指向核心素養的高中化學單元教學設計與實踐
——以滬科版新教材必修一“原子結構”為例

李鋒云

（上海市上海中學，上海 200231）

一、研究背景

單元教學誕生于19 世紀末，并在20 世紀得到了長足發展。自20 世紀20 年代單元教學理念引入我國后，經過長期的實踐探索，其有效性也得到了廣泛認可。2016 年，教育部公布了“中國學生發展核心素養”正式框架，并將其寫入2017 年版普通高中課程方案中。學科核心素養的形成和發展是以課堂教學為基礎的，通常需要跨越若干個課時；而單元教學設計是教師根據選定的單元內容統領若干課時教學活動的過程設計，從這個角度而言，“學科核心素養”和“單元教學設計”之間具有天然的契合性。鐘啟泉指出，“單元教學設計不是單純知識點傳輸與技能訓練的安排，而是以一定主題的教學內容單元作為教學設計的基本單位，基于學科核心素養安排和設計課堂教學”。①鐘啟泉：《學會“單元設計”》，《中國教育報》2015 年 6 月 12 日，第 9 版。當前，基于學科核心素養進行單元教學設計已成為課堂教學的主流研究方向，這對學科核心素養落地、推動課堂教學轉型具有重要意義。

《普通高中化學課程標準（2017 年版2020 年修訂）》（以下簡稱“新課標”）的重要變化之一就是提出了化學學科核心素養，并以此統領課程目標、課程內容、課程實施和課程評價等。化學學科核心素養主要從5 個維度進行闡述，這5 個方面的核心素養雖各有側重，但相輔相成。“證據推理與模型認知”是化學學科核心素養的一個重要組成方面，它不僅具有非常鮮明的學科特征，更是學科核心素養的思維核心。新課標指出，“證據推理與模型認知”核心素養具體表現為三個層次：其一是“具有證據意識，即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”；其二是“建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系”；其三是“知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，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”。②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）》，人民教育出版社2020 年版，第4 頁。“證據推理”是基于事實證據或實驗證據等，經過邏輯思維活動，形成假說并進行論證；而“模型認知”則是為理解和闡釋科學事實而建立科學模型，或為認識、理解和運用科學理論而建立認知模型，并運用模型解決問題和揭示規律。因此，“證據推理”是“模型認知”的前提和基礎，而“模型認知”則是“證據推理”的進階和高級形式。①趙銘，趙華：《證據推理與模型認知的內涵與教學研討》，《化學教學》2020 年第2 期，第29-33 頁。

2021 年9 月，依據新課標編制的滬科版高中化學新教材（以下簡稱“新教材”）②麻生明，陳寅：《普通高中教科書化學必修第一冊》，上海科學技術出版社2021 年版。已全面施行，為使指向學科核心素養的單元教學能夠更有效地落實新課程、新教材的理念，筆者以新教材必修第一冊“原子結構”教學內容為例，實施了指向“證據推理與模型認知”核心素養的單元教學設計與教學實踐探索。

二、單元教學內容分析

“原子結構”是高中化學必修課程“物質結構基礎”主題的核心知識，也是物理學和化學的跨學科知識。新教材必修一將原子結構的內容編排在第4 章“原子結構和化學鍵”的第2 節和第3 節，該章第1節是元素周期表和元素周期律，第4 節是化學鍵。總體而言，整章的編排體現了“從宏觀辨識到微觀探析的認知發展、從孤立的微粒觀到微粒作用觀的觀念進階”的特點。原子結構的內容包括原子結構探索歷程及原子的構成、核素及其質量的計量、核外電子排布等板塊，具體如圖1 所示。

