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摘要：高中化学物质结构模块的教学中可以较好地培养学生的宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知等核心素养。在具体教学中如何落实，如何借助信息技术手段突破传统教学方法难以完成的物质结构教学，都是值得在教学中思考和探索的问题。文章以杂化轨道理论的教学为例，探索落实核心素养的策略和方法。
关键词：核心素养;物质结构;智慧课堂
文章编号：1008-0546（ 2020） 04-0042-03
中图分类号：G632.41
文献标识码：B
doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.04.01l
一、问题的提出
核心素养是学生在接受相应学段的教育过程中，逐步形成的适应个人终生发展和社会发展需要的必备品格和关键能力[1]。高中化学学科核心素养是高中学生发展核心素养的重要组成部分，主要包含宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识、科学态度与社会责任等五个维度。化学学科核心素养的载体是教学内容和知识，如何在课堂教学中渗透化学学科核心素养，逐步培养学生形成与化学学科相关的品格和能力是教师在教学设计中应该重点思考的问题。物质结构的相关知识与宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知等核心素养密切相关，本文以物质结构教学中的重要内容“杂化轨道理论”为例探究物质结构教学与化学学科核心素养融合的策略。
二、案例分析
1.学习内容与任务分析
《高中化学课程标准》对本课教学内容的要求是认识共价分子的多样性和复杂性，能根据有关理论判断简单分子或离子构型。根据杂化轨道理论和价层电子对互斥理论判断分子或离子构型是高考化学选修3模块必考内容之一。教学重点是sp、sp2、sp3杂化轨道的形成过程。教学难点：用杂化轨道理论解释分子构型及物质性质。
2.设计思想
根据建构主义学习理论和翻转课堂的教学理论，应用智慧课堂的教学手段，并且充分灵活地将信息技术运用于课堂教学，将杂化轨道这一抽象晦涩的教学内容形象地展示出来。同时也运用多种模型创设情境，让学生更加深刻地理解杂化轨道理论在解释分子结构方面的应用。在化学学科核心素养的培养方面，学习杂化轨道理论并且学会解释分子构型可以培养学生宏观辨识与微观探析的核心素养，用数字化传感器进行数字化实验探究可以培养学生证据推理与模型认知的核心素养。
3.教学模式与策略设计
本节课教学采用的是智慧课堂[2]的教学模式，微课内容为共价键的轨道重叠理论和共用电子对理论，同时也包括键参数键能、键长、键角的介绍。学生学习微课后完成微课练习，主要针对微课知识及本节课的相关知识进行测验，通过数据分析学生的知识储备情况，有针对性地进行教学活动设计。在课堂教学中运用智慧课堂的教学模式可以通过多种互动方式与学生交流，包括随机提问、抢答、拍照上传等等，并且学生练习的情况可以即时反馈，提高教学效率。最后再运用习题智能推送技术，根据学生的错题情况发送针对性的习题，每位学生的习题都不一样，充分体现了因材施教。
运用AR技术展示甲烷的球棍模型和比例模型，创设学习情境，让学生联系旧知分析甲烷的结构和性质，再由甲烷的结构和性质引入sp3杂化轨道的知识。在学习过程中通过动画模型和实物模型（气球模拟）多种教学手段来模拟杂化轨道的形成过程和构型，让学生能更加直观地感受到虚拟的杂化轨道。解决sp3杂化轨道之后，sp2杂化轨道和sp杂化轨道分别通过乙烯分子和乙炔分子来创设学习情境，在实例中学习，在模型中理解（图1）。
三、教学过程设计
环节1 微课练习讲解
学生课前在云平台上完成微课练习，主要针对原子核外电子排布、球棍模型和比例模型、甲烷分子构型、共价键的饱和性和方向性等知识。学生完成练习后，通过数据分析统计答题正确率，在课前针对错误率较高的习题进行针对性讲解。
环节2 引入新课
从甲烷分子的正四面体结构引入，用AR技术直观展示甲烷的球棍模型和比例模型，引导学生思考甲烷分子为什么形成正四面体构型，引入新课——杂化轨道理论。
环节3 sp3杂化轨道形成过程
