利用高斯软件构建四重表征认识路径的教学探索

苏英慧 万长江 邓阳洋

摘要：利用高斯软件模拟钠离子与氯离子逐渐形成离子键的动态过程，同时外显此形成过程的能量曲线，帮助学生建立能量观和结构观相结合的认知模型，从而通过“四重表征”降低了离子健概念学习的抽象性，促进学生通过多重视角对相关内容获得整体理解和认识。

关键词：四重表征;高斯软件;离子键;翻轉课堂

文章编号：1008-0546（2021）03-0028-06 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.03.006

一、化学学习中四重表征的界定

“四重表征”教学指的是对物理或化学变化从“宏观一微观一符号一曲线”四重角度进行表征与表征间相互转换的教学模式[1]。宏观表征是人类感知器官直接感知到的物质及其性质;微观表征是亚微观水平上的物质及其性质;符号表征是化学物质组成、结构、性质、变化、状态、数量、单位等符号[2];曲线表征是指将化学反应中的数据变化以定量的曲线形式在坐标轴中记录下来，其中曲线的起点、拐点和终点反映了化学反应中的变化趋势，是将宏观表征和微观表征联系起来的桥梁[3]。在三重表征的基础上加入曲线表征，有助于学生在全面认识和理解化学物质及其变化的同时，培养其对定量图像信息处理的能力。四重表征思维能让学生体会同一个化学知识点在宏观、微观、符号和曲线四个不同层面具有不同的表现形式（图1）。

“四重表征”尤其适用于化学概念和原理的教学，这些教学内容通常涉及的变化过程较为复杂，其微观机理对学生来说较为抽象，而“四重表征”教学模式则能有序、系统地协助学生收集宏观和微观证据以建构相关化学概念和原理。目前的曲线表征形式多为pH曲线、透光率曲线、电导率曲线和压强、温度、浊度曲线[5]，而基于高斯软件模拟粒子间能量变化曲线的相关研究暂时还未被引入中学课堂教学。

二、基于高斯软件的四重表征教学设计思路

1.离子键的教材分析

在新编人教版教材[6]中，教材的编排思路如下图2：

对比各国高中化学教材在离子键一节中的图表分布情况（图3）可知，对于离子键内容的呈现，韩国、澳大利亚等国家教材设计的图表类型丰富，这些国家不仅呈现Na原子与Cl原子形成NaCl的微观过程，还对MgO、Na2O等的形成过程用原子结构示意图进行呈现[7]。04版高中化学教材原有1幅Na与Cl2反应的实验图片呈现该内容，新编人教版教材则删除钠与氯气的宏观实验图，仅从微观、符号角度学习离子键的形成过程，并未用模型图呈现离子键的形成过程。

离子键内容属于物质结构类知识，其本身具有的抽象性和微观特征增加了该内容的学习难度，教材中模型类图表的设计是降低这一内容学习难度的有效手段。但现行教材离子键这部分知识中不仅没有实验图片，离子键的微观形成过程也未利用图片进行呈现，不利于学生对离子键知识的学习，故在教学中应该增加图表、微观模型帮助学生理解。为了帮助学生突破离子键中静电引力与静电斥力之间对立统一的教学重难点，教师可以尝试将抽象的微观过程结合直观的曲线表征，降低学生的学习难度。

2.基于高斯软件的曲线表征

本节课中教师利用高斯软件①模拟钠离子与氯离子从一定距离相互靠近，逐渐形成离子键的动态过程，同时扫描体系能量②与核间距之间的关系，得到相关曲线，进行“宏观一微观一符号一曲线”的四重表征，以分析离子键的形成。此课通过计算机模拟实验得到动态模型图及曲线图，同时配合形象的图表、图片，降低离子键概念学习的抽象性，增加新的能量认识视角，帮助学生建立认知模型以达到离子键概念的意义建构。整个过程有利于学生更直观地体会建模过程，提高学生“四重表征”之间的转换水平和发展“证据推理与模型认知”维度的核心素养。

具体操作过程如下：（1）在高斯软件中建立氯化钠体系，并将其核间距调整为1.5（图4）;（2）进入Re-dundant coordinate editor设置扫描范围，选择改变量为键长（Bond），坐标（Coordinate）为编号1，2的钠离子和氯离子并设置扫描50次，每次变化量为0.05（图5）;（3）进入计算界面（Gaussian Calculation Set即），进行相关设置，需要选择的地方只有Method中的基本设置（图6）;（4）设置完成后选择提交，保存相关log后，高斯软件则会进入计算（图7），计算结果则保存在对应out文件中，打开out文件，并在result菜单下选择scan则可得到图8结果图。

