黃謙

摘要：基于化學(xué)核心素養(yǎng)“教、學(xué)、評”一體化理念，以“核外電子的運(yùn)動”為教學(xué)案例，闡述教學(xué)設(shè)計的思路、教學(xué)過程、設(shè)計意圖和教學(xué)反思，實(shí)施跨學(xué)科教學(xué)的研究。

關(guān)鍵詞：跨學(xué)科教學(xué);“教、學(xué)、評”一體化;核心素養(yǎng);核外電子;教學(xué)案例

文章編號：1008-0546（2022）08-0033-05?? 中圖分類號：G632.41?? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.08.007

一、問題的提出

本學(xué)期開始，基于核心素養(yǎng)的高一化學(xué)校本課程——《發(fā)現(xiàn)不一樣的化學(xué)》已經(jīng)在我校高一年級正式開始實(shí)施了。雖然教材的初稿早已出爐，但是真正在課堂上落實(shí)還是一件大事。第一節(jié)課“原子分子理論”純理論的數(shù)據(jù)推導(dǎo)讓課堂氣氛非常沉悶，眼看著幾個學(xué)生雖然身體坐得還算筆直，可是眼睛已經(jīng)不自覺地打起了盹，另有幾個皮猴子開始開起了小會。顯然教材推導(dǎo)還是很不錯，但是缺少了具體案例的設(shè)計。怎樣把學(xué)生的積極性調(diào)動起來，這是要好好琢磨的。

以上實(shí)際包含了教師的“教”和學(xué)生的“學(xué)”兩方面的內(nèi)容。連接這兩方面內(nèi)容的橋梁就是教學(xué)評價。教學(xué)評價是高中化學(xué)課程實(shí)施的重要環(huán)節(jié)，在課程改革與發(fā)展中起著導(dǎo)向與質(zhì)量監(jiān)控的關(guān)鍵作用。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出：化學(xué)學(xué)習(xí)評價是化學(xué)教學(xué)評價的重要組成部分，對于學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)具有診斷和發(fā)展功能。教師在化學(xué)教學(xué)與評價中應(yīng)緊緊圍繞“發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)”這一主旨，優(yōu)化教學(xué)過程，有效提高教學(xué)質(zhì)量，發(fā)展素質(zhì)教育，落實(shí)立德樹人根本任務(wù)[1]。

基于學(xué)科核心素養(yǎng)的高中化學(xué)“教、學(xué)、評”一體化課堂教學(xué)模式，采用“情境—任務(wù)”的形式，將化學(xué)

日常學(xué)習(xí)評價滲透入化學(xué)教與學(xué)的活動中，將化學(xué)知識邏輯、學(xué)生認(rèn)知發(fā)展、真實(shí)情境與問題、任務(wù)與活動、表現(xiàn)與評價五個方面交織和融合。

現(xiàn)以“核外電子的運(yùn)動”跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計為例，在真實(shí)情境任務(wù)中培養(yǎng)和評價學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，打通從知識技能到能力素養(yǎng)的“教、學(xué)、評”一體化的通道。

二、教學(xué)設(shè)計

1.課標(biāo)和學(xué)情分析

本校本課例來源于人教版（2019）化學(xué)必修一第四章“物質(zhì)結(jié)構(gòu)、元素周期律”、化學(xué)選擇性必修二“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”模塊和物理選擇性必修第三冊第四章“原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性”?；瘜W(xué)選擇性必修二學(xué)業(yè)要求：“能說明微觀粒子的運(yùn)動狀態(tài)與宏觀物體運(yùn)動特點(diǎn)的差異?！薄澳苷f明建構(gòu)思維模型在人類認(rèn)識原子結(jié)構(gòu)過程中的重要作用，能論證證據(jù)與模型建立及其發(fā)展之間的關(guān)系?！盵1]