引导学生从甲烷分子中碳原子的成键情况与碳原子价电子轨道表示式的冲突进行思考。碳原子最外层未成对电子是2个，但甲烷分子中碳原子却形成了四个共用电子对;碳原子最外层四个电子能量不相同，但是甲烷分子中碳原子形成四个能量相同的C-H键。由此可以引导学生得出结论，这是由于碳原子的原子轨道发生了某种变化，即原子轨道的杂化。然后讲解sp3杂化轨道的形成过程及四个sp3杂化轨道的空间构型。
通过对碳原子核外电子排布的分析及甲烷分子实际模型的观察，可以让学生明确分子的结构与分子构型间存在一定的联系，认识到化学学习中结构决定性质的重要思想，培养学生宏观辨识与微观探析的核心素养。在讲解sp3杂化轨道的空间构型时可以采取气球模型模拟的方法，将四个大小相同的气球扎在一起摆成平面构型，轻轻碰触气球后四个气球立即变为正四面体构型，让学生通过实物观察认知sp3杂化轨道的构型，学会用直观模型推理微觀结构，培养学生证据推理与模型认知的核心素养。
环节4 数字化实验探究甲烷取代反应
分析甲烷结构可知甲烷分子中碳原子sp3杂化轨道与氢原子Is轨道形成σ键，所以甲烷性质较稳定，引导学生回顾甲烷的性质，甲烷不会与强酸强碱反应、不会使酸性高锰酸钾溶液退色等，这都是由于甲烷分子性质稳定。但是甲烷可以在光照下和氯气发生取代反应，取代反应传统实验现象不是非常明显且所需时间较长，可以用传感器进行数字化实验探究。 用氣压传感器和温度传感器同时测量反应过程中压强和温度的变化，得到两条不同的曲线，让学生分析图像变化（图2），得出结论。用定量实验的手段可以获得定性传统实验无法获得的信息，分析实验现象的过程可以培养学生证据推理的核心素养。
环节5 sp2杂化轨道和sp杂化轨道形成过程和空间构型
通过乙烯分子创设情境分析乙烯分子中碳原子sp2杂化轨道形成过程及空间构型，通过乙炔分子创设情境分析碳原子sp杂化轨道形成过程和空间构型。引导学生类比于sp3杂化轨道形成过程和空间构型思考、讨沦sp2杂化轨道和sp杂化轨道形成过程和空间构型，培养学生自主学习、合作学习的能力，并且学会用杂化轨道理论解释乙烯平面形结构和乙炔直线形结构。
教学过程中通过智慧课堂云平台和平板电脑与学生进行随机提问、抢答等互动，学生也可以通过平板电脑进行拍照上传与同学和老师分享讨论成果（图3）。同时随堂练习的结果也可以实时展示，用数据分析了解学生的掌握情况（图4）。
环节6 自适应练习
智能推送技术，根据每位学生不同的错题推送不同的习题，对做错的知识点进行再强化训练，因材施教，有针对性地进行练习巩固。学生完成练习后通过云平台提交答案，分析答题情况（图5）。
四、案例反思
本节课的设计重点就是如何将抽象的内容具象化，帮助学生理解复杂抽象的杂化轨道，并学会用杂化轨道理论解释分子构型，理解分子结构与分子构型的联系，培养宏观辨识与微观探析的核心素养。并且在教学过程中可以依据智慧课堂的特点及时反馈，了解学生的掌握情况，进行针对性的讲解和探究，充分地将信息技术与课堂教学充分融合，取得了非常好的教学效果。
在教学过程中，运用智慧课堂的教学手段可以做到很多传统课堂无法完成的事情，比如课堂练习的即时反馈和讲解，课堂提问方式的多元化，与学生互动方式的多样化等等。但是智慧课堂对学校的硬件条件有较高的要求，学生平板、教师平板、微云服务器等都需要较大的投入，目前来说较难普及，只有少部分条件较好的学校可以开展。同时智慧课堂对教师的操作及教学设计都有较高的要求，如何制作微课，如何展开互动，如何设计练习都需要教师投入较多的精力，而且对学生素质也有一定的要求，学生能否正面地运用平板电脑和老师充分互动也是课堂教学成功与否的重要因素。
这节课充分利用了信息技术与课堂教学的融合，综合运用AR技术，动画模拟，数字化实验等信息技术手段，力求让学生直观感受杂化轨道理论的形成过程，同时也采取翻转课堂的教学模式，应用智慧课堂的教学形式进行教学，这样教学的优点是：1.教学决策数据化。根据学生在云平台的作业完成情况，选择学生错误率最高的两道习题针对性进行讲解，并且在课堂教学的随堂练习也可以用数据分析的方法直观看到学生的答题情况。2.微观结构可视化。用AR技术直观展示甲烷、乙烯和乙炔分子的球棍模型和比例模型，同时展示sp3、sp2、sp杂化轨道的形成过程，学生可以更直观感受杂化轨道的形成过程，理解更加充分。3.证据推理数字化。甲烷分子中碳原子发生sp3杂化，性质稳定，但是可以与氯气在光照下发生取代反应。这个实验用传统实验手段很难进行，所以采用数字化实验手段，用温度传感器和气压传感器证明取代反应的发生。
参考文献
