化学创意构想向技术与工程实践的转化

摘要

针对C₆₀分子结构抽象、空间想象要求高的教学难点，利用PVC板、金属合页、泡沫小球、小磁铁等材料设计并制作了两款递进式自制教具：一款以二十面体切割成三十二面体为核心，帮助学生从几何变换视角直观理解C₆₀结构的形成过程；另一款为完整的C₆₀空间结构模型，用于整体展示、课堂演示与结构分析。实践结果表明：基于学科融合的教具创新，能够有效提升教学效果，助力学生发展“证据推理与模型认知”核心素养。

Graphical abstract

关键词

C₆₀分子 / 自制教具 / 技术与工程 / 学科融合 / 趣味设计

技术与工程学科的跨学科合作，既是落实国家科学教育战略，也是培育学生科学素养的必然要求。为突破结构抽象、空间想象要求高的教学难点，提升课堂教学实效，在教学设计中结合化学学科教学需求，运用技术与工程手段创新设计了两款从几何切割到C₆₀分子结构的教具，有效实现了空间几何、化学分子结构与技术工程实践的有机融合。

1 研究背景及问题的提出

根据《普通高中化学课程标准（2017年版2025年修订）》，学生应认识物质的结构，理解结构与性质的关系，形成结构决定性质的观念^［1］。在日常教学中，学生难以理解C₆₀分子的微观性与抽象性。师生常用球棍模型搭建C₆₀分子结构，但在组装过程中易出现结构错误，往往需要反复调整、多次返工。也有教师利用纸片、泡沫小球和扭扭棒等材料制作C₆₀分子模型，不仅组装难度较大，且整体结构强度不足，难以长期保存与反复使用^［2-3］。这些教具偏向于镂空结构，主要体现原子（点）和化学键（线）的关系，但观察面结构时易引起视觉疲劳，难以实现“点—线—面”的完整认知结构，而且在推导其数量关系时，往往只能通过数学计算，缺乏实际层面的验证。

2 技术与工程视野下教具的设计及制作

为提升学生对C₆₀分子的探究兴趣，运用技术与工程手段设计并制作了两款递进式自制教具：正二十面体截角推演教具和C₆₀分子空间结构演示教具。

2.1 设计思路

在教学设计中，遵循由过程到结果、由简单到复杂、由操作到认知的原则，创新性采用由“正二十面体切割顶角形成三十二面体”作为课堂导入，理解C₆₀空间构型并非凭空产生，而是具有严谨的几何依据，让学生感受几何结构的对称美。再利用C₆₀分子空间结构演示教具，清晰展示点、线、面的数量关系，并支持学生动手计数、验证数量规律，实现从几何推演到微观结构认知的完整过渡，提升对C₆₀结构的理解深度与探究兴趣。同时，融入趣味化设计，有效提升学生的探究兴趣与课堂参与度。

2.2 材料与工具

教具材料包括8 mm PVC板、轻质黏土、金属合页、泡沫小球、小磁铁和尼龙螺丝螺母等。

使用工具：美工刀或雕刻机、小型台锯、透明胶等。

2.3 正二十面体截角推演教具的制作

选用白色PVC板材，雕刻20个边长为100 mm的正三角形构件，确保每个构件尺寸均匀、边角规整；调整台锯锯片与水平面成69°左右，对正三角形构件的每个侧面进行倒角处理；将双面胶粘贴至三角形构件侧面，按照正二十面体的外观结构粘接。分成两个可开合的半壳，用透明胶在正二十面体外加固粘贴防止松动、变形（图1）。将轻质黏土填满两个半壳，合拢后多次挤压，去除多余黏土，随后打开半壳检查内部轻质黏土的成型情况，确认成型完整后静置备用。

2.4 C₆₀分子空间结构演示教具的制作

选用黄色PVC板材，雕刻12个外边长100 mm、内边长80 mm的正五边形框，之后雕刻12个小正五边形，其边长为实物框体内镂空多边形边长。选用白色PVC板材雕刻同样边长尺寸的正六边形框体和小正六边形各20个。按照每一个五边形周边有五个六边形、每个六边形周围有三个五边形和三个六边形的规律组装。边与边之间用尼龙螺丝、螺母和合页连接起来，以合页代表化学键。在框架的每个顶点处，用塑料螺丝、沉孔磁铁、垫片和塑料螺母固定；在红色泡沫小球上用塑料螺丝固定磁极相反的沉孔磁铁，便于吸合与摘取。在每个顶点吸合红色泡沫小球，在每个多边形面嵌入对应的小正五边形或小正六边形，完成整体组装，如图2所示。