本校本課程面對的對象是部分高一學(xué)生。高一學(xué)生根據(jù)自身需求選擇適合自己的，并且感興趣的校本課程。課程開設(shè)目的是根據(jù)不同學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和學(xué)科特長，將必修、選修和活動課程結(jié)合，在必修化學(xué)的基礎(chǔ)上適度挖掘知識的廣度和深度，滿足學(xué)生深層次學(xué)習(xí)需求，發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。在前一課時原子結(jié)構(gòu)模型的研究過程中，學(xué)生已經(jīng)了解到光譜研究是探索核外電子運(yùn)動的重要途徑。因此，本節(jié)課將以原子光譜的相關(guān)數(shù)據(jù)為情境，進(jìn)行譜線解讀、證據(jù)推理，由學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)核外電子運(yùn)動的特點(diǎn)，理解相應(yīng)的思維模型?！昂送怆娮拥倪\(yùn)動”的教學(xué)內(nèi)容和學(xué)業(yè)要求原來都是針對高二學(xué)生，因此在教學(xué)中涉及到的“電離能”“光譜實(shí)驗(yàn)”“里德伯方程”等概念為真實(shí)情境提供給學(xué)生，既不加重高一學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，又開闊了學(xué)生的視野，同時通過陌生情境的分析任務(wù)的完成達(dá)成了核心素養(yǎng)的發(fā)展目標(biāo)。

2.基于跨學(xué)科教學(xué)的指導(dǎo)思想

本節(jié)課與物理學(xué)科有很多交集。打破學(xué)科之間的壁壘，培養(yǎng)跨學(xué)科思維，要找到化學(xué)與其它學(xué)科特別是物理、生物學(xué)科知識的聯(lián)結(jié)點(diǎn)。在本課中，跨物理學(xué)科知識的作用如下：①提供人類對核外電子認(rèn)識過程的探索歷程為本課知識的邏輯線索;②提供真實(shí)又陌生的情境和問題，在任務(wù)解決中推動認(rèn)識一步步深入;③引導(dǎo)學(xué)生在更寬廣的學(xué)科背景下認(rèn)識物質(zhì)及其變化的規(guī)律，幫助學(xué)生拓寬視野，開闊思路。

本課程的重點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新精神。特別注意不要把化學(xué)課變成物理課或生物課。必須舍棄那些與化學(xué)學(xué)科關(guān)系不大的量子力學(xué)發(fā)展史上的人物和事件，突出與原子軌道理論、電子云理論等有更多交集的量子力學(xué)內(nèi)容。人類對核外電子運(yùn)動的認(rèn)識過程就是一個不斷創(chuàng)新的過程：從原有認(rèn)識基礎(chǔ)構(gòu)建模型→出現(xiàn)新問題→為解決新問題提出新假說→實(shí)驗(yàn)證明→建立新的模型。理清各理論的優(yōu)、缺點(diǎn)，來龍去脈，讓學(xué)生明白我們所有關(guān)于核外電子的理論都不是憑空想象出來的。每一種核外電子運(yùn)動模型都有其產(chǎn)生的科學(xué)背景和合理性，并且處在不斷發(fā)展之中。

3.基于“教、學(xué)、評”一體化的“逆向教學(xué)設(shè)計”的思路，在教學(xué)設(shè)計中首先明確本課的核心素養(yǎng)發(fā)展目標(biāo)，其次圍繞核心素養(yǎng)發(fā)展目標(biāo)創(chuàng)設(shè)真實(shí)且富有價值的問題情境制定評價任務(wù)[2]。具體設(shè)計流程見圖1。

三、教學(xué)過程

1.溫故知新，通過設(shè)疑引入新課

原子看不見摸不著，科學(xué)家們在宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，進(jìn)行證據(jù)推理，建立了微觀世界的原子結(jié)構(gòu)模型。請同學(xué)們根據(jù)上一節(jié)課學(xué)習(xí)的內(nèi)容完成表1：

