基于任務驅動的高中化學原子結構教學設計*

張玉春，李艷妮，楊艷華

(昆明學院 化學化工學院，云南 昆明 650214)

基于高考選拔制度下，我國目前的高中課程教學依舊以應試高考為主，進而教師為提高學生成績依舊使用傳統(tǒng)的“填鴨式”教學方法，這不利于學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，更不利于“立德樹人”這一教育根本任務的落實[1]?；瘜W是高中核心科目之一，《普通高中教科書 化學 選擇性必修2 物質結構與性質》(以下簡稱《物質結構與性質》)是高考化學試卷的選考題之一的出處，并且對這部分內容的學習是學生進一步理解微觀層面的必由之路，重要程度不言而喻?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準(2017年版2020年修訂)》明確提出，教師在教學中要依據(jù)“宏觀辨識與微觀探析”的學科核心素養(yǎng)，結合學生當下的認知發(fā)展水平，使學生能從物質的微觀層面理解其組成、結構和性質的聯(lián)系，進一步強化“結構決定性質，性質決定應用”的觀念[2]。同時課程標準也提倡“激發(fā)學生學習化學的興趣，促使學生學習方式的轉變”，以及“注重啟發(fā)式、互動式、探究式教學，引導學生自主學習”[2]?；谏鲜鼋虒W方法和課標要求，我們嘗試實踐一種更加高效的教學方法。

建構主義指出，學生對知識的學習，是基于已有經驗，用知識校對經驗，然后主動建構起知識體系的過程。在建構主義中，教師在教學過程中只起到引導、組織、監(jiān)督和提供素材的作用，這比較符合課標提出的“學生需具有自主發(fā)展能力和溝通合作能力，教師應引導學生積極開展建構學習、探究學習和問題解決學習的教學理念”[2]?！叭蝿镇寗咏虒W法”是在建構主義理論基礎上提出的，它打破學生在學習過程中以聽講為主的被動接受知識的教學方法，形成以“合作探究”“解決問題”“主動學習”等為特點的教學方法，并且通過設置適當?shù)膶W習任務，讓每一位學生面對問題時，活用知識和特有經驗進行合作探究、解決問題[3]。

運用任務驅動教學法進行教學，能讓學生始終處于積極、主動的學習狀態(tài)。一個任務的完成，會使學生獲得滿足感和成就感，進而激發(fā)他們的求知欲望，逐步形成一個良性循環(huán)，在很大程度上提高了學習效率[4]。

因此，本文以《物質結構與性質》中的“原子結構”部分知識教學為例[5]，采用任務驅動教學法，選取可以設計為任務的相關知識，借助生活實例引出知識點，激發(fā)學生的學習興趣和求知欲，在教學活動中不斷完善學科知識體系，發(fā)展學生的學科素養(yǎng)。在剛開始的教學中，簡單講述原子結構化學史，讓學生了解到對原子結構的研究是從“淺”到“深”再到“廣”的過程，體會科學研究的態(tài)度和學科素養(yǎng)。在“能層與能級”的教學過程中，先回顧舊知，提出問題，發(fā)布任務，再進行引導解答，初步培養(yǎng)學生自主學習、獨立思考、合作交流的能力，培養(yǎng)模型認知，宏觀辨識與微觀探析的學科素養(yǎng)。在“基態(tài)與激發(fā)態(tài) 原子光譜”的教學過程中，通過視頻引出知識點，再發(fā)布任務，讓學生自主完善知識點以增加知識儲備，感受課本內容的局限性和自主學習的重要性。在“構造原理與電子排布式”的教學過程中，利用構造原理圖，講解能級交錯，降低學習難度，培養(yǎng)學生的邏輯思維能力，通過大量練習，提高學生用符號直觀表示原子核外電子的排布的能力，為后面的學習奠定基礎[6]。

