核心素養(yǎng)導(dǎo)向的化學(xué)史情境教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

文章編號(hào)：1005-6629（2025）07-0031-05 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1教學(xué)分析

化學(xué)史作為化學(xué)科學(xué)認(rèn)知的三維圖譜，系統(tǒng)整合理論演進(jìn)、方法論革新與社會(huì)性互動(dòng)，既為概念體系提供證據(jù)鏈，也為思維發(fā)展保留原生性認(rèn)知情境。一線教師深人了解化學(xué)史，并將其有機(jī)融入課堂教學(xué)，能激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知內(nèi)驅(qū)力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)，樹(shù)立科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任意識(shí)，提升學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)[1～4]。然而，目前的高中化學(xué)課堂教學(xué)對(duì)化學(xué)史的應(yīng)用多呈現(xiàn)碎片化特征，主要局限在課堂情境的引人部分，難以滿足深度學(xué)習(xí)的需求；課堂組織與呈現(xiàn)環(huán)節(jié)較多還是依賴(lài)教師單方面講述[5，6]，學(xué)生課堂的參與度不高，認(rèn)知建構(gòu)與情感體驗(yàn)脫節(jié)。

“雜化軌道理論”編排于2020年版人教版高中化學(xué)選擇性必修2《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》第二章“分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)\"中的第三節(jié)“分子的空間結(jié)構(gòu)”[7]。在知識(shí)建構(gòu)層面，它是原子結(jié)構(gòu)到分子結(jié)構(gòu)認(rèn)知的關(guān)鍵進(jìn)階模型，突破從原子到分子的微觀探析瓶頸；在思維發(fā)展層面，其理論形成過(guò)程蘊(yùn)含著“模型證偽-理論重構(gòu)－應(yīng)用檢驗(yàn)”的完整思維鏈條；在育人維度上，該理論提出者鮑林通過(guò)跨學(xué)科實(shí)踐展現(xiàn)創(chuàng)新精神，晚年的反核武運(yùn)動(dòng)彰顯其科學(xué)倫理觀，為學(xué)生發(fā)展“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”的核心素養(yǎng)提供了寶貴的育人資源。

學(xué)生在學(xué)習(xí)“雜化軌道理論”前，已初步具備元素/原子層面結(jié)構(gòu)性質(zhì)關(guān)系的分析能力，掌握了共價(jià)鍵本質(zhì)等分子構(gòu)建的基礎(chǔ)知識(shí)，強(qiáng)化了“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)的鍛煉。通過(guò)對(duì)分子空間結(jié)構(gòu)多樣性的了解，? 無(wú)錫市教育科學(xué)規(guī)劃課題\"高中化學(xué)拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)課程實(shí)踐研究\"（立項(xiàng)編號(hào) E/D/2025/02 ）階段性成果。

學(xué)生逐漸產(chǎn)生對(duì)成鍵機(jī)理的探究需求。然而，分子結(jié)構(gòu)理論與模型的抽象特征是學(xué)生學(xué)習(xí)中的主要障礙之一。《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》模塊對(duì)雜化軌道理論的生成過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)化，摒除過(guò)于復(fù)雜的數(shù)理推導(dǎo)內(nèi)容，突出結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)聯(lián)的化學(xué)核心思維。這種簡(jiǎn)化降低了學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，卻易造成理論生成邏輯的斷裂，阻礙學(xué)生的深度學(xué)習(xí)和理解應(yīng)用。

對(duì)此，本案例基于《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為“課標(biāo)\"）的建議

[8]，利用化學(xué)史保留原生性認(rèn)知情境的特性，還原雜化軌道理論模型生成過(guò)程，彌補(bǔ)邏輯斷層，將理論演進(jìn)史轉(zhuǎn)化為模型認(rèn)知進(jìn)階的“腳手架”。教師不僅在知識(shí)層面引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷“模型證偽-理論重構(gòu)-應(yīng)用檢驗(yàn)”的科學(xué)思維歷程，還在拓展設(shè)計(jì)中引入鮑林的雙諾貝爾獎(jiǎng)成就，形成多維育人支點(diǎn)：鮑林的跨學(xué)科研究范式反映了科學(xué)探索的跨界創(chuàng)新特質(zhì)；反核運(yùn)動(dòng)實(shí)踐則將科學(xué)家的社會(huì)責(zé)任具象化。這種生平介紹不僅突破“天才敘事”，豐富學(xué)生對(duì)科學(xué)家工作的認(rèn)知，感受科學(xué)家的立體形象，更有利于學(xué)生科學(xué)態(tài)度與價(jià)值觀的塑造，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)科學(xué)探索的責(zé)任感與使命感，總體實(shí)現(xiàn)知識(shí)邏輯與價(jià)值引領(lǐng)的深度融合。

