1.1.1能层与能级 基态与激发态 原子光谱 教学设计 2025-2026学年高二上学期化学人教版选择性必修2

第一章《原子结构与性质》第一节 原子结构 第 1 课时 能层与能级 基态与激发态 原子光谱 一、课标要求 1.1 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。 1.2 知道原子核外电子的能级高低顺序 3.1 知道原子光谱是测定物质结构的基本方法和实验手段。 二、教材分析 本节课来自人教版《选择性必修 2 物质结构与性质》第一章第一节第 1 课时，是在学生学习了必修课程中原子结构知识的基础上，对原子结构的进一步深入探究。原子结构是化学学科的核心基础知识，它不仅是理解元素周期律、元素性质以及化学反应本质的关键，而且为后续学习分子结构与性质、晶体结构与性质等内容奠定了坚实的基础，在整个高中化学知识体系中起着承上启下的重要作用。 教材开篇介绍了玻尔在氢原子模型基础上提出电子填入原子核的“壳层 ”，后来“壳层”落实为“能层”与“能级”，理清了核外电子的可能状态。然后基于必修一中电子层(即能层)的符号表示、能量大小与容纳电子数，引出能级的概念。通过列表的形式，清晰的对比展示能级与能层的符号、容纳电子数的关系，再通过思考与讨论环节，总结能层与能级的区别与联系。 随后，引入基态与激发态的概念，解释激发与跃迁过程，再通过图片展示，形象的体现电子跃迁与生活的关系，进而介绍原子光谱及其在元素鉴定中的应用，将微观理论与实际应用紧密结合，体现了化学学科的实用性。 三、学情分析 高二年级的学生知道原子由原子核和核外电子构成，对电子在原子核外的运动有了一定的感性认识，但对于电子的能量状态以及其在核外的分层排布等深层次知识理解不够深入。他们具备一定的化学基础知识和生活常识，能够理解一些常见的宏观化学现象，如烟花的绚丽色彩，但尚未建立起宏观现象与微观原子结构之间的本质联系。 学习能力：这一阶段的学生正处于从形象思维向抽象思维过渡的关键时期，他们具有较强的好奇心和求知欲，对新鲜事物充满兴趣，具备一定的自主学习和合作探究能力。然而，对于能层与能级、量子化等较为抽象的概念，在理解和想象上可能会存在一定困难。在学习过程中，需要教师通过丰富的实例、直观的演示和有效的引导，帮助学生突破思维障碍，提升逻辑推理和抽象思维能力。 学习特点：学生在学习过程中更倾向于接受生动有趣、直观形象的教学方式。对于理论性较强的知识，如果单纯采用讲授法，容易使学生感到枯燥乏味，降低学习积极性。因此，在教学中应充分利用多媒体资源，如图片、动画、视频等，将抽象知识形象化，同时设计多 样化的学生活动，如小组讨论、实验探究（若条件允许）等，激发学生的学习兴趣，提高学生的课堂参与度，让学生在积极主动的学习氛围中掌握知识、提升能力。 四、教学目标 1、通过实验探究原子光谱的宏观特征，能基于现象预测其与原子内部结构有关，并建立“宏观现象—微观结构”的初步关联（水平 2），在实验现象交流与预测依据的分享中，诊断并发展学生从宏观现象推测微观本质的认识能力（单一视角水平、多维有序水平）。 2、通过对线状光谱实验事实的分析，理解能层和能级，认识原子核外电子运动的能量量子化特征，初步构建原子的构造模型（水平 2），在提问与讨论中诊断并发展学生对原子结构模型的认识水平（孤立水平、系统水平）。 3、通过在“检测白酒中的重金属元素”的真实情境中进行科学探究，认识光谱分析的原理与价值，体会化学在生产和科学研究中的重要作用（水平 2），在交流与分享中诊断并发展学生对化学价值的认识水平（学科价值视角）。 4、通过原子光谱的相关史实，感受科学家的创新能力与严谨求实的科学态度（水平2），在交流与分享中诊断并发展学生严谨求实、崇尚真理的科学态度（学科价值视角）。 五、教学重难点 重点：原子核外电子分能层与能级的排布；原子光谱的产生原理。 难点：原子核外电子分能层与能级的排布。 六、教学方法 问题驱动法、小组讨论法、动画演示法、AI 技术辅助法 七、教学思路 本节课以“检测五粮液中的重金属元素”为情境，融合化学史实，设计层层递进的问题，引导学生深入探究，初步构建“”原子结构→能层能级→ 电子跃迁→光谱”的认知模型。“情境-问题-活动-素养”四线并行，如图 1。 图 1 教学思路 学科网（北京）股份有限公司 八、教学过程 【情境创设】五粮液作为中国著名白酒之一，备受关注和喜爱，其背后离不开一套融合传统工艺与现代科技的严格品控体系。企业依靠国家级白酒评委的感官盲评来守护经典风味，还借助色谱分析技术解析酒体中的香味成分，运用原子光谱仪严格检测重金属含量，确保产品各项指标符合国家规范。 