1 教學背景分析

1.1 教學內容分析

此內容位于《物質結構與性質》第一章 原子結構與性質<第一節(jié) 原子結構>，主要涉及能層與能級、基態(tài)與激發(fā)態(tài) 原子光譜、構造原理與電子排布式這三個方面的知識點。其中，能層與能級與《普通高中教科書 化學 必修第一冊》中第四章 物質結構和元素周期律<第一節(jié) 原子結構與元素周期表>的原子結構這一知識點基本相同；構造原理與電子排布為之后學習泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理奠定了基礎，這樣的內容編排方式體現(xiàn)出知識呈螺旋上升的趨勢。該內容從核外電子層這一微觀深入到更加微觀的層面，在整本教材中為學習后續(xù)章節(jié)做基礎鋪墊，在整個高中化學中成為了通向了解“結構-性質”的橋梁。

1.2 學生情況分析

原子結構所涵蓋的知識點基本都是概念性的且比較抽象，以學生已知的能級和能層為基礎，采用螺旋上升的呈現(xiàn)方式，層層遞進介紹新知。處于高二階段的學生已經具備一定的抽象思維和空間想象能力，但主要以直觀思維為主，對于抽象概念的學習仍存在很大的阻力，需要聯(lián)系生活讓學生便于理解。對于原子結構，是讓學生知道它包含了哪些內容，又怎樣影響宏觀現(xiàn)象。

2 教學目標

2.1 知識與技能

①了解原子結構演變史，積淀學科素養(yǎng)；

②知道能層和能級，核外電子能級排布的構造原理，了解原子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)的聯(lián)系，能用電子排布式表示常見元素(1-36號)的基態(tài)電子排布；

③了解原子實和價層電子的概念，知道用簡化電子排布式和價層電子表示元素的電子排布。

2.2 過程與方法

①通過主動學習、完成知識體系的構建；

②通過小組合作討論交流、歸納總結，理解并掌握學習內容，并且能靈活運用所學知識解決問題；

③通過問題探究和討論交流，體會化學理論知識的推理邏輯，強化類比歸納等學習方法。

2.3 情感態(tài)度與價值觀

①通過對原子結構演變史的介紹引入教學主角，激發(fā)學生敢于質疑，能發(fā)現(xiàn)和提出針對性問題，勇于探究，大膽假設的學習品質，培養(yǎng)學生科學探究與創(chuàng)新意識的核心素養(yǎng)；

②通過對原子結構部分知識的學習，強化學生從微觀和宏觀相結合的角度去分析和解決實際問題的能力，培養(yǎng)學生宏觀辨識與微觀探析的核心素養(yǎng)；

③通過生活實例，構建模型，能基于模型發(fā)展學生抽象思維，培養(yǎng)學生證據(jù)推理與模型認知的核心素養(yǎng)。

3 教學重難點

3.1 教學重點

①核外電子的能級分布及構造原理；

②常見元素(1-36號)原子核外電子的排布式的表示。

3.2 教學難點

依據(jù)構造原理表示元素原子核外電子的排布。

4 教學方法

自主學習法、討論法、練習法、講授法、類比法和任務驅動法。

5 教學過程

5.1 簡介原子結構演變 引入主題

對于原子結構的相關知識，教師直接講述效果可能不太理想，借助必修第一冊第88頁的科學史話，結合引言，既有助于激發(fā)學生的學習興趣，更有助于引入教學主題做準備。

【任務1】人類對原子結構的認識經歷了怎樣的過程？

[教師活動]引導學生簡單梳理原子結構已從“原型論”深入到“模型論”再到對原子結構、分子結構和晶體結構等領域的研究。

設計意圖：通過歷史演變與時代發(fā)展相結合，了解“結構”的發(fā)展概況，一方面是為激起學生的好奇心，順勢引入主題；另一方面，讓學生感受科學家們發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和解決問題的科學探究心路，培養(yǎng)學生科學探究和創(chuàng)新意識及科學態(tài)度和社會責任的核心素養(yǎng)。