上面這些結(jié)論是同學(xué)們在初中或者前面幾節(jié)課已經(jīng)學(xué)習(xí)過的知識：①通過質(zhì)量守恒定律、定組成定律、倍比定律推導(dǎo)出“原子”的存在;②通過α粒子散射實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)出盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型;③通過電中性原則推導(dǎo)出原子結(jié)構(gòu)中的數(shù)量關(guān)系。④但是我們憑什么認(rèn)為核外電子是分層排布的呢？核外電子分層排布的證據(jù)究竟是什么？

設(shè)計意圖：通過課前提問，達(dá)成對學(xué)生上一節(jié)課知識掌握情況的診斷。通過回顧人類對于原子結(jié)構(gòu)模型建立的證據(jù)推理過程，賦予史料證據(jù)推理的魅力，促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解。同時，通過提出新的問題，引入本課內(nèi)容。

2.通過數(shù)據(jù)分析，尋找核外電子分層排布的證據(jù)【情境】元素原子失去一個電子的電離能稱為第一電離能，常用符號 I1表示;在此基礎(chǔ)上再失去一個電子的電離能稱為第二電離能，常用符號 I2表示;依次類推，還有第三、第四電離能等。根據(jù)電離能的定義可知，電離能越小，表示在氣態(tài)時該元素的原子（或離子）越容易失去電子;反之，電離能越大，表示在氣態(tài)時該元素的原子（或離子）越難失去電子?，F(xiàn)測定由Na原子到Ar原子的各電離能的數(shù)據(jù)，得到表2：

【任務(wù)】分析表中數(shù)據(jù)。同種元素的原子從I1到I7數(shù)據(jù)不斷增大，說明了什么問題？從I1到I7數(shù)據(jù)不斷增大過程中，有沒有“反?！鼻闆r出現(xiàn)？“反?！鼻闆r的出現(xiàn)該如何解釋？

（學(xué)生分組討論后，選派代表發(fā)言。有的學(xué)生對數(shù)字不是很敏感，教師可以借助 EXCEL 表格做出圖像給予學(xué)生更加直觀的印象。）

設(shè)計意圖：“核外電子是分層排布的?！边@一知識點(diǎn)同學(xué)們初中就已經(jīng)知道。在這里學(xué)生們經(jīng)歷的不是學(xué)習(xí)知識點(diǎn)的過程，而是正在經(jīng)歷尋找證據(jù)的過程。在這里解決問題的方法比記住這些問題的答案更為重要。通過創(chuàng)設(shè)對電離能數(shù)據(jù)分析的真實(shí)情境，發(fā)展“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)。

3.通過對光譜學(xué)事實(shí)的分析，親身經(jīng)歷波爾氫原子模型的建立歷程

通過對電離能數(shù)據(jù)的分析，我們找到了核外電子分層排布的證據(jù)。但是歷史上科學(xué)家們又是如何找到電子分層排布證據(jù)的呢？

【情境】氫原子是最輕、最簡單的原子，因它的原子核只有一個質(zhì)子，核外只有一個電子。由此人們研究核外電子運(yùn)動的規(guī)律就從氫原子入手。

（播放氫原子光譜實(shí)驗(yàn)的介紹視頻。）光譜實(shí)驗(yàn)得到一系列按波長次序排列的不連續(xù)的線狀光譜。

1885年瑞士的一位中學(xué)教師巴爾末在觀察氫原子的可見光譜數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)譜線的波長符合一個經(jīng)驗(yàn)公式，后經(jīng)過里德伯整理形成里德伯方程：v = = RH （ -）式中v 為波數(shù)，即波長（λ）的倒數(shù)，RH 為里

德伯常數(shù)，n1和n2都是正整數(shù)，而且n2> n1。

當(dāng)n1、n2分別取不同的正整數(shù)時，理論推導(dǎo)可以得出氫原子的各條譜線。這些譜線很快在科學(xué)上得到了證實(shí)。

如何解釋氫原子線狀光譜的實(shí)驗(yàn)事實(shí)呢？根據(jù)盧瑟福的核式模型和經(jīng)典的電動力學(xué)觀點(diǎn)，圍繞原子核高速運(yùn)動的電子一定會自動且連續(xù)地輻射能量，原子光譜應(yīng)該是連續(xù)的;電子在運(yùn)動過程中能量逐漸降低，最終一定會坍塌到原子核里。但是事實(shí)上，原子并沒有毀滅。氫原子的光譜也不是連續(xù)的，而是有很多條譜線。

