指向核心素养的高中化学单元教学设计与实践——以沪科版新教材必修一“原子结构”为例

李锋云

（上海市上海中学，上海 200231）

一、研究背景

单元教学诞生于19 世纪末，并在20 世纪得到了长足发展。自20 世纪20 年代单元教学理念引入我国后，经过长期的实践探索，其有效性也得到了广泛认可。2016 年，教育部公布了“中国学生发展核心素养”正式框架，并将其写入2017 年版普通高中课程方案中。学科核心素养的形成和发展是以课堂教学为基础的，通常需要跨越若干个课时；而单元教学设计是教师根据选定的单元内容统领若干课时教学活动的过程设计，从这个角度而言，“学科核心素养”和“单元教学设计”之间具有天然的契合性。钟启泉指出，“单元教学设计不是单纯知识点传输与技能训练的安排，而是以一定主题的教学内容单元作为教学设计的基本单位，基于学科核心素养安排和设计课堂教学”。①钟启泉：《学会“单元设计”》，《中国教育报》2015 年 6 月 12 日，第 9 版。当前，基于学科核心素养进行单元教学设计已成为课堂教学的主流研究方向，这对学科核心素养落地、推动课堂教学转型具有重要意义。

《普通高中化学课程标准（2017 年版2020 年修订）》（以下简称“新课标”）的重要变化之一就是提出了化学学科核心素养，并以此统领课程目标、课程内容、课程实施和课程评价等。化学学科核心素养主要从5 个维度进行阐述，这5 个方面的核心素养虽各有侧重，但相辅相成。“证据推理与模型认知”是化学学科核心素养的一个重要组成方面，它不仅具有非常鲜明的学科特征，更是学科核心素养的思维核心。新课标指出，“证据推理与模型认知”核心素养具体表现为三个层次：其一是“具有证据意识，即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”；其二是“建立观点、结论和证据之间的逻辑关系”；其三是“知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，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”。②中华人民共和国教育部：《普通高中化学课程标准（2017 年版2020 年修订）》，人民教育出版社2020 年版，第4 页。“证据推理”是基于事实证据或实验证据等，经过逻辑思维活动，形成假说并进行论证；而“模型认知”则是为理解和阐释科学事实而建立科学模型，或为认识、理解和运用科学理论而建立认知模型，并运用模型解决问题和揭示规律。因此，“证据推理”是“模型认知”的前提和基础，而“模型认知”则是“证据推理”的进阶和高级形式。①赵铭，赵华：《证据推理与模型认知的内涵与教学研讨》，《化学教学》2020 年第2 期，第29-33 页。

2021 年9 月，依据新课标编制的沪科版高中化学新教材（以下简称“新教材”）②麻生明，陈寅：《普通高中教科书化学必修第一册》，上海科学技术出版社2021 年版。已全面施行，为使指向学科核心素养的单元教学能够更有效地落实新课程、新教材的理念，笔者以新教材必修第一册“原子结构”教学内容为例，实施了指向“证据推理与模型认知”核心素养的单元教学设计与教学实践探索。

二、单元教学内容分析

“原子结构”是高中化学必修课程“物质结构基础”主题的核心知识，也是物理学和化学的跨学科知识。新教材必修一将原子结构的内容编排在第4 章“原子结构和化学键”的第2 节和第3 节，该章第1节是元素周期表和元素周期律，第4 节是化学键。总体而言，整章的编排体现了“从宏观辨识到微观探析的认知发展、从孤立的微粒观到微粒作用观的观念进阶”的特点。原子结构的内容包括原子结构探索历程及原子的构成、核素及其质量的计量、核外电子排布等板块，具体如图1 所示。