5.2 從不同的角度認識原子結構

借助具體的生活現(xiàn)象使抽象概念直觀化，引導學生從不同角度進行觀察和思考，使學生及時抓住所學習內容的重點或重要細節(jié)，并進行思考，讓學生產生強烈的學習動機去弄清事實。再結合任務的發(fā)布，促使學生主動探究，及時調整學習思路，更加高效地完成學習目標。

1)能層與能級

[回顧舊知]在必修第一冊對原子結構有了初步的認識，即原子由原子核與核外電子組成，原子核由質子和中子組成。

核外電子因能量的不同而被劃分為不同能層，用一、二、三等表示層數(shù)，K、L、M等符號表示相應能層，每一能層最多能容納2n2個電子。

設計意圖：通過對已學習過的知識進行簡單回顧，一是讓學生集中注意力，二是為引出“能級”這個知識點做鋪墊。

[提問]思考一下，為什么用字母K、L、M等符號表示能層？

[多媒體展示]這與諾貝爾物理學獎獲得者查爾斯·格洛弗·巴克拉發(fā)現(xiàn)X射線的散射現(xiàn)象有關。當高能電子轟擊金屬元素時，同一元素會發(fā)射出不同頻率的X射線，其中，頻率越大波長越短。巴克拉為了給未發(fā)現(xiàn)的短波長X射線預留編排序號，將當時轟擊得到的最大頻率X射線，編排序號從K開始，而不是A。后經證實，轟擊得到的最大頻率X射線就是原子核外第一層電子發(fā)出的，因此，將原子核外第一層用K表示，第二層用L表示，依次類推。

設計意圖：通過講解化學史和科學家的主要貢獻，一方面，可以激發(fā)學習學生熱情，鼓勵學生樹立榜樣，培養(yǎng)學生堅持不懈，永攀科學高峰的奮斗精神。另一方面，更加透徹地理解能層表示符號的來龍去脈，強化記憶，更加牢固的掌握好這部分知識內容。

【任務2】核外電子排布遵循怎樣的規(guī)律？

[引導]以一棟七層教學樓為例，每一樓層間都有臺階相連，臺階高度不一致，且越靠近地面，樓層高度越低。若每一樓層可簡單代表一核外電子層，由此可以推測，每一個電子層間，都存在像臺階一樣的能級，且各能層能量不一樣。

設計意圖：通過生活實例，將宏觀事物與微觀概念相聯(lián)系，方便學生理解抽象概念，加強對能層的理解的同時引出能級這一概念，提高學生合作交流的能力，培養(yǎng)學生證據(jù)推理與模型認知的核心素養(yǎng)。

[講解]能層的能量由內到外依次升高，能層可分為不同的能級，能層包含著能級。

[提問]為什么用s、p、d、f等符號表示能級？

[講解]經過科學家的不斷探索和努力，在X射線研究基礎上發(fā)展起來的光譜學，將能級用s、p、d、f等表示。其中，第一能層K有一個能級(1s)、第二能層L有兩個能級(2s和2p)，依次類推。

若二樓表示原子核外第二層電子層，二樓的第一個臺階離地面的高度比一樓第一個臺階離地面的高度要高，即第二層電子層的第一能級比第一層電子層的第一能級能量高。即不同能層中，同類能級的能量也不相同。如1s<2s< 3s <4s……

設計意圖：既可以讓學生了解能級表示符號的來龍去脈，強化記憶，能更加牢固的掌握好這部分知識內容，也可也讓學生感受到類比遷移的學習方法。

[追問]能級在能層中的排布有什么規(guī)律？各能級最多電子數(shù)的變化有什么規(guī)律？

[講解]能級在能層中的排布順序都是s、p、d、f……但是能層數(shù)是幾，該能層就只有幾個能級。比如，第三能層有三個能級，可以排3s、3p和3d三個能級。每個能級可容納的最多電子數(shù)是固定的，并且s、p、d、f……依次為自然數(shù)中奇數(shù)序列1、3、5、7……的2倍，即2、6、10、14……

