“模型認知”指引下的“原子結構”一課深度學習教學實踐

陸衛(wèi)星　吳境柳

摘要：“原子結構”教學容易成為陳述性課堂，師生之間只進行知識的傳遞，缺乏學生思維的參與，無法實現(xiàn)深度學習。依據(jù)已有的原子結構模型知識引發(fā)學生認知沖突，激發(fā)學生進一步探索原子結構的興趣，引導學生構建新的原子結構模型去進一步探索原子結構，實現(xiàn)化學素養(yǎng)的提升。

關鍵詞：模型認知;原子結構

文章編號：1008-0546（2022）06x-0043-04?? 中圖分類號：G632.41?? 文獻標識碼： B

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

一、教材分析及教學現(xiàn)狀

人教版《選修三》“原子結構”在編排教學內容時充分考慮了初中化學和《必修二》中原子結構知識的基礎，注意知識的銜接與深化。教材不再重復建立原子結構的概念，直接建立核外電子的能層和能級的概念，給出構造原理，并依據(jù)構造原理進行核外電子排布。教材的選取注重對學生進行科學方法、科學態(tài)度的教育，利用“科學史話”中的素材激發(fā)學生的學習興趣。但當前不少教師在進行教學設計時，由于受到高考試題的影響，主觀認為學生只要學會書寫基態(tài)原子的核外電子排布式即可，教學內容的處理趨于簡單化，常把構造原理和能層、能級的概念直接作為知識進行講授，學生缺乏概念的形成過程，思維參與程度低，屬于低水平加工的淺層學習。

二、學情分析

經(jīng)過初中與高一相關原子結構的學習，學生對于原子結構已經(jīng)有了初步的認識：初步了解了原子結構與元素性質之間的關系，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行填充，會書寫1-20號元素原子結構示意圖。把化學作為選修科目的學生，多數(shù)對化學比較感興趣，對于未知的原子結構知識也充滿了好奇，有較強烈的探索欲望。所以教師在教學設計時，應充分考慮學生已經(jīng)具有的原子結構模型知識，要讓學生的原有認知和即將學習的內容之間形成一個較完整的邏輯順序，才能使學生實現(xiàn)有意義的學習。

三、設計思路

本節(jié)課以《普通高中化學課程標準2017年版2020年修訂》提出的“能認識化學現(xiàn)象與模型之間的聯(lián)系，能運用多種認知模型來描述和解釋物質結構、性質和變化，預測物質及其變化的可能結果;能依據(jù)物質及變化的信息建構模型，建立解決復雜化學問題的思維框架[1]”為指導思想，以學生原有的原子結構（原子結構示意圖）模型知識為起點，設計問題引發(fā)認知沖突，在教師的指導下構建新的原子結構模型來解決所遇到的新問題，然后以問題再次引發(fā)新的認知沖突，對新構建的原子結構模型進行修訂，如此反復，使學生的認知水平呈螺旋式上升，實現(xiàn)知識的深度學習。具體設計思路見圖1：

四、教學過程

活動1：情境導入，激發(fā)學習興趣

[師]初中和高一我們已經(jīng)學習過原子結構，為什么我們還要繼續(xù)學習呢？我們對原子結構的了解處于什么樣的水平呢？

播放“原子結構秘密”的視頻。

[生]觀看視頻，感悟人類對微觀粒子的研究還處于初級階段，原子結構中好多秘密還沒有解開，對人類來講原子核外電子如何運動還是個迷。

[師]結合初中及高一所學，請你思考人類對原子結構的認識經(jīng)歷了哪些過程？

[生]通過閱讀、合作討論整理現(xiàn)代原子學說的發(fā)展史。

[師]1913年波爾提出原子結構模型，認為核外電子是分層排布的，在此基礎上，將原子的核外電子用原子結構示意圖來表示，請書寫Na、Ca原子結構示意圖，并思考書寫的依據(jù)？

[生]展示書寫的原子結構示意圖，并解釋書寫的理由：

（1）原子核外各電子層最多容納2n2個電子。

（2）原子最外層電子數(shù)目不能超過8個。

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

（4）電子由內而外進行排布，能量低的排在內層。

[師]肯定學生的回答，提出 Na原子為什么第一層只能排2個電子、第二層排8個電子？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原子的原子結構示意圖嗎？

[生]合作討論，并嘗試書寫Fe 的原子結構示意圖（幾乎都錯）。

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

[生]感覺所學的原子結構知識并不能解釋遇到的問題，反思自己對原子結構的認識還不足。

[師]顯然我們前面學習的核外電子排布規(guī)律并不完善，這種規(guī)律僅僅是對一些數(shù)據(jù)的總結，對原子核外電子的排布認識還不夠深入，核外電子排布遵循能量最低原理進行排布是最基本的原則。

設計意圖：學生原有核外電子排布規(guī)律知識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)能量最低原理進行排布的原則，為了讓學生認識到這種規(guī)律的局限性，設計了三個問題進行追問，引發(fā)學生的認知沖突，認識到原有的原子結構模型的不足，激發(fā)學生探究的欲望，為下面能層、能級概念的引入做鋪墊。

活動2：類比學段，撥開電子層

[師]剛才提出的問題無法解決的原因是我們對原子核外電子排布的認識還不深，同一電子層電子所具有的能量一樣嗎？

[生]學生猜測一樣或不一樣。

[師]展示學段圖（圖2），讓學生感受學段→年級→班級的層級關系。

[師]不同學段中的同一年級教師所授知識水平是否相同？相同學段的不同年級教師所授知識水平是否相同？

[生]聯(lián)想與原子核外電子排布的關系。

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

[生]感受與學段相似的能層→能級→軌道的層級關系。

[師]著名科學家泡利在1925年研究得出，每個原子軌道只能容納兩個電子，請依據(jù)能層、能級、軌道的關系圖，將各能級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)在我們再來看一下，鈉原子11個電子在核外從內而外怎么排布的？

