基于“认知模型”构建的教学设计

于宝忠　崔利新　张雪

[摘 要]

在必修阶段对原子结构、元素性质和元素周期律（表）的已有认识基础上，基于认识思路的结构化和化学核心观念的结构化，建构新的原子结构模型和元素周期律（表）模型，深化学生对微观结构和元素性质变化规律的认知，深入认识物质的结构与性质之间的关系，促进学生对学科本质的理解，发展化学学科核心素养。

[关键词]

认知模型；构建；教学设计

“原子的结构与元素的性质”是高中化学选择性必修模块2“物质结构与性质”中的主题1，是学生在必修阶段对原子结构、元素性质和元素周期律（表）的已有认识基础上，反思已有理论模型的局限性，建构新的原子结构模型和元素周期律（表）模型，深化对微观结构和元素性质变化规律的认知，深入认识物质的结构与性质之间的关系，促进对学科本质的理解，发展化学学科核心素养。本节复习课的主要任务是基于认识思路的结构化和化学核心观念的结构化[1]，在新授课基础上建构原子结构和元素周期律（表）认知模型，提高学生分析和解决问题的能力，诊断并发展学生的理论模型结构化水平，评价学生学科核心素养的发展水平和学业质量标准的达成水平。

一、教学与评价目标

（一）教学目标

（1）通过绘制核外电子运动特征和运动状态模型概念图及典型问题解析，巩固学生对微观粒子运动状态的理解，巩固构造原理及典型元素基态原子电子排布式（图）的书写。

（2）通过绘制元素周期律（表）模型概念图及典型问题解析，巩固学生对元素第一电离能、电负性变化规律的理解及应用。

（3）通过高考考纲分析与试题命制，明确学业要求，提高学生分析和解决问题的能力。

（二）评价目标

（1）通过概念图绘制过程中的问题引导及典型问题解析，诊断并发展学生对物质微观结构的认识水平、结构决定性质核心观念认识水平、物质转化中能量变化的认识水平、认识思路的结构化水平及学生对化学学科价值的认识水平。

（2）通过试题命制，诊断并发展学生分析和解决问题的能力，诊断并发展学生的化学学业质量水平，诊断学生的交流合作水平。

二、教学与评价思路

三、教学流程

（一）理论模型概念图绘制与典型问题解答

【学习任务1】电子云与原子轨道概念图的绘制与典型问题解答。

【评价任务1】通过核外电子运动特征模型的建构及典型问题解答，诊断并发展学生对物质微观结构的认识水平。

【教学流程】

[问题情境]1910年，卢瑟福进行了一次名留青史的实验——用α粒子轰击一张极薄的金箔（散射实验），并据此提出了原子结构的“行星模型”，否定了他的老师汤姆生提出的“葡萄干面包式模型”，使人类对原子结构的认识迈出了坚实的一步。卢瑟福的学生玻尔将量子力学引入到“行星模型”中，解决了经典电磁力学所无法解释的难题，使人类对原子结构的认识跨入了一个崭新的时代，玻尔因此而被誉为“原子结构学说之父”。根据现代原子结构模型——“电子云模型”，你如何理解原子核外电子的运动特征？

[学生活动1]学生与教师谈话协同构建核外电子运动特征模型概念图。

[学生活动2]解答典型问题（学案）。

[设计意图]教师选取核外电子运动特征，设计从电子云到原子轨道建立概念图，是基于“宏观与微观相结合的视角[2]”认识物质世界的基本方法，所以这不只是知识关联的简单结构化，更是基于认识思路的结构化和化学核心观念的结构化。引导学生由里及表构建核外电子运动特征模型（与教材内容呈现顺序相反），既有利于逻辑系统的展示知识间的内在联系，从而充分发挥概念图在教学中的优势，又有利于克服学习中的“审美疲劳”。通过模型建构过程中的交流互动及学生对典型问题的分析解答与互评，诊断并发展学生对物质微观结构的认识水平、认识思路的结构化水平及分析和解决问题的能力。

【学习任务2】电子排布式（图）概念图的绘制与典型问题解答。

【评价任务2】通过核外电子运动状态模型的建构及典型问题解答，诊断并发展学生对物质微观结构的认识水平。

【教学流程】

[问题情境]1955年，我国化学家徐光宪根据光谱实验数据归纳出用轨道的（n+0.7l）值来判断能级高低的近似规律，较好地解决了难于正确书写原子核外电子构型的问题。迄今为止，你认为怎样才能准确表示基态原子的核外电子运动状态？

[学生活动3]学生与教师谈话协同构建核外电子运动状态模型概念图。

[学生活动4]解答典型问题（学案）。

[设计意图]教师以原子结构基本原理为核心设计核外电子运动状态模型概念图，突出了化学基本原理在学习中的统领地位，培养了学生具有化学学科特质的思维方式和基本方法，促成了学生认识思路的结构化和化学核心观念的结构化。引导学生基于理论证据建构核外电子运动状态模型，通过模型建构过程中的交流互动及学生对典型问题的分析解答与互评，诊断并发展学生对物质微观结构的认识水平、认识思路的结构化水平及分析和解决问题的能力。