依然以一棟七層教學樓為例，以樓層象征能層，樓層中的每一級臺階代表一個能級。那么在這棟教學樓里，第一層樓只有1級臺階、第二層樓有2級臺階、第三層樓有3級臺階，以此類推。我們把每層樓里從下往上數(shù)的一、二、三、四級臺階分別用s、p、d、f替換，同一樓層中級數(shù)越大，該級距離地面就越高，即同一能層中能級排在越后面能級的能量越高，即：E(ns)

設計意圖：先進行理論講解，再通過生活實例，將生活中的宏觀現(xiàn)象與化學中的微觀概念相聯(lián)系。一方面可以通過模型建構幫助學生更好地理解與記憶這一知識點；另一方面通過這樣的宏微觀聯(lián)系，培養(yǎng)學生的證據(jù)推理與模型認知的核心素養(yǎng)。

[拓展]核外電子的填充是從第一能層的第一能級開始的，低能級填滿后才到高能級。因此，核外電子排布按照1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 3d → 4s → 4p → 4d → 4f →5s……的順序進行。

[練習]完成教材第7頁的“思考與討論”，引導學生構建能級和能層知識框架導圖，完成學習任務。

設計意圖：知識導圖的構建可以使學生知道能級、能層之間的聯(lián)系和區(qū)別，能更好的體現(xiàn)重難點，為以后的復習提供指導。

2)基態(tài)與激發(fā)態(tài) 原子光譜

【任務3】金屬元素為什么呈現(xiàn)不同焰色？

[觀看視頻]播放一些常見元素的焰色反應視頻[7]，視頻截圖如圖1所示。

圖1 顏色反應教學視頻截圖

設計意圖：利用直觀的實驗現(xiàn)象激發(fā)學生的學習興趣，提高學生對問題探究的積極性。進一步引導學生根據(jù)現(xiàn)象推測其中涉及的化學原理，為引出基態(tài)、激發(fā)態(tài)和原子光譜知識點做鋪墊。

[講解]在穩(wěn)定的基態(tài)原子中，當電子受到外部提供的能量(如熱、電和光照等)刺激時，基態(tài)電子因吸收能量躍遷至激發(fā)態(tài)，而激發(fā)態(tài)的電子不穩(wěn)定，需要通過釋放能量躍遷返回穩(wěn)定的基態(tài)。一般情況下，能量釋放的主要形式是光和熱。因此，焰色反應的實質就是電子躍遷釋放能量的結果。

[提問]家里的臺燈打開一段時間后關閉，用手觸摸表面時會感覺到有余熱。那手機中的手電筒打開一段時間后，用手觸摸是否會有同樣的感覺？

設計意圖：通過提問，讓學生產生認知沖突，通過自主學習培養(yǎng)學生從多角度思考問題和驗證知識的學習意識。

[講解]在不同的元素原子中，電子發(fā)生躍遷時吸收或釋放的能量不同，光也就不一樣。進而原子光譜分為吸收光譜和發(fā)射光譜，分別對應電子躍遷時吸收和釋放的能量。在現(xiàn)代化學中，原子光譜常用來鑒定元素。

3)構造原理與電子排布式

[回顧]在必修第一冊中初步知道原子核外電子排布的一般規(guī)律：核外電子總是由里向外依次排布在電子層中；原子核外各電子層最多能容納2n2個電子；原子最外層電子數(shù)目不超過8個(K層為最外層時不能超過2個電子)。

設計意圖：從熟悉的知識入手，便于引入更深層次的知識點，也不易讓學生產生抵觸情緒，更方便學生構建知識體系。

[拓展]次外層電子數(shù)目不能超過18個，倒數(shù)第三層電子數(shù)目不超過32個。

【任務4】試一試，能否根據(jù)規(guī)律推測出1～36號原子的核外電子排布式？

[過渡]在能層與能級中，我們已了解核外電子的填充的順序為1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 3d → 4s → 4p……但是，這與課本圖1-5(圖2所示)展示的構造式3p → 4s → 3d產生矛盾，這是為什么呢？