【任務(wù)】在科學(xué)研究上，有一種很重要的能力就是數(shù)據(jù)分析和根據(jù)事實(shí)進(jìn)行大膽的臆測。n1和n2只是數(shù)學(xué)公式上的兩個不同的正整數(shù)。但是為什么作為氫原子物理性質(zhì)的光譜卻會與這樣的兩個正整數(shù)如此匹配呢？這只有一種可能性，即n1和n2一定代表著氫原子中的某種物理性質(zhì)！它們一定不是兩個隨意的數(shù)字！

請討論里德伯方程中 n1和 n2都是正整數(shù)究竟該如何解釋？正整數(shù)都是用來計數(shù)“物體的個數(shù)”，與實(shí)際聯(lián)系的“物體的個數(shù)”的意義是什么？

（此處情境信息量大，非常復(fù)雜。但是由于有了前面尋找核外電子分層排布證據(jù)教學(xué)環(huán)節(jié)的鋪墊，學(xué)生還是能夠推導(dǎo)出此處的正整數(shù)就是電子層序數(shù)的結(jié)論。）

【情境】波爾的氫原子結(jié)構(gòu)模型正是基于這樣的推理和假設(shè)建立起來的。

假設(shè)一：核外電子只能在有確定半徑和能量的特定軌道上運(yùn)動，電子在這些軌道上運(yùn)動并不輻射能量。

假設(shè)二：電子在不同軌道躍遷時，原子會吸收或輻射出光子。吸收或輻射出光子能量的多少決定于躍遷前后的兩個軌道能量之差。

【任務(wù)】任務(wù)一：請運(yùn)用波爾氫原子理論結(jié)合里德伯方程解釋氫原子光譜不是連續(xù)的而是線狀的實(shí)驗(yàn)事實(shí)。

任務(wù)二：霓虹燈管中充入氖氣，通電后在電場作用下能夠發(fā)出紅色光。其發(fā)光機(jī)制與氫原子光譜形成的機(jī)制基本相同。請解釋霓虹燈發(fā)光機(jī)理。

（新的情境、新的理論連續(xù)疊加，學(xué)生的認(rèn)知會出現(xiàn)障礙。此時教師適時投影圖2氫原子能級圖，有的學(xué)生立刻豁然開朗。）

設(shè)計意圖：在上述對原子結(jié)構(gòu)的討論中，不僅僅在于結(jié)論本身，更在于得到這些結(jié)論的過程。通過對里德伯方程中n1和n2正整數(shù)的大膽分析和推測，輔以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為驗(yàn)證，重新經(jīng)歷科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)歷程，領(lǐng)悟科學(xué)模型建立背后的思維方法，發(fā)展“宏觀辨識與微觀探析”核心素養(yǎng)。

4.在對玻爾原子結(jié)構(gòu)模型質(zhì)疑的基礎(chǔ)上，建立薛定諤量子力學(xué)模型

在科學(xué)的發(fā)展進(jìn)程中，一個科學(xué)理論的形成大多需要經(jīng)過長時間的經(jīng)驗(yàn)積累，以及隨后更長時間的修正完善。波爾的氫原子結(jié)構(gòu)理論只涉及到核外只有一個電子的情況。如果核外有多個電子又會怎樣呢？

【情境】在通常條件下，鈉原子中處于n=4的狀態(tài)上的電子躍遷到n=3的狀態(tài)時會產(chǎn)生多條譜線;在外磁場存在時，無論是氫原子還是多電子原子的光譜中，原來的一條譜線都可能分裂為多條;在無外磁場的情況下用高分辨光譜儀觀察時還發(fā)現(xiàn)，氫原子中的電子由n=2的狀態(tài)躍遷到n=1的狀態(tài)時得到的是兩條靠得很近的譜線[5]。

