单元教学设计2 原子结构-高中化学单元教学设计

013 << 单元教学设计 2  原子结构  ★ 一、单元教学主题确定 化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的自 然科学，原子是构成物质的微观粒子之一，一切化学核心概念的学习都围绕原子展 开。原子结构是中学化学阶段的重要概念，也是学生认识化学键、原子轨道、电子 云、构造原理、原子核外电子排布规律、元素周期律、有机物的结构与性质等化学 基本概念和原理的基础。例如，在中学化学特别是有机化学的学习过程中，要让学 生树立起“结构决定性质”的化学核心思想，原子结构中的核外电子排布知识等内 容是学生从微观角度认识有机物结构的基础，学生如果在学习之初就对有机物分子 结构有一个清楚的把握，那么其在学习有机物的性质与有机反应变化规律时也就更 明白。因此，原子结构这部分知识对于培养学生化学学科的思维方式，尤其是帮助 学生形成“结构决定性质”的化学核心思想具有重要的作用，同时能够帮助学生形 成化学的基本观念。新的课程标准的颁布意味着新课程的改革，为了更好地支持学 生的发展，落实培养学生化学学科核心素养的目标，其优化了化学课程的结构，其 中选择性必修 2《物质结构与性质》模块变成了所有选择化学的学生必须学习的内容， 因此，模块中原子结构相关内容的学习也变得格外重要。 原子结构这部分知识内容较为抽象，受空间想象力的限制，学生常常对许多问 题感到难以理解。原子结构这部分知识又涉及大量的相关概念，如高中化学必修阶 段与原子结构相关的概念有质量数、核素、同位素、核外电子排布等，选择性必修 2 《物质结构与性质》涉及与原子结构相关的概念更加庞杂，包括能层与能级、基态与 激发态、原子轨道、电子云、电子跃迁、价电子、电离能、电负性等，这些难以感 >> 014 　高中化学单元教学设计　 知的、晦涩的抽象概念造成学生在理解上存在一定的难度。原子结构概念的学习对 指导学生高中化学学习有着非常重要的作用，但理论科学模型由于其抽象程度和假 设性质往往成为学生学习的一个概念性障碍，目前的研究发现大部分学生对于这部 分知识内容的学习存在困难，存在着较多的相异构想。构成物质的微粒看不见、摸 不着，这使学生在学习原子结构这部分知识时往往缺少感性认识，加之原子结构这 部分知识内容抽象程度高，涉及的基本概念庞杂且不容易理解，导致学生在原子结 构学习上出现了许多困难。 基于以上分析，本单元的教学主题定为：基于对原子结构模型的探索过程，落 实“证据推理与模型认知”的核心素养；基于对原子核外电子运动状态的探究，了 解实验事实是建构模型的根本，了解微观粒子与宏观物体运动的巨大差异性，以及 我们研究微观粒子运动方式需要从量子力学的角度切入；基于对原子核外电子排布 规律的探索，掌握核外电子排布式的书写规则，深化对“结构决定性质”的理解并 应用，发展“宏观辨识与微观探析”的学科核心素养。  ★ 二、单元教学内容分析 （一）在教材中的地位和作用 人教版高中化学必修第一册中第四章物质结构与元素周期律第一节原子结构与 元素周期表中原子结构内容是基于初中对原子结构知识认知基础上的深化，是让学 生通过了解原子核的结构，从而掌握原子核决定了元素和核素的种类，通过对给出 电子分层结构，引导学生总结原子核外电子排布规律。必修第一册中的原子结构知 识主要是为后边介绍元素周期表和元素周期律做铺垫，并未深入研究原子结构。 人教版高中化学选择性必修２《物质结构与性质》第一章第一节“原子结构” 是高中阶段对原子结构认识以后的提升与总结，是让学生理解元素原子结构的异同， 对于让学生形成“结构决定性质”的化学学科重要思想具有重要意义。