如何培养学生在化学中的空间思维能力

张则申

摘 要： 高中化学知识更微观，更复杂。高考对化学中的空间思维力的考查主要有有机物分子中原子共平面、共直线问题；分子的空间构型；晶体结构中的原子数、密度、化学键数、空间利用率等计算问题。化学中与空间相关的问题，一直是学生学习的难点，帮助学生建立空间立体结构映像，培养学生在化学中的空间思维能力就很重要。

关键词： 晶体结构 空间思维 化学式 高中化学教学

高中化学知识更微观、更复杂。高考对化学中的空间思维力的考查主要有有机物分子中原子共平面、共直线问题；分子的空间构型；晶体结构中的原子数、密度、化学键数、空间利用率等计算问题。化学中与空间相关的问题，一直是学生学习的一个难点，帮助学生建立空间立体结构映像，培养学生在化学中的空间思维能力尤为重要。

立体几何知识主要是解决三维空间的问题，实物直观模型主要是帮助学生理解并建立几何模型，从而让学生深刻理解微观粒子的空间结构。还可借助图片、多媒体培养学生的空间思维能力，让学生动手做模型，感知物质的空间构型。

1.利用立体几何知识与实物直观模型，帮助学生建立空间概念。

把化合物分子放在学生比较熟悉的一些立体几何模型中观察，可以培养学生在化学中的空间思维能力。例如甲烷，可以借助对甲烷的球棍模型和比例模型的观察，帮学生建立空间概念。再把甲烷分子结构放在正方体中与球棍模型对比观察，这样从整体上帮助学生对正四面体结构的认识。甲烷的空间结构为：碳原子位于正四面体的中心位置，氢原子占据正四面体的顶点位置，四个氢原子是等同关系。对甲烷的二氯代物的结构只有一种、甲基的三个氢原子和碳原子不在同一平面上的问题就能理解。

2.寻找原型，进行类比迁移，帮助学生理解有机物的共线、共面问题。

通过展示甲烷、乙烯、乙炔、苯的实物模型，帮助学生对乙烯、乙炔、苯等平面型分子的空间结构的理解后，再进行综合知识的应用。在试题中常出现这些典型分子衍变成较复杂的空间结构问题，解题时充分利用典型物质原型进行类比迁移。方法是典型原型分子中某氢原子被其他原子或原子团取代时，该代替原子的共面问题，可将它看做是原来氢原子的位置，同时注意共价单键可以旋转，而双键、三键不能旋转。

例1：如图，分子中最多有？摇？摇 ？摇？摇个碳原子在同一平面上？

分析：本题以甲烷和苯环为基本模型。中心碳原子位于一个正四面体的中心，它连接的四个碳原子与其共面的只能是其中的两个，若两个苯环均通过C-C单键旋转到该面内，此时共面的碳原子数最多，共有13个。

A.所有碳原子有可能都在同一平面上

B.最多只可能有9个碳原子在同一平面上

C.有7个碳原子可能在同一条直线上

D.只可能有5个碳原子在同一直线上

分析：本题以乙烯、乙炔、苯为基本模型。若通过C-C单键旋转使乙烯和苯环两个平面重合，则所有碳原子有可能都在同一平面上，如上图所示；由于碳碳双键和苯环的键角都为120°，使得共線的碳原子只能是HC≡C-中的两个碳原子、苯环对位上的两个碳原子及双键左端的一个碳原子，共计5个。故答案为A、D。

3.利用多媒体动画与图片，培养学生在化学中的空间思维能力。

高中化学学习中有很多微观、抽象的知识，学生难以想象和理解。若在教学中使用精心编制的多媒体课件，则可以让抽象变为具体，让微观世界变成宏观世界。如在讲《化学键》这一节内容时，可通过多媒体技术的运用，制作生动形象的flash动画，模拟出NaCl、HCl的形成过程，从而解释微观粒子之间是怎么形成化学键的，以及离子键与共价键的本质与区别。又如在讲金属晶体结构时，可充分利用多媒体动画播放三维空间的两种非密置堆积方式和两种密置堆积方式的叠放层次，让学生感知了简单立方、体心立方、最紧密堆积六方（镁型）与面心立方紧密堆积（铜型）。

这样，学生对晶体结构的计算题如空间利用率、晶胞的化学式、键长、密度等不会感到那么难了。

4.利用动手建立实物模型，让学生感知物质的空间结构，从而培养学生的空间思维能力

动手组装实物模型，花的时间较多，只有利用业余时间用球棍工具组装。在讲SiO的结构时，我让学生用球棍工具组装的空间结构模型；在讲有机物时，让学生用球棍组装烷烃、烯烃、炔烃等；在讲晶体结构时，如原子晶体中，金刚石、石墨的模型也让学生拼凑；在讲金属晶体结构时，我让学生用乒乓球模拟原子的堆积方式，学生非常直观地感知到金属原子在二维空间（平面）上有两种排列方式，即原子的非密置堆积和密置堆积，学生在二维的原子的堆积方式，很容易看到非密置堆积和密置堆积中原子的配位数分别是4和6；还堆积了三维空间的两种非密置堆积方式和两种密置堆积方式的叠放层次，让学生感知了简单立方、体心立方、最紧密堆积六方（镁型）与面心立方紧密堆积（铜型）。

总之，要解决好化学中空间立体问题，先要让学生的认知建立在理解基础上，学生的空间思维想象能力可以通过模型展现、实物操作、动画模拟培养，也可以借助立体几何知识加以锻炼。要准确做好化学空间结构的题型，除了要有空间想象力外，还要具有严密的逻辑思维能力和扎实的立体几何知识，把化学问题抽象成数学模型，利用数学工具加以计算和推理，从而提高解决化学问题的能力。

参考文献：

[1]张国安，蔡云波.立体几何与物质结构[J].中学化学教学参考，2000（3）.

[2]王丽华，苏殿钊.物质结构空间思维的基础—立体几何在化学中的应用[J].