陸衛(wèi)星　吳境柳

摘要：“原子結(jié)構(gòu)”教學(xué)容易成為陳述性課堂，師生之間只進(jìn)行知識(shí)的傳遞，缺乏學(xué)生思維的參與，無(wú)法實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。依據(jù)已有的原子結(jié)構(gòu)模型知識(shí)引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步探索原子結(jié)構(gòu)的興趣，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建新的原子結(jié)構(gòu)模型去進(jìn)一步探索原子結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)化學(xué)素養(yǎng)的提升。

關(guān)鍵詞：模型認(rèn)知;原子結(jié)構(gòu)

文章編號(hào)：1008-0546（2022）06x-0043-04?? 中圖分類號(hào)：G632.41?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.06x.011

一、教材分析及教學(xué)現(xiàn)狀

人教版《選修三》“原子結(jié)構(gòu)”在編排教學(xué)內(nèi)容時(shí)充分考慮了初中化學(xué)和《必修二》中原子結(jié)構(gòu)知識(shí)的基礎(chǔ)，注意知識(shí)的銜接與深化。教材不再重復(fù)建立原子結(jié)構(gòu)的概念，直接建立核外電子的能層和能級(jí)的概念，給出構(gòu)造原理，并依據(jù)構(gòu)造原理進(jìn)行核外電子排布。教材的選取注重對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)方法、科學(xué)態(tài)度的教育，利用“科學(xué)史話”中的素材激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。但當(dāng)前不少教師在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，由于受到高考試題的影響，主觀認(rèn)為學(xué)生只要學(xué)會(huì)書寫基態(tài)原子的核外電子排布式即可，教學(xué)內(nèi)容的處理趨于簡(jiǎn)單化，常把構(gòu)造原理和能層、能級(jí)的概念直接作為知識(shí)進(jìn)行講授，學(xué)生缺乏概念的形成過(guò)程，思維參與程度低，屬于低水平加工的淺層學(xué)習(xí)。

二、學(xué)情分析

經(jīng)過(guò)初中與高一相關(guān)原子結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)于原子結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了初步的認(rèn)識(shí)：初步了解了原子結(jié)構(gòu)與元素性質(zhì)之間的關(guān)系，知道了原子核外電子是分層排布的，電子按能量由低到高的原則進(jìn)行填充，會(huì)書寫1-20號(hào)元素原子結(jié)構(gòu)示意圖。把化學(xué)作為選修科目的學(xué)生，多數(shù)對(duì)化學(xué)比較感興趣，對(duì)于未知的原子結(jié)構(gòu)知識(shí)也充滿了好奇，有較強(qiáng)烈的探索欲望。所以教師在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮學(xué)生已經(jīng)具有的原子結(jié)構(gòu)模型知識(shí)，要讓學(xué)生的原有認(rèn)知和即將學(xué)習(xí)的內(nèi)容之間形成一個(gè)較完整的邏輯順序，才能使學(xué)生實(shí)現(xiàn)有意義的學(xué)習(xí)。

三、設(shè)計(jì)思路

本節(jié)課以《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)2017年版2020年修訂》提出的“能認(rèn)識(shí)化學(xué)現(xiàn)象與模型之間的聯(lián)系，能運(yùn)用多種認(rèn)知模型來(lái)描述和解釋物質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化，預(yù)測(cè)物質(zhì)及其變化的可能結(jié)果;能依據(jù)物質(zhì)及變化的信息建構(gòu)模型，建立解決復(fù)雜化學(xué)問(wèn)題的思維框架[1]”為指導(dǎo)思想，以學(xué)生原有的原子結(jié)構(gòu)（原子結(jié)構(gòu)示意圖）模型知識(shí)為起點(diǎn)，設(shè)計(jì)問(wèn)題引發(fā)認(rèn)知沖突，在教師的指導(dǎo)下構(gòu)建新的原子結(jié)構(gòu)模型來(lái)解決所遇到的新問(wèn)題，然后以問(wèn)題再次引發(fā)新的認(rèn)知沖突，對(duì)新構(gòu)建的原子結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行修訂，如此反復(fù)，使學(xué)生的認(rèn)知水平呈螺旋式上升，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的深度學(xué)習(xí)。具體設(shè)計(jì)思路見圖1：

四、教學(xué)過(guò)程

活動(dòng)1：情境導(dǎo)入，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

[師]初中和高一我們已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)原子結(jié)構(gòu)，為什么我們還要繼續(xù)學(xué)習(xí)呢？我們對(duì)原子結(jié)構(gòu)的了解處于什么樣的水平呢？