学生在学习 选修课程阶段将对核外电子的排布从能层深入到能级，认识原子核外电子的排布规 律。原子结构这部分知识还是学生理解原子结构与性质的关系、元素周期表和元素 周期律的重要理论基础，所以本部分内容在整个高中化学的学习过程中起着承上启 下的重要作用。 　单元教学设计 2  原子结构　 015 << 通过分析必修与选择性必修阶段对原子结构相关内容的要求，我们可以发现高 中阶段原子结构内容的学习存在一定的进阶。在必修阶段对原子微观结构的探索并 不深入，仅停留在电子层和最外层电子上，并未涉及原子核外电子的能量与运动状 态，在选择性必修 2《物质结构与性质》模块，内容上增加了核外电子的运动状态和 排布规律，要求学生理解核外电子运动状态以及能量状态的特点：知道电子运动状 态的描述方式，同时对核外电子的排布也深入到能级角度。 （二）在教学中的地位和作用 《普通高中化学课程标准（2017 年版 2020 年修订）》对原子结构部分给出了具体 的内容要求和学业要求，具体内容如表 2-1 所示。 表2-1　《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》对原子结构部分的  内容要求和学业要求 学  段 内容要求 学业要求 必修课程 主题 3 ：物质结 构基础与化学反 应规律 认识原子结构、元素性质与元素在元素周期表 中位置的关系。了解原子核外电子的排布。结 合有关数据和实验事实认识原子结构、元素性 质呈周期性变化的规律 能画出 1 ～ 20 号元素的原子结 构示意图，能用原子结构解释元 素性质及其递变规律，并能结合 实验及事实进行说明 选择性必修课程 模块 2 ：物质结 构与性质 主题 1 ：原子结 构与元素的性质 1. 原子核外电子的运动状态 ：了解有关核外电 子运动模型的历史发展过程，认识核外电子的 运动特点。知道电子运动的能量状态具有量子 化的特征（能量不连续），电子可以处于不同 的能级，在一定条件下会发生激发与跃迁。知 道电子的运动状态（空间分布及能量）可通过 原子轨道和电子云模型来描述 2. 核外电子排布规律 ：知道原子核外电子的能 级高低顺序，了解原子核外电子排布的构造原 理，认识基态原子中核外电子的排布遵循能量 最低原理、泡利不相容原理和洪特规则等，知 道 1 ～ 36 号元素基态原子核外电子的排布 1. 能说明微观粒子的运动状态与 宏观物体运动特点的差异。 2. 能结合能量最低原理、泡利不 相容原理、洪特规则书写 1 ～ 36 号元素基态原子的核外电子排布 式和轨道表示式，并说明含义 3. 能说明构建思维模型在人类认 识原子结构过程中的重要作用， 能论证证据与模型建立及其发展 之间的关系。能简要说明原子核 外电子运动规律的理论探究对研 究元素性质及其变化规律的意义 课程标准指出首先应当关注学生在必修阶段对原子结构的已有认识；其次是可 以将氢原子光谱和多电子原子光谱的现象作为引发学生认知冲突的素材，在此基础 上修正原子结构模型；最后指出了化学史在教学过程中的重要作用，其不仅可以作 为传递人文精神的素材，还能促进学生对科学本质的理解。 原子结构模型的演变经历了一个相对漫长的过程，不同的科学家在实验事实和 理论依据的基础上，在前人提出模型的基础上不断地进行改进和修正，最终发展成 >> 016 　高中化学单元教学设计　 为今天被人们所公认的量子力学模型。原子结构模型的演变历史在帮助学生理解原 子结构模型的科学性、了解科学研究所用的方法等方面有独特的作用，课程标准中 提出的借助科学史实多角度展示人类对微观结构的认识过程，也正是注意到了科学 史实在建构原子结构科学模型中的重要作用。  ★ 三、单元教学学情分析 （一）学生已有知识与能力 在义务教育阶段，学生已初步了解原子结构并具备了模型观，认识到宏观物质 由微粒构成，原子结构与微粒存在必然联系。进入高中阶段，尤其是通过必修第一 册钠、氯等元素化合物的学习，学生的物质感性认识能力得以提升，并初步形成了 “结构决定性质”的化学思想。这一学习过程进一步发展了学生的化学学科核心素 养，为后续基于核心素养的教学打下了良好基础。 （二）学生学习障碍点 学生在初中阶段的学习大多停留在识记水平，研究方法也大多采用宏观方式。 对于原子结构中原子核的探索尚未涉及，对于核外电子这类微观粒子运动的研究方 法和表征手段存在认知不足。这是学生在学习原子结构时的主要障碍点。 （三）学生学习发展点 为突破这些障碍，学生可通过学习原子结构发展史，体验科学从哲学思辨到实 验探究的辩证发展过程。通过对核外电子运动状态的描述，学生能建立对微观粒子 的认识角度。借助核外电子表征方式的研究，学生可以解释并了解化学性质，形成 “结构决定性质”“性质反应结构”的完整概念。以原子结构知识为基础，学生的核 心素养可不断发展，并完成逻辑的建构过程。 　单元教学设计 2  原子结构　 017 <<  ★ 四、本单元的概念层级 第 2 单元的概念层级如图 2-1 所示。 图 2-1  第 2 单元的概念层级图  ★ 五、单元教学目标设计 1. 基于“分”的思想，重温科学家对原子结构的探究过程，理解原子构成 微粒的数量和质量关系，了解同位素和核素的概念，学习科学表征原子构成的 方法；体会证据推理对于建构模型的重要性，形成建构模型的一般思路：思辨 猜想—实验探究—证据推理—模型认知—模型修正。 2. 通过还原玻尔模型和量子力学模型的建构过程，掌握光谱、能层、能级、 原子轨道、电子云、电子自旋等物理量的含义；认识能量具有量子化的特点， 可以用概率学特征描述核外电子运动的空间状态，进而明确微观粒子和宏观物 体运动的差异性，体会科学的探索性和发展性。 >> 018 　高中化学单元教学设计　 3. 通过分析、探讨典型物质性质差异的原因，了解原子核外电子排布的构 造原理，掌握核外电子排布式的书写规则；深化对“结构决定性质”的理解并 进行应用；发展“宏观辨识与微观探析”的学科核心素养。  ★ 六、单元教学评价目标设计 1. 诊断学生结合资料、实验证据推测实验结果并建构模型的能力，诊断并 发展学生用科学方法表征原子结构的能力。 2. 诊断并发展学生区分宏观物体与微观粒子认识角度的能力，诊断并发展 学生从量子化、概率学的角度描述核外电子运动状态的能力。 3. 诊断并发展学生运用“位—构—性”的化学思维预测、解释元素性质的 能力；诊断并发展学生从微观视角深入认识物质的结构，预测物质的性质和变 化的能力。  ★ 七、单元整体教学框架 第 2 单元整体教学框架如图 2-2 所示。 　单元教学设计 2  原子结构　 019 << α NH Cu 2 O α α Be Li Na K NH 图 2-2  第 2 单元整体教学框架图 >> 020 　高中化学单元教学设计　  ★ 八、单元整体教学流程 （一）第 1课时：探寻原子结构 【板块一】再次开启对“原子结构”的探寻之旅。 【教学情境】日本向大海排放第一批核污水。 【引入新课】思考：氢 -3（氚）到底是什么原子？又为什么具有放射性？ 【学生活动】思考、感悟。 【设计意图】创设情境，引发疑问，激发学生对“原子结构”的探究兴趣，引导 学生关注社会热点。 【任务 1】根据史实提炼道尔顿原子论的主要观点。 