發(fā)展“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)的單元整體教學(xué)

白建娥 李奇 宋兆爽 時萍萍

摘要：秉承新課程“素養(yǎng)為本”的理念設(shè)計魯科版教材選擇性必修模塊“原子結(jié)構(gòu)”單元整體教學(xué)。分析教材內(nèi)容的編排特點與蘊含的素養(yǎng)價值，對實驗證據(jù)與科學(xué)模型之間的邏輯關(guān)聯(lián)進(jìn)行系統(tǒng)梳理，并將“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)落實在課堂學(xué)生活動和板書設(shè)計當(dāng)中。

關(guān)鍵詞：證據(jù)推理; 模型認(rèn)知; 化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng); 原子結(jié)構(gòu)

文章編號：1005-6629（2021）08-0043-05

中圖分類號：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 設(shè)計理念

“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”是化學(xué)學(xué)科五大核心素養(yǎng)之一，具體表現(xiàn)為“具有證據(jù)意識，能基于證據(jù)對物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出可能的假設(shè)，通過分析推理加以證實或證偽;建立觀點、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系……;建立認(rèn)知模型，并能運用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律”[1]。“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”是核心素養(yǎng)的思維中心，其中證據(jù)推理是模型認(rèn)知的前提和基礎(chǔ)，模型認(rèn)知是證據(jù)推理的進(jìn)階和高級形式[2]。本新課程重視“素養(yǎng)為本”的教學(xué)，倡導(dǎo)以學(xué)科大概念為核心的結(jié)構(gòu)化設(shè)計，因此在選擇性必修模塊2“原子結(jié)構(gòu)”教學(xué)中精心設(shè)計了重在發(fā)展學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)的單元整體教學(xué)。

2 內(nèi)容分析

“原子結(jié)構(gòu)”是中學(xué)化學(xué)的核心概念，也是物理和化學(xué)學(xué)科的交叉內(nèi)容。魯科版新教材選擇性必修模塊2將原子結(jié)構(gòu)的內(nèi)容編排在第一章第一節(jié)和第二節(jié)，包含原子結(jié)構(gòu)模型、量子力學(xué)對原子核外電子運動狀態(tài)的描述與基態(tài)原子的核外電子排布3個板塊，具體內(nèi)容如圖1所示。

第一板塊，基于氫原子的線狀光譜完成了從盧瑟?！昂耸侥Ｐ汀钡讲枴傲孔踊壍滥Ｐ汀钡倪^渡，最后引出現(xiàn)代量子力學(xué)“電子云模型”;第二板塊，通過給出“鈉原子處于n=4的狀態(tài)上的核外電子躍遷到n=3的狀態(tài)，會產(chǎn)生多條譜線”、“在外磁場存在的情況下，無論是氫原子還是多電子原子的光譜中，原來的一條譜線都可能分裂為多條”、“在無外磁場的情況下，用高分辨率光譜儀可觀測到氫原子中的核外電子由n=2的狀態(tài)躍遷到n=1的狀態(tài)時得到的是兩條靠得很近的譜線，同樣情況下鈉原子的黃色譜線也是靠得很近的兩條譜線”等光譜實驗證據(jù)，說明玻爾模型中用一個量子數(shù)n已不能滿足需要，從而介紹現(xiàn)代量子力學(xué)理論對核外電子運動狀態(tài)的描述，引入“原子軌道”概念;第三板塊，呈現(xiàn)核外電子排布需遵循的3個原則：能量最低原理、泡利不相容原理與洪特規(guī)則，強調(diào)該規(guī)則建立在諸多光譜實驗事實基礎(chǔ)上，最后歸納出基態(tài)原子核外電子在原子軌道上的排布順序（構(gòu)造原理圖）。教材特別指出，這一順序并不代表電子填充后在原子中各原子軌道的能級高低順序，給出此順序僅僅是為了給學(xué)習(xí)和研究提供方便。