顯然，上述問題只用玻爾原子結(jié)構(gòu)模型是無法解釋的。那么，應(yīng)當(dāng)如何解釋氫原子的光譜和多電子原子的光譜所產(chǎn)生的復(fù)雜現(xiàn)象呢？原子中的電子運(yùn)動狀態(tài)是否還存在玻爾原子結(jié)構(gòu)模型未能描述的其他量子化現(xiàn)象呢？

【任務(wù)】（播放量子力學(xué)發(fā)展簡史視頻）。學(xué)生分組討論波爾原子結(jié)構(gòu)模型的局限性究竟是如何產(chǎn)生的？反思原有理論模型的局限，建立新的原子結(jié)構(gòu)模型。

設(shè)計意圖：波爾氫原子結(jié)構(gòu)理論是在經(jīng)典物理的基礎(chǔ)上加進(jìn)了一些與經(jīng)典物理不相容的量子化條件，它本身就存在著不能自圓其說的內(nèi)在矛盾。要解決這一矛盾，必須跳出經(jīng)典理論的體系，建立新的理論。通過分析波爾原子結(jié)構(gòu)模型的局限性、建立薛定諤量子力學(xué)模型的歷史發(fā)展脈絡(luò)，展示人類對核外電子運(yùn)動的認(rèn)識過程就是一個不斷創(chuàng)新的過程，助力學(xué)生形成探索未知世界所必備的品格和關(guān)鍵能力的養(yǎng)成，發(fā)展“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”核心素養(yǎng)。

5.在對“不確定性關(guān)系”理解的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出“電子云”的概率表示方法

從對波爾原子結(jié)構(gòu)模型局限性的討論人們發(fā)現(xiàn)：從宏觀到微觀物質(zhì)的運(yùn)動規(guī)律發(fā)生了深刻的變化，原來適用于宏觀物體的運(yùn)動規(guī)律在處理微觀粒子的時候已經(jīng)失效。

【情境】1927年，海森堡提出了“測不準(zhǔn)原理”，也叫“不確定性原理”。

量子力學(xué)理論指出：質(zhì)量非常小的微觀粒子（如電子）的運(yùn)動不再服從經(jīng)典力學(xué)規(guī)律，而遵循測不準(zhǔn)原理。

【任務(wù)】理解“不確定性關(guān)系”。人類的感知能力從視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺等感官來。請完成表5：

用一個通俗的比喻來說明感官是測試的基礎(chǔ)。假設(shè)人類沒有視覺，只有觸覺。當(dāng)我們研究小球運(yùn)動時，就只能通過“摸”來對小球定位了。當(dāng)一個很巨大的石球滾動時，我們通過輕輕地觸摸，石球的運(yùn)動軌跡幾乎不受影響，我們可以準(zhǔn)確而連續(xù)地測量一個大石球的位置和速度。但是如果改用一個小鋼珠去研究就很困難，因?yàn)橐坏┠忝搅怂?，它就改變了速度和方向，我們就會“測不準(zhǔn)”了。其實(shí)用眼睛觀察和用手摸沒有本質(zhì)區(qū)別，光子就是我們伸出去的小手，只是尺度差得比較大而已。[6]

【情境】量子力學(xué)理論指出：“不確定性關(guān)系”是適用于所有物質(zhì)的普遍真理。而“不確定性”是物質(zhì)的內(nèi)在本質(zhì)，與測量技術(shù)并無必然聯(lián)系。宏觀物體也有不確定性，只是相對微小，不易察覺而已。我們對“客觀世界”的所有的理解能力，就來源于我們的感官。當(dāng)微粒接近電子尺度后，我們形成經(jīng)典物理概念的感官基礎(chǔ)不復(fù)存在，世界開始變得怪異而混沌，不再是清晰穩(wěn)定而連續(xù)，這就超出了經(jīng)典物理的邊界。