3 教具实操方法与教学应用

按照“几何感知→操作探究→结构推导→分子认知”的路径展开教学，两款教具的操作方法都融入少许趣味性元素。

3.1 正二十面体截角推演教具的演示

（1） 几何感知。教师出示教具，引导学生观察其空间形态，明确正二十面体的核心几何特征：具有20个正三角形面、12个顶点、30条棱，整体结构对称、稳定。

（2） 操作探究。教师取出教具内成型的正二十面体轻质黏土模型，以顶角为中心，投屏展示用美工刀缓慢切除顶角的全过程，引导学生观察两个核心变化：一是切割截面的形状（五边形），二是原正三角形面被切割后的形状（正六边形），直观感受“截角”带来的几何形态变换。

（3） 认知过渡。展示截角后最终形成的三十二面体，利用这一经典的几何体变换，实现从几何变换到化学结构的过渡，引出C₆₀分子空间结构演示教具。

3.2 C₆₀分子空间结构演示教具的演示

（1） 几何感知。观察教具外观，发现其形状与足球相似，引出别名“足球烯”，降低认知难度。观察教具结构，发现仅由五边形和六边形构成，可以适当拓展富勒烯相关知识，每个碳原子只与相邻的3个碳原子相连成键（金属合页代表共价键）。旋转后模型的外观保持不变，可推导其具有高度对称性，存在多条对称轴和一个对称中心。

（2） 操作探究。取下代表碳原子的红色泡沫小球，通过计数理解化学式中60的含义，即C₆₀分子由60个碳原子构成。再通过“砸金蛋”游戏拆解内嵌的多边形面板，因镂空框架主体完整，可避免漏数、错数，统计多边形的种类和数量，最终得出“12个五边形、20个六边形”的结论。

（3） 结构推导。基于数据，探究点（原子数）、线（共价键）和面（五边形和六边形）数量关系与结构规律。①点与线关系：每个碳原子形成3个共价键、每个化学键被2个碳原子共用，计算并验证C₆₀分子中共价键总数为（60×3）÷2=90。②线与面关系：每个化学键被两个面共用，计算并验证共价键总数（12×5 + 20×6）÷2 = 90。③利用欧拉公式验证：代入顶点数60、面数32得出棱数90，验证“V（顶点数）+F（面数）-E（棱数）=2”成立。

（4） 分子认知。结合其独立球状分子结构与分子晶体的特征，可明确C₆₀属于分子晶体，晶胞内部按规律堆积。微粒间作用力为范德华力，故熔点较低、硬度小。结合其高对称性的笼形结构，拓展其应用价值，如可作为药物递送载体“纳米导弹”，将药物精准输送至病灶部位。每个碳原子剩下1个未参与杂化的价电子，这些π电子离域在球笼的外表面与内表面，形成球状离域电子云，这是富勒烯具有特殊电子性质（如导电性、超导性）的重要原因。可根据学生认知水平，适当拓展其在材料科学、新能源等领域的应用，丰富学生的化学认知。

4 跨学科教具开发的意义

4.1 教学应用价值

两款递进式自制教具各具优势、互补共生：正二十面体截角推演教具直观呈现几何变换过程，搭建起几何与化学微观结构的桥梁；C₆₀分子空间结构演示教具精准呈现分子“点—线—面”的空间排布与数量规律，教具独特的外观能给学生留下深刻的印象，激发学习探究兴趣。

4.2 教具拓展价值

正二十面体截角推演教具虽制作简单，但模具制作方法可以拓展制作多种正多面体及多面体之间的变化。两款教具的操作简单，但设计都融入了趣味化元素，捏黏土、“砸金蛋”等操作能唤起学生学习兴趣，有效提高学生的学习动力，教具的趣味化操作设计理念具有推广价值。

4.3 跨学科合作价值

本次合作探索了学科融合新途径，以化学教学为主体，以技术与工程为幕后技术支持的合作方式。由化学教师提出教学构想，技术与工程教师负责实践转化，把专业的事交给专业的人，既发挥技术与工程的动手操作优势，又贴合化学学科的核心素养培养要求。

5 结语

笔者作为技术与工程教师，深知要积极融入跨学科合作的时代教育浪潮中。不仅能辅助其他学科提高教学实效，也能提高技术与工程的学科价值。这也是非高考科目在新高考背景下彰显学科价值的有效路径。在与其他学科教师的积极研讨中，拓展了教具改进创新思路；在教具设计制作过程中，积累了解决问题与工程实践经验；在看到学生积极投入到课堂探索后，深刻感受到了跨学科合作的意义。今后将以自制教具为媒介，组建跨学科合作团队，推进与其他学科的融合教学，提升教学实效，促进学生综合素养全面发展。

参考文献

[1] 教育部. 普通高中化学课程标准日常修订版（2017年版2025年修订） ［S］. 北京：人民教育出版社，2025.

[2] 朱国里，杨静萍.碳60分子模型的简易制作方法［J］.化学教育，2000，（05）：38.

[3] 马薇，孟丽慧，刘立波.巧用泡沫塑料球自制晶体模型［J］.化学教育，2016，37（23）：73-77.

基金资助

湖南省教育科学“十四五”规划立项青年资助课题“运用通用技术开发高中生物学和化学自制教具的实践研究”的研究成果(XJK22QJC004)