袁天祥
合肥市第六中学，安徽合肥，230001
摘要：“金属晶体的原子堆积模型”是化学选修3第三章“金属晶体”的第二课时,本节主要介绍金属晶体中原子的堆积方式及其特点，是本章的重难点。由此知识衍生出的金属晶体晶胞体积、晶体密度、原子空间利用率的计算更是历年高考中的高频考点。在新高考背景下，应注重在教学环节设计中落实化学学科核心素养。这节课重点突出“模型认知与证据推理”的学科素养落地。另外，在课堂上建立真实的问题情境，设计合适的课堂活动，使学生沉浸在“体验式”的真实情境之中，创设学习体验环境，力求还原真实的探究路径。
关键词：模型认知；沉浸式体验；科学探究；金属原子堆积模型
1、问题的提出
高中化学学科核心素养是学生发展核心素养的重要组成部分，包括“宏观辨识与微观探析”“变化观念和平衡思想”“证据推理和模型认知”“科学探究与创新意识”和“科学态度与社会责任” 五个维度，展现了学生通过化学课程学习形成的关键能力和必备品格。“物质结构与性质”是新课程中内容抽象程度最高的模块，有助于进一步丰富学生的物质结构知识，提高分析问题、解决问题的能力。但由于选修模块开课顺序、没有针对“物质结构与性质”模块教学状况的深入研究以及学生缺乏空间抽象能力等原因，给教师教学和学生学习都带来了极大的挑战。
笔者从微观视角认识晶体堆积，以搭建塑料小球构建模型认知为手段，将抽象的空间认识具象化，为本节重点内容的学习扫清障碍，发展了学生的科学观、实验观，落实了模型认知与证据推理的学科核心素养。
2、基于化学学科核心素养的学生活动设计思路
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3、基于化学学科核心素养的教学预设
3.1 学科素养达成目标
1. 理解金属键的概念和电子气理论，学会用电子气理论解释金属的物理性质。（宏观辨识与微观探析）
2. 了解金属晶体内原子的几种常见排列方式，掌握金属晶体的四种基本堆积方式。（模型认知）
3. 类比金属晶体中简单立方与体心立方之间的差异性，进一步发掘六方最密与面心立方之间存在的差异。（证据推理）
4. 搭建金属晶体堆积方式的模型，探究金属晶体的空间结构，培养空间思维能力。（实验探究）
5. 认识晶体结构的微观结构，在科学探究中感受化学微观世界的奇妙，体验科学探究的乐趣。（科学精神）
3.2 学科素养目标达成的知识载体
1. 金属晶体的四种基本堆积模型。2. 六方最密堆积和面心立方最密堆积的区别与联系。3. 四种堆积方式所对应的晶胞特点。
3.3 学科素养目标达成的教学方法
1. 教法：讲授、提问、演示； 2. 学法：小组讨论、类比、实践
4、基于化学学科核心素养的教学实施环节
4.1 微课释疑 课前评测
【教师活动】解决微课中布置的问题。
【学生活动】回顾金属键的特点以及金属晶体所具有的物理性质上的通性。 用金属键与电子气理论解释金属相关性质。
【设计意图】1. 培养学生的自主学习能力，唤醒从微观角度认识晶体结构的前概念，为进一步探究金属晶体原子堆积做好知识储备。
2. 课前学情评测，为本节课教学活动预设和实施提供依据。
4.2 宏微结合 模型建构
4.2.1 模型建构环节一——“排一排”认识等径小球平面堆积模型
【教师活动】建立等径球体的模型，并且引导学生从平面到立体，从二维到三维进行学习探究。
【学生活动】将金属小球在托盘中进行排列。并发现两种有序的排列方式。同时思考问题，哪种排列方式更紧密？
【教师活动】借助学生制作好的平面堆积模型，进行总结归纳，并介绍非密置层和密置层的概念和排列特点。
【学生活动】对两种排列方式进行对比分析。并通过两种排列方式中，在单位面积内容纳小球数目不同，进而比较出两种排列方式的紧密程度。
【设计意图】1. 学生根据实物塑料小球，建立模型认知，大体上了解本节课的研究方法和研究思路。
2. 帮助学生建立起相应的模型认知，将金属原子排列的概念具象化。
4.2.2 模型建构环节二——“堆一堆”研究非密置层的空间排列方式
【教师活动】以平面的排列方式为基础，引导学生来探究金属原子在空间中的堆积方式。
要求学生以小组为单位，拼出简单的非密置层之后，在平面上方堆积出第二排，第三排小球。 思考，有几种堆积方式？