2 教學(xué)目標(biāo)

（1）通過(guò)參與鮑林的理論推導(dǎo)過(guò)程，分析甲烷分子的空間結(jié)構(gòu)，理解雜化軌道理論產(chǎn)生的必然性，并掌握雜化軌道理論的基本概念與類(lèi)型。

（2）運(yùn)用雜化軌道理論解釋簡(jiǎn)單分子的空間結(jié)構(gòu)，說(shuō)明 $＼textbf { ＼sigma }$ 鍵與 π 鍵的成鍵方式，在價(jià)層電子對(duì)互斥理論的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建構(gòu)并完善解釋分子空間結(jié)構(gòu)的思維模型。

（3）通過(guò)充分了解鮑林的生平，體悟科學(xué)家的立體人格與社會(huì)使命，進(jìn)一步發(fā)展科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任的核心素養(yǎng)。

3教學(xué)流程

本案例立足于教材分析，整合化學(xué)史素材，還原鮑林提出雜化軌道理論的原生情境

[9]。依托教師引導(dǎo)，學(xué)生首先揭示傳統(tǒng)價(jià)鍵理論的局限性，觸發(fā)認(rèn)知沖突；繼而修正已有的理論模型，系統(tǒng)建構(gòu)雜化軌道理論框架，以契合實(shí)驗(yàn)事實(shí)；進(jìn)而推廣該理論在解釋更多簡(jiǎn)單分子空間構(gòu)型中的應(yīng)用，深化對(duì)理論普適性的認(rèn)知；最終追溯鮑林的科研生涯，建立科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任的情感共鳴。

教學(xué)流程如圖1所示。

圖1教學(xué)流程

4教學(xué)過(guò)程

4.1環(huán)節(jié)一：鮑林的困惑

[化學(xué)史情境]請(qǐng)根據(jù)以下線索推斷一位化學(xué)家的身份：第一，迄今為止唯一兩次獨(dú)立獲得諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家；第二，其創(chuàng)立的能量最低原理、化學(xué)鍵參數(shù)理論、電負(fù)性理論等，均為我們熟知。

[學(xué)生1]鮑林。

［活動(dòng)]鮑林在青年時(shí)期的理論儲(chǔ)備與當(dāng)前的同學(xué)們相當(dāng)。請(qǐng)回憶已學(xué)的成鍵理論體系。

[學(xué)生2]我們掌握了路易斯八電子規(guī)則，能夠書(shū)寫(xiě)分子電子式（如圖2上）。

[學(xué)生3]后續(xù)學(xué)習(xí)的海特勒-倫敦經(jīng)典價(jià)鍵理論強(qiáng)調(diào)電子成對(duì)與軌道方向性，認(rèn)為原子軌道重疊、電子配對(duì)形成共價(jià)鍵（如圖2下）。

圖2前人的成鍵理論

[教師追問(wèn)]基于現(xiàn)有理論體系，如何解釋甲烷分 子結(jié)構(gòu)？

［學(xué)生4］經(jīng)小組研討發(fā)現(xiàn)，經(jīng)典價(jià)鍵理論推導(dǎo)的C-H鍵構(gòu)型與 CH₄ 實(shí)際結(jié)構(gòu)存在矛盾（如圖3），與電子式書(shū)寫(xiě)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)事實(shí)均不相符。

圖3前人理論解釋 CH₄ 結(jié)構(gòu)的困境

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)利用化學(xué)史情境引導(dǎo)學(xué)生“像科學(xué)家一樣思考”。學(xué)生與鮑林處在相同的學(xué)習(xí)進(jìn)度，通過(guò)切實(shí)的認(rèn)知沖突，能有意識(shí)地串聯(lián)起舊識(shí)，延展邏輯思維網(wǎng)絡(luò)。這樣的環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)相比傳統(tǒng)講授型課堂，更能激發(fā)學(xué)生興趣，促進(jìn)學(xué)生思考，發(fā)揮學(xué)生的主體作用，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)的核心素養(yǎng)。

4.2環(huán)節(jié)二：鮑林的理論

[活動(dòng)]現(xiàn)有理論在解釋甲烷成鍵時(shí)存在局限，請(qǐng)思考理論修正方向。

[學(xué)生5]我們小組認(rèn)為，修正理論需要建立“成化學(xué)鍵”與“軌道重疊”的聯(lián)系，將成鍵修正問(wèn)題轉(zhuǎn)化為軌道修正問(wèn)題。