播放“原子結(jié)構(gòu)秘密”的視頻。

[生]觀看視頻，感悟人類對(duì)微觀粒子的研究還處于初級(jí)階段，原子結(jié)構(gòu)中好多秘密還沒有解開，對(duì)人類來(lái)講原子核外電子如何運(yùn)動(dòng)還是個(gè)迷。

[師]結(jié)合初中及高一所學(xué)，請(qǐng)你思考人類對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了哪些過(guò)程？

[生]通過(guò)閱讀、合作討論整理現(xiàn)代原子學(xué)說(shuō)的發(fā)展史。

[師]1913年波爾提出原子結(jié)構(gòu)模型，認(rèn)為核外電子是分層排布的，在此基礎(chǔ)上，將原子的核外電子用原子結(jié)構(gòu)示意圖來(lái)表示，請(qǐng)書寫Na、Ca原子結(jié)構(gòu)示意圖，并思考書寫的依據(jù)？

[生]展示書寫的原子結(jié)構(gòu)示意圖，并解釋書寫的理由：

（1）原子核外各電子層最多容納2n2個(gè)電子。

（2）原子最外層電子數(shù)目不能超過(guò)8個(gè)。

（3）次外層電子數(shù)目不能超過(guò)18個(gè)，倒數(shù)第三層電子數(shù)目不能超過(guò)32個(gè)。

（4）電子由內(nèi)而外進(jìn)行排布，能量低的排在內(nèi)層。

[師]肯定學(xué)生的回答，提出 Na原子為什么第一層只能排2個(gè)電子、第二層排8個(gè)電子？根據(jù)你們熟悉的規(guī)律，Ca 原子如右所示20Ca +202891可不可以？你能書寫出Fe原子的原子結(jié)構(gòu)示意圖嗎？

[生]合作討論，并嘗試書寫Fe 的原子結(jié)構(gòu)示意圖（幾乎都錯(cuò)）。

[師]依據(jù)現(xiàn)在排布規(guī)律，我們無(wú)法解釋每一層為什么排這么多的電子，也無(wú)法解釋20Ca +202891為什么不這樣排，也不能書寫出Fe原子結(jié)構(gòu)示意圖，為什么呢？

[生]感覺所學(xué)的原子結(jié)構(gòu)知識(shí)并不能解釋遇到的問(wèn)題，反思自己對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)還不足。

[師]顯然我們前面學(xué)習(xí)的核外電子排布規(guī)律并不完善，這種規(guī)律僅僅是對(duì)一些數(shù)據(jù)的總結(jié)，對(duì)原子核外電子的排布認(rèn)識(shí)還不夠深入，核外電子排布遵循能量最低原理進(jìn)行排布是最基本的原則。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生原有核外電子排布規(guī)律知識(shí)是基于多電子原子核外電子排布表面現(xiàn)象的歸納，不能反映核外電子依據(jù)能量最低原理進(jìn)行排布的原則，為了讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到這種規(guī)律的局限性，設(shè)計(jì)了三個(gè)問(wèn)題進(jìn)行追問(wèn)，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，認(rèn)識(shí)到原有的原子結(jié)構(gòu)模型的不足，激發(fā)學(xué)生探究的欲望，為下面能層、能級(jí)概念的引入做鋪墊。

活動(dòng)2：類比學(xué)段，撥開電子層

[師]剛才提出的問(wèn)題無(wú)法解決的原因是我們對(duì)原子核外電子排布的認(rèn)識(shí)還不深，同一電子層電子所具有的能量一樣嗎？

[生]學(xué)生猜測(cè)一樣或不一樣。

[師]展示學(xué)段圖（圖2），讓學(xué)生感受學(xué)段→年級(jí)→班級(jí)的層級(jí)關(guān)系。

[師]不同學(xué)段中的同一年級(jí)教師所授知識(shí)水平是否相同？相同學(xué)段的不同年級(jí)教師所授知識(shí)水平是否相同？

[生]聯(lián)想與原子核外電子排布的關(guān)系。

[師]原子核外電子的排布與學(xué)段的分布非常相似。展示原子核外排布的層級(jí)關(guān)系（見圖3）。87DBD9CC-F6E5-4DFA-A89F-F45BFD53A12C