【情境问题】检测五粮液中重金属元素的高端科技是什么？ 【学科问题】什么是原子光谱？ 【活动元一】初识 ·原子光谱的量子证据 教师活动 学生活动 设计意图 【AI 数字人讲化学史】1666 年，牛顿把通过三棱镜的白光展成从红光到紫光(按照波长大小依次排布)的各种颜色连续分布的光带，开创了光谱研究的先河。1853 年，瑞典物理学家埃格斯特朗最先从气体放电的光谱中确定了氢原子的光谱线[1]。 【演示实验】H 、He 的光谱演示 【追问】原子光谱不连续，不同原子的光谱不同，这些现象背后的微观原因是什么？ 阅读化学史资料，了解连续光谱以及特征。 仔细观察原子光谱，对比白光光谱，发现原子光谱不连续，不同原子，光谱不同的特征。 猜想与原子结构有关 通过化学史和实验探究，引导学生从微观角度思考原子光谱与原子结构的练习，初步建立“宏观现象—微观结构”的关联，培养学生对科学探究的兴趣。 证据推理与模型认知：根据对比不同的原子光谱，初步建立“光谱不连续→ 原子结构有关”的推理链条。 【活动元二】探微 · 电子跃迁的能量阶梯 教师活动 学生活动 设计意图 【过渡】人类对原子结构的认识经历漫长的探索。 1911 年，卢瑟福提出原子核式结构模型：原子由原子核和核外电子构成， 电子围绕原子核作圆周轨道运动。 1912 年，玻尔(卢瑟福的学生)对核式结构模型提出了质疑[2]。 阅读化学史资料，了解原子结构研究的发展过程。 通过化学式教育，引导学生从发展的角度思考原子结构的演变，了解科学家对原子结构的探索历程，培养学生科学探究的质疑精神。感受原子结构的发展和完善过程。 学科网（北京）股份有限公司 【资料展示[3]】(1)根据经典电磁理论，若电子围绕原子核做圆周轨道运动，会自动、连续地辐射能量，随着能量减少，电子会坠入原子核内，原子将不存在。 (2)电子运动时， 以光的形式连续吸收或释放能量会形成连续光谱，若能量变化不连续，则形成线状光谱。 【资料展示】1913 年，玻尔提出了自己的假说：（1）电子在确定半径的圆周轨道上绕核运动，但不辐射能量。（2）电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，才会吸收或释放能量。 （3）在不同轨道上运动的电子具有不同的能量，能量是不连续的。 【模型问题 1】如何用学过知识描述玻尔假说中电子的绕核运动轨道？ 1、能层：核外电子按能量不同分为能层，也就是我们必修所学的电子层。符号用 K 、L 、M、N 、O 、P、 Q 等依次来表示对应能层。能层越高，离核越远，电子的能量越高。 【追问】氢原子核外只有 1 个电子，这个电子应该排布在哪一个能层？ 【动画演示并讲解】 基态原子：处于能量最低状态的原子； 当基态原子吸收能量，电子跃迁到高能量状态，变成激发态原子。激发态原子能量较高，不稳定，电子会跃迁到低能量状态，并释放能量。 与 AI 数字人玻尔对话，分析玻尔质疑核式结构模型的依据： （1）原子是稳定的系统 （2）原子光谱是线状光谱 与 AI 数字人玻尔对话，了解玻尔的假说，感受玻尔如何针对性解决核式结构模型的不足。 回顾必修一所学电子层相关知识，进一步掌握能层的符号，能量的高低关系。 【思考】氢原子核外只有 1个电子，这个电子应该排布在哪一个能层？ 认识基态原子的能量最低，认识激发态原子的能量特点，理解基态与激发态的转化。 通过对比经典电磁理论预测（原子湮灭、连续光谱）与实验事实（原子稳定存在、线状光谱）的矛盾，让学生深刻理解科学模型是在不断被“证伪”和“修正”中发展的。 引导学生认识到，玻尔假说的提出并非空想，而是为了针对性地解决旧模型与实验事实之间的巨大冲突，体验“问题驱动”的科学建模过程。 宏观辨识与微观探析：利用动画演示，将抽象的电子跃迁过程可视化，帮助学生建立微观电子跃迁的认知模型。 【探究问题 2】电子能在同一能层内进行跃迁吗？ 【AI 数字人讲化学史】有科学家通过高分辨率光谱仪观察到，氢原子核外电子从 n=2 跃迁到 n=1 状态，呈现的是两条靠得很近的谱线[4]；1947年，威利斯 ·兰姆通过高精度实验确认电子能在同一轨道内跃迁[5] 【追问】这些现象说明了什么问题？ 【模型问题 2】如何描述同一能层中不同电子的能量状态？ 2 、能级：同一能层的电子的按能量不同还分成不同能级。 能级符号：按照 s、p、d、f……排序(本书只要求到 f 能级) 能级表示方法：能层的序数(n)+能级符号(s 、p 、d、f)表示，如 4s 组织学生讨论教材 p7“思考与讨论问题”，适时给予指导和启发。 