魯科版教材的編排方式體現(xiàn)了“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)導(dǎo)向，凸顯了證據(jù)意識，強化了模型認(rèn)知。模型認(rèn)知可分為兩大方面：一是利用模型認(rèn)識事物及其變化，二是通過建構(gòu)認(rèn)知模型建立解決問題的思考框架。前者指科學(xué)模型，后者指科學(xué)認(rèn)知模型[3]。筆者認(rèn)為，教材中無論是顯性化的原子結(jié)構(gòu)模型，還是隱性的量子力學(xué)對核外電子運動狀態(tài)的描述、核外電子分層排布的規(guī)律，都屬于科學(xué)模型，是科學(xué)家基于實驗證據(jù)建構(gòu)的思維模型?？茖W(xué)模型具有表征、解釋、預(yù)測等功能[4]。電子排布式、軌道表示式是對核外電子排布的表征，依據(jù)原子軌道模型可以對原子光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋，由構(gòu)造原理能夠?qū)θ魏位鶓B(tài)原子的核外電子排布做出預(yù)測，是否合理則需接受實驗事實的檢驗。發(fā)展“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)的教學(xué)，有利于糾正學(xué)生頭腦中固有的“原子結(jié)構(gòu)模型就是真實的原子結(jié)構(gòu)”“原子核外電子逐個填入固定的原子軌道”等錯誤概念，使其對思維模型與真實世界有辯證的、科學(xué)的認(rèn)識。

3 教學(xué)設(shè)計

3.1 以實驗證據(jù)與科學(xué)模型之間的關(guān)聯(lián)貫穿單元教學(xué)始終

科學(xué)家對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識是螺旋式發(fā)展的：基于陰極射線實驗認(rèn)識到原子可分;基于α粒子散射實驗，認(rèn)識到原子核的存在;對核外電子運動狀態(tài)的認(rèn)識則經(jīng)歷了“繞核做圓周運動→在量子化固定軌道上繞核運動→像一團云霧隨機出現(xiàn)在核外”的漸進(jìn)過程。“原子結(jié)構(gòu)”單元教學(xué)第一課時再現(xiàn)科學(xué)家對原子結(jié)構(gòu)的研究歷程，第二、三課時聚焦核外電子，先描述核外電子的運動狀態(tài)，然后表征核外電子的排布。教學(xué)沿著先整體后局部的順序展開，“實驗證據(jù)”“科學(xué)模型”與對模型的認(rèn)知貫穿始終，以促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。圖2、圖3是筆者系統(tǒng)梳理的第一、二課時中實驗證據(jù)與模型認(rèn)知的邏輯關(guān)聯(lián)，同時也是教學(xué)活動逐層推進(jìn)的核心線索。

3.2 以發(fā)展“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)為目標(biāo)設(shè)計學(xué)生活動

學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，教學(xué)中如何將知識轉(zhuǎn)化為學(xué)生的素養(yǎng)？需要通過設(shè)計學(xué)生活動，增進(jìn)學(xué)生對知識的深刻理解，在活動中形成解決問題的思路和方法，進(jìn)一步內(nèi)化為學(xué)科核心素養(yǎng)。

原子結(jié)構(gòu)模型是科學(xué)家基于實驗事實與大量精確的計算推演得出的，其中要用到大量的經(jīng)典物理學(xué)知識。課堂上如果沒有必要的信息提示，讓學(xué)生由實驗證據(jù)推理建構(gòu)出科學(xué)家冥思苦想好久才慎重提出的原子結(jié)構(gòu)模型是不現(xiàn)實的。因此，第一課時筆者著重設(shè)計了說明論證、分析解釋類的學(xué)生活動，給出實驗證據(jù)和相應(yīng)的原子結(jié)構(gòu)模型（見圖2），讓學(xué)生對證據(jù)與模型進(jìn)行邏輯關(guān)聯(lián)，由證據(jù)對模型進(jìn)行說明論證，用模型分析解釋實驗證據(jù)。課堂上給足時間讓學(xué)生表達(dá)，使其思維外顯，同時鼓勵其他同學(xué)質(zhì)疑甚至辯論。為了診斷學(xué)生素養(yǎng)的達(dá)成情況，筆者還設(shè)計了連續(xù)的追問，如“葡萄干布丁模型中，電子與帶正電的部分能否交換角色”“如果葡萄干布丁模型合理，高速運動的α粒子會有怎樣的行為”“α粒子散射實驗中哪點現(xiàn)象無法用湯姆遜的模型解釋”，這種刻意放慢節(jié)奏的設(shè)計，可以培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識，促進(jìn)學(xué)生的高水平思維。