圖1 新教材“原子結構”內容結構圖

“原子結構探索歷程及原子的構成”板塊，圍繞“物質是怎樣構成的”這一核心問題，從古代先哲的觀點談起，再到近現代科學家基于實驗證據提出有代表性的原子結構模型，最后引出現代原子結構模型，并介紹構成原子的微粒及其性質。“核素及其質量的計量”板塊，則將研究對象聚焦于原子核，通過給出“三種質子數相同而中子數不同的氫原子”，引出核素和同位素的概念；再由“某些核素會發生放射性衰變”推出放射性同位素的應用；最后以“原子的實際質量過小而不便計量”引入相對原子質量，并結合核素的豐度將其延伸為元素的基本參數之一。“核外電子排布”板塊，將核外電子作為研究對象，基于核外電子運動的特點，指出“科學家主要運用量子力學等方法研究電子的運動規律”，進而建構了“電子在原子核外不同電子層上分層排布”的模型；通過給出“核電荷數為1—20 元素原子和第18 族部分元素原子的電子層排布情況”，引導學生歸納出核外電子排布的規律，建立“位置—結構”認知模型，再通過研究“元素化學性質與原子最外層電子排布”的關系，建構“結構—性質”認知模型；然后介紹了結構示意圖和電子式這兩種表征電子排布的符號工具，而這兩種表征工具是建立在核外電子的排布規律基礎上的；最后通過探究“元素性質隨原子序數遞增呈現周期性變化”的原因，建立了“位置—結構—性質”三者之間關系的認知模型。

因此，新教材認識“原子結構”核心知識的基本思路可從認識對象、認識順序、認識視角及承載的素養發展功能等方面進行歸納，如圖2 所示。

圖2 認識“原子結構”核心知識的基本思路

“原子結構”內容承載了上述核心素養的發展功能，其中“證據推理與模型認知”素養的發展是貫穿內容始終的。新教材中，無論是基于“陰極射線”“α 粒子轟擊金箔”等實驗證據提出原子結構模型，還是通過量子力學研究核外電子運動狀態、建立核外電子分層排布的抽象模型，都是科學家基于事實或實驗證據，經過邏輯思維推理進而建立的科學模型。科學模型具有表征、解釋、預測、重演等功能。①陳進前：《理解“模型認知”素養的不同視角》，《課程·教材·教法》2020 年第4 期，第108-113 頁。結構示意圖和電子式都是科學模型的符號化表示，可以表征核外電子排布；玻爾模型可以解釋大多數原子均呈現穩定的狀態；根據核外電子排布的情況可以預測元素的化學性質。學生在4.1 節“元素周期表和元素周期律”的學習中，已經建立“位置—性質”關系模型；學習“核外電子排布規律”時，又將逐步建立“位置—結構”“結構—性質”的關系模型；最后在“核外電子排布對周期律的解釋”中整合原有的關系模型，形成“位置—結構—性質”的認知模型。運用這個認知模型，學生能夠分析和解決有關元素及其化合物的性質問題，進而形成科學的認識思路和思維模型。

三、單元教學設計思考

單元教學設計一般包含單元課時規劃、單元教學目標、單元教學活動及評價等要素，本研究暫不涉及單元教學評價。

1. 單元課時規劃

根據新教材“原子結構”主題各板塊的內容體量和編排特點，單元課時規劃為“原子的構成”（1 課時）、“核素及其相對原子質量”（1 課時）、“核外電子排布”（2 課時），共計 4 課時。

2. 單元教學目標

分析新課標“物質結構基礎”主題的內容要求和學業要求，發現涉及“原子結構”單元的主要有：認識原子結構、元素性質與元素在周期表中位置的關系，能利用原子結構解釋元素性質及其遞變規律和分析、預測、比較元素的性質；知道元素、核素的含義，了解原子核外電子的排布，能畫出1—20 號元素的原子結構示意圖。②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）》，人民教育出版社2020 年版，第18-21 頁。追溯學生已有的學習基礎，厘清單元教學的起點，才能更好地設計單元教學目標。學生在初中階段已初步認識物質的微觀構成，而在前面4.1 節學習中知道了元素周期表的結構，認識了同周期和同主族元素性質的遞變規律，并建構元素在周期表中位置和元素性質之間的關系模型。在明確本教學單元主要承載的學科核心素養發展要求，以及新課標對本教學單元的導向性要求后，再結合學生已有的認知發展水平，可以確定本單元教學目標，具體見表1。

表1 “原子結構”單元教學目標

3. 單元教學活動安排

學生的學習活動需要教師精心設計和引導，如果說確定教學單元和制定教學目標解決單元教學“教什么”的問題，那么設計教學活動則解決“怎么教”的問題。①葉佩玉：《中學化學教學設計》，上海教育出版社2016 年版，第248 頁。結合新課標的變化和新教材的編排特點，主體承擔“證據推理與模型認知”核心素養發展的單元教學活動設計，應關注關鍵性問題的處理，如下所示：

