處理認知沖突，讓化學史“說話”

葉蘭峰 孔琴飛 潘小歐

摘要：高中化學教學中由于受到缺乏先進儀器等客觀條件的制約，無法對物質開展微觀結構的實驗研究，難以解決教學中的認識沖突[1]。作者通過構建化學史解決認知沖突，滲透化學學科思想，讓學生感悟化學史實，尊重化學史。

關鍵詞：認知沖突；化學史；原子核外電子的排布

文章編號：1008-0546（2016）08-0024-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.08.009

認知沖突是指人在認知發展過程中的原有概念或認知結構與現實情境不相符時心理上所產生的對立性矛盾或沖突。一旦引發這種認知沖突，就會引起學生認知心理的不平衡，就能激起學生的求知欲和好奇心，使學生產生解決這種認知沖突獲得心理平衡的動機。運用直觀實驗、運用客觀事實、運用生活發現等引發認知沖突，相信大部分老師都能運用自如，而采取哪些方式去解決這種認知沖突，達成新概念的建立是化學教學中的難點。

一、問題提出

蘇教版《物質結構與性質》作為繼高一年級必修課程《化學1》、《化學2》之后的選修課程，它將從原子、分子水平上幫助學生認識物質結構的規律；以微粒之間不同的作用力為線索，側重研究不同類型物質的有關性質，使學生初步認識物質的結構與性質之間的關系，能從物質結構決定性質的視角去解釋一些簡單的化學現象，預測物質的有關性質；幫助學生形成有關物質構成的科學觀念，學習科學思維和科學研究的方法，提高學生分析問題和解決問題的能力。高中化學教學中由于受到缺乏先進儀器等客觀條件的制約，無法對物質開展微觀結構的實驗研究，難以解決教學中的認識沖突。筆者查閱大量文獻，關于蘇教版“物質結構與性質”的教學論文較少，下面就以“原子核外電子的排布”為例，讓化學史“說話”解決認識沖突從而推進課堂教學的有序前行，希望能夠引起同行們對該教材的重視達到拋磚引玉的作用。

二、設計思想

本課時的教學從宏觀世界與微觀世界共同點：能量越低越穩定這一自然規律入手，以研究氮原子核外電子排布為主線，在思考中遇到認知沖突，借用化學史解決沖突，在鞏固概念中又遇認知沖突，再用化學史解決沖突，依次循環促使概念得以深化、內化。

三、教學實錄

1. 初遇沖突，“玻爾”說話

[生活導課]水往低處流，說明能量越低越穩定是自然界萬物遵循的規律之一。宏觀物質如此，微觀世界也不例外，處于能量最低狀態的原子叫基態原子，這樣的原子也最穩定。

[問題思考1]多電子原子核外電子排布有哪些規律才能使能量最低？請同學們以氮原子為例，寫出該原子的原子結構示意圖。

[學生闡述]分層排布；每層最多不超過2n2個；最外層最多不超過8個，次外層最多不超過32個等。

[學生板演]

[問題思考2]為什么K層最多排2個？L層最多排8個？

[學生釋疑]K層只有1s軌道，一個原子軌道最多排2個電子；L層有2s，2p兩種類型軌道，四個原子軌道一共最多排8個電子。

[機理支撐]原子核外電子先占據能量低的軌道，然后依次進入能量高的軌道，這樣使整個原子處于最低的能量狀態。因此，氮原子的電子排布式為1s22s22p3。

[跟進強化1]請同學們書寫O和Cl原子的核外電子排布式，并分享書寫電子排布式的經驗。

設計意圖：通過生活中的宏觀現象水往低處流的本質是萬物循環的規律 （低能量的狀態是穩定的）引出微觀世界中的原子核外電子排布可以消除學生對于新知識內容的陌生感。然后通過先行組織者理論提出[問題思考1]、[問題思考2]，完全符合最近發展區理論，學生運用已有知識與經驗加深了對能量最低原理的理解，再通過[跟進強化1]達成知識的鞏固與落實。

[跟進強化2]請同學們書寫Ca原子的核外電子排布式。

[問題思考3]Ca原子的核外電子排布式是1s22s22p63s23p64s2、1s22s22p63s23p63d14s1還是1s22s22p63s2 3p63d2呢？說說你的理由。

[“玻爾”說話]1920年，玻爾通過引入量子化條件，提出核外電子排布的構造原理，如圖1所示。

[學生闡述]Ca原子的核外電子排布式是1s22s22p63s23p64s2。依據構造原理從電子層角度來看，第1層到第7層，能量依次升高；從能級角度來看，s，p，d，f能量依次升高，總體符合大多數原子核外電子排布，但局部存在能級交錯的現象，如4s比3d低。