【学生活动】小组同学进行合作分工，在垂直于平面非密置层的方向堆积小球。在刚才平面排列的基础上发现有两种堆积方式。
【教师活动】鼓励学生根据实际搭建模型，分别汇报两种堆积方式的结构特点。
【学生活动】学生分别介绍一种直接对齐的排列方式和另外一种插空堆积的排列方式。在教师的引导下，学习简单立方堆积。
【教师活动】 介绍体心立方堆积，引导学生思考：如果直接进行插空堆积，是否可形成立方体结构的晶胞？并通过课件动画，介绍体心立方堆积中，同一非密置层原子和原子之间并非紧密相邻。
【学生活动】对比学习简单立方堆积和体心立方堆积的结构特点。
【设计意图】突出简单立方堆积和体心立方堆积的区别。并通过课件动画，理解体心立方堆积的特点。
4.2.3 模型建构环节三——“粘一粘”研究密置层的空间排列方式
【教师活动】在刚才的探究基础之上，进一步研究密置层的空间排列方式。 给每个组的同学发两个用7个小球粘成的密置层，并要求学生利用双面胶，在密置层的基础上，进行三维排列。
【学生活动】在粘贴小球的过程中，思考： 垂直于密置层的方向，能看到几个空隙？在密置层的上层，选择空隙去排列小球，能容纳几个？在密置层的下层，再次选择空隙去排列小球，有几种排列方法？
【教师活动】请学生展示粘贴成果，并结合着课件中的球棍模型进行介绍。其中面心立方堆积的晶胞涉及到角度的偏转，在这里借用事先做好的晶胞模型，通过不同颜色的小球区分不同的密置层，帮助学生进行认知。 而六方最密堆积的晶胞选取方向比较清晰，但是具体的晶胞参数和小球半径的关系，学生不好观察，借助课件帮助学生整理定量关系。
【学生活动】两种密置层的三维堆积方式的结果特点。分析两种堆积方式的晶胞结构特点，寻找晶胞参数和小球半径的定量关系、晶胞的空间利用率。
【设计意图】1. 既要求学生能够在实物操作的过程中，认真思考问题解决问题；同时，要求组内同学进行分工合作，完成探究任务。
2. 学生通过对密置层的观察，理解了密置层在进行三维堆积时的堆积方式，并且了解密置层的两种堆积方式的联系和区别。
4.3 归纳总结 课堂反馈
【教师活动】 引导学生对于本节课所学的两种平面排列方式和四种空间排列方式进行回顾和总结。
【学生活动】 1. 完成六方最密晶胞与面心立方最密晶胞空间利用率的计算。
2. 已知金属铜属于面心立方最密堆积，Cu 原子半径为a pm，阿伏伽德罗常数为 NA，计算晶体铜的密度。
【设计意图】 总结归纳，提升认知，努力做好教——学——评一体化。
5、板书设计
5.1 主板书
探讨金属晶体的原子堆积模型
一、金属原子在二维平面中的排列方式
1. 非密置层
2. 密置层
二、金属原子在三维空间中的排列方式
1. 简单立方堆积
2. 体心立方堆积
3. 六方最密堆积
4. 面心立方最密堆积
5.2 副板书
晶胞空间利用率计算公式： 晶胞空间利用率=（V球/V晶胞）×100%
6、教学反思
本节课的难点是金属晶体四种基本堆积模型，要求学生具有优秀的空间想象能力与思维能力。正是基于此，这节课利用自购的泡沫小球，让学生通过探究活动搭建金属原子在三维空间中的堆积方式，建构模型认知，即培养了学习兴趣，又解决了问题。另外有关物质结构的教学有以下几点想法：1.从探索物质构成奥秘中体会科学探究的过程和方法，增强学习化学的兴趣。2.进一步形成有关物质结构的基本观念，初步认识物质的结构与性质之间的关系。3.从物质结构决定性质的视角解释一些化学现象，预测物质的有关性质。4.在理论分析和实验探究过程中逐步形成科学的价值观。
参考文献：
[1]人教社课程教材研究所化学课程教材研发中心.《物质结构与性质》，[M].北京：人民教育出版社，2004.
[2]北京师范大学等化学教研室.无机化学（第四版，上册）[M].北京：高等教育出版社,2010.
[3]中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准（2011年版）［S］.北京：北京师范大学出版社，2012.
[4]胡久华，王磊.促进学生认识素养发展的化学教学［J］.教育科学研究，2010（3）：46-48