發展“證據推理與模型認知”素養的單元整體教學

白建娥 李奇 宋兆爽 時萍萍

摘要：秉承新課程“素養為本”的理念設計魯科版教材選擇性必修模塊“原子結構”單元整體教學。分析教材內容的編排特點與蘊含的素養價值，對實驗證據與科學模型之間的邏輯關聯進行系統梳理，并將“證據推理與模型認知”學科核心素養目標落實在課堂學生活動和板書設計當中。

關鍵詞：證據推理; 模型認知; 化學學科核心素養; 原子結構

文章編號：1005-6629（2021）08-0043-05

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

1 設計理念

“證據推理與模型認知”是化學學科五大核心素養之一，具體表現為“具有證據意識，能基于證據對物質組成、結構及其變化提出可能的假設，通過分析推理加以證實或證偽;建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系……;建立認知模型，并能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律”[1]。“證據推理與模型認知”是核心素養的思維中心，其中證據推理是模型認知的前提和基礎，模型認知是證據推理的進階和高級形式[2]。本新課程重視“素養為本”的教學，倡導以學科大概念為核心的結構化設計，因此在選擇性必修模塊2“原子結構”教學中精心設計了重在發展學生“證據推理與模型認知”素養的單元整體教學。

2 內容分析

“原子結構”是中學化學的核心概念，也是物理和化學學科的交叉內容。魯科版新教材選擇性必修模塊2將原子結構的內容編排在第一章第一節和第二節，包含原子結構模型、量子力學對原子核外電子運動狀態的描述與基態原子的核外電子排布3個板塊，具體內容如圖1所示。

第一板塊，基于氫原子的線狀光譜完成了從盧瑟福“核式模型”到玻爾“量子化軌道模型”的過渡，最后引出現代量子力學“電子云模型”;第二板塊，通過給出“鈉原子處于n=4的狀態上的核外電子躍遷到n=3的狀態，會產生多條譜線”、“在外磁場存在的情況下，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，用高分辨率光譜儀可觀測到氫原子中的核外電子由n=2的狀態躍遷到n=1的狀態時得到的是兩條靠得很近的譜線，同樣情況下鈉原子的黃色譜線也是靠得很近的兩條譜線”等光譜實驗證據，說明玻爾模型中用一個量子數n已不能滿足需要，從而介紹現代量子力學理論對核外電子運動狀態的描述，引入“原子軌道”概念;第三板塊，呈現核外電子排布需遵循的3個原則：能量最低原理、泡利不相容原理與洪特規則，強調該規則建立在諸多光譜實驗事實基礎上，最后歸納出基態原子核外電子在原子軌道上的排布順序（構造原理圖）。教材特別指出，這一順序并不代表電子填充后在原子中各原子軌道的能級高低順序，給出此順序僅僅是為了給學習和研究提供方便。

魯科版教材的編排方式體現了“證據推理與模型認知”素養導向，凸顯了證據意識，強化了模型認知。模型認知可分為兩大方面：一是利用模型認識事物及其變化，二是通過建構認知模型建立解決問題的思考框架。前者指科學模型，后者指科學認知模型[3]。筆者認為，教材中無論是顯性化的原子結構模型，還是隱性的量子力學對核外電子運動狀態的描述、核外電子分層排布的規律，都屬于科學模型，是科學家基于實驗證據建構的思維模型。科學模型具有表征、解釋、預測等功能[4]。電子排布式、軌道表示式是對核外電子排布的表征，依據原子軌道模型可以對原子光譜數據進行解釋，由構造原理能夠對任何基態原子的核外電子排布做出預測，是否合理則需接受實驗事實的檢驗。發展“證據推理與模型認知”素養的教學，有利于糾正學生頭腦中固有的“原子結構模型就是真實的原子結構”“原子核外電子逐個填入固定的原子軌道”等錯誤概念，使其對思維模型與真實世界有辯證的、科學的認識。