圖2 構造原理示意圖

結合前期的教學研究內容[8]，引入徐光憲規(guī)則(n+0.7l)，清晰的看出核外電子占據(jù)軌道(即能級)的先后順序，讓學生清楚的區(qū)分，構造原理表述的是軌道能量，與電子排布式不是同一概念，示意圖如圖3所示。

(a) (b)

[講解]橫向對比圖3(a)和(b)，各能層包含的能級能量數(shù)字化?，F(xiàn)將“n+0.7l”做如下假設：“n”假設為能層數(shù)，并規(guī)定：n=K、L、M、N等；同理，“l(fā)”假設為能級，并規(guī)定l= s、p、d、f。因此，n+0.7l=K+0.7s。例如：1s=1.0?K=1s=1.0，即1 + 0.7s=1.0，可知s=0；2s=2.0?L=2 + 0.7×0=2.0；2p=2.7?2+0.7×p=2.7，可知p=1，同理可求出d=2。所以，K、L、M、N分別對應1、2、3、4；s、p、d、f分別對應0、1、2、3。反常的是3d=4.4>4s=4.0，電子先填滿3p再填充4s繼而填充3d，這種現(xiàn)象稱為能級交錯現(xiàn)象，它從第四周期開始出現(xiàn)。構造原理從能量的角度說明了核外電子占據(jù)軌道(即能級)的先后順序。必須強調的是，能級交錯源于光譜實驗事實是真實存在的，而構造原理是個假想過程。

設計意圖：利用圖片，不僅增強直觀性，而且將電子填充順序的本質和能級交錯等難理解的知識簡單化，有利于對知識的記憶和理解。

[補充]作為一個理論模型，構造原理存在一定的局限性。對于個別特殊的過渡元素核外電子的排布并不適用。如Cr和Cu的最后兩個能級的電子排布式分別為3d54s1和3d104s1，并不是先滿足4s，而是滿足整體能量最低，這樣它才穩(wěn)定[4]。

[講解]書寫電子排布式時，按照1s→2s→2p→3s→3p→3d→4s→4p→4d→5s……的順序進行書寫，電子填充時卻要符合能量的高低順序。

【例1】(2018年全國卷Ⅲ 第35題)Zn原子核外電子排布式為。

[解析]Zn是30號元素，位于第四周期第ⅠB，按照構造原理，最先從1s開始填充，按照能量從低到高依次為1s22s22p63s23p64s23d10，但是3d的能量是高于4s的，故電子先填滿4s再到3d。而電子排布式則根據(jù)能層大小排列，因此，核外電子排布式為1s22s22p63s23p63d104s2。

設計意圖：通過列舉高考真題強調做題要點：先排構造式(即軌道能量從低到高的順序)，再改寫為排布式(即能層從小到大的順序)。

[追問]通過對基態(tài)原子的電子排布式的學習，思考一下離子的如O2-、Na+和Cl-的電子排布式又如何書寫？

[講解]各元素的離子是在原有的基態(tài)電子排布式上得失電子，如Na+失去最外層的一個電子，因此Na+的電子排布式為：1s22s22p6；同理O2-為1s22s22p6，Cl-為1s22s22p63s23p6。

設計意圖：讓學生靈活運用知識，已到達知識遷移的目的。

【例2】(2018年江蘇卷 第21題)Fe2+的基態(tài)電子排布式為。

[講解]Fe為26號元素，從1s開始填充，考慮構造原理最后兩個能級的電子排布式為3d64s2，并易失去最外層的兩個電子成為Fe2+，所以Fe2+的電子排布式為1s22s22p63s23p63d6。

