基于化學史情境的單元復習教學

摘 要： 以“原子結構與元素性質”的單元復習課為例，分析單元教學內容，提煉核心概念。選取“稀有氣體”化學史情境與教學內容相關的素材，梳理課堂問題、建構教學框架，圍繞“位”“構”“性”的三維認知模型開展教學設計。教學實踐表明，基于化學史情境開展單元復習教學，有利于激發學生學習興趣，增強學生知識應用的能力，促進學生對科學本質的理解。

關鍵詞： 化學史情境； 單元復習； 原子結構與元素性質

文章編號： 10056629（2024）12006307

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

化學史情境是一種以歷史事件或科學發現為背景的教學方法。通過講述化學發展的歷程和科學家的貢獻，帶領學生體驗科學探究的過程，幫助學生更好地理解和掌握化學知識。單元復習課是學生在學習化學課程過程中不可或缺的一環。通過設計單元復習教學可以幫助學生鞏固所學知識，構建知識體系，強化學生對基本原理和核心概念的理解。在高中化學單元復習課上引入化學史情境，可以增加學生的興趣和參與度，培養學生在科學領域的才能，加深學生對化學概念的理解和應用能力，促進學生對科學本質的理解。

1 教學設計思路

“原子結構與元素性質”屬于普通高中化學選擇性必修課程模塊2“物質結構與性質”中主題1的內容，所涉及的主要內容如下：原子核外電子的運動狀態、核外電子排布規律、核外電子排布與元素周期律（表）等。本章的教學主題具有內容抽象、理論性強的特點。教學過程中要基于學生已有認知水平，通過具體直觀的實例和模型，引導學生理解抽象的概念。

在此之前，學生雖已完整學習了第一章的全部內容。但由于本章節內容抽象復雜，學生所掌握的知識相對孤立而缺乏體系，沒有形成完整的知識框架。這些問題有待于在本節課中進一步解決和完善。梳理單元核心概念是本節課的核心任務。在以往的單元復習課教學中，教師常采用條目式的復習方法，這一復習方法往往局限于“炒冷飯”的模式，不利于調動學生的學習熱情，也很難幫助學生重新構建知識體系。因此，如何合理安排教學內容，在教學過程中逐一呈現本單元的核心知識，將抽象難懂的學科概念內化為學生的學科核心素養是本節課的重要課題。

為了突破上述教學難點，本案例通過創設適宜的化學史情境，改變以往條目式的復習課模式，激發學生的學習熱情，切實增強復習課的教學效果。通過梳理整合，本案例將稀有氣體化學史情境與單元核心知識進行了如下關聯：（1）以“太陽元素的發現”為化學史情境載體，復習原子光譜的形成原理和主要特點；（2）以“惰性氣體名稱的由來”為化學史情境載體，復習原子結構和核外電子排布的規律；（3）以“稀有氣體化合物的合成”為化學史情境載體，復習第一電離能、電負性等元素性質的遞變性規律。梳理化學史情境與單元核心概念的關聯如圖1所示。

以稀有氣體的發現史、稀有氣體化合物的探索史、稀有氣體名稱的歷史演變等化學史實為教學線索，以原子結構與元素性質為知識載體，引導學生綜合運用本章知識，展開稀有氣體元素及其化合物的探究。本節課設計的教學流程如圖2所示。

2 教學目標

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》指出［1］，在實施“原子結構與元素性質”單元教學時，教師應注重幫助學生建立基于“元素位置”“原子結構”“元素性質”（以下簡稱為“位”“構”“性”）關系的系統思維框架，提高學生分析和解決問題的能力。通過新授課的學習，學生已初步建立“位”“構”“性”的三維認知模型，但對該模型的認知大多僅停留在表層，尚缺乏應用“位”“構”“性”模型分析、解決實際問題的體驗，難以深入體會科學理論模型的建立對科學研究的意義和價值。本節課以稀有氣體元素的發現、結構和性質的探究為主線，幫助學生進一步發展“位”“構”“性”的三維認知模型，將相關知識結構化，進而形成完整的知識框架。基于以上分析，本節課確定教學目標如下：