[1] 周业虹.基于发展化学学科核心素养的教学设计案例分析[J].化学教学，2016（8）：36-39
[2]唐烨伟，庞敬文，钟绍春，等.信息技术环境下智慧课堂构建方法及案例研究[J].中国电化教育，2014（11）：23-30
关键词：核心素养;物质结构;智慧课堂
文章编号：1008-0546（ 2020） 04-0042-03
中图分类号：G632.41
文献标识码：B
doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.04.01l
一、问题的提出
核心素养是学生在接受相应学段的教育过程中，逐步形成的适应个人终生发展和社会发展需要的必备品格和关键能力[1]。高中化学学科核心素养是高中学生发展核心素养的重要组成部分，主要包含宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识、科学态度与社会责任等五个维度。化学学科核心素养的载体是教学内容和知识，如何在课堂教学中渗透化学学科核心素养，逐步培养学生形成与化学学科相关的品格和能力是教师在教学设计中应该重点思考的问题。物质结构的相关知识与宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知等核心素养密切相关，本文以物质结构教学中的重要内容“杂化轨道理论”为例探究物质结构教学与化学学科核心素养融合的策略。
二、案例分析
1.学习内容与任务分析
《高中化学课程标准》对本课教学内容的要求是认识共价分子的多样性和复杂性，能根据有关理论判断简单分子或离子构型。根据杂化轨道理论和价层电子对互斥理论判断分子或离子构型是高考化学选修3模块必考内容之一。教学重点是sp、sp2、sp3杂化轨道的形成过程。教学难点：用杂化轨道理论解释分子构型及物质性质。
2.设计思想
根据建构主义学习理论和翻转课堂的教学理论，应用智慧课堂的教学手段，并且充分灵活地将信息技术运用于课堂教学，将杂化轨道这一抽象晦涩的教学内容形象地展示出来。同时也运用多种模型创设情境，让学生更加深刻地理解杂化轨道理论在解释分子结构方面的应用。在化学学科核心素养的培养方面，学习杂化轨道理论并且学会解释分子构型可以培养学生宏观辨识与微观探析的核心素养，用数字化传感器进行数字化实验探究可以培养学生证据推理与模型认知的核心素养。
3.教学模式与策略设计
本节课教学采用的是智慧课堂[2]的教学模式，微课内容为共价键的轨道重叠理论和共用电子对理论，同时也包括键参数键能、键长、键角的介绍。学生学习微课后完成微课练习，主要针对微课知识及本节课的相关知识进行测验，通过数据分析学生的知识储备情况，有针对性地进行教学活动设计。在课堂教学中运用智慧课堂的教学模式可以通过多种互动方式与学生交流，包括随机提问、抢答、拍照上传等等，并且学生练习的情况可以即时反馈，提高教学效率。最后再运用习题智能推送技术，根据学生的错题情况发送针对性的习题，每位学生的习题都不一样，充分体现了因材施教。
运用AR技术展示甲烷的球棍模型和比例模型，创设学习情境，让学生联系旧知分析甲烷的结构和性质，再由甲烷的结构和性质引入sp3杂化轨道的知识。在学习过程中通过动画模型和实物模型（气球模拟）多种教学手段来模拟杂化轨道的形成过程和构型，让学生能更加直观地感受到虚拟的杂化轨道。解决sp3杂化轨道之后，sp2杂化轨道和sp杂化轨道分别通过乙烯分子和乙炔分子来创设学习情境，在实例中学习，在模型中理解（图1）。
三、教学过程设计
环节1 微课练习讲解
学生课前在云平台上完成微课练习，主要针对原子核外电子排布、球棍模型和比例模型、甲烷分子构型、共价键的饱和性和方向性等知识。学生完成练习后，通过数据分析统计答题正确率，在课前针对错误率较高的习题进行针对性讲解。
环节2 引入新课
从甲烷分子的正四面体结构引入，用AR技术直观展示甲烷的球棍模型和比例模型，引导学生思考甲烷分子为什么形成正四面体构型，引入新课——杂化轨道理论。
环节3 sp3杂化轨道形成过程
引导学生从甲烷分子中碳原子的成键情况与碳原子价电子轨道表示式的冲突进行思考。碳原子最外层未成对电子是2个，但甲烷分子中碳原子却形成了四个共用电子对;碳原子最外层四个电子能量不相同，但是甲烷分子中碳原子形成四个能量相同的C-H键。由此可以引导学生得出结论，这是由于碳原子的原子轨道发生了某种变化，即原子轨道的杂化。然后讲解sp3杂化轨道的形成过程及四个sp3杂化轨道的空间构型。
