葉蘭峰 孔琴飛 潘小歐

摘要：高中化學(xué)教學(xué)中由于受到缺乏先進儀器等客觀條件的制約，無法對物質(zhì)開展微觀結(jié)構(gòu)的實驗研究，難以解決教學(xué)中的認識沖突[1]。作者通過構(gòu)建化學(xué)史解決認知沖突，滲透化學(xué)學(xué)科思想，讓學(xué)生感悟化學(xué)史實，尊重化學(xué)史。

關(guān)鍵詞：認知沖突；化學(xué)史；原子核外電子的排布

文章編號：1008-0546（2016）08-0024-03 中圖分類號：G633.8 文獻標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.08.009

認知沖突是指人在認知發(fā)展過程中的原有概念或認知結(jié)構(gòu)與現(xiàn)實情境不相符時心理上所產(chǎn)生的對立性矛盾或沖突。一旦引發(fā)這種認知沖突，就會引起學(xué)生認知心理的不平衡，就能激起學(xué)生的求知欲和好奇心，使學(xué)生產(chǎn)生解決這種認知沖突獲得心理平衡的動機。運用直觀實驗、運用客觀事實、運用生活發(fā)現(xiàn)等引發(fā)認知沖突，相信大部分老師都能運用自如，而采取哪些方式去解決這種認知沖突，達成新概念的建立是化學(xué)教學(xué)中的難點。

一、問題提出

蘇教版《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》作為繼高一年級必修課程《化學(xué)1》、《化學(xué)2》之后的選修課程，它將從原子、分子水平上幫助學(xué)生認識物質(zhì)結(jié)構(gòu)的規(guī)律；以微粒之間不同的作用力為線索，側(cè)重研究不同類型物質(zhì)的有關(guān)性質(zhì)，使學(xué)生初步認識物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系，能從物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的視角去解釋一些簡單的化學(xué)現(xiàn)象，預(yù)測物質(zhì)的有關(guān)性質(zhì)；幫助學(xué)生形成有關(guān)物質(zhì)構(gòu)成的科學(xué)觀念，學(xué)習(xí)科學(xué)思維和科學(xué)研究的方法，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。高中化學(xué)教學(xué)中由于受到缺乏先進儀器等客觀條件的制約，無法對物質(zhì)開展微觀結(jié)構(gòu)的實驗研究，難以解決教學(xué)中的認識沖突。筆者查閱大量文獻，關(guān)于蘇教版“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”的教學(xué)論文較少，下面就以“原子核外電子的排布”為例，讓化學(xué)史“說話”解決認識沖突從而推進課堂教學(xué)的有序前行，希望能夠引起同行們對該教材的重視達到拋磚引玉的作用。

二、設(shè)計思想

本課時的教學(xué)從宏觀世界與微觀世界共同點：能量越低越穩(wěn)定這一自然規(guī)律入手，以研究氮原子核外電子排布為主線，在思考中遇到認知沖突，借用化學(xué)史解決沖突，在鞏固概念中又遇認知沖突，再用化學(xué)史解決沖突，依次循環(huán)促使概念得以深化、內(nèi)化。

三、教學(xué)實錄

1. 初遇沖突，“玻爾”說話

[生活導(dǎo)課]水往低處流，說明能量越低越穩(wěn)定是自然界萬物遵循的規(guī)律之一。宏觀物質(zhì)如此，微觀世界也不例外，處于能量最低狀態(tài)的原子叫基態(tài)原子，這樣的原子也最穩(wěn)定。

[問題思考1]多電子原子核外電子排布有哪些規(guī)律才能使能量最低？請同學(xué)們以氮原子為例，寫出該原子的原子結(jié)構(gòu)示意圖。

[學(xué)生闡述]分層排布；每層最多不超過2n2個；最外層最多不超過8個，次外層最多不超過32個等。

[學(xué)生板演]

[問題思考2]為什么K層最多排2個？L層最多排8個？

[學(xué)生釋疑]K層只有1s軌道，一個原子軌道最多排2個電子；L層有2s，2p兩種類型軌道，四個原子軌道一共最多排8個電子。

[機理支撐]原子核外電子先占據(jù)能量低的軌道，然后依次進入能量高的軌道，這樣使整個原子處于最低的能量狀態(tài)。因此，氮原子的電子排布式為1s22s22p3。

[跟進強化1]請同學(xué)們書寫O和Cl原子的核外電子排布式，并分享書寫電子排布式的經(jīng)驗。

設(shè)計意圖：通過生活中的宏觀現(xiàn)象水往低處流的本質(zhì)是萬物循環(huán)的規(guī)律 （低能量的狀態(tài)是穩(wěn)定的）引出微觀世界中的原子核外電子排布可以消除學(xué)生對于新知識內(nèi)容的陌生感。然后通過先行組織者理論提出[問題思考1]、[問題思考2]，完全符合最近發(fā)展區(qū)理論，學(xué)生運用已有知識與經(jīng)驗加深了對能量最低原理的理解，再通過[跟進強化1]達成知識的鞏固與落實。

[跟進強化2]請同學(xué)們書寫Ca原子的核外電子排布式。

[問題思考3]Ca原子的核外電子排布式是1s22s22p63s23p64s2、1s22s22p63s23p63d14s1還是1s22s22p63s2 3p63d2呢？說說你的理由。

[“玻爾”說話]1920年，玻爾通過引入量子化條件，提出核外電子排布的構(gòu)造原理，如圖1所示。

[學(xué)生闡述]Ca原子的核外電子排布式是1s22s22p63s23p64s2。依據(jù)構(gòu)造原理從電子層角度來看，第1層到第7層，能量依次升高；從能級角度來看，s，p，d，f能量依次升高，總體符合大多數(shù)原子核外電子排布，但局部存在能級交錯的現(xiàn)象，如4s比3d低。