（1）基于實驗證據推動科學模型的建立和演變，進而實現認知的進階

早在古代文明時期，中外思想家就曾思考“物質的構成”問題，也提出一些觀點，但這并非基于實驗證據推理而來。直到近現代，科學家才開始基于實驗或事實的證據提出論點，對物質的構成乃至原子結構的認識不斷發展：基于質量守恒定律、定比定律和倍比定律，認識到原子的存在；基于陰極射線實驗，認識到原子是有結構的；基于α 粒子轟擊金箔實驗，認識到原子核的存在和核外電子繞核高速運動的狀態；基于大多數原子呈現穩定狀態的事實，認識到電子在原子核外空間特定的軌道上繞核運動；基于核外電子的運動特點，認識到需用量子力學研究其運動規律。

本單元教學的第一課時“原子的構成”沿著歷史發展的脈絡，再現科學家探究物質構成和原子結構的歷程，旨在使學生體會基于實驗證據建立的原子結構模型不斷演變的發展過程；第三課時“核外電子排布”則聚焦于原子的核外電子，通過描述核外電子運動特點，提出研究方法，進而建立電子分層排布的抽象模型，再基于“部分元素原子的電子層排布情況”的事實證據，推理歸納出多電子原子核外電子排布遵循的規律。整個單元的教學大體上按照先整體后局部的線索依次展開，“實驗證據”“科學模型”“模型認知”這三個要素協同發展，從而更好地達成教學目標。以第一課時為例，證據、模型和認知的邏輯關系如圖3 所示，需要指出的是，這也是單元課時教學活動演進的核心線索。

圖3 原子結構的“證據—模型—認知”邏輯關系

（2）基于核心知識建構關系模型，實現認知模型的進階設計

如果說教學目標指引著教學的方向，那么教學的起點則對教學設計具有定位作用。按照新教材的編排順序，在開展“原子結構”單元教學之前，學生已經完成了“元素周期律（表）”單元的學習。學生通過元素周期律（表）的學習，已經認識“元素在周期表中位置”與“元素性質”之間的內在邏輯關系，建立“位置—性質”二維認知模型，這也是本單元教學的起點。如前所述，本單元教學主要承擔的核心素養發展功能之一，就是引導學生建構“位置—結構—性質”的三維認知模型，并基于該模型分析、比較元素及其化合物的性質。然而，該認知模型的建構和發展并非一蹴而就，而是隨著核心知識遵循其內在邏輯逐步展開而逐層推進的，這就需要教師在設計單元教學活動時予以整體考慮。

本單元教學的第三課時，提出了“確定未知元素原子的電子層數和最外層電子數”的實際問題，引導學生探究“周期序數與電子層數”“族序數與最外層電子數”等關系，進而建立“位置—結構”二維認知模型；第三課時，研究金屬單質和非金屬單質的化學性質，得出“元素的化學性質與原子的最外層電子排布密切相關”，形成“結構—性質”二維認知模型；第四課時，從研究“為什么元素的性質會隨著原子序數的遞增呈現周期性變化”入手，引導學生從研究原子中核外電子排布變化規律的角度，去理解元素性質的周期性變化規律，整合已有的二維模型，厘清“位置”“結構”和“性質”三者之間的內在邏輯，形成“位置—結構—性質”的三維認知模型。本單元教學活動中的驅動性問題、核心知識和認知模型的邏輯關系如圖4 所示，這也體現了認知模型的進階設計。

圖4 “位置—結構—性質”三維認知模型的進階設計

（3）設計基于歷史情境的對話活動，體會模型方法的重要作用

知識能否轉化為素養很大程度上取決于教學活動的設計與實施，這其中包括學生活動的設計。情境能夠為學生的學習活動提供必要的信息，從而支持和促進學生的學習活動。教學情境的創設離不開情境素材，教學內容不同，情境素材的應用策略也不同。

原子結構的探索歷程實際上是科學家基于實驗事實和計算建立各種原子結構模型并不斷演進的過程。而教學的難點就在于如何讓學生在課堂教學的有限時間內，理解科學家基于實驗證據推理建構原子結構模型的思維過程。因此，教學時可以將原子結構的探索歷程設計成情境，引領學生進入科學發現時期的歷史情境，通過設計系列對話活動，增進學生對知識的理解，形成基于證據進行推理的意識，體會模型方法在化學研究中的重要作用，進而內化為學科核心素養。

