发展“证据推理与模型认知”素养的单元整体教学

白建娥 李奇 宋兆爽 时萍萍

摘要：秉承新课程“素养为本”的理念设计鲁科版教材选择性必修模块“原子结构”单元整体教学。分析教材内容的编排特点与蕴含的素养价值，对实验证据与科学模型之间的逻辑关联进行系统梳理，并将“证据推理与模型认知”学科核心素养目标落实在课堂学生活动和板书设计当中。

关键词：证据推理; 模型认知; 化学学科核心素养; 原子结构

文章编号：1005-6629（2021）08-0043-05

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

1 设计理念

“证据推理与模型认知”是化学学科五大核心素养之一，具体表现为“具有证据意识，能基于证据对物质组成、结构及其变化提出可能的假设，通过分析推理加以证实或证伪;建立观点、结论和证据之间的逻辑关系……;建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律”[1]。“证据推理与模型认知”是核心素养的思维中心，其中证据推理是模型认知的前提和基础，模型认知是证据推理的进阶和高级形式[2]。本新课程重视“素养为本”的教学，倡导以学科大概念为核心的结构化设计，因此在选择性必修模块2“原子结构”教学中精心设计了重在发展学生“证据推理与模型认知”素养的单元整体教学。

2 内容分析

“原子结构”是中学化学的核心概念，也是物理和化学学科的交叉内容。鲁科版新教材选择性必修模块2将原子结构的内容编排在第一章第一节和第二节，包含原子结构模型、量子力学对原子核外电子运动状态的描述与基态原子的核外电子排布3个板块，具体内容如图1所示。

第一板块，基于氢原子的线状光谱完成了从卢瑟福“核式模型”到玻尔“量子化轨道模型”的过渡，最后引出现代量子力学“电子云模型”;第二板块，通过给出“钠原子处于n=4的状态上的核外电子跃迁到n=3的状态，会产生多条谱线”、“在外磁场存在的情况下，无论是氢原子还是多电子原子的光谱中，原来的一条谱线都可能分裂为多条”、“在无外磁场的情况下，用高分辨率光谱仪可观测到氢原子中的核外电子由n=2的状态跃迁到n=1的状态时得到的是两条靠得很近的谱线，同样情况下钠原子的黄色谱线也是靠得很近的兩条谱线”等光谱实验证据，说明玻尔模型中用一个量子数n已不能满足需要，从而介绍现代量子力学理论对核外电子运动状态的描述，引入“原子轨道”概念;第三板块，呈现核外电子排布需遵循的3个原则：能量最低原理、泡利不相容原理与洪特规则，强调该规则建立在诸多光谱实验事实基础上，最后归纳出基态原子核外电子在原子轨道上的排布顺序（构造原理图）。教材特别指出，这一顺序并不代表电子填充后在原子中各原子轨道的能级高低顺序，给出此顺序仅仅是为了给学习和研究提供方便。

鲁科版教材的编排方式体现了“证据推理与模型认知”素养导向，凸显了证据意识，强化了模型认知。模型认知可分为两大方面：一是利用模型认识事物及其变化，二是通过建构认知模型建立解决问题的思考框架。前者指科学模型，后者指科学认知模型[3]。笔者认为，教材中无论是显性化的原子结构模型，还是隐性的量子力学对核外电子运动状态的描述、核外电子分层排布的规律，都属于科学模型，是科学家基于实验证据建构的思维模型。科学模型具有表征、解释、预测等功能[4]。电子排布式、轨道表示式是对核外电子排布的表征，依据原子轨道模型可以对原子光谱数据进行解释，由构造原理能够对任何基态原子的核外电子排布做出预测，是否合理则需接受实验事实的检验。发展“证据推理与模型认知”素养的教学，有利于纠正学生头脑中固有的“原子结构模型就是真实的原子结构”“原子核外电子逐个填入固定的原子轨道”等错误概念，使其对思维模型与真实世界有辩证的、科学的认识。