設計意圖：通過真題，讓學生感受元素的基態(tài)和離子的電子排布式的聯(lián)系與區(qū)別，使學生體會知識融會貫通的重要性。

【任務5】如“[Ne]”中，方括號里的符號有什么意義？

[過渡]通過上述學習，不難發(fā)現(xiàn)元素的原子序數(shù)越大，它的電子排布式表達越長，書寫時就變得困難，也就容易出錯，有什么方法可以簡化一下呢？

設計意圖：一方面是承接上文內容，另一方面是為引出下文所要將的知識點做鋪墊。

[講解]諸如[Ne]、[Ar]、[Kr]等稱為“原子實”，把內層電子數(shù)達到稀有氣體結構的部分，用稀有氣體元素符號外加方括號來代替，以簡化電子排布式的書寫。例如，Na：[Ne]3s1、Al：[Ne]3s23p1、Ca：[Ar]4s2，它們稱為簡化電子排布式。

[課堂練習]仿照Na：[Ne]3s1寫出O、Si、Cu的簡化電子排布式。

設計意圖：通過課后習題，挖掘隱藏知識點。對新知識點進行及時復習鞏固，也對易忽略的知識進行必要查缺補漏。

[講解]O：[He]2s22p4；Cu：[Ar]3d104s1，簡化電子排布式也適用于元素離子的電子排布式，如Fe2+：[Ar]3d6。

[補充]原子實外的部分稱為價層電子，價層電子排布式：主族元素用最外層電子數(shù)表示，如C：2s22p2；F：2s22p5；副族元素用最外層電子數(shù)加上次外層部分電子表示，如Mn：3d54s2；Fe：3d64s2；Zn：3d104s2。

5.3 作業(yè)布置，鞏固提高

[作業(yè)1]請完成P17練習與應用的前四題。

[作業(yè)2]請完成N、O、Na、Al、Ca、Ti、V、Cr、Ni、Cu的價層電子書寫。

設計意圖：通過課后作業(yè)，強化知識點的同時了解學生對知識的掌握情況。

5.4 教學反思

在教學設計中，設置一系列恰當?shù)娜蝿眨瑢W生通過主動完成任務，獲得方法并構建起知識體系，培養(yǎng)學科素養(yǎng)[9]。本教學過程中，始終堅持以“教師為主導，學生為主體”的教學原則，對疑難問題，通過教師的引導和講解，消除學生恐懼心理[10]，以便繼續(xù)進行后續(xù)環(huán)節(jié)。任務驅動取向教學，通過學生“小組討論”的形式解決問題，有利于培養(yǎng)學生的合作交流意識與能力[11]。

6 總結與展望

本教學設計將學習任務驅動做為主線，恰當?shù)貙⒛軐优c能級、基態(tài)與激發(fā)態(tài) 原子光譜、構造原理與電子排布式等零散知識點串聯(lián)起來。值得一提是，部分任務和日常生活現(xiàn)象緊密聯(lián)系，把生活素材融入課堂，使課堂更有生氣；當學生在探討生活現(xiàn)象時，不僅能掌握技能改善學習方式，還能更好的凸顯“以學生為中心”。更有，借助樓層和臺階講解能層和能級，以及引入徐光憲規(guī)則具體化構造原理，幫助學生從直觀層面理解抽象概念是本文的兩大亮點，對知識的理解提供參考思路。任務驅動型課堂能較好的幫助學生建立完善的知識體系，更能培養(yǎng)學生的知識運用能力，引導學生將課本知識與日常生活相結合，真正達到學有所用，學以致用的教學意義。本教學設計偏重引導學生通過“完成任務”的課堂教學。在實踐過程中，學生的分析能力、合作交流能力應進一步提高，同時也受課時時間、教學設備、學生之間的差異等多方面因素的影響，很難真正地凸顯任務驅動教學法的真正效果。因此，在今后的教學中優(yōu)化教學內容，深入了解學生，更有效地使“任務驅動”走向“自主驅動”。