基于任务驱动的高中化学原子结构教学设计*

张玉春，李艳妮，杨艳华

(昆明学院 化学化工学院，云南 昆明 650214)

基于高考选拔制度下，我国目前的高中课程教学依旧以应试高考为主，进而教师为提高学生成绩依旧使用传统的“填鸭式”教学方法，这不利于学生核心素养的培养，更不利于“立德树人”这一教育根本任务的落实[1]。化学是高中核心科目之一，《普通高中教科书 化学 选择性必修2 物质结构与性质》(以下简称《物质结构与性质》)是高考化学试卷的选考题之一的出处，并且对这部分内容的学习是学生进一步理解微观层面的必由之路，重要程度不言而喻。《普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订)》明确提出，教师在教学中要依据“宏观辨识与微观探析”的学科核心素养，结合学生当下的认知发展水平，使学生能从物质的微观层面理解其组成、结构和性质的联系，进一步强化“结构决定性质，性质决定应用”的观念[2]。同时课程标准也提倡“激发学生学习化学的兴趣，促使学生学习方式的转变”，以及“注重启发式、互动式、探究式教学，引导学生自主学习”[2]。基于上述教学方法和课标要求，我们尝试实践一种更加高效的教学方法。

建构主义指出，学生对知识的学习，是基于已有经验，用知识校对经验，然后主动建构起知识体系的过程。在建构主义中，教师在教学过程中只起到引导、组织、监督和提供素材的作用，这比较符合课标提出的“学生需具有自主发展能力和沟通合作能力，教师应引导学生积极开展建构学习、探究学习和问题解决学习的教学理念”[2]。“任务驱动教学法”是在建构主义理论基础上提出的，它打破学生在学习过程中以听讲为主的被动接受知识的教学方法，形成以“合作探究”“解决问题”“主动学习”等为特点的教学方法，并且通过设置适当的学习任务，让每一位学生面对问题时，活用知识和特有经验进行合作探究、解决问题[3]。

运用任务驱动教学法进行教学，能让学生始终处于积极、主动的学习状态。一个任务的完成，会使学生获得满足感和成就感，进而激发他们的求知欲望，逐步形成一个良性循环，在很大程度上提高了学习效率[4]。

因此，本文以《物质结构与性质》中的“原子结构”部分知识教学为例[5]，采用任务驱动教学法，选取可以设计为任务的相关知识，借助生活实例引出知识点，激发学生的学习兴趣和求知欲，在教学活动中不断完善学科知识体系，发展学生的学科素养。在刚开始的教学中，简单讲述原子结构化学史，让学生了解到对原子结构的研究是从“浅”到“深”再到“广”的过程，体会科学研究的态度和学科素养。在“能层与能级”的教学过程中，先回顾旧知，提出问题，发布任务，再进行引导解答，初步培养学生自主学习、独立思考、合作交流的能力，培养模型认知，宏观辨识与微观探析的学科素养。在“基态与激发态 原子光谱”的教学过程中，通过视频引出知识点，再发布任务，让学生自主完善知识点以增加知识储备，感受课本内容的局限性和自主学习的重要性。在“构造原理与电子排布式”的教学过程中，利用构造原理图，讲解能级交错，降低学习难度，培养学生的逻辑思维能力，通过大量练习，提高学生用符号直观表示原子核外电子的排布的能力，为后面的学习奠定基础[6]。

1 教学背景分析

1.1 教学内容分析

此内容位于《物质结构与性质》第一章 原子结构与性质<第一节 原子结构>，主要涉及能层与能级、基态与激发态 原子光谱、构造原理与电子排布式这三个方面的知识点。其中，能层与能级与《普通高中教科书 化学 必修第一册》中第四章 物质结构和元素周期律<第一节 原子结构与元素周期表>的原子结构这一知识点基本相同；构造原理与电子排布为之后学习泡利原理、洪特规则、能量最低原理奠定了基础，这样的内容编排方式体现出知识呈螺旋上升的趋势。该内容从核外电子层这一微观深入到更加微观的层面，在整本教材中为学习后续章节做基础铺垫，在整个高中化学中成为了通向了解“结构-性质”的桥梁。