描述核外電子運動狀態(tài)的原子軌道是量子力學(xué)求解薛定諤方程得出的，基于中學(xué)生的認(rèn)知水平，課堂上不可能還原科學(xué)研究原貌，好在深奧的量子力學(xué)理論完美地符合了實驗事實，基于光譜實驗數(shù)據(jù)理解描述核外電子運動狀態(tài)的4個量子數(shù)符合學(xué)生由淺入深的認(rèn)識發(fā)展規(guī)律。本課時設(shè)計的學(xué)生活動大多是進(jìn)行觀察、推理和總結(jié)歸納。筆者通過查閱文獻(xiàn)，標(biāo)出鈉原子發(fā)射光譜中的典型譜線（見圖4），讓學(xué)生根據(jù)譜線推測、分析可能的原因。

圖4左3條譜線的顏色不同，代表電子躍遷始末的能量差不同，學(xué)生推測不同能層電子能量不同，n越大，電子能量越高。圖4右兩條譜線都是從第6能層躍遷回第3能層，譜線顏色不同。學(xué)生推測當(dāng)能層相同時，電子具有的能量也可能不同，能級概念的引入便水到渠成。至于每一能層的能級數(shù)、軌道數(shù)以及最多容納的電子數(shù)，筆者均以表格的形式呈現(xiàn)在PPT上。經(jīng)過短暫的觀察，學(xué)生均能十分順利地歸納得出準(zhǔn)確的結(jié)論。這種“發(fā)現(xiàn)式”教學(xué)方式比單純講授效果要好得多，學(xué)生參與度高、獲得感強。

第三課時核外電子的排布，筆者沒有沿襲傳統(tǒng)“教師灌、學(xué)生練”的教法，而是給學(xué)生提供了自主學(xué)習(xí)、充分暴露錯誤、不斷糾錯的機會。首先讓學(xué)生閱讀教材第11頁的“方法導(dǎo)引”欄目，了解電子排布式與軌道表示式的寫法。接著模仿示例寫出N、 Na、 S基態(tài)原子核外電子排布的2種表示方法。當(dāng)學(xué)生出現(xiàn)特定能級電子數(shù)目有誤、同一軌道電子自旋狀態(tài)相同、簡并軌道上的電子優(yōu)先排滿一個軌道再去填充第二個軌道等錯誤時，教師拋出能量最低原理、泡利不相容原理和洪特規(guī)則3個“錦囊”，請學(xué)生據(jù)此以小組方式互相糾錯。然后PPT呈現(xiàn)18～36號元素中除Fe、 Cr、 Cu之外的基態(tài)原子電子排布式，請學(xué)生總結(jié)構(gòu)造原理。緊接著運用構(gòu)造原理完成Fe、 Cr、 Cu的基態(tài)原子核外電子排布式。最后給出第4個“錦囊”——洪特規(guī)則的特例，請學(xué)生再次修正Cr和Cu的電子排布式。用4個錦囊妙計穿針引線，經(jīng)過幾輪次的信息加工、出錯糾錯，學(xué)生在熱烈的討論、互動中學(xué)會了核外電子排布的表征，同時深刻體會到基態(tài)原子的核外電子排布是基于大量光譜實驗數(shù)據(jù)構(gòu)造出的思維模型，是一個假想過程。

3.3 板書設(shè)計結(jié)構(gòu)化地體現(xiàn)“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)