（1） 通過分析稀有氣體原子結構與元素性質的關系，理解原子結構對元素性質、元素在周期表中位置的決定性作用，進一步發展“位”“構”“性”的三維認知模型。

（2） 借助元素周期律分析、預測稀有氣體元素的性質，推測最易合成的稀有氣體化合物，體驗化學科學研究的思維過程，深刻感悟元素周期表在科學研究中的重要價值。

（3） 通過了解稀有氣體元素的發現及其名稱演變等化學史實，認識科學的認知是不斷創新和發展的，深入體會科學家追求真理、勇于探索的科學精神。

3 教學實施

3.1 創設化學史情境

［化學史情境］在元素周期表的p區，存在著這樣一族元素，它們性格冷淡，善于躲藏。1869年，門捷列夫在編制第一張元素周期表時，人們甚至還沒有發現它們的存在。直至1894年，這一族中的元素才陸續被化學家們所發現。自發現以來，隨著化學家對它們結構與性質了解的不斷深入，這一族元素的名稱也多次更改。你知道它們是什么元素嗎？這些元素又具有什么樣的性質特點呢？

［明確任務］在本節課中，我們將綜合運用本章所學知識：原子結構、核外電子排布的規律、元素周期表和元素周期律等知識來深入了解這一族特殊的元素。

設計意圖：創設“神秘元素是什么”這一化學史情境，激發學生的探索欲和求知欲。明確復習的核心任務，喚醒學生原子結構與元素性質的知識碎片。

3.2 探究一：原子光譜與“太陽元素”的發現

［化學史情境］1868年，法國天文學家簡森在利用分光鏡觀察日全食時，發現了一條波長為587.49nm的特殊的黃色譜線［2］。同年，英國天文學家洛克耶在觀察太陽光譜時也發現了這一條特殊的黃色譜線。我們知道每一種元素的原子發射光譜都會有其各自確定的特征譜線。而波長為587.49nm的這一條譜線不屬于當時已知的任何一種元素的原子光譜。洛克耶認識到，這很有可能是一種待發現的新元素。由于當時新元素還沒有在地球上被發現，于是洛克耶便把這種新元素命名為Helium，來自希臘文helios（太陽），中文譯名為“氦”，意為太陽元素。

［核心問題1］特征黃色譜線幫助科學家發現了氦元素。請你回憶，原子光譜為什么是線光譜？

［教師講解］原子核外的電子處在不同的軌道中，不同軌道間的能量差是確定的、不連續的。當電子在不同軌道間躍遷時，就會以光的形式吸收或放出相應能量，而軌道間的能量差又決定了光輻射的波長，因此原子光譜表現為特定的線光譜。

［核心問題2］為什么不同元素的原子光譜各不相同呢？

［學生回答］這是因為不同元素原子的核電荷數和電子數不同。一方面電子受到來自原子核的吸引作用，另一方面電子相互之間又存在排斥作用，這就使得電子受到的影響和作用各不相同，所以原子軌道的能量及其差值也就不同，于是光輻射的波長也各不相同，最終使得不同元素的原子光譜各不相同。

［師生討論］通過以上討論，我們認識到原子的結構決定了原子光譜。反過來，原子光譜也反映了原子的內部結構。根據不同元素原子光譜的特征性，人們可以鑒定、甚至發現新元素。

［化學史情境］遺憾的是，早期化學界普遍持有的觀念是“只有拿到實物才算發現”，而對于通過光譜發現的物質，并沒有給予高度的重視和肯定。這讓“太陽元素”的發現延遲了27年。直到1895年，英國化學家拉姆齊在用硫酸處理瀝青鈾礦時，產生了一種不活潑的氣體［3］。后來，經過科學家的仔細比較，發現這正是1868年簡森和洛克耶發現的“太陽元素”——氦。