1.2 学生情况分析

原子结构所涵盖的知识点基本都是概念性的且比较抽象，以学生已知的能级和能层为基础，采用螺旋上升的呈现方式，层层递进介绍新知。处于高二阶段的学生已经具备一定的抽象思维和空间想象能力，但主要以直观思维为主，对于抽象概念的学习仍存在很大的阻力，需要联系生活让学生便于理解。对于原子结构，是让学生知道它包含了哪些内容，又怎样影响宏观现象。

2 教学目标

2.1 知识与技能

①了解原子结构演变史，积淀学科素养；

②知道能层和能级，核外电子能级排布的构造原理，了解原子的基态和激发态的联系，能用电子排布式表示常见元素(1-36号)的基态电子排布；

③了解原子实和价层电子的概念，知道用简化电子排布式和价层电子表示元素的电子排布。

2.2 过程与方法

①通过主动学习、完成知识体系的构建；

②通过小组合作讨论交流、归纳总结，理解并掌握学习内容，并且能灵活运用所学知识解决问题；

③通过问题探究和讨论交流，体会化学理论知识的推理逻辑，强化类比归纳等学习方法。

2.3 情感态度与价值观

①通过对原子结构演变史的介绍引入教学主角，激发学生敢于质疑，能发现和提出针对性问题，勇于探究，大胆假设的学习品质，培养学生科学探究与创新意识的核心素养；

②通过对原子结构部分知识的学习，强化学生从微观和宏观相结合的角度去分析和解决实际问题的能力，培养学生宏观辨识与微观探析的核心素养；

③通过生活实例，构建模型，能基于模型发展学生抽象思维，培养学生证据推理与模型认知的核心素养。

3 教学重难点

3.1 教学重点

①核外电子的能级分布及构造原理；

②常见元素(1-36号)原子核外电子的排布式的表示。

3.2 教学难点

依据构造原理表示元素原子核外电子的排布。

4 教学方法

自主学习法、讨论法、练习法、讲授法、类比法和任务驱动法。

5 教学过程

5.1 简介原子结构演变 引入主题

对于原子结构的相关知识，教师直接讲述效果可能不太理想，借助必修第一册第88页的科学史话，结合引言，既有助于激发学生的学习兴趣，更有助于引入教学主题做准备。

【任务1】人类对原子结构的认识经历了怎样的过程？

[教师活动]引导学生简单梳理原子结构已从“原型论”深入到“模型论”再到对原子结构、分子结构和晶体结构等领域的研究。

设计意图：通过历史演变与时代发展相结合，了解“结构”的发展概况，一方面是为激起学生的好奇心，顺势引入主题；另一方面，让学生感受科学家们发现问题、提出问题和解决问题的科学探究心路，培养学生科学探究和创新意识及科学态度和社会责任的核心素养。

5.2 从不同的角度认识原子结构

借助具体的生活现象使抽象概念直观化，引导学生从不同角度进行观察和思考，使学生及时抓住所学习内容的重点或重要细节，并进行思考，让学生产生强烈的学习动机去弄清事实。再结合任务的发布，促使学生主动探究，及时调整学习思路，更加高效地完成学习目标。

1)能层与能级

[回顾旧知]在必修第一册对原子结构有了初步的认识，即原子由原子核与核外电子组成，原子核由质子和中子组成。

核外电子因能量的不同而被划分为不同能层，用一、二、三等表示层数，K、L、M等符号表示相应能层，每一能层最多能容纳2n2个电子。

设计意图：通过对已学习过的知识进行简单回顾，一是让学生集中注意力，二是为引出“能级”这个知识点做铺垫。

[提问]思考一下，为什么用字母K、L、M等符号表示能层？

[多媒体展示]这与诺贝尔物理学奖获得者查尔斯·格洛弗·巴克拉发现X射线的散射现象有关。当高能电子轰击金属元素时，同一元素会发射出不同频率的X射线，其中，频率越大波长越短。巴克拉为了给未发现的短波长X射线预留编排序号，将当时轰击得到的最大频率X射线，编排序号从K开始，而不是A。后经证实，轰击得到的最大频率X射线就是原子核外第一层电子发出的，因此，将原子核外第一层用K表示，第二层用L表示，依次类推。