[生]學生從軌道→能級→能層排布電子，解釋鈉原子結構示意圖的由來（見圖4）。

[生]每個能層最多排多少個電子與核外電子的能級和軌道數(shù)有關。

[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。

設計意圖：利用能層、能級、軌道與學段、年級、班級的相似性，通過類比讓學生初步認識原子核外電子能層→能級→軌道的層級關系，以泡利不相容原理中的每個原子軌道只能容納兩個電子為基礎，學生就容易從軌道數(shù)推導出能級容納的電子數(shù)，再從能級的角度推導能層容納的電子數(shù)，學生在原有的基礎上構建了核外電子排布——能層、能級、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構示意圖的來源。

活動3：遵循能量最低原理，再識原子核外電子排布

[師]以推導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]最后兩個電子應填充在3d能級上，理由是電子都是由內而外進行排布的，遵循能量最低原理。

[生2]最后兩個電子應填充在4s能級上，理由是如

果填充在3 d上，鈣原子結構示意圖為20Ca +202810，而填充在4s能級上，鈣原子結構示意圖為20Ca +202882。

[師]肯定學生的分析。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，是3d 能級電子能量低，還是4s 能級電子能量低呢？我國著名的化學家徐光憲院士依據(jù)前人的研究成果和光譜實驗數(shù)據(jù)，總結出評價原子各能級能量高低的近似規(guī)則。

展示資料卡片，讓學生通過計算總結各能級高低順序（見圖5）。

[生]計算總結得出原子核外電子按1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p……各能級能量高低順序。

[師]這就是核外電子構造原理，依據(jù)構造原理你能推出鈣原子最后兩個電子填充的能級嗎？依據(jù)構造原理你能推出鐵原子的結構示意圖嗎？

[生]依據(jù)構造原理解釋鈣原子核外電子排布，并推導出鐵原子的結構示意圖（見圖6）

[師]你認為Fe2+的原子結構示意圖應該怎么畫？

[生1]認為失電子應該失去最外層電子，F(xiàn)e2+的原子結構示意圖26Fe2++262814。

[生2]能量高的電子活潑性強，根據(jù)剛才所學，失去的應該是3d能級上的電子，所以Fe2+的原子結構示意圖26Fe2++2628122。

[師]肯定學生的分析。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，是3d能級電子能量高，還是4 s 能級電子能量高呢？徐光憲院士也總結出評價離子各能級能量高低的近似規(guī)則。

展示資料卡片（見圖7）。

[生]計算總結得出離子核外電子按1s-2s-2p-3s-3p-3d-4s-4p……各能級能量高低順序，順利解釋 Fe2+的原子結構示意圖。

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

乙同學：24Cr 1s22s22p63s23p63d54s1。

[生]絕大多數(shù)同學認為甲同學正確。

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

設計意圖：在學生已經(jīng)構建原子核外能層→能級→軌道模型的基礎上，用鈣原子的最外層兩個電子如何排布引發(fā)學生的認知沖突，使其迫切需要構建新的模型來進行解釋，給出資料讓學生利用原子各能級能量高低的近似規(guī)則計算得出構造原理，用構造原理構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構示意圖。然后以 Fe2+的原子結構示意圖書寫再次引發(fā)學生的認知沖突，引導學生利用離子各能級能量高低的近似規(guī)則計算得出離子核外電子排布構造原理，順利完成 Fe2+的原子結構示意圖。最后以 Cr 元素的核外電子排布作為下一課的起點，激發(fā)學生繼續(xù)探索原子核外電子排布的欲望。

五、總結反思

1.真實的問題情境使深度學習成為可能

通過呈現(xiàn)真實的問題情境，讓學生在前概念基礎上不斷探究，像科學家一樣進行知識建構、問題解決和反思改進，從而實現(xiàn)概念的改變和知識的遷移[2]。好的問題情境符合學生的認知水平，把解決問題作為外觀主線的同時，還能將知識落實和能力發(fā)展作為暗線[3]。本節(jié)課設計時將原子結構示意圖的由來和書寫作為問題主線，在這個大問題的背景下，又設計了三個小問題，將本節(jié)課三個核心概念作為暗線（見圖8），在解決這三個問題的過程中進行落實。將原子結構示意圖作為問題的主線建立了新舊知識間的聯(lián)系，促進學生高階思維能力的運用，從而實現(xiàn)化學素養(yǎng)的提升。

2.基于“模型認知”的問題解決使學習走向深度

運用認知模型解決問題的過程是一個高級輸出的過程，外顯在認知模型中的認識方法可以內化為學生的元認知，提升學生自覺調用認識角度、自動檢索思維方法、自我監(jiān)控問題解決的能力[4]。本節(jié)課利用結構化的問題不斷引發(fā)學生的認知沖突，激發(fā)學生構建原子核外電子模型并不斷進行修正，完成從已知的原子結構示意圖模型→能級軌道模型→原子構造原理模型→離子構造原理模型的構建，并能用構建的模型解決所遇到的問題。基于“模型認知”的問題解決是學生主動參與的學習，是聚焦學科本質和學科思想方法的學習，不僅能掌握學科核心知識，還能形成批判性思維，使學習走向深度。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]劉月霞、郭華主編.深度學習：走向核心素養(yǎng)[M].北京：教育科學出版社，2019.

[3]陸衛(wèi)星.基于“深度學習”的元素化合物的教學設計[J].中學化學教學參考，2020（6）：41-43.

[4]陳進前.關于化學認識模型的思考[J].中學化學教學參考，2020（5）：1-4.87DBD9CC-F6E5-4DFA-A89F-F45BFD53A12C