陈柏帆 薛 蓉 张万举 朱立红
（黄冈师范学院 湖北 黄冈 438000）
1.背景
《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订》（以下简称新课标）重视“素养为本”的教学，要求教师能够利用实验事实和数据，对其进行分析讨论，以此引发学生的认知冲突并引导学生进行解释，促使学生反思原有概念模型的局限性，从而深化对微粒间相互作用模型的认识。［1］在教学中，教师应适当借助现代技术手段，利用实物模型、计算机软件模拟等多种方法，并合理组织课堂活动，充分发挥学生主体作用，降低教学内容的抽象性，促进学生对相关内容的理解和认识。同时选用学生熟悉的生活现象、实验事实，及工业生产和科学前沿研究中的相关案例为素材，激发学生的学习兴趣，帮助学生建立结构与性质之间的联系，发展“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”等化学学科核心素养。
模型实为一种重要的“科学证据”，在进行科学论证的过程中，存在对模型的建构、检验和不断修改，是重要的科学研究方法。在化学教学中的模型有实物模型、理论模型等，其中理论模型的应用范围最广。［2］“价层电子对互斥理论”是一种适用于ABm型分子或离子空间构型的理论模型，在高中阶段的教学中，许多学生对该理论存在着一定的质疑或误解，为引导学生能以化学思维理解理论概念，教师应在授课过程中使用模型进行教学，将抽象的知识具体化，并结合模型加以诠释，加强学生对概念性知识的深入理解。
2.问题的提出
新课标将《物质结构与性质》的内容由选修模块调整为选择性必修模块，凸显了《物质结构与性质》在高中化学知识结构中的重要性。“价层电子对互斥模型”是判断分子构型及中心原子杂化方式的一种方法，部分教师在教学中仅仅强调计算公式的应用，在教学评价中亦是通过判断得分率的高低进行。在这样的标准下，部分学生对此概念的理解仅仅停留在公式套用层面，缺乏对公式背后所包含的模型的深入思考，阻碍了学生“证据推理与模型认知”核心素养的发展。因此，教师在教学时应重视对学生的学法指导，借助“模型思想”这一教学策略，模拟化学微粒的主要特征，提高学生的空间想象力，循序渐进地引导学生理解并掌握相关化学知识［3～4］。
价层电子对互斥理论作为判断简单分子构型的理论工具被纳入教科书，为理解分子几何模型提供了基础。该理论的发展和形成紧紧围绕着模型的构建，紧密地结合了化学学科中“宏、微、符”的三重表征，深入理解和学习该理论，对发展学生“模型认知”水平具有重要意义。
1.价层电子对互斥理论的形成
该理论的提出可以追溯到1916年路易斯（G.N.Lewis）提出的静态原子构造模型，即“八隅律”。1940年西德威克（N.V.Sidgwick）和鲍威尔（H.M.Powell）在路易斯假设的基础上对理论进行了发展，关联起了分子结构和价层电子的数量。1956年，吉莱斯皮（R.J.Gillespie）受到西德威克和鲍威尔论文的启发，于1957年发表论文对该思想进行了进一步拓展，并于1963年最终正式命名为价层电子对互斥理论［5］。
2.价层电子对互斥理论中的模型思想
价层电子对互斥理论的形成和发展的过程中，伴随着对模型思想的不断发展，从理论的历史发展历程中可总结出“模型思想”在理论发展中的重要作用，同时也可归纳出模型和真实粒子之间的联系：（1）研究微观粒子需要建立适当的模型。（2）模型只是认识理解微观粒子的工具，并不能反映真实的微观粒子。（3）模型是不断发展和完善的，需要更多科学事实作为基础。价层电子对互斥理论发展得较为完善，其对应的分子模型能够在一定程度上反映真实微观粒子的结构，在教学中可以有效利用这一关键点，提供实例，以实物模型为载体发展学生的“模型认知”水平。另一方面，剖析模型的物理意义，可以侧重于强调该理论的局限性，补充相关内容，发展学生在“模型思想”方面的发散思维，突破“实物模型”的局限性。
3.“模型思想”的学科价值
“宏-微-符”三重表征，是化学学科的核心观念，化学学科是通常以符号和模型表示微观粒子，从而表征物质及其变化的科学。在化学教学中合理运用模型，将微观物质放大，将化学思维进行科学抽象，有助于学生形成理性的认知。
模型认知就是模型思想在化学学科中的具体化，是化学学习必须经历的一个过程，随着对化学学科知识的学习，运用符号和模型来解释化学现象的过程越来越深入，这就需要在教学中更合理，更高效地穿插模型的概念。［6］通过深入学习“模型思想”，学生能够发展“性构相依”这一化学思想，能够深入理解原子层次、分子层次、宏观物质与分子层次之间的性质联系，能够预测、解释相关物质性质和宏观现象，这利于发展学生的化学学科素养。［7］
1.普通高中教科书提供的计算方法
人教版、鲁科版、苏教版的高中化学教材都给出了具体的计算方法（如表1所示），三个版本的教材都从原子结构、成键的角度出发，通过中心原子的价层电子对数和孤电子对数建构VSEPR模型和分子（或离子）空间构型。
表1 三个版本教材中对“价层电子对”的计算方法
2.教科书中不同计算方法特点分析