[生]感受與學(xué)段相似的能層→能級(jí)→軌道的層級(jí)關(guān)系。

[師]著名科學(xué)家泡利在1925年研究得出，每個(gè)原子軌道只能容納兩個(gè)電子，請(qǐng)依據(jù)能層、能級(jí)、軌道的關(guān)系圖，將各能級(jí)最多能填充的電子數(shù)寫在下方的表格中（見表1）。

[生]合作討論完成。

[師]現(xiàn)在我們?cè)賮?lái)看一下，鈉原子11個(gè)電子在核外從內(nèi)而外怎么排布的？

[生]學(xué)生從軌道→能級(jí)→能層排布電子，解釋鈉原子結(jié)構(gòu)示意圖的由來(lái)（見圖4）。

[生]每個(gè)能層最多排多少個(gè)電子與核外電子的能級(jí)和軌道數(shù)有關(guān)。

[師]引入核外電子排布式書寫方法。

[生]嘗試掌握核外電子排布式的書寫方法。

設(shè)計(jì)意圖：利用能層、能級(jí)、軌道與學(xué)段、年級(jí)、班級(jí)的相似性，通過(guò)類比讓學(xué)生初步認(rèn)識(shí)原子核外電子能層→能級(jí)→軌道的層級(jí)關(guān)系，以泡利不相容原理中的每個(gè)原子軌道只能容納兩個(gè)電子為基礎(chǔ)，學(xué)生就容易從軌道數(shù)推導(dǎo)出能級(jí)容納的電子數(shù)，再?gòu)哪芗?jí)的角度推導(dǎo)能層容納的電子數(shù)，學(xué)生在原有的基礎(chǔ)上構(gòu)建了核外電子排布——能層、能級(jí)、軌道，這一新的原子核外電子排布模型，從而順利解釋鈉原子結(jié)構(gòu)示意圖的來(lái)源。

活動(dòng)3：遵循能量最低原理，再識(shí)原子核外電子排布

[師]以推導(dǎo)鈉原子核外電子排布的相似的方法解釋鈣原子的核外電子排布。

[生1]最后兩個(gè)電子應(yīng)填充在3d能級(jí)上，理由是電子都是由內(nèi)而外進(jìn)行排布的，遵循能量最低原理。

[生2]最后兩個(gè)電子應(yīng)填充在4s能級(jí)上，理由是如

果填充在3 d上，鈣原子結(jié)構(gòu)示意圖為20Ca +202810，而填充在4s能級(jí)上，鈣原子結(jié)構(gòu)示意圖為20Ca +202882。

[師]肯定學(xué)生的分析。電子填充的主要依據(jù)就是要遵循能量最低原理，電子在填充時(shí)，是3d 能級(jí)電子能量低，還是4s 能級(jí)電子能量低呢？我國(guó)著名的化學(xué)家徐光憲院士依據(jù)前人的研究成果和光譜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)出評(píng)價(jià)原子各能級(jí)能量高低的近似規(guī)則。

展示資料卡片，讓學(xué)生通過(guò)計(jì)算總結(jié)各能級(jí)高低順序（見圖5）。

[生]計(jì)算總結(jié)得出原子核外電子按1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p……各能級(jí)能量高低順序。

[師]這就是核外電子構(gòu)造原理，依據(jù)構(gòu)造原理你能推出鈣原子最后兩個(gè)電子填充的能級(jí)嗎？依據(jù)構(gòu)造原理你能推出鐵原子的結(jié)構(gòu)示意圖嗎？

[生]依據(jù)構(gòu)造原理解釋鈣原子核外電子排布，并推導(dǎo)出鐵原子的結(jié)構(gòu)示意圖（見圖6）

[師]你認(rèn)為Fe2+的原子結(jié)構(gòu)示意圖應(yīng)該怎么畫？

[生1]認(rèn)為失電子應(yīng)該失去最外層電子，F(xiàn)e2+的原子結(jié)構(gòu)示意圖26Fe2++262814。

[生2]能量高的電子活潑性強(qiáng)，根據(jù)剛才所學(xué)，失去的應(yīng)該是3d能級(jí)上的電子，所以Fe2+的原子結(jié)構(gòu)示意圖26Fe2++2628122。

[師]肯定學(xué)生的分析。電子填充的主要依據(jù)要遵循能量最低原理，離子核外電子排布時(shí)，是3d能級(jí)電子能量高，還是4 s 能級(jí)電子能量高呢？徐光憲院士也總結(jié)出評(píng)價(jià)離子各能級(jí)能量高低的近似規(guī)則。

