基于學術性情境的大概念教學

劉瑞　王惠霖　袁緒富　鄭長龍

摘要： 在新時代背景下，創新是化學學科核心素養的特質。開展基于學術性情境的大概念教學，是促進拔尖創新人才培養的重要方式。以選擇性必修“原子結構”主題為例，在“激光與晶體”學術性情境中，以跨學科大概念“能量”和學科大概念“結構決定性質”為統領，圍繞激光光源的發光原理和晶體的光學性質兩個板塊設計系列問題。學生在解決問題的過程中理解和掌握“原子結構”主題的基本概念，形成化學思維，發展化學學科核心素養。

關鍵詞： 原子結構； 學術性情境； 大概念

文章編號： 10056629（2023）08003307中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

在新時代背景下，創新是化學學科核心素養的特質［1］。《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱“高中新課標”）指出：“真實、具體的問題情境是學生化學學科核心素養形成和發展的重要平臺，為學生化學學科核心素養提供了真實的表現機會。［2］”本文為“真實問題情境”賦予了新內涵：“學術性情境”在繼承真實問題情境的素養功能的同時，適應拔尖創新人才培養的目的。創新意味著“舉一反三”“舉一反十”［3］，這里的“一”與大概念具有內在的一致性，通過具有概括性和統攝性的大概念實現“一到多”的目的。因此，大概念教學是培養學生的創新能力的重要途徑。

“原子結構”是高中化學的核心內容，是解釋和預測元素性質的重要理論，對學生認識化學微觀世界的特殊性具有重要意義。同時，微觀世界抽象性較強，其認識思路與學生已有的宏觀思維方式具有顯著差異，是化學教學的難點。目前，較少有研究在新時代拔尖創新人才培養的背景下，探索“原子結構”主題的教學設計［4］。本研究以高中化學選擇性必修“物質結構與性質”模塊“原子結構”主題為例，探討基于學術性情境的大概念教學，為指向創新的高中化學教學實踐提供參考。

1 學術性情境

教學需要創設適當的情境，以促進學生的自主建構，情境是一切認知活動的基礎［5］。真實問題情境能夠促進學生積極主動地建構理解，整合和發展知識結構，同時有助于培養學生解決實際問題的能力。

創新是化學學科核心素養的特質［6］。因此，有必要探索指向創新的真實問題情境的新內涵。高中新課標將高中化學課程劃分為必修、選擇性必修和選修三類［7］。其中，必修階段面向所有學生，旨在發展全體學生化學學科核心素養，因此課標中必修階段的教學情境素材多與日常生活及社會相關［8］，整體而言具有基礎性；而選擇性必修階段面向的是未來將要從事化學相關職業的學生，承載著探索化學、深入認識化學的功能。因此，為更好地適應拔尖創新人才培養的需求，選擇性必修階段的教學應注重學術性情境的創設，學術性情境拓展了真實問題情境的內涵。所謂學術性情境，指的是與純化學研究或應用化學研究相關的情境，這類情境往往取材于學術前沿，能夠引發真實的學術問題。其中既涵蓋了相關化學知識、方法，又能體現化學研究的思維和化學的本質，是創新的重要載體。將學術性情境融入常規教學內容，賦予了內容創新的屬性，內容不再是表面化、散點的靜態知識，而是被學術性情境“激活”的“活知識”，從而實現知識的素養化和功能化。只有具備活知識的人，才能具備解決真實問題的素養和創新的能力。學術性情境既繼承了真實問題情境的素養功能與價值，又是站在拔尖創新人才的需求下對真實問題情境的豐富與發展。

2 大概念及大概念教學

《義務教育化學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“義務教育新課標”）將“構建大概念統領的化學課程內容體系”確立為課程理念之一［9］，這意味著對大概念的理解及運用大概念開展教學是亟待研究的重要議題。

當前，大概念作為課程的核心和錨點，除了在理論層面從多個維度解析其內涵，其在教育教學實踐中的應用，即探討大概念教學的實施，具有更為重要的現實意義。大概念教學追求認知的結構化，使之成為一種反映專家思維的活知識，在新的情境中可以被激活和運用［10］，這就與關注專家結論的傳統式教學區別開來。創新是專家思維的核心特征［11］，學生運用專家思維解決問題，符合素養導向的課程的總體要求。大概念教學指向培養解決真實性問題的素養，這與學術性情境的素養功能具有內在一致性，因此，大概念教學應注重直接指向學科本原性問題解決的學術性情境的創設［12］。根據大概念的屬性，可以推導出圍繞大概念教學需要：（1）基于化學學科本質深入理解所教主題的內容體系，提煉出具有統攝性的大概念，結構化地呈現教學內容；（2）基于學生的發展需求準確把握大概念的素養功能，發揮大概念在課程知識與核心素養之間的橋梁作用；（3）重視設計遷移性問題，大概念的生成經歷“具體→抽象→具體”的循環過程，不僅從真實情境中來，還要回到真實中去。通過將大概念遷移應用于新的情境，促進學生對大概念的深度理解，并在此過程中提升創新能力。