通过对碳原子核外电子排布的分析及甲烷分子实际模型的观察，可以让学生明确分子的结构与分子构型间存在一定的联系，认识到化学学习中结构决定性质的重要思想，培养学生宏观辨识与微观探析的核心素养。在讲解sp3杂化轨道的空间构型时可以采取气球模型模拟的方法，将四个大小相同的气球扎在一起摆成平面构型，轻轻碰触气球后四个气球立即变为正四面体构型，让学生通过实物观察认知sp3杂化轨道的构型，学会用直观模型推理微觀结构，培养学生证据推理与模型认知的核心素养。
环节4 数字化实验探究甲烷取代反应
分析甲烷结构可知甲烷分子中碳原子sp3杂化轨道与氢原子Is轨道形成σ键，所以甲烷性质较稳定，引导学生回顾甲烷的性质，甲烷不会与强酸强碱反应、不会使酸性高锰酸钾溶液退色等，这都是由于甲烷分子性质稳定。但是甲烷可以在光照下和氯气发生取代反应，取代反应传统实验现象不是非常明显且所需时间较长，可以用传感器进行数字化实验探究。 用氣压传感器和温度传感器同时测量反应过程中压强和温度的变化，得到两条不同的曲线，让学生分析图像变化（图2），得出结论。用定量实验的手段可以获得定性传统实验无法获得的信息，分析实验现象的过程可以培养学生证据推理的核心素养。
环节5 sp2杂化轨道和sp杂化轨道形成过程和空间构型
通过乙烯分子创设情境分析乙烯分子中碳原子sp2杂化轨道形成过程及空间构型，通过乙炔分子创设情境分析碳原子sp杂化轨道形成过程和空间构型。引导学生类比于sp3杂化轨道形成过程和空间构型思考、讨沦sp2杂化轨道和sp杂化轨道形成过程和空间构型，培养学生自主学习、合作学习的能力，并且学会用杂化轨道理论解释乙烯平面形结构和乙炔直线形结构。
教学过程中通过智慧课堂云平台和平板电脑与学生进行随机提问、抢答等互动，学生也可以通过平板电脑进行拍照上传与同学和老师分享讨论成果（图3）。同时随堂练习的结果也可以实时展示，用数据分析了解学生的掌握情况（图4）。
环节6 自适应练习
智能推送技术，根据每位学生不同的错题推送不同的习题，对做错的知识点进行再强化训练，因材施教，有针对性地进行练习巩固。学生完成练习后通过云平台提交答案，分析答题情况（图5）。
四、案例反思
本节课的设计重点就是如何将抽象的内容具象化，帮助学生理解复杂抽象的杂化轨道，并学会用杂化轨道理论解释分子构型，理解分子结构与分子构型的联系，培养宏观辨识与微观探析的核心素养。并且在教学过程中可以依据智慧课堂的特点及时反馈，了解学生的掌握情况，进行针对性的讲解和探究，充分地将信息技术与课堂教学充分融合，取得了非常好的教学效果。
在教学过程中，运用智慧课堂的教学手段可以做到很多传统课堂无法完成的事情，比如课堂练习的即时反馈和讲解，课堂提问方式的多元化，与学生互动方式的多样化等等。但是智慧课堂对学校的硬件条件有较高的要求，学生平板、教师平板、微云服务器等都需要较大的投入，目前来说较难普及，只有少部分条件较好的学校可以开展。同时智慧课堂对教师的操作及教学设计都有较高的要求，如何制作微课，如何展开互动，如何设计练习都需要教师投入较多的精力，而且对学生素质也有一定的要求，学生能否正面地运用平板电脑和老师充分互动也是课堂教学成功与否的重要因素。
这节课充分利用了信息技术与课堂教学的融合，综合运用AR技术，动画模拟，数字化实验等信息技术手段，力求让学生直观感受杂化轨道理论的形成过程，同时也采取翻转课堂的教学模式，应用智慧课堂的教学形式进行教学，这样教学的优点是：1.教学决策数据化。根据学生在云平台的作业完成情况，选择学生错误率最高的两道习题针对性进行讲解，并且在课堂教学的随堂练习也可以用数据分析的方法直观看到学生的答题情况。2.微观结构可视化。用AR技术直观展示甲烷、乙烯和乙炔分子的球棍模型和比例模型，同时展示sp3、sp2、sp杂化轨道的形成过程，学生可以更直观感受杂化轨道的形成过程，理解更加充分。3.证据推理数字化。甲烷分子中碳原子发生sp3杂化，性质稳定，但是可以与氯气在光照下发生取代反应。这个实验用传统实验手段很难进行，所以采用数字化实验手段，用温度传感器和气压传感器证明取代反应的发生。
参考文献
[1] 周业虹.基于发展化学学科核心素养的教学设计案例分析[J].化学教学，2016（8）：36-39
[2]唐烨伟，庞敬文，钟绍春，等.信息技术环境下智慧课堂构建方法及案例研究[J].中国电化教育，2014（11）：23-30