图1 新教材“原子结构”内容结构图

“原子结构探索历程及原子的构成”板块，围绕“物质是怎样构成的”这一核心问题，从古代先哲的观点谈起，再到近现代科学家基于实验证据提出有代表性的原子结构模型，最后引出现代原子结构模型，并介绍构成原子的微粒及其性质。“核素及其质量的计量”板块，则将研究对象聚焦于原子核，通过给出“三种质子数相同而中子数不同的氢原子”，引出核素和同位素的概念；再由“某些核素会发生放射性衰变”推出放射性同位素的应用；最后以“原子的实际质量过小而不便计量”引入相对原子质量，并结合核素的丰度将其延伸为元素的基本参数之一。“核外电子排布”板块，将核外电子作为研究对象，基于核外电子运动的特点，指出“科学家主要运用量子力学等方法研究电子的运动规律”，进而建构了“电子在原子核外不同电子层上分层排布”的模型；通过给出“核电荷数为1—20 元素原子和第18 族部分元素原子的电子层排布情况”，引导学生归纳出核外电子排布的规律，建立“位置—结构”认知模型，再通过研究“元素化学性质与原子最外层电子排布”的关系，建构“结构—性质”认知模型；然后介绍了结构示意图和电子式这两种表征电子排布的符号工具，而这两种表征工具是建立在核外电子的排布规律基础上的；最后通过探究“元素性质随原子序数递增呈现周期性变化”的原因，建立了“位置—结构—性质”三者之间关系的认知模型。

因此，新教材认识“原子结构”核心知识的基本思路可从认识对象、认识顺序、认识视角及承载的素养发展功能等方面进行归纳，如图2 所示。

图2 认识“原子结构”核心知识的基本思路

“原子结构”内容承载了上述核心素养的发展功能，其中“证据推理与模型认知”素养的发展是贯穿内容始终的。新教材中，无论是基于“阴极射线”“α 粒子轰击金箔”等实验证据提出原子结构模型，还是通过量子力学研究核外电子运动状态、建立核外电子分层排布的抽象模型，都是科学家基于事实或实验证据，经过逻辑思维推理进而建立的科学模型。科学模型具有表征、解释、预测、重演等功能。①陈进前：《理解“模型认知”素养的不同视角》，《课程·教材·教法》2020 年第4 期，第108-113 页。结构示意图和电子式都是科学模型的符号化表示，可以表征核外电子排布；玻尔模型可以解释大多数原子均呈现稳定的状态；根据核外电子排布的情况可以预测元素的化学性质。学生在4.1 节“元素周期表和元素周期律”的学习中，已经建立“位置—性质”关系模型；学习“核外电子排布规律”时，又将逐步建立“位置—结构”“结构—性质”的关系模型；最后在“核外电子排布对周期律的解释”中整合原有的关系模型，形成“位置—结构—性质”的认知模型。运用这个认知模型，学生能够分析和解决有关元素及其化合物的性质问题，进而形成科学的认识思路和思维模型。

三、单元教学设计思考

单元教学设计一般包含单元课时规划、单元教学目标、单元教学活动及评价等要素，本研究暂不涉及单元教学评价。

1. 单元课时规划

根据新教材“原子结构”主题各板块的内容体量和编排特点，单元课时规划为“原子的构成”（1 课时）、“核素及其相对原子质量”（1 课时）、“核外电子排布”（2 课时），共计 4 课时。

2. 单元教学目标

分析新课标“物质结构基础”主题的内容要求和学业要求，发现涉及“原子结构”单元的主要有：认识原子结构、元素性质与元素在周期表中位置的关系，能利用原子结构解释元素性质及其递变规律和分析、预测、比较元素的性质；知道元素、核素的含义，了解原子核外电子的排布，能画出1—20 号元素的原子结构示意图。②中华人民共和国教育部：《普通高中化学课程标准（2017 年版2020 年修订）》，人民教育出版社2020 年版，第18-21 页。追溯学生已有的学习基础，厘清单元教学的起点，才能更好地设计单元教学目标。学生在初中阶段已初步认识物质的微观构成，而在前面4.1 节学习中知道了元素周期表的结构，认识了同周期和同主族元素性质的递变规律，并建构元素在周期表中位置和元素性质之间的关系模型。在明确本教学单元主要承载的学科核心素养发展要求，以及新课标对本教学单元的导向性要求后，再结合学生已有的认知发展水平，可以确定本单元教学目标，具体见表1。

表1 “原子结构”单元教学目标

3. 单元教学活动安排

学生的学习活动需要教师精心设计和引导，如果说确定教学单元和制定教学目标解决单元教学“教什么”的问题，那么设计教学活动则解决“怎么教”的问题。①叶佩玉：《中学化学教学设计》，上海教育出版社2016 年版，第248 页。结合新课标的变化和新教材的编排特点，主体承担“证据推理与模型认知”核心素养发展的单元教学活动设计，应关注关键性问题的处理，如下所示：