设计意图：通过讲解化学史和科学家的主要贡献，一方面，可以激发学习学生热情，鼓励学生树立榜样，培养学生坚持不懈，永攀科学高峰的奋斗精神。另一方面，更加透彻地理解能层表示符号的来龙去脉，强化记忆，更加牢固的掌握好这部分知识内容。

【任务2】核外电子排布遵循怎样的规律？

[引导]以一栋七层教学楼为例，每一楼层间都有台阶相连，台阶高度不一致，且越靠近地面，楼层高度越低。若每一楼层可简单代表一核外电子层，由此可以推测，每一个电子层间，都存在像台阶一样的能级，且各能层能量不一样。

设计意图：通过生活实例，将宏观事物与微观概念相联系，方便学生理解抽象概念，加强对能层的理解的同时引出能级这一概念，提高学生合作交流的能力，培养学生证据推理与模型认知的核心素养。

[讲解]能层的能量由内到外依次升高，能层可分为不同的能级，能层包含着能级。

[提问]为什么用s、p、d、f等符号表示能级？

[讲解]经过科学家的不断探索和努力，在X射线研究基础上发展起来的光谱学，将能级用s、p、d、f等表示。其中，第一能层K有一个能级(1s)、第二能层L有两个能级(2s和2p)，依次类推。

若二楼表示原子核外第二层电子层，二楼的第一个台阶离地面的高度比一楼第一个台阶离地面的高度要高，即第二层电子层的第一能级比第一层电子层的第一能级能量高。即不同能层中，同类能级的能量也不相同。如1s<2s< 3s <4s……

设计意图：既可以让学生了解能级表示符号的来龙去脉，强化记忆，能更加牢固的掌握好这部分知识内容，也可也让学生感受到类比迁移的学习方法。

[追问]能级在能层中的排布有什么规律？各能级最多电子数的变化有什么规律？

[讲解]能级在能层中的排布顺序都是s、p、d、f……但是能层数是几，该能层就只有几个能级。比如，第三能层有三个能级，可以排3s、3p和3d三个能级。每个能级可容纳的最多电子数是固定的，并且s、p、d、f……依次为自然数中奇数序列1、3、5、7……的2倍，即2、6、10、14……

依然以一栋七层教学楼为例，以楼层象征能层，楼层中的每一级台阶代表一个能级。那么在这栋教学楼里，第一层楼只有1级台阶、第二层楼有2级台阶、第三层楼有3级台阶，以此类推。我们把每层楼里从下往上数的一、二、三、四级台阶分别用s、p、d、f替换，同一楼层中级数越大，该级距离地面就越高，即同一能层中能级排在越后面能级的能量越高，即：E(ns)

设计意图：先进行理论讲解，再通过生活实例，将生活中的宏观现象与化学中的微观概念相联系。一方面可以通过模型建构帮助学生更好地理解与记忆这一知识点；另一方面通过这样的宏微观联系，培养学生的证据推理与模型认知的核心素养。

[拓展]核外电子的填充是从第一能层的第一能级开始的，低能级填满后才到高能级。因此，核外电子排布按照1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 3d → 4s → 4p → 4d → 4f →5s……的顺序进行。

[练习]完成教材第7页的“思考与讨论”，引导学生构建能级和能层知识框架导图，完成学习任务。

设计意图：知识导图的构建可以使学生知道能级、能层之间的联系和区别，能更好的体现重难点，为以后的复习提供指导。

2)基态与激发态 原子光谱

【任务3】金属元素为什么呈现不同焰色？

[观看视频]播放一些常见元素的焰色反应视频[7]，视频截图如图1所示。

图1 颜色反应教学视频截图

设计意图：利用直观的实验现象激发学生的学习兴趣，提高学生对问题探究的积极性。进一步引导学生根据现象推测其中涉及的化学原理，为引出基态、激发态和原子光谱知识点做铺垫。

[讲解]在稳定的基态原子中，当电子受到外部提供的能量(如热、电和光照等)刺激时，基态电子因吸收能量跃迁至激发态，而激发态的电子不稳定，需要通过释放能量跃迁返回稳定的基态。一般情况下，能量释放的主要形式是光和热。因此，焰色反应的实质就是电子跃迁释放能量的结果。