虽然高斯软件直观形象地模拟了氯化钠体系核间距随能量之间的动态变化关系，但是由于高斯软件曲线本身的难操作性与较为复杂的全英文界面，在第一次试教过程中，学生普遍反映软件“高大上”，较难操作。故研究者选择将高斯软件的模拟过程转换成形象可视的flash的形式，使得学生能通过简单地拖动flash中的钠离子与氯离子来改变它们之间的间距，从而得到对应的能量曲线，当学生拖动氯离子过于远离钠离子时，总能量值上升，体系不稳定。当学生拖动氯离子过于靠近钠离子时，核和核、电子和电子之间斥力加大，总能量值上升的更快，更不稳定。故只有达到能量最低点时，体系最稳定，此时可认为核和核、电子和电子斥力等于核和电子的引力。将高斯软件结果转换为flash能使学生在模拟实验中通过简单的操作，自主地得到相关曲线，并结合曲线进行讨论，从而突破教学难点。

三、基于四重表征理论的“离子键”教学目标

（1）通过钠与氯气的宏观实验现象，激发学习兴趣，初步建立结构与性质之间的联系。通过设计电离实验验证离子键存在，培养用宏观现象说明微观本质，从性质反推结构的思维，发展“宏观辨识与微观探析”的化学学科核心素养。

（2）通过介绍离子键理论建立的化学史发展与绿色溶剂离子液体，体会化学给生产生活带来的进步与便利，发展“科学态度与社会责任”核心素养。

（3）通过分析氯化钠体系能量曲线，用对立统一的规律认识静电引力与静电斥力的关系，加深对“离子键”概念本质的理解，发展“证据推理与模型认知”的化学学科核心素养。

（4）通过动手操作flash动画直观地感受离子键的形成，探究离子键形成的本质，同时设计离子化合物形成过程的方案，培养创造性思维，发展“科学探究与创新意识”核心素养。

四、基于四重表征理论的二离子键”教学过程

本次教学采用翻转课堂模式，教学过程分为课前自学部分与以小组合作形式为主的课堂教学（图9）。

1.环节一：课前热身，微课导学

[教师活动]课前通过在线学习平台发布2段微视频，分别是《离子键理论建立的化学史》《电子式的书写》，同时发布《电子式书写》的作业，引导学生进行小组讨论并完成作业。

[学生活动]结合视频提出的疑问进行小组讨论，并完成有关电子式书写的基础训练题。

[评价任务1]通过点评学生的电子式书写训练，诊断学生的符号表征水平。

[设计意图]①通过视频介绍离子健理论建立的化学史，发展“科学态度与社会责任”核心素养。呈现钠与氯气反应生成氯化钠实验现象，引导学生从结构角度分析形成氯化钠的原因，发展“宏观辨识与微观探析”核心素养;②通過微视频进行电子式书写的技能培养，为翻转课堂做准备。

2.环节二：课堂导入，创设情境

[情境创设]神奇的溶剂一离子液体是一种常温就可以达到熔融状态的离子化合物[8]，它们由阴离子和阳离子构成，是一种新发现的绿色清洁溶剂。

[引导]我们这节课就学习离子化合物是什么，离子化合物是依靠什么作用能够稳定存在的。

[提问]你能否根据钠原子与氯原子的原子结构特点，说说为什么钠原子与氯原子相结合可以形成氯化钠呢？

[甲答]钠原子失去一个电子变成钠离子，氯原子得到一个电子变成氯离子，二者结合在一起形成氯化钠。

[演示]钠原子变成钠离子与氯原子变成氯离子微视频。

[引导]我们这节课要关注的问题是钠离子与氯离子之间存在什么作用力？阴、阳离子结合在一起，电荷彼此是否会中和呢？

[乙答]不会中和，不然氯化钠就不是离子化合物。

[评价任务2]通过从结构角度对氯化钠的形成进行交流，诊断学生的微观表征水平。

[设计意图]①通过介绍离子液体，拓展科学视野，激发学习兴趣;②通过微视频所设疑问，引导学生主动回忆已有知识，分析氯化钠的形成过程，明确形成氯化钠的原因是原子通过得失电子形成离子，发展“宏观辨识与微观探析”核心素养;③引导学生认识钠离子与氯离子之间存在的作用力不仅是静电引力，为后续教学做铺垫。