3 教學設計

3.1 以實驗證據與科學模型之間的關聯貫穿單元教學始終

科學家對原子結構的認識是螺旋式發展的：基于陰極射線實驗認識到原子可分;基于α粒子散射實驗，認識到原子核的存在;對核外電子運動狀態的認識則經歷了“繞核做圓周運動→在量子化固定軌道上繞核運動→像一團云霧隨機出現在核外”的漸進過程。“原子結構”單元教學第一課時再現科學家對原子結構的研究歷程，第二、三課時聚焦核外電子，先描述核外電子的運動狀態，然后表征核外電子的排布。教學沿著先整體后局部的順序展開，“實驗證據”“科學模型”與對模型的認知貫穿始終，以促進教學目標的達成。圖2、圖3是筆者系統梳理的第一、二課時中實驗證據與模型認知的邏輯關聯，同時也是教學活動逐層推進的核心線索。

3.2 以發展“證據推理與模型認知”素養為目標設計學生活動

學生是學習的主體，教學中如何將知識轉化為學生的素養？需要通過設計學生活動，增進學生對知識的深刻理解，在活動中形成解決問題的思路和方法，進一步內化為學科核心素養。

原子結構模型是科學家基于實驗事實與大量精確的計算推演得出的，其中要用到大量的經典物理學知識。課堂上如果沒有必要的信息提示，讓學生由實驗證據推理建構出科學家冥思苦想好久才慎重提出的原子結構模型是不現實的。因此，第一課時筆者著重設計了說明論證、分析解釋類的學生活動，給出實驗證據和相應的原子結構模型（見圖2），讓學生對證據與模型進行邏輯關聯，由證據對模型進行說明論證，用模型分析解釋實驗證據。課堂上給足時間讓學生表達，使其思維外顯，同時鼓勵其他同學質疑甚至辯論。為了診斷學生素養的達成情況，筆者還設計了連續的追問，如“葡萄干布丁模型中，電子與帶正電的部分能否交換角色”“如果葡萄干布丁模型合理，高速運動的α粒子會有怎樣的行為”“α粒子散射實驗中哪點現象無法用湯姆遜的模型解釋”，這種刻意放慢節奏的設計，可以培養學生的證據意識，促進學生的高水平思維。

描述核外電子運動狀態的原子軌道是量子力學求解薛定諤方程得出的，基于中學生的認知水平，課堂上不可能還原科學研究原貌，好在深奧的量子力學理論完美地符合了實驗事實，基于光譜實驗數據理解描述核外電子運動狀態的4個量子數符合學生由淺入深的認識發展規律。本課時設計的學生活動大多是進行觀察、推理和總結歸納。筆者通過查閱文獻，標出鈉原子發射光譜中的典型譜線（見圖4），讓學生根據譜線推測、分析可能的原因。

圖4左3條譜線的顏色不同，代表電子躍遷始末的能量差不同，學生推測不同能層電子能量不同，n越大，電子能量越高。圖4右兩條譜線都是從第6能層躍遷回第3能層，譜線顏色不同。學生推測當能層相同時，電子具有的能量也可能不同，能級概念的引入便水到渠成。至于每一能層的能級數、軌道數以及最多容納的電子數，筆者均以表格的形式呈現在PPT上。經過短暫的觀察，學生均能十分順利地歸納得出準確的結論。這種“發現式”教學方式比單純講授效果要好得多，學生參與度高、獲得感強。

第三課時核外電子的排布，筆者沒有沿襲傳統“教師灌、學生練”的教法，而是給學生提供了自主學習、充分暴露錯誤、不斷糾錯的機會。首先讓學生閱讀教材第11頁的“方法導引”欄目，了解電子排布式與軌道表示式的寫法。接著模仿示例寫出N、 Na、 S基態原子核外電子排布的2種表示方法。當學生出現特定能級電子數目有誤、同一軌道電子自旋狀態相同、簡并軌道上的電子優先排滿一個軌道再去填充第二個軌道等錯誤時，教師拋出能量最低原理、泡利不相容原理和洪特規則3個“錦囊”，請學生據此以小組方式互相糾錯。然后PPT呈現18～36號元素中除Fe、 Cr、 Cu之外的基態原子電子排布式，請學生總結構造原理。緊接著運用構造原理完成Fe、 Cr、 Cu的基態原子核外電子排布式。最后給出第4個“錦囊”——洪特規則的特例，請學生再次修正Cr和Cu的電子排布式。用4個錦囊妙計穿針引線，經過幾輪次的信息加工、出錯糾錯，學生在熱烈的討論、互動中學會了核外電子排布的表征，同時深刻體會到基態原子的核外電子排布是基于大量光譜實驗數據構造出的思維模型，是一個假想過程。