【学习任务3】元素周期律（表）模型概念图的绘制与典型问题解答。

【评价任务3】通过元素周期律（表）模型的建构及典型问题解答，诊断并发展学生对结构决定性质核心观念认识水平、认识思路的結构化水平及学生对化学学科价值的认识水平。

【教学流程】

[问题情境]1869年，门捷列夫制作了人类历史上第一张元素周期表，揭示了化学元素间的内在联系，成为化学史上的重要里程碑之一，恩格斯在《自然辩证法》一书中给予了高度评价。元素周期表和元素周期律知识对你学习化学有什么帮助？

[学生活动5]学生与教师谈话协同构建元素周期律（表）模型概念图。

[学生活动6]解答典型问题（学案）。

[设计意图]引导学生基于“结构决定性质，性质反映结构”这一化学学科核心观念，建构元素周期律（表）模型，形成“位”“构”“性”关系的系统思维框架。通过模型建构过程中的交流互动及学生对典型问题的分析解答与互评，诊断并发展学生对物质微观结构的认识水平、结构决定性质核心观念认识水平、物质转化中能量变化的认识水平、认识思路的结构化水平及学生对化学价值的认识水平。利用模型分析和解释一些常见元素的性质，巩固学生对元素第一电离能、电负性变化规律的理解及应用，提高学生分析问题和解决问题的能力，实现“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”等化学学科素养的发展。

（二）试题命制

【学习任务4】目标分析与试题命制

【评价任务4】通过试题命制，诊断并发展学生分析和解决问题的能力，诊断并发展学生的化学学业质量水平，诊断学生的交流合作水平。

【教学流程】

[问题情境]如何才能编制出一道好的试题？

[学生活动7]分析高考考纲（学案），以小组为单位，命制一道试题。

命题要求：题型为非选择题，题干形式不限，问题涉及5种以下元素（至少包含一種过渡元素），涵盖以上3种概念图，分值15分。

[学生活动8]小组试题展示与互评。

[设计意图]通过试题命制，熟悉高考考纲，明确考试方向，巩固学生认知结构中的思维模型，诊断并发展学生的理论模型结构化水平、分析和解决问题的能力以及交流合作水平，评价学科素养的发展水平和学业质量标准的达成水平。

【案例说明】

“原子的结构与元素的性质”是高中化学选择性必修模块2的核心内容之一，也是搭建高中化学知识体系的关键内容。“结构决定性质”是化学学科的核心观念，是“宏观辨识与微观探析”思维方式的具体表现形式。围绕化学核心概念和观念的结构化，通过概念图绘制和问题解决的策略进行单元复习，形成基于“认识思路”的结构化，从而提升化学核心概念和观念的结构化水平，发展他们的化学学科核心素养。

1.搭建概念模型，突出“认识思路”和“核心观念”的结构化设计

化学教学内容的结构化是促进学生从化学学科知识向化学学科核心素养转化的关键。单元复习课的特点是知识结构相对完整，有利于运用概念图对教学内容整体设计以达到知识关联的结构化。本节课的突出特点是有计划地进行“认识思路”和“核心观念”的结构化设计，如基于宏观与微观相结合的视角进行核外电子运动特征概念模型的建构，基于基本原理在学习中的指导地位进行核外电子运动状态模型的建构，基于“结构决定性质，性质反映结构”进行元素周期律（表）模型的建构，形成了本单元“位”“构”“性”关系的系统思维框架。这种基于“认识思路”和“核心观念”的结构化设计，为逐步提升学生的化学知识结构化水平，提升学生分析问题和解决问题能力，发展他们的化学学科核心素养提供了有力的支持。

2.优化提问设计，关注化学学科核心素养达成情况的诊断

提问与点评是有效开展化学日常学习评价的基本途径和方法之一，课堂提问的设计不应只关注基础知识和基本技能的达成情况，更应有意识地关注化学学科核心素养达成情况的诊断。例如：本节课中“你如何理解原子核外电子的运动特征？”这一问题，可以诊断学生能否基于微观和宏观两个视角认识原子结构；“你认为怎样才能准确表示基态原子的核外电子运动状态？”这一问题，可以诊断学生基于理论证据建构认知模型的水平，以及化学学科思维方式和基本方法的达成水平；“元素周期表和元素周期律知识对你学习化学有什么帮助？”这一问题，可以诊断学生基于“位”“构”“性”三者关系的认识思路的结构化水平以及结构决定性质核心观念认识水平。课堂点评也要有的放矢，增强促进学生化学学科素养发展的指导性。例如，教师设计学习任务：“分析高考考纲（学案），以小组为单位，命制一道试题”，针对学生对试题的展示与互评，教师从化学学业质量水平的达成、学生分析和解决问题的能力及化学核心观念的结构化角度进行点评，发展学生知识关联的结构化及认识思路的结构化水平，促进学生化学学科核心素养的形成与发展。

[参 考 文 献]

[1]教育部.普通高中化学课程标准[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]王云生.课堂转型与学科核心素养培养[M].上海：上海教育出版社，2016.

（责任编辑：张华伟）