3 “原子結構”教學設計與實施

3.1 教學設計基本理念與思路

大概念與其說是概念，不如說是一種觀念，一種思維方式，是經歷一定學習歷程后所形成的對自然與社會更加抽象的一般看法［13］，即大概念是一種認識視角或透鏡。教師無法把所有知識教給學生，但可以幫助學生建立看待世界的透鏡，尤其是在知識激增的信息化時代，將大概念作為認識視角的設計理念顯得更具價值。

“能量”和“結構與功能”是跨學科大概念［14， 15］，其中“結構與功能”包含了“結構”和“功能”兩個要素，“結構”這一要素在化學中常具體表述為“結構決定性質”，是“宏觀辨識與微觀探析”等化學學科核心素養的具體體現［16］。本節內容基于原子的核外電子排布預測和解釋元素性質，承載著深化理解“結構決定性質”大概念的功能與價值。本研究采用自上而下的方式，顯性化地將跨學科大概念“能量”及學科大概念“結構決定性質”作為組織原子結構主題內容的線索，為學生提供認識主題基本概念的視角，引導學生基于大概念解決學術性情境中產生的問題，從而學習原子結構主題下的基態、激發態、能層、能級等基本概念（如圖1所示）。同時，原子結構主題的基本概念成為深入理解跨學科大概念和學科大概念的重要支撐。主題基本概念與大概念之間相互作用，相互促進。所以厘清概念之間的關系，識別主題的基本概念、跨學科大概念與學科大概念，對加強大概念的統攝性，促進以大概念為統領的結構化教學設計具有重要的方法論意義。

本課例的“激光與晶體”學術性情境是在與“非線性光學晶體”科研人員（致謝中提及）討論過程中產生的。這一領域屬于學術前沿，且具有重要的應用價值，我國學者在這一領域處于世界領先水平。基于“激光與晶體”學術性情境，圍繞激光光源的發光原理和晶體的光學性質兩個板塊設計系列問題，學生在解決問題的過程中建構“能量”和“結構決定性質”的大概念，發展宏觀辨識與微觀探析、證據推理與模型認知的核心素養，教學設計框架如圖2所示。

3.2 教學目標

（1） 基于學術性情境“激光與晶體”，在解決問題的過程中理解跨學科大概念“能量”和學科大概念“結構決定性質”，形成認識原子結構的基本視角。

（2） 通過探討激光光源的發光原理及光譜學事實對原子結構模型的挑戰，理解基態、激發態、量子化、能層、能級等主題基本概念；體會模型對認識微觀世界的重要作用，理解化學模型建構和修正是基于證據的推理；發展證據推理與模型認知的核心素養。

（3） 通過探討不同晶體光學性質差異的原因，掌握原子核外電子排布的構造原理，能夠書寫核外電子排布式；深化對“結構決定性質”學科大概念的理解并遷移；發展宏觀辨識與微觀探析的核心素養。

3.3 教學實施受篇幅所限，教學實施過程做了簡化處理，師生互動中的語言做了適當修飾。

3.3.1 創設學術性情境

［學術性情境］激光是20世紀以來繼核能、信息技術、生物技術等之后人類的又一重大發明，被稱為“最快的刀”“最準的尺”“最亮的光”。

我國在激光領域的研究處于世界前沿，是世界上少數能夠制造實用深紫外全固態激光器的國家。深紫外光屬于不可見光，波長比200nm還小，能量高，非常難取得。

這就需要依靠一類特殊的晶體，當激光光源打入這類晶體后，波長會顯著減小。

其中，能輸出深紫外光的典型晶體是氟代硼鈹酸鉀（KBe2BO3F2，簡稱KBBF），我國的陳創天院士團隊首次將該晶體生長到能夠應用的程度［17］，這一技術領先了美國15年［18］。

科學家們對于深紫外區域晶體的探索從未止步，如氟代硼鋅酸銫（CsZn2BO3F2，簡稱CZBF）［19］，二者的性質對比如下表所示。

［核心問題］激光光源的發光原理是什么？為什么KBBF與CZBF的光學性質存在差異？這些問題的答案都離不開對原子結構的認識，今天我們就一起來從能量的視角學習原子結構的相關知識從而解決這些問題。