[跟進強化3] 請同學(xué)們書寫Fe原子的核外電子排布式。

[學(xué)生闡述]Fe原子的原子序數(shù)是26，在核外電子排布過程中出現(xiàn)4s比3d低的能級交錯現(xiàn)象，所以Fe原子的核外電子排布式是1s22s22p63s23p63d64s2。

[排布結(jié)論] 原子核外電子排布需要遵循能量最低原理。

設(shè)計意圖：學(xué)生通過[跟進強化2]寫出了Ca原子的核外電子排布式有3種與已學(xué)知識能量最低原理矛盾而陷入思考僵局。此時，化學(xué)史玻爾構(gòu)造原理的出現(xiàn)讓學(xué)生有了雪中送炭的感覺，緊接著又以Fe原子的核外電子排布式加以明確4s軌道的能量比3d軌道的能量低，從而將能量最低原理落實到了實處。

2. 再遇沖突，“泡利”說話

3. 后遇沖突，“洪特”說話

[問題思考5]N原子的2p三個軌道上的三個電子運動狀態(tài)又如何？請同學(xué)們畫出。

[學(xué)生板演]

[跟進強化4]請同學(xué)們書寫O和Cl原子的核外電子軌道表示式。

[排布結(jié)論] 原子核外電子的排布在遵循能量最低原理和泡利不相容原理，還需符合洪特規(guī)則。

設(shè)計意圖：[問題思考5]是[問題思考4]的一個延續(xù)， N原子的2p軌道中的三個電子運動狀態(tài)種類繁多，如何抉擇?；瘜W(xué)史洪特規(guī)則的出現(xiàn)，不僅讓學(xué)生作出了快而準(zhǔn)的選擇結(jié)論，更讓學(xué)生掌握核外電子軌道表示式的書寫法則。

[跟進強化5]請同學(xué)們書寫24Cr原子的核外電子排布式和軌道表示式。

[學(xué)生板演]24Cr原子的核外電子排布式：1s22s2 2p63s23p63d44s2

24Cr原子的核外電子軌道表示式：略

[資料呈現(xiàn)] 根據(jù)實驗測定，24Cr原子的電子排布式：1s22s22p63s23p63d54s1。

[問題思考7]難道這樣排布會使原子能量達到最低？

[洪特規(guī)則補充] 某些過渡元素s、d軌道接近全滿或半滿時電子排布可能作出微調(diào)，以降低體系能量，使整個原子的能量最低。

[課堂追問]若原子軌道3d全滿，則原子序數(shù)最小多少？

[尊重事實]科學(xué)研究必須建立在實驗的基礎(chǔ)上，因此原子核外電子排布要以實驗測定的結(jié)果為準(zhǔn)。

[教學(xué)過渡] 原子序數(shù)較大原子的核外電子排布式書寫比較復(fù)雜，為了避免電子排布式書寫過繁，可以把內(nèi)層電子已達到稀有氣體結(jié)構(gòu)的部分寫成“原子實”，以稀有氣體的元素符號外加方括號表示。例如，鈉原子的電子排布式可表示為1s2 2s2 2p6 3s1 或 [Ne]3s1。3s1就是鈉原子的外圍電子，觀察下圖2，請說說各原子外圍電子的特點。

[學(xué)生闡述]對于主族元素而言，外圍電子就是最外層電子，對于副族元素而言，外圍電子除了最外層電子，還包括次外層d軌道上的電子。

[跟進強化6] 請同學(xué)們書寫Ca和Fe原子的簡化電子排布式。

設(shè)計意圖：學(xué)生依據(jù)已學(xué)知識信心滿滿書寫出的24Cr原子的核外電子排布式竟然與實驗測定結(jié)果24Cr原子的核外電子排布式存在較大差異從而再次引發(fā)認知沖突。實驗是化學(xué)的靈魂，尊重實驗是每位化學(xué)工作者與學(xué)習(xí)者共同的前提與默契，洪特規(guī)則的補充為大家解釋了這一特殊排布。然后通過逆向提問“若原子軌道3d全滿，則原子序數(shù)最小多少？”促使學(xué)生充分理解洪特規(guī)則與洪特規(guī)則補充。學(xué)生通過觀察表1，對比分析主族與副族明確外圍電子排布式，掌握簡化核外電子排布式的表示方法。

[問題思考8]為什么多電子原子核外電子排布的規(guī)律是分層排布；每層最多不超過2n2個；最外層最多不超過8個，次外層最多不超過32個？

設(shè)計意圖：[問題思考8] 代替以往習(xí)題式的課后練習(xí)，不僅達到習(xí)題式課后練習(xí)的功效，更是對課堂概念的引入作了呼應(yīng)，對本課時的概念進行了內(nèi)化。學(xué)生通過思考，體會到化學(xué)是講道理的，知其然更要知其所以然，也能明白教材知識內(nèi)容安排的合理順序。

四、教學(xué)啟示

在無法借用化學(xué)實驗探究的前提下，一節(jié)枯燥的概念課只要化學(xué)教育工作者用心去設(shè)計也可呈現(xiàn)出不一樣的滋味。本課時就是通過學(xué)生構(gòu)建認知沖突，運用化學(xué)史解決認知沖突，滲透化學(xué)學(xué)科思想，感悟化學(xué)史實，使學(xué)習(xí)者隱約感覺到化學(xué)學(xué)科的發(fā)展是站在巨人的肩膀上不斷成長的。

參考文獻

[1] 徐立海， 黃君明. 物理教學(xué)中的“引發(fā)認知沖突”策略[J]. 物理教師， 2011， 32（3）： 15-17

[2] 王祖浩.高中化學(xué)教學(xué)參考書[M].南京：江蘇教育出版社，2005