“人教版”和“鲁科版”计算方法基本一致，均是基于原子的核外电子数目来解决分子空间构型问题，配位原子的未成对电子数实际就是配位原子最多能接受的电子数（按配位原子能达2电子或8电子稳定结构计算）。学生通过判断出中心原子和配位原子能接受的价电子数目后可以计算出结果、得出分子的空间构型。而教材中对计算公式的含义介绍不足，许多学生不能完全理解计算公式所表述的物理意义。而“苏教版”与前两者的差异较大，其表述的方法，计算起来十分简便，大部分学生在计算时得心应手，但学生很难将计算方法与分子构型的本质联系起来，具有一定的局限性，同时也阻碍了学生对“模型”的建构。
由此可见，三个版本教材都存在对计算方法的解读较少，理论公式和模型被割裂的问题，需要教师补充相关知识弥补教材中的不足，发展学生“证据推理与模型认知”的核心素养。
1.认识模型，解读概念
对于该理论的学习，教师应首先引导学生明确“价层电子对数”的实际含义：价电子对数即用于参与构型的电子对数。需要教师对成键的原子的结构进行分析讲解，重点引导学生理解并分析解释对于分子构型只需要计算σ键的数目缘由。其次应当明确计算出来的“VSEPR模型”与分子的空间构型仍存在差异的缘由。孤电子对与成键电子对在本质上都是电子，带负电荷，之间存在斥力。学生已经学过共价键，成键电子相当于为两个原子所共用，键长这一参数亦可反映出共用电子对与中心原子间的距离，孤电子对是未成键电子，距离中心原子更近，孤电子对与成键电子对之间的斥力更大，故氨分子比甲烷分子的键角小。如图1所示：
图1 成键电子对、孤电子对斥力示意图
通过对理论分析并结合分子模型进行讲解，为学生构建起判断分子结构的“认知模型”。流程如图2所示：
图2 确定分子空间构型流程
对于苏教版所提供的公式，学生的主要疑点就在于“配位原子提供的价电子数目”的取值是如何而来，所以对于该理论的讲解则需侧重这一问题。O、S、H、N、卤素原子为中学常见的配位原子，教材中直接概括了其作为配位原子在ABm型分子（或离子）中能够为中心原子提供的价电子数目，我们可以结合路易斯成键理论分析出为何该计算方法要提供这样的取值。卤素原子最外层为7个电子，要达到稳定结构需要接受中心原子提供一个价电子共同形成成键电子对，中心原子提供了一个电子，对于O、S原子来说，最外层是6个电子，中心原子需要提供两个电子来形成稳定结构，而在计算中规定，只计算一个σ键的成键电子数目，换而言之就是只计算两个电子为成键电子，因此对O、S原子而言，相当于自身并没有提供需要参与计算的价电子数目。N原子同理，需中心原子提供3个电子来达到稳定结构，而此理论中，只需计算两个电子来判断构型，因此N作为配位原子时，中心原子又失去了一个能够参与计算的价电子，故N为-1［11］。图3以电子式展示了“提供价电子数目”与结构的关系。
图3 提供价电子数取值电子式示意图
应特别注意的是，教材并未直接指出价层电子对的构型与分子构型之间的差别，所以仍需计算孤电子对数，而此缺陷则需要教师来进行补充说明。对于ABm型分子，在计算出价电子对数n后，孤电子对数l=n-m。判断孤电子对对分子构型的影响，与上文一致。
2.建构模型，深入理解
2.1.带孤电子对的结构式
电子式与结构式是高中阶段常用来表示物质结构的示意图，在价层电子对互斥理论的教学中，我们仍可以用电子式与结构简式来表示物质的结构，用示意图来辅助学生理解概念。如表2所示。
表2 常见物质的结构式与VSEPR模型
2.2.价电子互斥实物模型
“互斥模型”重点需要表现出电子对之间的“斥力”，可直接用小气球来表现出“斥力”的效果，在教学中亦可让学生自己动手模拟，从中感受“斥力”对于整体构型的影响，并直观地表现出价电子之间互斥的关系。同时制作此模型材料简单，学生能够自主动手制作，并在自己动手制作的过程中感受“价层电子对互斥”，能够深入理解这一抽象理论。“气球模型”与“VSEPR模型”之间的对应关系如表3所示。
3.应用模型，特例研究
能够正确地使用理论模型判断分子构型，并能够科学合理解释，是诊断学生“模型认知”水平的重要方法。因此，引导学生对常见化合物的构型进行分析和判断具有重要的意义和价值。
表4 高中阶段常见物质VSEPR模型归纳
表5 VSEPR模型与结构模型
4.拓展模型，发散思维
在对“价层电子对互斥理论”的教学过程中，为了学生能够更好地理解、记忆，能够解决相应的问题，许多学者从不同的角度出发，思考、推导、优化该理论的计算方法和公式的表达。各种计算方法如表6所示。
表6 其他的计算方法
这些方法在特定条件下使用各具优势，教师可向学有余力的学生介绍此类计算方法，以拓展其思维，并可在解题思路突遇瓶颈时，提供另外的解题思路。亦可向其他理解困难的学生提供参考，辅助学生理解。
“模型”利用简化、抽象和类比等方法，反应研究对象的本质特征，在化学理论的发展和学习中具有重要的意义和使用价值。价层电子对互斥理论是判断分子构型的重要理论，在化学学科的学习中具有重要地位，教师在对该部分进行教学时，应将“相关模型”与“数学公式”紧密结合，引导学生理解化学概念对应的“理论模型”，发展学生抽象思维，培养“证据推理与模型认知”的化学核心素养。
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