量子力學(xué)中軌道的含義與玻爾原子軌道的含義完全不同，它既不是圓周軌道，也不是其他經(jīng)典意義上的固定軌跡。在這里只是借用了這個名詞。

【任務(wù)】討論該如何描述核外電子的運(yùn)動狀態(tài)。（學(xué)生分組討論后，選派代表發(fā)言，拿出解決方案）

設(shè)計意圖：通過對“不確定性關(guān)系”的理解和認(rèn)識，體驗(yàn)人類理解能力的經(jīng)典物理的邊界，發(fā)展“變化觀念與平衡思想”核心素養(yǎng)。通過討論從經(jīng)典的物理學(xué)運(yùn)動公式，到運(yùn)用統(tǒng)計的方法描述電子在核外空間的概率分布規(guī)律，提供了新的理論解決的思路和方法，發(fā)展“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”核心素養(yǎng)。

6.通過了解量子力學(xué)在現(xiàn)代生活和技術(shù)中的應(yīng)用，體現(xiàn)學(xué)科價值

【任務(wù)】閱讀量子力學(xué)的應(yīng)用資料。

量子力學(xué)是研究物質(zhì)世界微觀粒子運(yùn)動規(guī)律的物理學(xué)分支，主要研究原子、分子、凝聚態(tài)物質(zhì)，以及原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的基礎(chǔ)理論，在化學(xué)等學(xué)科和許多近代技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。借助量子力學(xué)，人們深入認(rèn)識了微觀世界的組成、結(jié)構(gòu)和屬性。

①量子力學(xué)推動了核物理和粒子物理的發(fā)展。

②量子力學(xué)推動了原子、分子物理和光學(xué)的發(fā)展。

③量子力學(xué)推動了固體物理的發(fā)展。如大規(guī)模集成電路“芯片”。

所有的精密測量，都必定涉及到量子力學(xué)。在這種意義上，幾乎所有的現(xiàn)代技術(shù)，都多多少少用到了量子力學(xué)。

設(shè)計意圖：量子力學(xué)理論已經(jīng)誕生一百多年了。從物理角度來說，它在科學(xué)家中間引起了最為激烈的爭議和關(guān)注;從現(xiàn)實(shí)角度來說，它給我們的社會帶來了無與倫比的變化和進(jìn)步。然而不可思議的是，它的基本觀點(diǎn)和假說至今沒有滲透到大眾的意識中去。通過對量子力學(xué)在工程技術(shù)上的應(yīng)用介紹，打通物理和化學(xué)的跨學(xué)科認(rèn)知，體現(xiàn)學(xué)科價值，發(fā)展“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”核心素養(yǎng)。

四、結(jié)語

開展基于學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的課堂教學(xué)，對化學(xué)教師的專業(yè)素養(yǎng)提出了更高的要求。教師不僅要深入掌握化學(xué)學(xué)科知識，還要做好跨學(xué)科知識的儲備。主動探索“素養(yǎng)為本”的有效課堂教學(xué)模式和策略，加強(qiáng)對化學(xué)學(xué)科思維方式和方法的理解和運(yùn)用，將“素養(yǎng)”“情境”“問題”“知識”四個關(guān)鍵要素緊緊聯(lián)系起來，從重視學(xué)科知識學(xué)習(xí)的角度向重視學(xué)生能力與素養(yǎng)的角度進(jìn)行升級。

最后特別想表達(dá)一下這門高一化學(xué)校本選修課的核心思想：我們正在經(jīng)歷的不是學(xué)習(xí)知識點(diǎn)的過程，而是正在經(jīng)歷探索知識誕生的過程。在這里研究的方法比具體的知識點(diǎn)更重要。有很多知識在必修課堂沒法講，在選擇性必修課堂又似乎離開高考遠(yuǎn)了而不屑于講?？墒俏矣痔貏e想和學(xué)生一起分享我的一些想法和心得，做點(diǎn)“低效率”的事，這實(shí)在是一件很有意義的事情。

參考文獻(xiàn)

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