[跟進強化3] 請同學們書寫Fe原子的核外電子排布式。

[學生闡述]Fe原子的原子序數是26，在核外電子排布過程中出現4s比3d低的能級交錯現象，所以Fe原子的核外電子排布式是1s22s22p63s23p63d64s2。

[排布結論] 原子核外電子排布需要遵循能量最低原理。

設計意圖：學生通過[跟進強化2]寫出了Ca原子的核外電子排布式有3種與已學知識能量最低原理矛盾而陷入思考僵局。此時，化學史玻爾構造原理的出現讓學生有了雪中送炭的感覺，緊接著又以Fe原子的核外電子排布式加以明確4s軌道的能量比3d軌道的能量低，從而將能量最低原理落實到了實處。

2. 再遇沖突，“泡利”說話

3. 后遇沖突，“洪特”說話

[問題思考5]N原子的2p三個軌道上的三個電子運動狀態又如何？請同學們畫出。

[學生板演]

[跟進強化4]請同學們書寫O和Cl原子的核外電子軌道表示式。

[排布結論] 原子核外電子的排布在遵循能量最低原理和泡利不相容原理，還需符合洪特規則。

設計意圖：[問題思考5]是[問題思考4]的一個延續， N原子的2p軌道中的三個電子運動狀態種類繁多，如何抉擇。化學史洪特規則的出現，不僅讓學生作出了快而準的選擇結論，更讓學生掌握核外電子軌道表示式的書寫法則。

[跟進強化5]請同學們書寫24Cr原子的核外電子排布式和軌道表示式。

[學生板演]24Cr原子的核外電子排布式：1s22s2 2p63s23p63d44s2

24Cr原子的核外電子軌道表示式：略

[資料呈現] 根據實驗測定，24Cr原子的電子排布式：1s22s22p63s23p63d54s1。

[問題思考7]難道這樣排布會使原子能量達到最低？

[洪特規則補充] 某些過渡元素s、d軌道接近全滿或半滿時電子排布可能作出微調，以降低體系能量，使整個原子的能量最低。

[課堂追問]若原子軌道3d全滿，則原子序數最小多少？

[尊重事實]科學研究必須建立在實驗的基礎上，因此原子核外電子排布要以實驗測定的結果為準。

[教學過渡] 原子序數較大原子的核外電子排布式書寫比較復雜，為了避免電子排布式書寫過繁，可以把內層電子已達到稀有氣體結構的部分寫成“原子實”，以稀有氣體的元素符號外加方括號表示。例如，鈉原子的電子排布式可表示為1s2 2s2 2p6 3s1 或 [Ne]3s1。3s1就是鈉原子的外圍電子，觀察下圖2，請說說各原子外圍電子的特點。

[學生闡述]對于主族元素而言，外圍電子就是最外層電子，對于副族元素而言，外圍電子除了最外層電子，還包括次外層d軌道上的電子。

[跟進強化6] 請同學們書寫Ca和Fe原子的簡化電子排布式。

設計意圖：學生依據已學知識信心滿滿書寫出的24Cr原子的核外電子排布式竟然與實驗測定結果24Cr原子的核外電子排布式存在較大差異從而再次引發認知沖突。實驗是化學的靈魂，尊重實驗是每位化學工作者與學習者共同的前提與默契，洪特規則的補充為大家解釋了這一特殊排布。然后通過逆向提問“若原子軌道3d全滿，則原子序數最小多少？”促使學生充分理解洪特規則與洪特規則補充。學生通過觀察表1，對比分析主族與副族明確外圍電子排布式，掌握簡化核外電子排布式的表示方法。

[問題思考8]為什么多電子原子核外電子排布的規律是分層排布；每層最多不超過2n2個；最外層最多不超過8個，次外層最多不超過32個？

設計意圖：[問題思考8] 代替以往習題式的課后練習，不僅達到習題式課后練習的功效，更是對課堂概念的引入作了呼應，對本課時的概念進行了內化。學生通過思考，體會到化學是講道理的，知其然更要知其所以然，也能明白教材知識內容安排的合理順序。

四、教學啟示

在無法借用化學實驗探究的前提下，一節枯燥的概念課只要化學教育工作者用心去設計也可呈現出不一樣的滋味。本課時就是通過學生構建認知沖突，運用化學史解決認知沖突，滲透化學學科思想，感悟化學史實，使學習者隱約感覺到化學學科的發展是站在巨人的肩膀上不斷成長的。

參考文獻

[1] 徐立海， 黃君明. 物理教學中的“引發認知沖突”策略[J]. 物理教師， 2011， 32（3）： 15-17

[2] 王祖浩.高中化學教學參考書[M].南京：江蘇教育出版社，2005