3.环节三：曲线分析，突破难点

[提问]请大家根据下列模型分析钠离子与氯离子之间会有什么作用力（图10）？

[丙答]我们认为钠离子与氯离子的电性相反存在静电引力。但钠离子和氯离子的核和核，电子和电子之间也有斥力。

[讲授]老师根据数据构建了一个氯化钠flash模型，现在是氯化钠体系在无外力作用下的状态，那么大家试着拖动氯离子，感受静电作用的存在，同时看看能量曲线有何变化（图11）。

[小组代表发言]拖动氯离子远离时，总能量值上升，体系不稳定，且放开氯离子会自动吸引回去，也就意味着，此时总能量高，体系不稳定。氯离子靠近时，斥力太大，能量值上升的更快，更不稳定。

[提问]那么既有吸引又有排斥的话，氯化钠又在什么情况下稳定呢？

[齐答]能量最低时体系最稳定，此时斥力等于引力。

[讲授]我们就把带阴、阳离子之间的相互作用称为离子键，离子键的形成本质即静电作用。

[提问]可否将离子键定义为阴、阳离子之间的相互引力？

[学生丁答]不能，因为相反电荷离子之间既有引力又有斥力，说“相互作用”更恰当。

[评价任务3]通过flash模拟氯化钠体系构建离子键的微观形成过程的认知，诊断学生的四重表征水平。

[设计意图]①通过原子结构模型化抽象为直观，降低学生分析离子间作用力的难度，同时也培养学生融合物理学科知识解决问题的能力，初步建立能量观;②学生通过亲自动手操作flash动画，直观地感受离子健的形成和作用力，探究离子键形成的本质，发展“科学探究与创新意识”核心素养;③通过分析氯化钠体系能量曲线，培养定量分析的思维，用对立统一的规律认识静电引力与静电斥力的关系，加深对“离子键”概念本质的理解，发展“证据推理与模型认知”的化学学科核心素养。

4.环节四：演绎推理，宏微结合

[提问]有什么元素的原子和Na原子一样易形成阳离子呢？有什么元素的原子和Cl原子一样易形成阴离子呢？

[学生戊答]活泼金属元素的原子易形成阳离子，活泼非金属元素的原子易形成阴离子。

[追问]这些元素通常在周期表哪些族呢？

[戊答]活泼金属元素一般是ⅠA、ⅡA族元素，活泼非金属元素一般是ⅥA、ⅦA族元素。

[教师小结]离子键的成键元素一般是ⅠA、ⅡA族元素与ⅥA、ⅦA族元素，但有少量例外。并提出离子化合物的概念。

[提问]请看氯化钠晶胞结构图（图12），如何用氯化钠固体制备导电性强，只由自由移动的钠离子、氯离子构成的液体呢？

[小组代表发言]固态氯化钠晶体中存在牢固的离子键，离子不能自由移动，不导电。但将氯化钠固体熔融后，离子键断裂，可得到由自由移动离子构成的液体。

[科学视野]科学家发现离子液体能够溶解有机物、无机物、聚合物等，是很多有机反应的优良溶剂，而且其比传统溶剂更加绿色环保[9]。我们把常温下便熔融的离子化合物称为离子液体。同时，固态氯化钠不导电但受热熔化可导电也证实了氯化钠中离子键的存在。

[生聆听]整理笔记，观看从固态到熔融状态离子键断裂的flash。

[评价任务4]通过结合已有的元素周期律、电解质电离的知识，解决离子键形成元素、宏观存在的问题，诊断学生的知识应用能力。

[设计意图]①通过结合已有知识，帮助学生分析离子健成键元素的特点，培养学生演绎推理的科学思维方法;②通过设计实验制备离子液体，也从宏观验证了离子键存在，从性质反映结构，培养“宏观辨识与微观探析”与“证据推理与模型认知”素养。同时也否定了“化学健断裂必然是发生化学反应”这一错误观点;③通过介绍离子液体可作为反应绿色清洁剂、催化剂，体现化学对社会生活、生产的积极作用，发展“科学态度与社会责任”核心素养。