[提问]家里的台灯打开一段时间后关闭，用手触摸表面时会感觉到有余热。那手机中的手电筒打开一段时间后，用手触摸是否会有同样的感觉？

设计意图：通过提问，让学生产生认知冲突，通过自主学习培养学生从多角度思考问题和验证知识的学习意识。

[讲解]在不同的元素原子中，电子发生跃迁时吸收或释放的能量不同，光也就不一样。进而原子光谱分为吸收光谱和发射光谱，分别对应电子跃迁时吸收和释放的能量。在现代化学中，原子光谱常用来鉴定元素。

3)构造原理与电子排布式

[回顾]在必修第一册中初步知道原子核外电子排布的一般规律：核外电子总是由里向外依次排布在电子层中；原子核外各电子层最多能容纳2n2个电子；原子最外层电子数目不超过8个(K层为最外层时不能超过2个电子)。

设计意图：从熟悉的知识入手，便于引入更深层次的知识点，也不易让学生产生抵触情绪，更方便学生构建知识体系。

[拓展]次外层电子数目不能超过18个，倒数第三层电子数目不超过32个。

【任务4】试一试，能否根据规律推测出1～36号原子的核外电子排布式？

[过渡]在能层与能级中，我们已了解核外电子的填充的顺序为1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 3d → 4s → 4p……但是，这与课本图1-5(图2所示)展示的构造式3p → 4s → 3d产生矛盾，这是为什么呢？

图2 构造原理示意图

结合前期的教学研究内容[8]，引入徐光宪规则(n+0.7l)，清晰的看出核外电子占据轨道(即能级)的先后顺序，让学生清楚的区分，构造原理表述的是轨道能量，与电子排布式不是同一概念，示意图如图3所示。

(a) (b)

[讲解]横向对比图3(a)和(b)，各能层包含的能级能量数字化。现将“n+0.7l”做如下假设：“n”假设为能层数，并规定：n=K、L、M、N等；同理，“l”假设为能级，并规定l= s、p、d、f。因此，n+0.7l=K+0.7s。例如：1s=1.0⟹K=1s=1.0，即1 + 0.7s=1.0，可知s=0；2s=2.0⟹L=2 + 0.7×0=2.0；2p=2.7⟹2+0.7×p=2.7，可知p=1，同理可求出d=2。所以，K、L、M、N分别对应1、2、3、4；s、p、d、f分别对应0、1、2、3。反常的是3d=4.4>4s=4.0，电子先填满3p再填充4s继而填充3d，这种现象称为能级交错现象，它从第四周期开始出现。构造原理从能量的角度说明了核外电子占据轨道(即能级)的先后顺序。必须强调的是，能级交错源于光谱实验事实是真实存在的，而构造原理是个假想过程。

设计意图：利用图片，不仅增强直观性，而且将电子填充顺序的本质和能级交错等难理解的知识简单化，有利于对知识的记忆和理解。

[补充]作为一个理论模型，构造原理存在一定的局限性。对于个别特殊的过渡元素核外电子的排布并不适用。如Cr和Cu的最后两个能级的电子排布式分别为3d54s1和3d104s1，并不是先满足4s，而是满足整体能量最低，这样它才稳定[4]。

[讲解]书写电子排布式时，按照1s→2s→2p→3s→3p→3d→4s→4p→4d→5s……的顺序进行书写，电子填充时却要符合能量的高低顺序。

【例1】(2018年全国卷Ⅲ 第35题)Zn原子核外电子排布式为。

[解析]Zn是30号元素，位于第四周期第ⅠB，按照构造原理，最先从1s开始填充，按照能量从低到高依次为1s22s22p63s23p64s23d10，但是3d的能量是高于4s的，故电子先填满4s再到3d。而电子排布式则根据能层大小排列，因此，核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s2。

设计意图：通过列举高考真题强调做题要点：先排构造式(即轨道能量从低到高的顺序)，再改写为排布式(即能层从小到大的顺序)。

[追问]通过对基态原子的电子排布式的学习，思考一下离子的如O2-、Na+和Cl-的电子排布式又如何书写？

[讲解]各元素的离子是在原有的基态电子排布式上得失电子，如Na+失去最外层的一个电子，因此Na+的电子排布式为：1s22s22p6；同理O2-为1s22s22p6，Cl-为1s22s22p63s23p6。