設計意圖：創設稀有氣體發現史的情境，啟發學生思考原子結構與原子光譜的關系，復習原子光譜的特點和形成原理，幫助學生構建“構”的一維認知模型。

3.3 探究二：原子結構與“惰性氣體”名稱的由來

［化學史情境］此后，這一家族的其他元素也陸續被發現了。如何稱呼它們呢？最初它們被稱為稀有氣體元素（rare gases），因為化學家們認為它們是很罕見的。不過這種說法只適用于其中部分元素，并非家族中的所有元素都很少見。例如，氬氣在大氣層中的含量占0.93%，遠勝于二氧化碳的0.04%。又如，前面我們所提到的氦，在宇宙中的含量僅次于氫。那么這些元素還有什么共性呢？沒錯！化學性質穩定。于是，化學家們又把它們改稱為惰性氣體（inert gases），表示它們化學性質穩定，難以和其他元素反應形成化合物。

［核心問題3］那么，為什么稀有氣體化學性質如此穩定呢？

［師生討論］結構決定性質。要分析稀有氣體的化學性質，我們首先要討論它們的原子結構特點：稀有氣體元素原子的最外層均達到了8電子穩定結構，當然He原子是2個電子。從核外電子排布的角度看，最外層8個電子的原子，它們的價電子排布式通式為ns2np6，其中He是1s2。

設計意圖：幫助學生進一步體會原子結構對元素性質的影響，強化“構”“性”二維認知模型：原子核外電子的排布對元素化學性質起到了決定性的影響，也正是稀有氣體元素原子最外層電子的全充滿結構決定了其穩定的化學性質。

3.4 探究三：元素性質與稀有氣體化合物的合成

［核心問題4］既然稀有氣體最外層電子已經達到了穩定結構，那么它們還能形成化合物嗎？

［教師引導］要有新化合物的生成，就一定要有新化學鍵的形成，這就需要稀有氣體元素的最外層電子參與到化學鍵的形成。大量實驗表明，稀有氣體元素的原子難以通過得到電子形成化學鍵。那么，讓它們失去電子的方案是否可行呢？

稀有氣體元素原子失電子能力各不相同，顯然，我們應當選取最容易失去電子的稀有氣體元素來進行研究。上節課我們介紹了一種能夠定量地比較原子失電子能力的方法，你還記得它的名字嗎？沒錯，是第一電離能，基態的氣態原子失去一個電子所需要的最低能量。

［核心問題5］如圖3所示，展示了部分元素的第一電離能變化趨勢［4］。請你根據同族元素第一電離能的遞變性規律，推測哪一種稀有氣體元素最有可能與強氧化劑發生反應（放射性元素除外）？

［學生回答］第五周期的氙元素，第一電離能最小，最容易失去電子，最有可能發生反應得到化合物。

［化學史情境］實際上，諾貝爾化學獎獲得者——鮑林在1933年就預言過氙的化合物應該存在。他認為，氙是除了放射性元素氡之外原子半徑最大的稀有氣體原子，它的原子核對核外電子的吸引力并不像其他的稀有氣體那么大，所以極有可能與反應活性較高的元素反應。科學家們采取了多種方法試圖合成氙的化合物，可惜的是，都沒有成功［5］。

1962年，英國化學家巴特利特在研究無機氟化物時，發現六氟化鉑（PtF6）和氧氣反應生成六氟合鉑酸氧{O+2［PtF6］-}。巴特利特由此推斷出六氟化鉑是一種非常強的氧化劑，因為它能夠將氧氣氧化生成二氧基正離子（O+2）。在相關查詢資料后，巴特利特發現氧氣到二氧基正離子的電離能（1165kJ·mol-1）與Xe到Xe+的電離能（1170kJ·mol-1）相差不大，且O+2與Xe+離子半徑大小接近，于是巴特利特嘗試用六氟化鉑氧化氙氣。當巴特利特將六氟化鉑和氙氣適量混合后，反應得到了橙黃色的固體六氟合鉑酸氙（XePtF6）。XePtF6是第一種制得的稀有氣體化合物，這給當時的化學界引發了一場地震［6］。