【教学情境】学习古典原子论。①德谟克利特的思辨；②拉瓦锡的定量实验；③ 普鲁斯特的定比定律。 【学生活动】小组讨论、汇报。根据哲学思辨、实验证据推测原子的特点。 【设计意图】培养学生获取信息的能力。体会古代哲学家对“原子”认识的哲学 思辨过程。通过分析近代科学家得到的实证结论，推测原子的特点，培养学生依据 证据进行推理的能力。 【任务 2】基于汤姆孙的气体放电管实验绘制原子结构模型。 【教学情境】介绍汤姆孙的气体放电管实验。①向氦气流施加强电场；②施加偏 转电压。 【学生活动】小组讨论、汇报。根据放电管中出现一条射线，且向正极偏转，推 测原子可再分，存在负电微粒，进而绘制原子结构模型。 【设计意图】基于“分”的思想重温电子的发现过程，体会证据推理对于建构模 型的重要性。 【任务 3】根据 α 粒子轰击金箔实验，修正原子结构模型。 【教学情境】介绍 α 粒子轰击金箔实验装置。金箔延展性好、很薄；α 粒子能量 高、体积小、带正电。 【学生活动】小组讨论、汇报。发现大部分 α 粒子均匀穿过金箔，极少数 α 粒子 发生大角度偏转，进而推测原子结构并绘制模型。 【设计意图】培养学生利用实验手段验证模型正确性的科学研究思维，加深学 　单元教学设计 2  原子结构　 021 << 生对证据—推理—模型关系的认识，培养学生“证据推理与模型认知”的学科核心 素养。 【任务 4】根据 α 粒子轰击 Be 实验，修正原子结构模型。 【教学情境】介绍 α 粒子轰击 Be 实验的结果：α 粒子轰击 Be，发现了一种穿透 力极强的中性射线。 【学生活动】思考。设计实验方案（轰击）。 【设计意图】培养学生从“分”的角度继续探索原子内部结构的科学思维；培养 学生从轰击的角度探究微粒能否再分的能力。 【板块二】定量表征原子的构成。 【任务 5】基于微粒的数量和质量信息表征原子的构成。 【教学情境】（1）表格信息：单个原子、质子、中子的基本数据；（2）资料卡片： 氚具有放射性的原因。 【学生活动】（1）小组讨论、汇报；（2）用原子符号（ AZ X ）表征三种原子（H、D、 T）的结构；（3）了解氚具有放射性的原因并思考核污水的用途。 【设计意图】培养学生从定量的角度认识原子，并用原子符号表征原子结构的能 力；培养学生从微观原子结构角度分析原子性质的能力；培养学生辩证看待化学物 质的思维方式，提高学生“科学态度与社会责任”的学科核心素养。 【任务 6】用化学用语表征原子的核外电子排布特征。 【教学情境】表格信息：稀有气体元素原子的电子层排布。 【学生活动】小组讨论、汇报。基于稀有气体元素原子的电子层排布情况归纳原 子核外电子的排布规律，课后绘制 1 ～ 20 号原子的原子结构示意图。 【设计意图】培养学生分析数据、归纳总结的能力；培养学生基于规律利用符号 表征原子核外电子排布的能力。 （二）第2课时：核外电子运动状态 【板块一】探索核外电子运动的特征。 【教学情境】学生对原子结构模型的认知基本上与卢瑟福的行星模型相符合。 【任务 1】请描述你认为核外电子是如何运动的。 【学生活动】用文字或者图示的方式描述核外电子在原子核外是如何运动的。 【任务 2】根据阅读材料，总结卢瑟福行星模型缺陷。 【学生活动】了解旧的模型缺陷，提出疑问，建立新的模型。 【设计意图】激发学生原有认知，制造认知冲突，引出旧的模型存在问题，需要 >> 022 　高中化学单元教学设计　 探索新的原子结构模型。 【教学情境】光谱学相关知识、氢原子光谱事实、能量量子化假说。 【任务 3】依据氢原子光谱修正行星模型。 