3 教学设计

3.1 以实验证据与科学模型之间的关联贯穿单元教学始终

科学家对原子结构的认识是螺旋式发展的：基于阴极射线实验认识到原子可分;基于α粒子散射实验，认识到原子核的存在;对核外电子运动状态的认识则经历了“绕核做圆周运动→在量子化固定轨道上绕核运动→像一团云雾随机出现在核外”的渐进过程。“原子结构”单元教学第一课时再现科学家对原子结构的研究历程，第二、三课时聚焦核外电子，先描述核外电子的运动状态，然后表征核外电子的排布。教学沿着先整体后局部的顺序展开，“实验证据”“科学模型”与对模型的认知贯穿始终，以促进教学目标的达成。图2、图3是笔者系统梳理的第一、二课时中实验证据与模型认知的逻辑关联，同时也是教学活动逐层推进的核心线索。

3.2 以发展“证据推理与模型认知”素养为目标设计学生活动

学生是学习的主体，教学中如何将知识转化为学生的素养？需要通过设计学生活动，增进学生对知识的深刻理解，在活动中形成解决问题的思路和方法，进一步内化为学科核心素养。

原子结构模型是科学家基于实验事实与大量精确的计算推演得出的，其中要用到大量的经典物理学知识。课堂上如果没有必要的信息提示，让学生由实验证据推理建构出科学家冥思苦想好久才慎重提出的原子结构模型是不现实的。因此，第一课时笔者着重设计了说明论证、分析解释类的学生活动，给出实验证据和相应的原子结构模型（见图2），让学生对证据与模型进行逻辑关联，由证据对模型进行说明论证，用模型分析解释实验证据。课堂上给足时间让学生表达，使其思维外显，同时鼓励其他同学质疑甚至辩论。为了诊断学生素养的达成情况，笔者还设计了连续的追问，如“葡萄干布丁模型中，电子与带正电的部分能否交换角色”“如果葡萄干布丁模型合理，高速运动的α粒子会有怎样的行为”“α粒子散射实验中哪点现象无法用汤姆逊的模型解释”，这种刻意放慢节奏的设计，可以培养学生的证据意识，促进学生的高水平思维。

描述核外电子运动状态的原子轨道是量子力学求解薛定谔方程得出的，基于中学生的认知水平，课堂上不可能还原科学研究原貌，好在深奥的量子力学理论完美地符合了实验事实，基于光谱实验数据理解描述核外电子运动状态的4个量子数符合学生由浅入深的认识发展规律。本课时设计的学生活动大多是进行观察、推理和总结归纳。笔者通过查阅文献，标出钠原子发射光谱中的典型谱线（见图4），让学生根据谱线推测、分析可能的原因。

圖4左3条谱线的颜色不同，代表电子跃迁始末的能量差不同，学生推测不同能层电子能量不同，n越大，电子能量越高。图4右两条谱线都是从第6能层跃迁回第3能层，谱线颜色不同。学生推测当能层相同时，电子具有的能量也可能不同，能级概念的引入便水到渠成。至于每一能层的能级数、轨道数以及最多容纳的电子数，笔者均以表格的形式呈现在PPT上。经过短暂的观察，学生均能十分顺利地归纳得出准确的结论。这种“发现式”教学方式比单纯讲授效果要好得多，学生参与度高、获得感强。