巴特利特的報道在世界范圍掀起了一股稀有氣體熱，化學家們在不久之后合成了一系列氙的化合物。甚至成功地用一種非金屬單質與氙完成了化合反應。

［核心問題6］請你運用已學知識，推測這可能是哪一種元素的單質，并說明理由。

給同學們一點提示，前面我們已經提到，稀有氣體極難通過得到電子形成化學鍵。而巴特利特的實驗已經證實讓稀有氣體元素參與化學反應、讓它失去電子的方案是可行的。那么，哪一種元素的原子最容易奪取稀有氣體元素原子的外層電子呢？你可以結合元素周期律來思考這一問題。

［學生回答］可以借用元素的電負性數據來進行分析。元素的電負性越大，表示原子在形成化學鍵時吸引電子的能力越強。元素周期表中氟元素的電負性最大，氟原子可以強烈地吸引氙原子最外層的電子，氟氣與氙氣的反應最有可能發生。

［化學史情境］在1962年巴特列特發現第一個氙的化合物——六氟合鉑酸氧之后的短短幾個月間，來自三個不同國家的化學家用氟氣和氙氣化合幾乎同時發現了氟元素和氙元素所形成的一系列化合物：二氟化氙、四氟化氙、六氟化氙。氟氣和氙氣的化合條件并不苛刻。在常壓下，把兩者的混合氣體加熱到400攝氏度或者在日光下照射即可完成。如果說單一個XePtF6的合成還不足以表明一個新的時代已經開始的話，那么在三個不同的實驗室幾乎同時合成了這三種氙的簡單氟化物則切切實實地向人們表明：一個新的時代開始了［7］。

在此之后，人們合成了一系列的稀有氣體化合物，并開創了一個新的研究領域——稀有氣體化學，從而辯證地表明，所謂化學惰性是相對的。

［核心問題7］請你思考，除了氟元素以外，還有哪一種元素最有可能與氙形成化合物呢？

［學生回答］我們仍然可以借用電負性的變化規律來回答這一問題。答案顯然是電負性大小排名第二的氧元素，氧元素的電負性僅次于氟。

［教師講解］實際上，在已知的氙化合物中，氧化物的種類數僅次于氟化物。例如，三氧化氙、四氧化氙已經被科學家成功制得。

設計意圖：通過回顧稀有氣體元素化合物的發現史，使學生深刻體會元素周期律對科學家發現、研究新物質的重要價值。原子結構決定了元素在周期表的位置，而位置又反映了元素的性質。隨著原子序數的遞增，原子半徑、元素的第一電離能、電負性也隨之呈現出了周期性的變化。正是牢牢掌握了這些規律，才使得科學家成功制備了一系列的稀有氣體化合物。

［化學史情境］如此多的稀有氣體化合物的發現，讓“惰性氣體”這一名字似乎顯得不太合適了。

當今國際化學界接受的“Noble Gases”這一名稱是參照“Noble Metals”提出的，在漢語中被譯為“貴族氣體”。在一個世紀以前，人們提取惰性氣體的成本很高，加之這些元素在地表十分稀少，所以當時被稱作“貴族氣體”或“貴氣體”是可以理解的。隨著科學的進步與技術的發展，我們已經可以大規模地從地下天然氣中提取氦氣、從空氣中分離出氬氣和氖氣，并將其應用到工業生產和生活中。于是，在我國，譯名又回到了最早的那個名稱，即我們熟知的“稀有氣體”（rare gases）。名稱終究只是一個代號，于我們而言，了解其科學原理、掌握其化學特性、發揮其作用，才是值得我們關注的話題。當下，科學家們合成的稀有氣體化合物正在工業、農業、醫學、科研等領域，為人類社會的發展和進步發揮著價值與功用。

設計意圖：通過討論本節課的核心問題“稀有氣體能否形成化合物”，引導學生綜合運用本章所需知識，元素第一電離能和電負性的遞變規律，推測最有可能發生化合反應的稀有氣體單質和非金屬單質；引領學生將理論知識應用于科研實踐，體驗成功的喜悅，使學生感悟理論在科研實踐、生活生產中的重要推動作用，體會科學家嚴謹求實，勇于探索，不懈追求真理的科學精神。