【学生活动】依据微课视频：“光谱是什么”，学习光谱知识，描述氢原子光谱特 征，解释氢原子光谱形成原因。 【设计意图】根据光谱学事实修正行星模型，体会科学模型是由实验事实总结提 出的。 【教学情境】钠原子中处于 n=4 的状态的电子跃迁到 n=3 的状态时，会产生两条 波长不同的谱线。 【任务 4】解释钠原子两条波长不同的谱线的形成原因。 【学生活动】小组讨论、汇报：依据光谱知识，提出同一能层的电子能量可能还 会细分，并且能量不连续。 【教学情境】在外加磁场时，氢原子或多电子原子的一条谱线能分裂为多条。 【任务 5】分析谱线在磁场下产生分裂，体现了核外电子的什么运动特征。 【学生活动】小组讨论、汇报：依据物理学中磁场的知识提出，电子可能会有不 同运动方向的假设。 【教学情境】1921 年，德国物理学家施特恩和格拉赫实验。 【任务 6】根据施特恩 - 革拉赫实验现象，推测电子还有什么其他运动特点？ 【学生活动】小组讨论、汇报：依据物理学电磁场的知识提出，空间运动状态相 同的电子，本身可能还有不同的运动状态，可能像地球一样，有自旋的状态。 【板块二】描述核外电子运动的状态。 【教学情境】镍晶体电子衍射实验。 【任务 7】基于电子衍射模拟实验，总结电子具有什么运动特点？ 【学生活动】观看视频，小组讨论、汇报：电子具有波粒二象性，因此运动具有 不确定性。 【设计意图】基于对实验事实的分析理解，探索核外电子的运动特征，培养“证 据推理与模型认知”的核心素养。 【任务 8】基于电子运动的不确定性，我们该如何描述它的运动？ 【学生活动】阅读资料，小组讨论，用电子云模型描述电子的运动状态。 【教学情境】2023 年诺贝尔物理学奖，主要成就为“产生阿秒光脉冲以研究物质 中电子动力学的实验方法”。 【任务 9】上完本节课，请描述你心目中的核外电子运动状态。 　单元教学设计 2  原子结构　 023 << 【学生活动】从能量、空间、自身三个角度描述核外电子的运动特征。阅读材 料，体会最新科学前沿，期许不久的将来能通过仪器手段看到电子运动的真实状态。 【设计意图】回扣本节课程主题—核外电子运动状态，落实教学目标。 （三）第3课时：核外电子排布规律 【板块一】探究核外电子排布规律。 【任务 1】探究碱金属化学性质的相似性，以 Li、Na、K 为例。 【问题 1】推测 Li、Na、K 的化学性质为什么相似？ 【学生活动】小组交流、汇报。Li、Na、K 结构共性均为最外层电子数为 1。 【设计意图】培养学生通过性质归纳总结结构特点的能力，建立性质反映结构基 本观念。 【问题 2】请分析 Li、Na 原子的核外电子是如何进行填充的？如何表示其填充 方式？ 【学生活动】小组活动，交流汇报。 【追问 1】为什么从左到右排布？ 【追问 2】为什么每个轨道填充 2 个电子？ 【学生活动】讨论回答。内层电子能量低，更稳定。核外电子排布需要遵循能量 最低原理。类比电磁理论中小磁针，一个轨道填充 2 个电子保持自旋相反，能量最 低最稳定。 【投影】电子自旋。 【设计意图】通过物质性质推理结构特点，发展学生证据推理能力；通过两个追 问，培养学生认识核外电子排布的两个视角：能量视角、数量视角，为后续学习提 供方法指导。 【追问 3】如何用化学符号表征该过程？ 【学生活动】独立思考，观察学习。 【投影】轨道表示式、核外电子排布式、原子结构示意图。 【设计意图】从轨道、能级、能层三个维度学习表征方式，对比记忆，强化 认知。 【问题 3】据此分析 K 的核外电子是如何填充的？用电子排布式及轨道表示式 表示。 【学生活动】小组活动，推理预测。