请同学们完成课堂练习，并展示点评。 【探究问题 3】处于不同能级的电子，其能量又遵循哪些规律呢？ 【AI 数字人讲化学史】1986 年，中国科学院院士，物理化学家徐光宪先生带领团队首次计算了周期表中1~100 各元素的中性原子中从 1s 到7s 轨道能量的数值，以便学者参考。 【资料展示】 1-20 号元素基态原子轨道能量数值。 【思考】这一光谱现象背后的原因，预测同一能层的能量不相同 认识能级符号、表示方法及其意义。 思考 4s 表示的含义？ 【2min 站立，小组讨论】围绕给定问题展开深入讨论。分析图表数据，总结能层与能级的规律，如各能层能级种类与能层序数的关系、能级容纳电子数规律等。 小组代表汇报讨论成果，其他同学进行补充和质疑，共同完善对知识的理解。 【课堂练习】 【2min 站立，小组讨论】基于徐光宪团队计算的能级数据，展开小组讨论，总结能级能量大小的一般规律。小组代表汇报讨论成果，其他同学补充完善。 证据推理与模型认知：能根据光谱证据合理推测，同一能层的电子能量也存在不同，进一步强化证据意识。 培养学生合作学习能力，表达能力；通过课堂练习及时反馈学生的学习成果。 科学探究：通过合作探究，培养学生分析数据、归纳规律的能力科学态度与社会责任：感受中国科学家的贡献，增强民族自豪感和科学责任感。 证据推理与模型认知：通过实验证据引导学生理解能级的复杂性，强化证据意识。 【活动元三】笃行 ·光谱分析的实践应用 教师活动 学生活动 设计意图 【应用问题 1】如何解释电子跃迁与原子光谱之间的联系？ 焰色试验产生的光谱属于哪种光谱？电子跃迁属于什么变化？ 【应用问题 2】在现代化学中，常利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素，称为光谱分析。 通过本节课所学，你能理解原子吸收光谱仪检测五粮液中重金属元素的原理吗？ 【视频展示】原子吸收光谱仪的在科学研究和化学生产中的实际应用。 积极思考并能从电子跃迁的视角理解日常生活中的发光现象。能判断电子跃迁属于物理变化过程。 积极思考，能根据老师的讲解，理解原子吸收光谱仪检测五粮液中重金属元素的原理。 宏观辨识与微观探析：引导学生将发光现象与原子结构联系，解释生活中宏观现象背后的微观原理，提升解决实际问题的能力。 通过原子吸收光谱仪的实际应用，使学生认识到化学不仅是理论知识，更是解决实际问题的工具，培养学生严谨求实的科学态度，以及运用化学知识服务社会的责任意识。 【课堂总结】引导学生自主构建本节课知识体系 本节课你在知识、能力、科学素养等层面都有哪些收获？ 【诊断评价】加强教考衔接，加深对知识的理解和应用 八、作业设计 (1)设计本节课知识的思维导图；(2)查阅资料，了解原子结构发展的科学故事。 九、板书设计 十、教学反思 本次课以“问题情境-历史研究-模型建构-实践应用”为主线展开教学。 1.真实情境导入，激发学习动机：以“检测五粮液中的重金属元素”这一生活化、科研化的真实问题开场，有效激发了学生的学习兴趣和求知欲，让他们体会到化学知识并非空中楼阁，而是解决实际问题的有力工具。 2.融合化学史实，彰显学科魅力：将牛顿、玻尔、兰姆、徐光宪等科学家的探索历程贯穿课堂，不仅还原了知识的发生发展过程，让学生感受到科学研究的曲折与艰辛，更在潜移 默化中培养了学生的实证精神和科学态度。学生通过历史资料阅读和教师讲解，对“能量量子化”等抽象概念的形成有了更深刻的理解。 3.注重模型建构，发展核心素养：本节课的核心任务是引导学生建立“原子结构→能层能级→ 电子跃迁→光谱”的认知模型。通过动画演示、小组讨论、图表分析等多种方式，帮助学生从宏观现象深入到微观结构探析，进一步提升学生的化学学科核心素养。 参考文献： [1]倪致祥. 《近代物理学中重大发现的再探索》连载③——巴耳末公式的再探索[J].大学物理，2010 ，29(08) ：61-65 [2]萧如珀，杨信男. 1913 年3 月6 日:玻尔向卢瑟福说明他的原子模型[J].现代物理知识， 2014 ，26(02): 57-58 [3]焦利燕，郑长龙，孟丽慧，等. 基于微观粒子运动本质再探核外电子运动的教学设计与实施[J].化学教育(中英文) ，2022 ，43(01) ：51-57 [4]周公度，段连运. 结构化学基础[M]. 第 5 版. 北京: 北京大学出版社，2017: 18 [5]杨庆余. 贝特与兰姆位移[J].物理与工程，2002 ，(03) ：63-65 $