教師利用本單元教學的第一課時，設計分析推理、解釋說明類的對話活動，如設計“如果你是道爾頓，如何運用提出的原子論來解釋質量守恒定律、定比定律和倍比定律”的對話活動，引導學生通過解釋說明進一步加深對“道爾頓是如何基于實驗證據建立原子論”的理解；又如設計“如果你身處湯姆孫發現電子的時代，關于原子的結構，你又會有何想法”的對話活動，引導學生基于“電子帶負電荷，而原子是電中性的”進行分析推理，重走湯姆孫當年建立葡萄干面包模型的思路歷程；再如設計“根據α 粒子轟擊金箔實驗的結果，有人認為原子內部有可能存在多個相同的、帶正電荷的核，如果你是身處那個時代的盧瑟福，會如何回應”的對話活動，引導學生運用運動學的碰撞規律進行分析推理，排除這種可能性，進而沿著盧瑟福的思考軌跡“建立”有核模型。在第二課時，教師可設計比較分析類的對話活動，如設計“原子的質量極小，如果你身處道爾頓提出原子論的時代，如何方便地表示原子的質量”的對話活動，引導學生通過比較建立數據分析模型，做出當年科學家曾做的選擇，即以某種原子的質量作為標準，采用相對質量進行計量。

四、單元教學實踐案例剖析

依據單元課時的規劃和擬定的教學目標，遵循單元教學活動的設計，以“原子的構成”一課的教學片段為例，進行“原子結構”單元的教學實踐。

1. 創設情境，引出物質的微觀構成問題，了解古代先哲的觀點

教學片段1：

（情境）展示金塊被不斷切割的圖片，讓學生想象把一片金塊不斷切成更小的小塊最終能得到什么，從而引出物質的微觀構成問題。

學生思考，猜測可能是分子、原子等微粒。

教師：同學們做出了不同的猜測，我們暫且擱置爭議，先來了解一下古代先哲的觀點。大約公元前400 年，中外思想家都曾思考過類似的問題。古希臘哲學家德謨克利特在原子唯物論學說中認為，物質由極小的、不可分割的被稱為“原子”的微粒構成。同時代的中國戰國初期思想家墨子認為，物體分到不能再分成兩半的時候，就不變了，因為它已經到“端”了。這種“原子”或“端”的概念，只是一種哲學觀點，并沒有經過實驗的驗證。

學生認識到古代中外思想家的觀點也只是猜想，需要實驗證據來證明是否正確。

2.體驗近現代科學家基于實驗證據推理建立科學模型的過程，認識到科學模型是不斷經歷修正和完善的

教學片段2：

（α 粒子轟擊金箔實驗動畫演示）絕大多數的α 粒子都直線穿過金箔，但有極少數α 粒子發生偏轉，有個別α 粒子甚至被直接反彈回去。

教師介紹：1909 年，盧瑟福領導的科研小組就做了該實驗。根據實驗結果，運用運動學規律，分組討論原子內部的結構。

組1 學生：絕大部分α 粒子能直線穿過金箔，說明原子幾乎是空的。

組2 學生：極少數的α 粒子發生偏轉，有個別甚至被直接彈回，說明原子內部存在一個很小的、密度很大且帶正電荷的核。

教師提問：原子內部有可能存在多個相同的、帶正電荷的核嗎？

組3 學生：如果每個原子有多個相同的核時，每個核擁有的質量與只有一個核時相比會下降不少，根據運動學的碰撞規律，高速運動的α 粒子若撞上核，也很可能無法直接彈回。

教師總結：大家剛才的分析已推翻了湯姆孫的葡萄干面包原子模型。1911 年，盧瑟福提出了原子結構的有核模型。

3. 認識原子的構成，基于證據推理構成原子的微粒之間的數量關系

教學片段3：

（素材）列表給出質子、中子和電子的質量、相對質量和電荷等基本數據。

教師啟發：根據表中所列數據，小組討論下列問題：在原子中，質子數、核電荷數和核外電子數之間存在怎樣的數量關系？原子的質量主要由哪些微粒決定？

組4 學生：每個質子帶1 個單位正電荷，中子不帶電荷，故原子核的核電荷數等于其核內的質子數。原子整體顯電中性，而每個電子帶1 個單位負電荷，所以核電荷數也等于核外電子數。由表中數據可知，電子的質量大約只有質子或中子的1836 分之一，可以忽略不計，因此原子的質量主要由質子和中子決定。