[引導(dǎo)]同學(xué)們可以將復(fù)雜問(wèn)題分解為具體研究步驟，例如（1共價(jià)鍵形成的軌道條件；（2）甲烷四鍵等長(zhǎng)隱含的軌道特征；（3）經(jīng)典理論的改進(jìn)方向，等等。

［學(xué)生6]經(jīng)小組研討，我們形成兩個(gè)核心問(wèn)題：第一，中心碳原子需要提供四個(gè)單電子占據(jù)獨(dú)立軌道，分別與氫原子成鍵;第二，除方向外，四個(gè)軌道需要具備完全相同的物理性質(zhì)。

[師生討論]經(jīng)全班討論，老師總結(jié)具體解決方案（如圖4所示）。

1、解決成鍵單電子個(gè)數(shù)問(wèn)題

圖4達(dá)成 CH₄ 成鍵目標(biāo)的解決方法

［小結(jié)]同學(xué)們提出的軌道能量平均化方案與鮑林的思路高度吻合。這種能量平均化過(guò)程被稱(chēng)為“雜化”過(guò)程，由此建立的雜化軌道理論可以很好地解釋甲烷分子的正四面體構(gòu)型。其中，中心C原子的一個(gè)s軌道和三個(gè)p軌道組合成4個(gè)新軌道，被稱(chēng)為4個(gè)方向不同，能量相等的 sp³ 雜化軌道。

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)通過(guò)重構(gòu)傳統(tǒng)的直陳式授課方式，以經(jīng)典價(jià)鍵理論為起點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)發(fā)掘理論與事實(shí)的矛盾，提出模型修正方案，建構(gòu)雜化軌道理論的核心概念與知識(shí)體系。該流程通過(guò)模型解構(gòu)與重建的進(jìn)階任務(wù)，發(fā)展學(xué)生的邏輯推理與抽象建模能力，提升學(xué)習(xí)成就感，培育學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)的核心素養(yǎng)。

4.3環(huán)節(jié)三：理論的應(yīng)用

[學(xué)習(xí)任務(wù)1]為了檢驗(yàn)同學(xué)們修正得到新理論的適用范圍，請(qǐng)運(yùn)用雜化軌道理論分析 BF₃ 、 BeCl₂ 的中心原子雜化方式、成鍵方式及空間構(gòu)型。

［學(xué)生7]通過(guò)觀察分子模型， BF₃ 分子為平面三角形，其中B原子采取 sp² 雜化，剩余一個(gè) p 軌道不成鍵；

BeCl₂ 分子整體呈直線形，Be原子采取sp雜化，雜化軌道和CI原子軌道“頭碰頭”形成 $＼textbf { ＼sigma }$ 鍵，未雜化p軌道保持原方向。

[學(xué)習(xí)任務(wù)2]觀察乙烯、乙炔、苯的分子模型，分析中心原子雜化方式，并尋找 π 鍵成鍵規(guī)律。

[學(xué)生8]通過(guò)分子模型觀察與雜化過(guò)程分析（如圖5）發(fā)現(xiàn)， π 鍵由未雜化軌道“肩并肩”形成。中心原子的可能雜化方式多樣，實(shí)際采用的雜化方式由分子構(gòu)型決定。

圖5簡(jiǎn)單有機(jī)物中心碳原子雜化過(guò)程

[小結(jié)]同學(xué)對(duì) π 鍵形成規(guī)律的歸納較為準(zhǔn)確完整。此外，需要特別肯定“實(shí)際雜化方式由分子構(gòu)型決定”這一關(guān)鍵觀點(diǎn)?？梢?jiàn)，雜化軌道理論是一項(xiàng)解釋性理論，知曉分子的真實(shí)結(jié)構(gòu)是正確判斷雜化方式的先決條件。

[學(xué)習(xí)任務(wù)3]請(qǐng)系統(tǒng)歸納雜化軌道理論的核心要素。

[學(xué)生9]經(jīng)小組研討形成知識(shí)體系（見(jiàn)表1），涵蓋雜化類(lèi)型、軌道組成、空間構(gòu)型等維度。

表1雜化軌道理論知識(shí)體系小結(jié)

設(shè)計(jì)意圖：利用雜化軌道理論解釋簡(jiǎn)單分子的構(gòu)型是本節(jié)課的重點(diǎn)。其中，借助理論進(jìn)一步理解分子中 鍵與 π 鍵的成鍵方式為難點(diǎn)。通過(guò)知識(shí)生成式學(xué)習(xí)與理論自主應(yīng)用，學(xué)生解釋分子構(gòu)型的思路更加清晰，能力顯著提升，最終完成從原子結(jié)構(gòu)到分子結(jié)構(gòu)的完整認(rèn)知躍遷。在情感方面，自主完成任務(wù)能增強(qiáng)學(xué)生的成就感，激發(fā)化學(xué)理論的學(xué)習(xí)熱情。