（1）基于实验证据推动科学模型的建立和演变，进而实现认知的进阶

早在古代文明时期，中外思想家就曾思考“物质的构成”问题，也提出一些观点，但这并非基于实验证据推理而来。直到近现代，科学家才开始基于实验或事实的证据提出论点，对物质的构成乃至原子结构的认识不断发展：基于质量守恒定律、定比定律和倍比定律，认识到原子的存在；基于阴极射线实验，认识到原子是有结构的；基于α 粒子轰击金箔实验，认识到原子核的存在和核外电子绕核高速运动的状态；基于大多数原子呈现稳定状态的事实，认识到电子在原子核外空间特定的轨道上绕核运动；基于核外电子的运动特点，认识到需用量子力学研究其运动规律。

本单元教学的第一课时“原子的构成”沿着历史发展的脉络，再现科学家探究物质构成和原子结构的历程，旨在使学生体会基于实验证据建立的原子结构模型不断演变的发展过程；第三课时“核外电子排布”则聚焦于原子的核外电子，通过描述核外电子运动特点，提出研究方法，进而建立电子分层排布的抽象模型，再基于“部分元素原子的电子层排布情况”的事实证据，推理归纳出多电子原子核外电子排布遵循的规律。整个单元的教学大体上按照先整体后局部的线索依次展开，“实验证据”“科学模型”“模型认知”这三个要素协同发展，从而更好地达成教学目标。以第一课时为例，证据、模型和认知的逻辑关系如图3 所示，需要指出的是，这也是单元课时教学活动演进的核心线索。

图3 原子结构的“证据—模型—认知”逻辑关系

（2）基于核心知识建构关系模型，实现认知模型的进阶设计

如果说教学目标指引着教学的方向，那么教学的起点则对教学设计具有定位作用。按照新教材的编排顺序，在开展“原子结构”单元教学之前，学生已经完成了“元素周期律（表）”单元的学习。学生通过元素周期律（表）的学习，已经认识“元素在周期表中位置”与“元素性质”之间的内在逻辑关系，建立“位置—性质”二维认知模型，这也是本单元教学的起点。如前所述，本单元教学主要承担的核心素养发展功能之一，就是引导学生建构“位置—结构—性质”的三维认知模型，并基于该模型分析、比较元素及其化合物的性质。然而，该认知模型的建构和发展并非一蹴而就，而是随着核心知识遵循其内在逻辑逐步展开而逐层推进的，这就需要教师在设计单元教学活动时予以整体考虑。

本单元教学的第三课时，提出了“确定未知元素原子的电子层数和最外层电子数”的实际问题，引导学生探究“周期序数与电子层数”“族序数与最外层电子数”等关系，进而建立“位置—结构”二维认知模型；第三课时，研究金属单质和非金属单质的化学性质，得出“元素的化学性质与原子的最外层电子排布密切相关”，形成“结构—性质”二维认知模型；第四课时，从研究“为什么元素的性质会随着原子序数的递增呈现周期性变化”入手，引导学生从研究原子中核外电子排布变化规律的角度，去理解元素性质的周期性变化规律，整合已有的二维模型，厘清“位置”“结构”和“性质”三者之间的内在逻辑，形成“位置—结构—性质”的三维认知模型。本单元教学活动中的驱动性问题、核心知识和认知模型的逻辑关系如图4 所示，这也体现了认知模型的进阶设计。

图4 “位置—结构—性质”三维认知模型的进阶设计

（3）设计基于历史情境的对话活动，体会模型方法的重要作用

知识能否转化为素养很大程度上取决于教学活动的设计与实施，这其中包括学生活动的设计。情境能够为学生的学习活动提供必要的信息，从而支持和促进学生的学习活动。教学情境的创设离不开情境素材，教学内容不同，情境素材的应用策略也不同。

原子结构的探索历程实际上是科学家基于实验事实和计算建立各种原子结构模型并不断演进的过程。而教学的难点就在于如何让学生在课堂教学的有限时间内，理解科学家基于实验证据推理建构原子结构模型的思维过程。因此，教学时可以将原子结构的探索历程设计成情境，引领学生进入科学发现时期的历史情境，通过设计系列对话活动，增进学生对知识的理解，形成基于证据进行推理的意识，体会模型方法在化学研究中的重要作用，进而内化为学科核心素养。