K 作为碱金属元素，最外层电子数为 1，核 外电子排布为 1s22s22p63s23p64s1，按照 3p → 4s → 3d 的顺序填充。 >> 024 　高中化学单元教学设计　 【投影】构造原理。 【设计意图】问题驱动，完善碱金属性质和结构探索。通过认知冲突，强化学生 “证据推理与模型认知”核心素养。 【板块二】预测和解释物质的性质。 【任务 2】试从原子结构角度，解释 NH3 中 N 元素配位特点。 【已知】NH3 易形成配合物，是因为 N 原子能够提供一对孤对电子，即同一原子 轨道上自旋相反的两个电子。 【问题 4】基于这样的性质，推测 NH3 中 N 原子的核外电子排布。 【学生活动】小组活动，交流汇报。N 最外层只能提供一对孤对电子，即只有 2s 轨道填充 2 个电子，2p 三个原子轨道各自填充 1 个单电子，自旋方向相同，以满足 能量最低。 【投影】洪特规则。 【任务 3】试从原子结构角度，解释 Cu 元素的性质。 【已知】取适量 Cu（OH）2 固体于坩埚中灼烧。①当温度达到 80 ～ 100 ℃时， 得到黑色粉末；②继续加热至 1 000 ℃以上，黑色粉末全部变成红色粉末 Cu2O。 【问题 5】高温下 Cu+ 比 Cu2+ 稳定，据此推测 Cu 原子的核外电子排布，并从结 构角度解释其原因。 【学生活动】小组活动，交流汇报。基于 Cu+ 更稳定这一性质特点，推理可得 Cu 最外层有 1 个电子，即 1s22s22p63s23p63d104s1，失去最外层电子后 3d 轨道全充满， 更稳定。 【投影】洪特规则特例。 【设计意图】培养学生推理总结能力，强化“证据推理与模型认知”核心素养， 并不断深化学生基于结构认识物质性质的化学学科核心观念。  ★ 九、教学反思 本教学案例以原子结构为核心内容，涵盖了必修第一册和选择性必修第二册的 相关知识，围绕“结构决定性质”这一学科大概念，整合教学内容并建构概念层级， 发展学生对核心概念的理解并逐步落实核心素养。分课时教学中，第 1 课时围绕“原 子可不可再分”这一本原性问题引导学生从证据角度认识和修正原子结构模型，培 　单元教学设计 2  原子结构　 025 << 养学生的探究意识和创新精神；第 2 课时围绕核外电子运动特征、表征方式两个角 度，引导学生从能量和空间角度认识并描述核外电子运动；第 3 课时围绕碱金属元 素化学性质特点、NH3 中 N 元素配位特点、铜元素性质特点引导学生从性质推理结 构特点解释和预测物质性质，发展学生关于“结构决定性质”的观念，培养学生的 归纳能力和演绎能力。 在教学实施中聚焦学科实践，还原知识产生与发展的背景，如道尔顿原子论、 汤姆孙的气体放电管实验、α 粒子轰击实验、施特恩 - 革拉赫实验、电子衍射模拟实 验等，让学生感知科学发展的同时借此形成从实践到认识再从认识到实践的探索能 力。通过设置教学任务驱动学生思考和探究，在落实基本知识基本能力的同时，建 构学科思维，从而提升认识问题、解决问题的能力，促进核心素养的落实。 在本教学案例中，重视“教—学—评”一体化的建设，通过合理设置迁移活动， 回应教学目标的同时，衡量学生学习与目标的差距，通过反馈改进学习，发展学生 的认知水平和核心素养，完成教学目标。例如，基于氢 -3（氚）体会放射性元素的 社会价值，培养学生辩证看待化学物质的思维方式，提高学生“科学态度与社会责 任”的学科核心素养；基于泡利原理和构造原理解释第四周期元素种类为 18 的原因， 发展学生的定量思维；基于核外电子排布规律，预测第二周期元素第一电离能的变 化规律，发展学生解决问题的过程中运用迁移性思维和批判性思维的能力，提高学 生“证据推理与模型认知”核心素养。