3.3 板書設計結構化地體現“證據推理與模型認知”核心素養

原子結構內容抽象、枯燥，為了調動學生的興趣和積極性，單元教學中采取了多樣化的手段與豐富的教學資源吸引學生主動參與。陰極射線實驗視頻、模擬α粒子散射實驗動畫、鮮活生動的鈉原子光譜圖、原子軌道角度分布圖像模型等素材輪番亮相，不斷刺激學生的各種感官。最終能否畫龍點睛般地給學生一個結構化的系統認識，則要靠結構化的板書來實現。本單元整體教學是北京市海淀區的研究課，學生固定、教師變換，3節課在同一教室一氣呵成。PPT居中，兩邊的黑板左邊是副板書，呈現學生的觀點、回答和電子排布的表征，可隨時書寫或擦除;右邊是主板書，由3位教師連續生成并完善。學科核心概念、基礎知識與教學中始終圍繞的“證據推理與模型認知”素養導向都在主板書中清晰外顯（如圖5所示）。

結構化的板書設計充分體現了“原子結構”3個板塊之間的聯系，第一課時以電子云模型結束;第二課時承接電子云模型，聚焦具有波粒二象性的電子的運動狀態，提出4個量子數;第三課時的3種符號表征與第二課時量子力學模型中的能層、能級、軌道一一對應。每節課都貫穿“證據與模型”的素養主線，扎實而又循序漸進地幫助學生將“證據推理與模型認知”的化學學科核心素養落地生根。

4 教后反思

北京市時隔多年以后從2020屆開始重新開設《物質結構與性質》模塊，因此本單元整體教學的效果無法通過縱向比較進行評估，只能依據新課標要求對學生做出評價。抽樣訪談發現，學生基本都能認識到原子結構模型不等同于真實的原子結構，它們是科學家基于相關實驗證據建構的思維模型;模型是不斷發展的，即使是目前相對正確的“電子云模型”將來也可能被推翻;學生絕大多數達到了課標的“學業要求”，能夠說明微觀粒子的運動狀態與宏觀物體運動特點的差異，能夠結合能量最低原理等3個規則寫出1～36號元素基態原子的核外電子排布式和軌道表示式。當被問到“既然核外電子的運動是不確定的，為什么又會按照一定規律分層排布”這個頗具挑戰性的問題時，有部分學生甚至能夠說出所謂的“層”和“軌道”是科學家基于實驗事實抽象出來的，電子以多種不連續的能量值在核外空間“詭異”地運動著，原子光譜就是電子在不同能量狀態之間“切換”（躍遷）所產生的。筆者認為，本單元的內容為學生打開了一扇探秘微觀世界的窗戶。雖然仍有相當一部分學生對實驗證據和模型之間的邏輯關聯在理解上顯得吃力，還不能獨立順暢地運用證據論證模型或運用模型解釋證據，但是已為之后的繼續學習、深入理解做了良好的鋪墊。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社，2018：4.

[2]趙銘，趙華. 證據推理與模型認知的內涵與教學研討[J]. 化學教學，2020，（2）：29～33.

[3]馮品鈺，何彩霞. 發展學生模型認知的化學教學實踐[J]. 教育與裝備研究，2018，4（4）：29～33.

[4]陳進前. 理解“模型認知”素養的不同視角[J]. 課程·教材·教法，2020，4（4）：108～113.