3.3.2 板塊1：解決激光光源的發光原理

［核心問題1］激光光源的發光原理是什么？

［教師講解］光的產生離不開原子中電子的能量變化，當電子從高能態躍遷到低能態時，會以光子的形式釋放能量。相應地，電子從低能態躍遷到高能態時，會吸收能量。我們把處于最低能量狀態的原子稱為“基態原子”，處于較高能量狀態的原子稱為“激發態原子”。

不同元素原子中的電子發生躍遷時會吸收或釋放不同的光，這些光可以用光譜儀來攝取，從而獲得原子光譜。

［討論］根據盧瑟福（E. Rutherford）的原子結構模型，電子繞核做高速運動。在這個過程中，輻射出的電磁波頻率應該是連續的，因此理論上應得到連續光譜。然而，實驗事實表明氫原子發射光譜是線狀的，這該如何解釋呢？請大家小組討論。

［學生］氫原子內部的能量是不連續的。

［教師總結］線性光譜說明能量是不連續的，我們把這種不連續性稱之為“量子化”，這正是玻爾原子結構模型的進步之處。

［教師講解］在玻爾（N. Bohr）原子結構模型中，核外電子按照能量的不同進行分層排布，稱之為“能層”，用符號n來表示，每一層分別用K， L， M等來表示。

［討論］實驗事實對玻爾原子模型也提出了挑戰：用高分辨率光譜儀觀察氫原子中的核外電子由n=2的狀態躍遷到n=1的狀態，得到的是兩條靠得很近的譜線；與此類似，Na原子的核外電子在n=3的層內躍遷形成兩條雙黃線。這該怎么去解釋？

［學生］說明即使是同一能層的電子，能量可能不一樣。

［教師講解］說明同一能層的電子，還存在不同的能量狀態，稱之為“能級”。

［討論］能級符號與所能容納的最多電子數如下表所示。從這張表中，你們發現了哪些規律呢？大家小組交流討論一下吧。

［學生］每個能層中的能級數等于其能層序數；每一能層最多可容納的電子數為2n2；s， p， d， f能級最多可容納的電子數分別是2， 6， 10， 14。

［教師總結］通過剛才的一系列活動，我們總結了許多規律。原子結構屬于微觀層面，無法直接觀察到，因此需要借助模型來使其可視化。而模型的構建與優化離不開實驗的證據以及基于證據的推理。同學們以后在從事與化學相關的活動時，也要重視模型的思想以及基于證據進行推理。

3.3.3 板塊2：探討晶體光學性質的差異

［核心問題2］在解決了光源的問題之后，我們來探討晶體的問題。為什么KBBF與CZBF的光學性質存在差異？

［學生］可能是二者的結構不同。

［教師引導］同學們提到了結構，很好，結構決定性質！

這兩種晶體都是層狀結構，其中K與Cs起到的是連接層與層之間的作用，并不會對物質的光學性質產生決定性的影響，那它們最大的差別在哪呢？

［學生］一個是Be，一個是Zn。

［教師講解］那Be與Zn又有什么不同呢？這就需要了解Be和Zn的核外電子排布情況。根據能量最低原理，核外電子應該首先排布到能量較低的能級中，以使整個原子處于能量最低的狀態，這樣的原子才更穩定。

核外電子排入能級中的順序遵循“構造原理”，也就是能量最低原理。這是科學家們基于光譜學事實，得出的一個經驗規律。如下圖所示，小圓圈表示一個能級，每一行對應一個能層，箭頭引導的曲線顯示新增電子填入能級的順序。

根據構造原理，我們可以寫出各元素基態原子的電子排布式，在電子排布式中，能級上排布的電子數寫在該能級符號的右上角。例如，基態C原子含有6個電子，它的核外電子排布式為1s22s22p2。

［教師引導］基態Be含有4個電子，基態Zn含有30個電子，現在大家能寫出它們的電子排布式了嗎？試試看，我們請一位同學上來寫。

［練習］Be：1s²2s²Zn：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²

［討論］大家寫好了之后交流討論一下，如何利用電子躍遷和電子排布的相關知識來解釋晶體光學性質的差異？

［學生］為了使輸出的光波長更短、能量更高，晶體中的電子應盡量減少躍遷的機會，從而減少對光子能量的吸收。

CZBF中Zn含有d軌道的電子，當電子的能量越高，它所能被容許躍遷到的狀態也越多，因此更容易躍遷，所以CZBF比KBBF輸出的光的波長更長。

3.3.4 遷移應用

［遷移應用］看來大家已經理解了我們今天所學的內容。老師這里還有一種LiHgPO4晶體，它的其他光學性質都比較良好，但輸出的波長約為250nm左右［20］，這屬于短波紫外區。大家想一想，該怎么做才有可能讓晶體輸出波長小于200nm的深紫外光呢？