展示資料卡片（見圖7）。

[生]計(jì)算總結(jié)得出離子核外電子按1s-2s-2p-3s-3p-3d-4s-4p……各能級(jí)能量高低順序，順利解釋 Fe2+的原子結(jié)構(gòu)示意圖。

[師]兩位同學(xué)書寫24號(hào)Cr元素的核外電子排布式：甲同學(xué)：24Cr 1s22s22p63s23p63d44s2。

乙同學(xué)：24Cr 1s22s22p63s23p63d54s1。

[生]絕大多數(shù)同學(xué)認(rèn)為甲同學(xué)正確。

[師]書寫正確是乙同學(xué)。為什么Cr元素的核外電子排布式與構(gòu)造原理不相符呢？我們將在下一課繼續(xù)探討。

設(shè)計(jì)意圖：在學(xué)生已經(jīng)構(gòu)建原子核外能層→能級(jí)→軌道模型的基礎(chǔ)上，用鈣原子的最外層兩個(gè)電子如何排布引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，使其迫切需要構(gòu)建新的模型來(lái)進(jìn)行解釋，給出資料讓學(xué)生利用原子各能級(jí)能量高低的近似規(guī)則計(jì)算得出構(gòu)造原理，用構(gòu)造原理構(gòu)建的原子核外電子排布模型順利解釋鈣原子核外電子排布和鐵原子結(jié)構(gòu)示意圖。然后以 Fe2+的原子結(jié)構(gòu)示意圖書寫再次引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，引導(dǎo)學(xué)生利用離子各能級(jí)能量高低的近似規(guī)則計(jì)算得出離子核外電子排布構(gòu)造原理，順利完成 Fe2+的原子結(jié)構(gòu)示意圖。最后以 Cr 元素的核外電子排布作為下一課的起點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生繼續(xù)探索原子核外電子排布的欲望。

五、總結(jié)反思

1.真實(shí)的問(wèn)題情境使深度學(xué)習(xí)成為可能

通過(guò)呈現(xiàn)真實(shí)的問(wèn)題情境，讓學(xué)生在前概念基礎(chǔ)上不斷探究，像科學(xué)家一樣進(jìn)行知識(shí)建構(gòu)、問(wèn)題解決和反思改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)概念的改變和知識(shí)的遷移[2]。好的問(wèn)題情境符合學(xué)生的認(rèn)知水平，把解決問(wèn)題作為外觀主線的同時(shí)，還能將知識(shí)落實(shí)和能力發(fā)展作為暗線[3]。本節(jié)課設(shè)計(jì)時(shí)將原子結(jié)構(gòu)示意圖的由來(lái)和書寫作為問(wèn)題主線，在這個(gè)大問(wèn)題的背景下，又設(shè)計(jì)了三個(gè)小問(wèn)題，將本節(jié)課三個(gè)核心概念作為暗線（見圖8），在解決這三個(gè)問(wèn)題的過(guò)程中進(jìn)行落實(shí)。將原子結(jié)構(gòu)示意圖作為問(wèn)題的主線建立了新舊知識(shí)間的聯(lián)系，促進(jìn)學(xué)生高階思維能力的運(yùn)用，從而實(shí)現(xiàn)化學(xué)素養(yǎng)的提升。

2.基于“模型認(rèn)知”的問(wèn)題解決使學(xué)習(xí)走向深度

運(yùn)用認(rèn)知模型解決問(wèn)題的過(guò)程是一個(gè)高級(jí)輸出的過(guò)程，外顯在認(rèn)知模型中的認(rèn)識(shí)方法可以內(nèi)化為學(xué)生的元認(rèn)知，提升學(xué)生自覺調(diào)用認(rèn)識(shí)角度、自動(dòng)檢索思維方法、自我監(jiān)控問(wèn)題解決的能力[4]。本節(jié)課利用結(jié)構(gòu)化的問(wèn)題不斷引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生構(gòu)建原子核外電子模型并不斷進(jìn)行修正，完成從已知的原子結(jié)構(gòu)示意圖模型→能級(jí)軌道模型→原子構(gòu)造原理模型→離子構(gòu)造原理模型的構(gòu)建，并能用構(gòu)建的模型解決所遇到的問(wèn)題?；凇澳Ｐ驼J(rèn)知”的問(wèn)題解決是學(xué)生主動(dòng)參與的學(xué)習(xí)，是聚焦學(xué)科本質(zhì)和學(xué)科思想方法的學(xué)習(xí)，不僅能掌握學(xué)科核心知識(shí)，還能形成批判性思維，使學(xué)習(xí)走向深度。

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