教师利用本单元教学的第一课时，设计分析推理、解释说明类的对话活动，如设计“如果你是道尔顿，如何运用提出的原子论来解释质量守恒定律、定比定律和倍比定律”的对话活动，引导学生通过解释说明进一步加深对“道尔顿是如何基于实验证据建立原子论”的理解；又如设计“如果你身处汤姆孙发现电子的时代，关于原子的结构，你又会有何想法”的对话活动，引导学生基于“电子带负电荷，而原子是电中性的”进行分析推理，重走汤姆孙当年建立葡萄干面包模型的思路历程；再如设计“根据α 粒子轰击金箔实验的结果，有人认为原子内部有可能存在多个相同的、带正电荷的核，如果你是身处那个时代的卢瑟福，会如何回应”的对话活动，引导学生运用运动学的碰撞规律进行分析推理，排除这种可能性，进而沿着卢瑟福的思考轨迹“建立”有核模型。在第二课时，教师可设计比较分析类的对话活动，如设计“原子的质量极小，如果你身处道尔顿提出原子论的时代，如何方便地表示原子的质量”的对话活动，引导学生通过比较建立数据分析模型，做出当年科学家曾做的选择，即以某种原子的质量作为标准，采用相对质量进行计量。

四、单元教学实践案例剖析

依据单元课时的规划和拟定的教学目标，遵循单元教学活动的设计，以“原子的构成”一课的教学片段为例，进行“原子结构”单元的教学实践。

1. 创设情境，引出物质的微观构成问题，了解古代先哲的观点

教学片段1：

（情境）展示金块被不断切割的图片，让学生想象把一片金块不断切成更小的小块最终能得到什么，从而引出物质的微观构成问题。

学生思考，猜测可能是分子、原子等微粒。

教师：同学们做出了不同的猜测，我们暂且搁置争议，先来了解一下古代先哲的观点。大约公元前400 年，中外思想家都曾思考过类似的问题。古希腊哲学家德谟克利特在原子唯物论学说中认为，物质由极小的、不可分割的被称为“原子”的微粒构成。同时代的中国战国初期思想家墨子认为，物体分到不能再分成两半的时候，就不变了，因为它已经到“端”了。这种“原子”或“端”的概念，只是一种哲学观点，并没有经过实验的验证。

学生认识到古代中外思想家的观点也只是猜想，需要实验证据来证明是否正确。

2.体验近现代科学家基于实验证据推理建立科学模型的过程，认识到科学模型是不断经历修正和完善的

教学片段2：

（α 粒子轰击金箔实验动画演示）绝大多数的α 粒子都直线穿过金箔，但有极少数α 粒子发生偏转，有个别α 粒子甚至被直接反弹回去。

教师介绍：1909 年，卢瑟福领导的科研小组就做了该实验。根据实验结果，运用运动学规律，分组讨论原子内部的结构。

组1 学生：绝大部分α 粒子能直线穿过金箔，说明原子几乎是空的。

组2 学生：极少数的α 粒子发生偏转，有个别甚至被直接弹回，说明原子内部存在一个很小的、密度很大且带正电荷的核。

教师提问：原子内部有可能存在多个相同的、带正电荷的核吗？

组3 学生：如果每个原子有多个相同的核时，每个核拥有的质量与只有一个核时相比会下降不少，根据运动学的碰撞规律，高速运动的α 粒子若撞上核，也很可能无法直接弹回。

教师总结：大家刚才的分析已推翻了汤姆孙的葡萄干面包原子模型。1911 年，卢瑟福提出了原子结构的有核模型。

3. 认识原子的构成，基于证据推理构成原子的微粒之间的数量关系

教学片段3：

（素材）列表给出质子、中子和电子的质量、相对质量和电荷等基本数据。

教师启发：根据表中所列数据，小组讨论下列问题：在原子中，质子数、核电荷数和核外电子数之间存在怎样的数量关系？原子的质量主要由哪些微粒决定？

组4 学生：每个质子带1 个单位正电荷，中子不带电荷，故原子核的核电荷数等于其核内的质子数。原子整体显电中性，而每个电子带1 个单位负电荷，所以核电荷数也等于核外电子数。由表中数据可知，电子的质量大约只有质子或中子的1836 分之一，可以忽略不计，因此原子的质量主要由质子和中子决定。