［學生］Hg有d軌道的電子，可以考慮用沒有d電子的元素來替代，如第ⅠA和第ⅡA族（只有s軌道的電子），減少吸收。

［展示］我國學者在2016年發表過相關的論文，運用Cs來替代Hg從而制備出新的晶體LiCs2PO4，實現了輸出深紫外光，相關研究成果發表在2016年的《美國化學會志》［21］。

3.3.5 總結提升

［教師］本節課，我們從跨學科大概念“能量”和學科大概念“結構決定性質”出發認識原子結構，在此基礎上學習了基態、激發態、量子化、能層、能級等主題基本概念。其實，還可以從空間視角來認識原子結構，這就是之后我們要學習的內容。

4 討論與建議

4.1 將科學研究教學化處理為學術性情境

本節課將學術性情境“激光與晶體”貫穿始終，教師為學生鋪墊背景、提供材料，學生在解決由學術性情境產生的問題的活動中自主建構學習結果。創設一個有質量、有效的學術性情境，需要教師具備一定的學術素養和學術交流的能力。本節課的學術性情境是在與兩位“非線性光學晶體”科研人員討論過程中產生的，能夠理解科學研究前沿并敏銳地捕捉到它們與中學化學教學內容的聯系，是創設學術性情境的基礎，此外還需要教師將科學研究經教學化處理為學術性情境。在教學化處理的過程中應該注意：（1）學術性情境中應融入主題基本概念，具有一定的知識容量。例如，核心問題“激光光源的發光原理是什么”嵌入了基態、激發態、量子化等基本概念，學生在問題解決的過程中生成了相互支持、相互關聯的概念群，這是理解并掌握知識的基礎；（2）在符合學生的認識水平的前提下，適當選擇和處理學術性情境素材。本節課只選擇了深紫外倍頻晶體，并將其原理進行簡化，還設置了多次小組討論環節，降低了學生對素材的理解和解決問題的難度；（3）顯性體現科學研究的思維與方法。如本節課中原子結構理論的建立和修正與光譜學的實驗事實密切相關，由此學生理解了實驗及證據推理與模型建構及修正的關系。此外，深紫外倍頻晶體的素材基本來自我國研究者的科研成果，這些成果在我國高精尖領域的應用有助于學生感受化學科學的發展以及正確認識化學的學科價值。

4.2 基于大概念結構化教學設計

本節課針對“原子結構”主題凝練了“能量”的跨學科大概念以及“結構決定性質”的學科大概念，有助于學生深入理解主題基本概念。當講授與“原子結構”類似的主題時，由于其涵蓋的知識內容細碎且抽象，假如僅僅是知識點記憶和反復練習，則不能真正促進學生的深度理解和遷移應用。因此，應倡導采用大概念來統領教學內容，關注概念的理解及認識視角的顯性化，將教學的重心從知識的傳授轉向素養的發展。大概念教學是一個經由提出、深入和活化三個階段的螺旋式上升過程。在提出階段，需要教師顯性地提出大概念，這背后需要先對主題的內容進行系統思考，剖析該主題中概念的層級結構，從而確定具有統攝性的大概念。在深入階段，教師通過呈現恰當的情境素材，設置梯度合適的教學活動或問題，引導學生在問題解決的過程中循序漸進地建構和理解大概念。在活化階段，學生主動調用頭腦中的大概念，將大概念應用于新的情境中解決具體的問題，這體現了演繹的思維，而每一次演繹都將加深對大概念的深度理解。本節課中“如何改良LiHgPO4晶體的性質”問題的設計，就是對學生知識的掌握程度與“結構決定性質”的學科大概念遷移應用能力的考察，能夠作為診斷和評價學生學習效果的手段，同時也是學生創新能力的培養途徑。教與學是一個雙向的過程，運用大概念教學，不僅使教師的教學方式發生了改變，學生的學習方式也發生了轉變，學生從關注知識本身轉向關注知識背后的大概念及認識視角的建構，從被動的知識接受者轉變為主動的思考者與建構者，從而有利于達成大概念統領下的素養目標。

綜上，基于學術性情境的大概念教學為探索化學學科核心素養如何在課堂落地以及新時代背景下拔尖創新人才的培養提供了參考，但仍需要教師針對不同的主題去不斷地設計、實踐與反思。

感謝四川師范大學黃玲研究員和曹禮玲副研究員，他們的研究方向是“非線性光學晶體”，在課例的生成中兩位研究員提供了學術支持和寶貴的建議。

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*中國教育學會教育科研專項重點課題“基于CoRe的化學教師DCK與化學學科理解的‘整合性發展研究”（編號：21HX2815001ZA）；四川師范大學“虛擬教研室”建設項目（編號：XJ20211234）研究成果。