(jī)化合物性質(zhì)的分析解釋活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)官能團(tuán)、碳原子的飽和性和化學(xué)鍵的極性的有機(jī)化合物性質(zhì)的決定作用;結(jié)合典型案例認(rèn)識(shí)有機(jī)化合物分子中基團(tuán)間存在相互影響，并適當(dāng)開(kāi)展基于結(jié)構(gòu)分析預(yù)測(cè)性質(zhì)和反應(yīng)的學(xué)習(xí)活動(dòng)。

中學(xué)化學(xué)教學(xué)中如何培養(yǎng)化學(xué)空間思維

對(duì)化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的空間思維內(nèi)容及要求，要分別選擇不同的教學(xué)策略和思路。具體地說(shuō)，思路主要有三個(gè)：

第一個(gè)思路是模型觀察—想象—定位，主要應(yīng)用于分子和晶體的空間構(gòu)型、化學(xué)鍵的本質(zhì)和形成，用實(shí)物模型、計(jì)算機(jī)虛擬圖形、動(dòng)畫(huà)、分析模型等手段，展示分子的空間分布與排布。根據(jù)對(duì)模型不同角度的觀察綜合成對(duì)分子空間狀態(tài)的完整想象，根據(jù)宏觀模型的拼插定位分子內(nèi)相鄰原子的連接順序，建立宏觀模型與微觀空間結(jié)構(gòu)的聯(lián)系，促使學(xué)生的思維脫離具體模型。以甲烷空間構(gòu)型教學(xué)為例，給定一個(gè)甲烷的空間模型圖（見(jiàn)圖1），學(xué)生先觀察各原子對(duì)應(yīng)的位置，P、 A、 B、 C為氫原子位置，F(xiàn)為碳原子位置，先后通過(guò)點(diǎn)P作

第二個(gè)思路是經(jīng)驗(yàn)歸納—假設(shè)檢驗(yàn)—證據(jù)驗(yàn)證，主要應(yīng)用于原子的空間分布上，根據(jù)先行認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)作出假設(shè)，用實(shí)驗(yàn)事實(shí)、數(shù)據(jù)、科學(xué)史料等證據(jù)來(lái)驗(yàn)證，開(kāi)展比較說(shuō)明與邏輯推理。

第三個(gè)思路是測(cè)量—推斷—表征，主要應(yīng)用于同分異構(gòu)體的空間排布，通過(guò)電子衍射法等技術(shù)手段判斷有機(jī)化合物同分異構(gòu)類(lèi)型，用數(shù)學(xué)方法推斷可能的同分異構(gòu)體，并以一定表征方式如結(jié)構(gòu)式體現(xiàn)。

空間思維對(duì)化學(xué)學(xué)習(xí)非常重要。

學(xué)生化學(xué)空間思維能力的高低可以通過(guò)一些工具來(lái)測(cè)量。Oliver-Hoyo和Sloan編制了“化學(xué)空間思維能力測(cè)試卷”，包含33個(gè)測(cè)試問(wèn)題，認(rèn)為化學(xué)空間思維能力包含視覺(jué)空間技能、多個(gè)視角、與記憶能力相關(guān)三個(gè)方面的主要因素[14]。Bodner和McMillen通過(guò)普渡旋轉(zhuǎn)視覺(jué)化測(cè)試、尋找形狀拼圖測(cè)試等來(lái)測(cè)量《普通化學(xué)》課程中的空間能力[15]。谷進(jìn)娟聯(lián)系高中化學(xué)學(xué)習(xí)從空間知覺(jué)、空間定位、空間想象三個(gè)方面編制了相應(yīng)的測(cè)試題目[16]，可供教學(xué)時(shí)參考。

如何促進(jìn)不同水平學(xué)生化學(xué)空間思維的提高和發(fā)展？筆者認(rèn)為，首先要開(kāi)發(fā)和使用相應(yīng)的視覺(jué)化工具，如實(shí)物模型、虛擬圖形、動(dòng)畫(huà)、分析模型等，促進(jìn)學(xué)生對(duì)微粒整體空間分布/堆積情況和相互作用的想象，形成空間形象或空間印象;第二要借助結(jié)構(gòu)示意圖、二維和三維的結(jié)構(gòu)表征，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)定位、心理旋轉(zhuǎn)、透視、轉(zhuǎn)換等思維操作理解空間伸展方向、原子的共面與共線等深度的空間信息;第三要結(jié)合物理測(cè)量方法、數(shù)學(xué)方法、信息技術(shù)（如虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)）的應(yīng)用來(lái)輔助學(xué)生提高空間分析技巧和空間思維的能力;第四要注意化學(xué)空間思維從平面到立體、從相互作用到空間分布、從構(gòu)造到構(gòu)型再到構(gòu)象、從猜想驗(yàn)證到測(cè)量推理的發(fā)展順序。

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