5.环节五：分享提升，练习巩固

[提问]用原子结构示意图表示离子键的形成过程较为复杂，有更简单的方法来表示吗？

[学生集体答]用电子式表示。

[引导]大家在课前已经自学了电子式书写的视频，那么大家以小组形式完成以下活动：1.分享自己做的电子式书写体会;2.小结书写电子式的易错点。

[小组讨论]进行分享和小结。

[评价任务5]學生课前已经完成电子式练习，通过分享与小结，诊断学生的归纳整理能力。

[设计意图]通过引导学生进行知识整理，提供思维碰撞的机会，培养归纳整理的能力（图13）。

五、基于四重表征理论的‘.离子键”教学反思

本课采用“四重表征”教学增强了教学的直观性，使概念和原理的建构过程生动化、形象化和整体化，促进了学生对抽象知识的理解，帮助学生从多重视角对概念的本质进行全面建构，同时提高了学生“四重表征”之间的转换水平和认识思路的结构化水平。结合本节内容教学，笔者有以下几点反思。

1.融合四重表征设计教学思路，进行知识建构

“离子键”一课的教学，多数教法都基于三重表征思维，在三重表征思维基础上加入曲线表征不仅强化了三重表征思维，更让学生认识到曲线表征的重要性及直观性。四重表征教学的主思路如下图14。

根据新课标内容要求与学业要求，此教学路径借助计算机软件模拟、动画等多种直观手段，降低教学内容的抽象性，促进学生深刻认识离子键的本质。

2.通过高斯软件将离子键模型化卜发展核心素养

通过高斯软件模拟钠离子与氯离子从一定距离思路相互靠近，逐渐形成离子键的动态过程，通过能量计算将微观过程从“定性”转变为“定量”，实现了定量的表征形式——曲线表征。从宏观和微观结合上收集证据，从定性与定量结合上收集证据，从能量观和结构观结合建立认知模型，由此发展学生的“宏观辩识与微观探析”核心素养和“证据推理与模型认知”核心素养。

3.通过flash模拟氯化钠微观体系，体会技术创新

将高斯软件的模拟过程如实地转换成flash的形式避免了学生操作高斯软件的难度，教师示范性地指导学生运用化学软件处理数据，使得学生能通过简单地拖动flash中的钠离子与氯离子即可得到对应的能量曲线，培养学生运用软件技术学习化学及处理数据的能力，让学生在实验探究活动中学习科学方法，认识科学探究过程，体会、认识技术手段的创新对化学科学的重要价值，发展学生的“科学探究与创新意识”核心素养。

4.通过信息技术与化学教学深度融合，提高课堂效率

运用信息技术将抽象难懂的离子键形成过程生动地展现给学生，将微观模型直观化、生动化，在学生头脑中形成了离子键微观模型，课堂上快速进入教学重难点的讨论，以学生为主体，促进思维碰撞，提高了课堂教学的效率和质量。

六、四重表征教学模式的应用展望

四重表征目前的发展趋势以数字化实验为主，像研究者目前采用的高斯软件进行曲线表征的案例很少，还未应用到中学课堂教学。这可成为四重表征教学模式发展一个新方向，即不仅局限于数字化实验，还可以扩大到计算机模拟等软件技术，运用信息技术设计互动性高、生成性强的高效课堂教学，强化信息技术与化学教学的深度融合。

参考文献

[1]刘彩燕.高中化学概念的四重表征教学模式的设计与应用研究[D].广州：华南师范大学，2009

[2]毕华林，黄婕，亓英丽.化学学习中“宏观-微观-符号”三重表征的研究（J7.化学教育，2005（5）：51-54

[3]刘婷，林鸿锦，钱扬义等.应用数字化手持技术实验探究“浓度对化学反应速率影响”的教学实践[J].中学化学教学参考，2012（8）：10-13

[4]彭豪基于POE策略的高中化学“四重表征”概念教学研究[J].化学教学，2011（10）：24-27

[5]杨洁，钱扬义.“四重表征”在“化学反应速率”教学中的价值——由2007-2012年高考题得到的启示[J].化学教学，2012（11）：58-62

[6]王晶，郑长龙.普通高中课程标准实验教科书化学必修1[M].北京：人民教育出版社，2019

[7]高苗，赵舒昱，周青.中外高中化学教材图表系统的比较研究——以“化学键”内容为例[J].化学教育.2016（7）：20-24

[8]李汝雄，王建基.绿色溶剂——离子液体的制备与应用[J].北工进展，2002（1）：43-48

[9]石家华，孙逊，杨春和等.离子液体研究进展[J].北学通报，2002（4）：243-250