3.5 總結提升

本節課中，我們通過探究稀有氣體原子核外電子排布的特點，對稀有氣體原子的穩定結構有了更深層次的理解。通過稀有氣體元素第一電離能遞變性規律的討論，推測最有可能形成化合物的稀有氣體元素；通過對元素電負性遞變性規律的討論，推測最有可能與稀有氣體元素形成化合物的非金屬元素。在這一探究過程中，我們對元素在周期表中的位置、原子的結構、元素的性質三者的關系有了更深入的理解。

設計意圖：梳理知識，將學生所需的知識結構化，增強學習效果。突破難點，幫助學生完善“位”“構”“性”三維認知模型（見圖4）。

4 討論與建議

在實施基于化學史情境的單元復習課時，須明確化學史料是情境載體，其屬性仍然是單元復習課，課的靈魂是單元核心概念，課的核心任務是幫助學生梳理、整合單元核心概念，建立學科知識框架，應用學科大概念分析、解決實際問題。因此，在設計教學流程時應避免單一地講述化學史實，而要依據學生已有知識儲備，結合化學史料，設計具有層次性、挑戰性的任務，引導學生像科學家一樣設身處地式地思考、體驗探究性問題。因而化學史料的選取應當與單元復習的內容緊密相關，并確保史料具有教育性、啟發性、代表性，能夠生動地反映科學認知發展的歷程。

本課例通過分析單元知識內容，提煉核心概念，確定“原子光譜與太陽元素的發現”“原子結構與惰性氣體名稱的由來”“元素性質與稀有氣體化合物的合成”等化學史情境。通過梳理課堂問題、建構教學框架，圍繞“位”“構”“性”三維認知模型開展教學設計，將單元核心概念與情境進行了深度融合。

本節課后設計了如下作業：

下圖展示的是元素周期表中硒元素的部分信息，請你推測硒元素可能具有的性質。

對于上述問題，學生不再主觀臆斷答案，而能夠依據“三維認知模型”有邏輯地分析、推理、驗證硒元素的性質：（1）依據硒元素的價電子構型（原子結構）分析硒元素在元素周期表中的位置（元素位置）。（2）借助元素周期律，分別從同周期、同主族的角度，與相鄰元素比較原子半徑、第一電離能、電負性等性質（元素性質）。（3）查閱相關文獻資料對推理的合理性進行驗證。

教學實踐與課后反饋表明：基于化學史情境開展單元復習教學，有利于激發學生的學習興趣，促進學生的認知發展，引領學生深度學習，增強學生知識應用的能力，進而培養學生的科學探究與創新意識、科學態度與社會責任等學科核心素養。在基于化學史情境的單元復習教學中，學生沿著科學家的腳步分析與思考，體驗科學發展中的爭論，經歷科學探究的一般流程，這有助于學生形成化學學科核心觀念，促進學生對科學本質的理解。

綜上所述，基于化學史情境的單元復習教學是一項對于學生發展極有價值的研究課題。“原子結構與元素性質”是選擇性必修課程模塊2中主題1的內容。對其他主題的單元復習課內容，教師如何應用化學史作為情境載體開展教學、教學過程中如何將化學史料與單元核心概念進行深度融合、情境問題的設計思路、師生活動的開展途徑與本課例存在哪些共性特點？期待更多的一線教師加入到相關課程的探索與實踐中來，為上述問題作出解答。

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2020年修訂）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 37.

［2］蔣志武，袁振東. 從天文學假說到化學實證： 氦元素的發現及其概念的發展［J］. 化學教育（中英文）， 2023， 44（13）： 124.

［3］李華隆. 惰性元素與稀有氣體化學［J］. 四川師范學院學報（自然科學版）， 2002， 23（4）： 388.

［4］吳國慶， 李俊主編. 普通高中教科書·必修第二冊［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019： 23.

［5］蔡蓂青. 現代化學的一個新分支——稀有氣體化學簡介［J］. 上饒師專學報（自然科學版）， 1988， 8（5）： 72.

［6］馮光熙， 黃祥玉. 稀有氣體化學［M］. 北京： 科學出版社， 1981： 41～44.

［7］吳國慶. 20世紀化學中的轉折性事件之一——稀有氣體化合物的合成［J］. 中學化學教學參考， 2001， （3）： 9.