原子結(jié)構(gòu)內(nèi)容抽象、枯燥，為了調(diào)動學(xué)生的興趣和積極性，單元教學(xué)中采取了多樣化的手段與豐富的教學(xué)資源吸引學(xué)生主動參與。陰極射線實驗視頻、模擬α粒子散射實驗動畫、鮮活生動的鈉原子光譜圖、原子軌道角度分布圖像模型等素材輪番亮相，不斷刺激學(xué)生的各種感官。最終能否畫龍點睛般地給學(xué)生一個結(jié)構(gòu)化的系統(tǒng)認(rèn)識，則要靠結(jié)構(gòu)化的板書來實現(xiàn)。本單元整體教學(xué)是北京市海淀區(qū)的研究課，學(xué)生固定、教師變換，3節(jié)課在同一教室一氣呵成。PPT居中，兩邊的黑板左邊是副板書，呈現(xiàn)學(xué)生的觀點、回答和電子排布的表征，可隨時書寫或擦除;右邊是主板書，由3位教師連續(xù)生成并完善。學(xué)科核心概念、基礎(chǔ)知識與教學(xué)中始終圍繞的“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)導(dǎo)向都在主板書中清晰外顯（如圖5所示）。

結(jié)構(gòu)化的板書設(shè)計充分體現(xiàn)了“原子結(jié)構(gòu)”3個板塊之間的聯(lián)系，第一課時以電子云模型結(jié)束;第二課時承接電子云模型，聚焦具有波粒二象性的電子的運動狀態(tài)，提出4個量子數(shù);第三課時的3種符號表征與第二課時量子力學(xué)模型中的能層、能級、軌道一一對應(yīng)。每節(jié)課都貫穿“證據(jù)與模型”的素養(yǎng)主線，扎實而又循序漸進(jìn)地幫助學(xué)生將“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)落地生根。

4 教后反思

北京市時隔多年以后從2020屆開始重新開設(shè)《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》模塊，因此本單元整體教學(xué)的效果無法通過縱向比較進(jìn)行評估，只能依據(jù)新課標(biāo)要求對學(xué)生做出評價。抽樣訪談發(fā)現(xiàn)，學(xué)生基本都能認(rèn)識到原子結(jié)構(gòu)模型不等同于真實的原子結(jié)構(gòu)，它們是科學(xué)家基于相關(guān)實驗證據(jù)建構(gòu)的思維模型;模型是不斷發(fā)展的，即使是目前相對正確的“電子云模型”將來也可能被推翻;學(xué)生絕大多數(shù)達(dá)到了課標(biāo)的“學(xué)業(yè)要求”，能夠說明微觀粒子的運動狀態(tài)與宏觀物體運動特點的差異，能夠結(jié)合能量最低原理等3個規(guī)則寫出1～36號元素基態(tài)原子的核外電子排布式和軌道表示式。當(dāng)被問到“既然核外電子的運動是不確定的，為什么又會按照一定規(guī)律分層排布”這個頗具挑戰(zhàn)性的問題時，有部分學(xué)生甚至能夠說出所謂的“層”和“軌道”是科學(xué)家基于實驗事實抽象出來的，電子以多種不連續(xù)的能量值在核外空間“詭異”地運動著，原子光譜就是電子在不同能量狀態(tài)之間“切換”（躍遷）所產(chǎn)生的。筆者認(rèn)為，本單元的內(nèi)容為學(xué)生打開了一扇探秘微觀世界的窗戶。雖然仍有相當(dāng)一部分學(xué)生對實驗證據(jù)和模型之間的邏輯關(guān)聯(lián)在理解上顯得吃力，還不能獨立順暢地運用證據(jù)論證模型或運用模型解釋證據(jù)，但是已為之后的繼續(xù)學(xué)習(xí)、深入理解做了良好的鋪墊。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社，2018：4.

[2]趙銘，趙華. 證據(jù)推理與模型認(rèn)知的內(nèi)涵與教學(xué)研討[J]. 化學(xué)教學(xué)，2020，（2）：29～33.

[3]馮品鈺，何彩霞. 發(fā)展學(xué)生模型認(rèn)知的化學(xué)教學(xué)實踐[J]. 教育與裝備研究，2018，4（4）：29～33.

[4]陳進(jìn)前. 理解“模型認(rèn)知”素養(yǎng)的不同視角[J]. 課程·教材·教法，2020，4（4）：108～113.