4.4環(huán)節(jié)四：鮑林的生平

［化學(xué)史情境]除雜化軌道理論外，鮑林提出了電負(fù)性理論與能量最低原理，發(fā)展了諸多與原子、分子基本結(jié)構(gòu)與性質(zhì)相關(guān)的理論，并涉足DNA雙螺旋模型、分子病、抗體與抗原結(jié)構(gòu)互補(bǔ)理論等跨學(xué)科領(lǐng)域。此外，他長(zhǎng)期呼吁科學(xué)家共同反對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)、保衛(wèi)和平。眾人熟知的《科學(xué)家反對(duì)核試驗(yàn)宣言》即由鮑林起草并牽頭簽署。其1954年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，1962年獲得諾貝爾和平獎(jiǎng)，充分彰顯了科學(xué)家的多維價(jià)值。

設(shè)計(jì)意圖：由于化學(xué)史情境貫穿了整節(jié)課的課堂教學(xué)，學(xué)生逐步沉浸于研究者的身份，實(shí)現(xiàn)角色共情。教師此時(shí)通過(guò)解析鮑林的跨學(xué)科探索歷程與科學(xué)史敘事，引導(dǎo)學(xué)生更深刻地感受鮑林的立體人格。在引導(dǎo)學(xué)生“像科學(xué)家一樣做事”的化學(xué)史情境課堂中，教學(xué)尾聲通過(guò)知識(shí)整合與情感遷移，推動(dòng)學(xué)生將理論認(rèn)知、思維模型與價(jià)值認(rèn)同融合為核心素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)學(xué)科育人價(jià)值。

5 教學(xué)效果及反思

本課以化學(xué)史情境貫穿教學(xué)，通過(guò)“模型證偽-理論重構(gòu)-應(yīng)用檢驗(yàn)”的邏輯鏈，驅(qū)動(dòng)學(xué)生自主探究；采用小組合作學(xué)習(xí)模式，借助梯度性問(wèn)題鏈引導(dǎo)學(xué)生突破思維盲區(qū)；通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與證據(jù)推理等高階思維活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生自主構(gòu)建雜化軌道模型?？傮w而言，本節(jié)課是利用化學(xué)史情境幫助學(xué)生深度學(xué)習(xí)、提升化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的有效實(shí)踐。

通過(guò)課堂提問(wèn)、課后訪談及紙面作業(yè)等方式，教師對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果和整體素養(yǎng)提升情況進(jìn)行結(jié)果評(píng)價(jià)和量表測(cè)評(píng)。測(cè)評(píng)結(jié)果顯示，在學(xué)習(xí)能力相當(dāng)?shù)陌嗉?jí)中，相比于采用傳統(tǒng)“講授-練習(xí)-應(yīng)用”模式的班級(jí)，采用化學(xué)史情境授課的班級(jí)在以下三個(gè)方面表現(xiàn)更為突出：一是對(duì)雜化軌道理論的理解更透徹，評(píng)分提升為平行班級(jí)的 139.1% ，能夠更清晰地闡述該理論作為一種解釋性理論的價(jià)值；二是在處理陌生分子雜化類(lèi)型等問(wèn)題時(shí)，得分達(dá)到平行班級(jí)的 126.2% ，表明學(xué)生解決問(wèn)題的能力得到提升；三是對(duì)化學(xué)史和化學(xué)理論研究表現(xiàn)出更濃厚的興趣，得分為平行班級(jí)的 125.3% ，在后續(xù)知識(shí)學(xué)習(xí)中展現(xiàn)出更積極主動(dòng)的態(tài)度。

本節(jié)課后，教師還需強(qiáng)化知識(shí)銜接，在物質(zhì)性質(zhì)教學(xué)中有機(jī)融人雜化軌道理論知識(shí)，持續(xù)追蹤學(xué)生構(gòu)性觀的進(jìn)階發(fā)展表現(xiàn)[10]。此外，本課例顯示化學(xué)史情境的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用仍有廣闊空間：哪些化學(xué)概念與知識(shí)的原生認(rèn)知情境適配高中課堂構(gòu)建？還有何種科學(xué)思維進(jìn)階路徑可借由化學(xué)史敘事顯性化？另外，在知識(shí)落實(shí)與模型構(gòu)建外，教師需著重培養(yǎng)學(xué)生在探究與思辨過(guò)程中的規(guī)范化表達(dá)能力。

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