第三课时核外电子的排布，笔者没有沿袭传统“教师灌、学生练”的教法，而是给学生提供了自主学习、充分暴露错误、不断纠错的机会。首先让学生阅读教材第11页的“方法导引”栏目，了解电子排布式与轨道表示式的写法。接着模仿示例写出N、 Na、 S基态原子核外电子排布的2种表示方法。当学生出现特定能级电子数目有误、同一轨道电子自旋状态相同、简并轨道上的电子优先排满一个轨道再去填充第二个轨道等错误时，教师抛出能量最低原理、泡利不相容原理和洪特规则3个“锦囊”，请学生据此以小组方式互相纠错。然后PPT呈现18～36号元素中除Fe、 Cr、 Cu之外的基态原子电子排布式，请学生总结构造原理。紧接着运用构造原理完成Fe、 Cr、 Cu的基态原子核外电子排布式。最后给出第4个“锦囊”——洪特规则的特例，请学生再次修正Cr和Cu的电子排布式。用4个锦囊妙计穿针引线，经过几轮次的信息加工、出错纠错，学生在热烈的讨论、互动中学会了核外电子排布的表征，同时深刻体会到基态原子的核外电子排布是基于大量光谱实验数据构造出的思维模型，是一个假想过程。

3.3 板书设计结构化地体现“证据推理与模型认知”核心素养

原子结构内容抽象、枯燥，为了调动学生的兴趣和积极性，单元教学中采取了多样化的手段与丰富的教学资源吸引学生主动参与。阴极射线实验视频、模拟α粒子散射实验动画、鲜活生动的钠原子光谱图、原子轨道角度分布图像模型等素材轮番亮相，不断刺激学生的各种感官。最终能否画龙点睛般地给学生一个结构化的系统认识，则要靠结构化的板书来实现。本单元整体教学是北京市海淀区的研究课，学生固定、教师变换，3节课在同一教室一气呵成。PPT居中，两边的黑板左边是副板书，呈现学生的观点、回答和电子排布的表征，可随时书写或擦除;右边是主板书，由3位教师连续生成并完善。学科核心概念、基础知识与教学中始终围绕的“证据推理与模型认知”素养导向都在主板书中清晰外显（如图5所示）。

结构化的板书设计充分体现了“原子结构”3个板块之间的联系，第一课时以电子云模型结束;第二课时承接电子云模型，聚焦具有波粒二象性的电子的运动状态，提出4个量子数;第三课时的3种符号表征与第二课时量子力学模型中的能层、能级、轨道一一对应。每节课都贯穿“证据与模型”的素养主线，扎实而又循序渐进地帮助学生将“证据推理与模型认知”的化学学科核心素养落地生根。

4 教后反思

北京市时隔多年以后从2020届开始重新开设《物质结构与性质》模块，因此本单元整体教学的效果无法通过纵向比较进行评估，只能依据新课标要求对学生做出评价。抽样访谈发现，学生基本都能认识到原子结构模型不等同于真实的原子结构，它们是科学家基于相关实验证据建构的思维模型;模型是不断发展的，即使是目前相对正确的“电子云模型”将来也可能被推翻;学生绝大多数达到了课标的“学业要求”，能够说明微观粒子的运动状态与宏观物体运动特点的差异，能够结合能量最低原理等3个规则写出1～36号元素基态原子的核外电子排布式和轨道表示式。当被问到“既然核外电子的运动是不确定的，为什么又会按照一定规律分层排布”这个颇具挑战性的问题时，有部分学生甚至能够说出所谓的“层”和“轨道”是科学家基于实验事实抽象出来的，电子以多种不连续的能量值在核外空间“诡异”地运动着，原子光谱就是电子在不同能量状态之间“切换”（跃迁）所产生的。笔者认为，本单元的内容为学生打开了一扇探秘微观世界的窗户。虽然仍有相当一部分学生对实验证据和模型之间的逻辑关联在理解上显得吃力，还不能独立顺畅地运用证据论证模型或运用模型解释证据，但是已为之后的继续学习、深入理解做了良好的铺垫。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社，2018：4.

[2]赵铭，赵华. 证据推理与模型认知的内涵与教学研讨[J]. 化学教学，2020，（2）：29～33.

[3]冯品钰，何彩霞. 发展学生模型认知的化学教学实践[J]. 教育与装备研究，2018，4（4）：29～33.

[4]陈进前. 理解“模型认知”素养的不同视角[J]. 课程·教材·教法，2020，4（4）：108～113.