设计意图：让学生灵活运用知识，已到达知识迁移的目的。

【例2】(2018年江苏卷 第21题)Fe2+的基态电子排布式为。

[讲解]Fe为26号元素，从1s开始填充，考虑构造原理最后两个能级的电子排布式为3d64s2，并易失去最外层的两个电子成为Fe2+，所以Fe2+的电子排布式为1s22s22p63s23p63d6。

设计意图：通过真题，让学生感受元素的基态和离子的电子排布式的联系与区别，使学生体会知识融会贯通的重要性。

【任务5】如“[Ne]”中，方括号里的符号有什么意义？

[过渡]通过上述学习，不难发现元素的原子序数越大，它的电子排布式表达越长，书写时就变得困难，也就容易出错，有什么方法可以简化一下呢？

设计意图：一方面是承接上文内容，另一方面是为引出下文所要将的知识点做铺垫。

[讲解]诸如[Ne]、[Ar]、[Kr]等称为“原子实”，把内层电子数达到稀有气体结构的部分，用稀有气体元素符号外加方括号来代替，以简化电子排布式的书写。例如，Na：[Ne]3s1、Al：[Ne]3s23p1、Ca：[Ar]4s2，它们称为简化电子排布式。

[课堂练习]仿照Na：[Ne]3s1写出O、Si、Cu的简化电子排布式。

设计意图：通过课后习题，挖掘隐藏知识点。对新知识点进行及时复习巩固，也对易忽略的知识进行必要查缺补漏。

[讲解]O：[He]2s22p4；Cu：[Ar]3d104s1，简化电子排布式也适用于元素离子的电子排布式，如Fe2+：[Ar]3d6。

[补充]原子实外的部分称为价层电子，价层电子排布式：主族元素用最外层电子数表示，如C：2s22p2；F：2s22p5；副族元素用最外层电子数加上次外层部分电子表示，如Mn：3d54s2；Fe：3d64s2；Zn：3d104s2。

5.3 作业布置，巩固提高

[作业1]请完成P17练习与应用的前四题。

[作业2]请完成N、O、Na、Al、Ca、Ti、V、Cr、Ni、Cu的价层电子书写。

设计意图：通过课后作业，强化知识点的同时了解学生对知识的掌握情况。

5.4 教学反思

在教学设计中，设置一系列恰当的任务，学生通过主动完成任务，获得方法并构建起知识体系，培养学科素养[9]。本教学过程中，始终坚持以“教师为主导，学生为主体”的教学原则，对疑难问题，通过教师的引导和讲解，消除学生恐惧心理[10]，以便继续进行后续环节。任务驱动取向教学，通过学生“小组讨论”的形式解决问题，有利于培养学生的合作交流意识与能力[11]。

6 总结与展望

本教学设计将学习任务驱动做为主线，恰当地将能层与能级、基态与激发态 原子光谱、构造原理与电子排布式等零散知识点串联起来。值得一提是，部分任务和日常生活现象紧密联系，把生活素材融入课堂，使课堂更有生气；当学生在探讨生活现象时，不仅能掌握技能改善学习方式，还能更好的凸显“以学生为中心”。更有，借助楼层和台阶讲解能层和能级，以及引入徐光宪规则具体化构造原理，帮助学生从直观层面理解抽象概念是本文的两大亮点，对知识的理解提供参考思路。任务驱动型课堂能较好的帮助学生建立完善的知识体系，更能培养学生的知识运用能力，引导学生将课本知识与日常生活相结合，真正达到学有所用，学以致用的教学意义。本教学设计偏重引导学生通过“完成任务”的课堂教学。在实践过程中，学生的分析能力、合作交流能力应进一步提高，同时也受课时时间、教学设备、学生之间的差异等多方面因素的影响，很难真正地凸显任务驱动教学法的真正效果。因此，在今后的教学中优化教学内容，深入了解学生，更有效地使“任务驱动”走向“自主驱动”。