五、單元教學設計的反思與改進

“原子的構成”教學的主體內容在舊教材中也基本覆蓋，但是新課標新教材對該內容提出了更高的要求，賦予它學科核心素養發展功能的要求。這就決定了“原子的構成”的教學設計與實施都是以素養發展為導向的，且主要指向“證據推理與模型認知”核心素養。通過課堂觀察、抽樣訪談，探查單元課時的教學效果，筆者總結出如下策略：

1. 基于證據的教學，促進學生證據推理意識的養成

基于證據的推理是人類重要的科學思維方式之一，而這要求學生具有證據意識，形成“證據支持觀點”的論證思路，學會“有理有據”地思考推理。蘇霍姆林斯基認為，學生希望自己就是一個發現者、研究者、探索者。①蘇霍姆林斯基：《給教師的100 條建議》，杜殿坤譯，教育科學出版社2015 年版，第63 頁。如果教師在教學中能立足情境收集證據、基于證據進行推理，就會激發學生的求知欲，進而促進證據推理意識的養成。基于證據進行推理的實踐貫穿“原子的構成”的教學始終，無論是基于“陰極射線偏向于正電極板”推理出“陰極射線由帶負電荷的電子組成”，還是基于“絕大部分α 粒子能直線穿過金箔”推理出“原子幾乎是空的”。抽樣調查發現，學生基本都能認識到原子結構模型是科學家在大量實驗證據的基礎上經過推理提出的抽象模型；每一次模型的提出，都是對以前模型的質疑，都要用新的實驗去驗證質疑的合理性，也都受到當時科技水平的限制。

2. 聚焦推理的過程，促進邏輯推理能力的進階發展

基于證據經過嚴密的邏輯推理過程得出觀點，是證據推理的核心所在。教師在引導學生認識各種原子結構模型時，要讓學生思考并體驗這一過程。如果基于證據進行邏輯推理的教學過程都被直接給出的觀點所替代，那么“基于證據進行推理，進而建構科學模型”的素養發展就失去落腳點，科學探究精神的實踐也喪失殆盡。證據推理能力的發展主要受到知識基礎、邏輯思維、學習方式等因素的影響。

（1）借助跨學科知識，為邏輯推理奠定知識基礎

基于證據進行邏輯推理時，往往需要運用學科知識對證據進行分析、推理、演繹、歸納，而這也是教學難點之一。例如，原子結構模型的建立需要跨學科知識的支撐，尤其對學生的物理學知識提出了較高的要求；在對“α 粒子轟擊金箔實驗結果”進行分析時，對學生的碰撞理論知識提出了較高的要求；而分析“有核模型”的缺陷時，又對學生的電磁學理論知識提出了要求。筆者在進行這些內容的初次教學時，通過課堂觀察發現很多學生難以跨越這個難點，課后調查發現，這與學生缺少“運用跨學科知識進行分析”的意識有很大關系。因此，教師可通過課前發放資料包的形式引導學生回顧或學習相關物理學知識，后續在其他班級的教學中成效明顯。

（2）充分發揮“質疑”的糾錯功能，促進邏輯推理能力的發展

質疑是推動科學研究不斷前行的原動力。學習原子結構模型的建立和演變需要學生具備較強的邏輯推理和科學思辨的能力。在教學中，學生觀察到“有個別α 粒子被直接彈回”這一實驗現象時，教師可以引導學生進行思考辨析“如果參照‘葡萄干面包模型’，實驗現象又該是怎樣的”，進而對“葡萄干面包模型”提出質疑，然后再基于發現的新證據進行推理，從而促進學生邏輯推理能力的進階發展。其實也正是不斷經歷這樣的過程，原子結構模型才得以不斷演變和發展。

（3）借力合作學習，提升證據推理的成效

調查發現，大多數學生認為，個體通過證據直接推理原子內部可能的結構還是很具有挑戰性的，如基于“有個別α 粒子被直接彈回”推理出“原子內部存在一個很小的、密度很大且帶正電荷的核”，可以通過設計小組合作學習，思考爭論，集思廣益，能有效地突破這個難點，從而提升課堂推理的成效。

“證據推理與模型認知”核心素養指向的原子結構教學，關注的不僅是學生認識各種原子結構模型的知識指向，還應更關注培養學生基于證據進行質疑的意識、通過邏輯推理提出假說的能力和運用模型解決問題的觀念。