五、单元教学设计的反思与改进

“原子的构成”教学的主体内容在旧教材中也基本覆盖，但是新课标新教材对该内容提出了更高的要求，赋予它学科核心素养发展功能的要求。这就决定了“原子的构成”的教学设计与实施都是以素养发展为导向的，且主要指向“证据推理与模型认知”核心素养。通过课堂观察、抽样访谈，探查单元课时的教学效果，笔者总结出如下策略：

1. 基于证据的教学，促进学生证据推理意识的养成

基于证据的推理是人类重要的科学思维方式之一，而这要求学生具有证据意识，形成“证据支持观点”的论证思路，学会“有理有据”地思考推理。苏霍姆林斯基认为，学生希望自己就是一个发现者、研究者、探索者。①苏霍姆林斯基：《给教师的100 条建议》，杜殿坤译，教育科学出版社2015 年版，第63 页。如果教师在教学中能立足情境收集证据、基于证据进行推理，就会激发学生的求知欲，进而促进证据推理意识的养成。基于证据进行推理的实践贯穿“原子的构成”的教学始终，无论是基于“阴极射线偏向于正电极板”推理出“阴极射线由带负电荷的电子组成”，还是基于“绝大部分α 粒子能直线穿过金箔”推理出“原子几乎是空的”。抽样调查发现，学生基本都能认识到原子结构模型是科学家在大量实验证据的基础上经过推理提出的抽象模型；每一次模型的提出，都是对以前模型的质疑，都要用新的实验去验证质疑的合理性，也都受到当时科技水平的限制。

2. 聚焦推理的过程，促进逻辑推理能力的进阶发展

基于证据经过严密的逻辑推理过程得出观点，是证据推理的核心所在。教师在引导学生认识各种原子结构模型时，要让学生思考并体验这一过程。如果基于证据进行逻辑推理的教学过程都被直接给出的观点所替代，那么“基于证据进行推理，进而建构科学模型”的素养发展就失去落脚点，科学探究精神的实践也丧失殆尽。证据推理能力的发展主要受到知识基础、逻辑思维、学习方式等因素的影响。

（1）借助跨学科知识，为逻辑推理奠定知识基础

基于证据进行逻辑推理时，往往需要运用学科知识对证据进行分析、推理、演绎、归纳，而这也是教学难点之一。例如，原子结构模型的建立需要跨学科知识的支撑，尤其对学生的物理学知识提出了较高的要求；在对“α 粒子轰击金箔实验结果”进行分析时，对学生的碰撞理论知识提出了较高的要求；而分析“有核模型”的缺陷时，又对学生的电磁学理论知识提出了要求。笔者在进行这些内容的初次教学时，通过课堂观察发现很多学生难以跨越这个难点，课后调查发现，这与学生缺少“运用跨学科知识进行分析”的意识有很大关系。因此，教师可通过课前发放资料包的形式引导学生回顾或学习相关物理学知识，后续在其他班级的教学中成效明显。

（2）充分发挥“质疑”的纠错功能，促进逻辑推理能力的发展

质疑是推动科学研究不断前行的原动力。学习原子结构模型的建立和演变需要学生具备较强的逻辑推理和科学思辨的能力。在教学中，学生观察到“有个别α 粒子被直接弹回”这一实验现象时，教师可以引导学生进行思考辨析“如果参照‘葡萄干面包模型’，实验现象又该是怎样的”，进而对“葡萄干面包模型”提出质疑，然后再基于发现的新证据进行推理，从而促进学生逻辑推理能力的进阶发展。其实也正是不断经历这样的过程，原子结构模型才得以不断演变和发展。

（3）借力合作学习，提升证据推理的成效

调查发现，大多数学生认为，个体通过证据直接推理原子内部可能的结构还是很具有挑战性的，如基于“有个别α 粒子被直接弹回”推理出“原子内部存在一个很小的、密度很大且带正电荷的核”，可以通过设计小组合作学习，思考争论，集思广益，能有效地突破这个难点，从而提升课堂推理的成效。

“证据推理与模型认知”核心素养指向的原子结构教学，关注的不仅是学生认识各种原子结构模型的知识指向，还应更关注培养学生基于证据进行质疑的意识、通过逻辑推理提出假说的能力和运用模型解决问题的观念。