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摘要:為加深學(xué)生對原子核外電子排布規(guī)律的理解，幫助他們快速掌握核外電子排布的書寫，設(shè)計(jì)了2種教學(xué)模型：“臺(tái)階模型”和“臺(tái)階房子模型”。向?qū)W生介紹了這2種模型，并用試題和訪談了解他們的學(xué)習(xí)效果，結(jié)果良好。這2個(gè)教學(xué)模型可供中學(xué)化學(xué)教師在教學(xué)中參考和使用。

關(guān)鍵詞:核外電子排布教學(xué)模型結(jié)構(gòu)化學(xué)高中化學(xué)

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》規(guī)定，參加新高考化學(xué)等級考試的學(xué)生，除了修習(xí)“化學(xué)1”和“化學(xué)2”這2門必修課程外，還要修習(xí)“化學(xué)反應(yīng)原理”“有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)”和“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”等3門選擇性必修課程［1］10。在最新課標(biāo)實(shí)施前，因“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”內(nèi)容抽象，學(xué)生難以理解，同時(shí)教師缺乏相關(guān)的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，一些學(xué)校不愿意開設(shè)該課程。因此，面臨該課程必教的現(xiàn)況，部分學(xué)校感到無所適從，教師普遍缺乏信心，甚至個(gè)別學(xué)校還未制訂明確的教學(xué)計(jì)劃。忽視“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”的教學(xué)由來已久，該課程的教學(xué)要上正軌還需時(shí)日。人教版［2］、蘇教版［3］和魯科版［4］等3種版本的“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”教材前面都會(huì)介紹原子結(jié)構(gòu)，而原子核外電子排布是該主題的主要知識(shí)點(diǎn)。據(jù)了解，有些教師在教此內(nèi)容時(shí)只是要求學(xué)生熟記原子軌道的能級順序，并掌握常見原子的核外電子排布書寫即可，對知識(shí)不深入講解，應(yīng)試思想嚴(yán)重。為了幫助他們端正教學(xué)態(tài)度，在該內(nèi)容的教學(xué)中回歸學(xué)科本質(zhì)，筆者設(shè)計(jì)了2種原子核外電子排布教學(xué)模型供其參考與使用。為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠行裕P者給海南師范大學(xué)附屬中學(xué)“四年制初高中一體化”［5］實(shí)驗(yàn)班3年級2個(gè)班的學(xué)生介紹了這2種模型，并采用習(xí)題法和訪談法了解這2種模型對他們學(xué)習(xí)原子核外電子排布知識(shí)的促進(jìn)作用，發(fā)現(xiàn)效果良好。下面將詳細(xì)介紹這2種模型的設(shè)計(jì)和它們的使用情況。

1原子核外電子排布教學(xué)模型的設(shè)計(jì)

從內(nèi)容來看，3種版本教材對原子核外電子排布的介紹比較系統(tǒng)和專業(yè)，但如果教師沒有研究教材，對內(nèi)容不做加工和處理，只是按教材呈現(xiàn)的內(nèi)容機(jī)械地給學(xué)生講授，則學(xué)生會(huì)覺得課堂枯燥乏味，難以理解知識(shí)，只能死記硬背。為了避免此情況，教師應(yīng)當(dāng)在消化教材的基礎(chǔ)上嘗試多種方法去吸引學(xué)生對內(nèi)容的興趣，誘導(dǎo)他們理解知識(shí)難點(diǎn)。如可以嘗試?yán)媒虒W(xué)模型去輔助教學(xué)，這樣不僅使抽象內(nèi)容形象化，而且學(xué)生也容易理解。教學(xué)模型可以實(shí)物呈現(xiàn)，也可以以圖形呈現(xiàn)；可以是教材中的，也可以是教師自己設(shè)計(jì)的。如針對原子核外電子排布這一內(nèi)容，筆者設(shè)計(jì)了2種圖形教學(xué)模型：臺(tái)階模型和臺(tái)階房子模型，供教師們參考和使用。

1．1臺(tái)階模型

在初中學(xué)生已學(xué)過原子結(jié)構(gòu)示意圖。原子結(jié)構(gòu)示意圖形象地表示了原子的核電荷數(shù)、電子層、電子層里電子數(shù)和每層電子運(yùn)動(dòng)離核的平均距離。原子結(jié)構(gòu)示意圖也可看作核外電子排布的一種，如氯原子結(jié)構(gòu)示意圖用符號(hào)表示為K2L8M7。高中原子結(jié)構(gòu)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生要理解能級的概念，這是理解核外電子排布及其規(guī)律的前提。量子力學(xué)認(rèn)為微觀體系的能級是分立或階梯型的，因此高中生學(xué)習(xí)能級概念時(shí)，必須建立“階梯式能級”的概念圖。為了幫助學(xué)生達(dá)到這點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)圖1中的模型（以氯原子為例）。該模型主體是一段臺(tái)階，所以稱為臺(tái)階模型。臺(tái)階模型與原子結(jié)構(gòu)示意圖有密切的聯(lián)系，這些聯(lián)系主要有：（1）前者的臺(tái)階即后者的弧線，代表電子層；（2）在前者中，按后者的電子數(shù)目把電子以小圓點(diǎn)表示出來，凸顯電子的粒性；（3）2者都呈現(xiàn)了電子在核外的排布情況。2者既有聯(lián)系又有區(qū)別，區(qū)別有：（1）臺(tái)階模型用臺(tái)階的高度表示電子層能級的高低，體現(xiàn)能級階梯化；（2）臺(tái)階模型標(biāo)出了電子層序號(hào)，方便與主量子數(shù)n進(jìn)行聯(lián)系。臺(tái)階模型的教學(xué)意義是讓學(xué)生理解能級概念和了解電子是如何填充能級的，利用此模型教師可以給學(xué)生講解以下知識(shí)：（1）能級是原子中電子可能具有的能量值，當(dāng)某個(gè)電子的能量表現(xiàn)為某個(gè)能級的數(shù)值時(shí)，可以說該電子填充在該能級上；（2）能級的數(shù)值是不連續(xù)的，多個(gè)不連續(xù)的能級形成的階梯結(jié)構(gòu)稱為能級結(jié)構(gòu)；（3）電子可能填充在任何能級上，但一般電子會(huì)先填充能量低的能級，保證總能量最低，此時(shí)原子最穩(wěn)定（基態(tài)），此即能量最低原理；（4）當(dāng)原子得失電子或從基態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)時(shí)，能級結(jié)構(gòu)會(huì)有變化，但通常為了簡化問題，近似認(rèn)為能級結(jié)構(gòu)不變且有獨(dú)立性，即臺(tái)階（能級）的存在與它上面有沒有放置（填充）電子無關(guān)。（5）原子核外電子排布是電子按一些原則填充能級的結(jié)果，這些原則有能量最低原理、洪特規(guī)則和泡利不相容原理。臺(tái)階模型中一個(gè)電子層對應(yīng)一個(gè)能級，對能級考慮不精，也不能直接與標(biāo)準(zhǔn)的核外電子排布書寫聯(lián)系。然而，它能與學(xué)生學(xué)過的原子結(jié)構(gòu)示意圖產(chǎn)生聯(lián)系，幫助學(xué)生理解能級的概念，同時(shí)也是理解下面臺(tái)階房子模型的基礎(chǔ)，起到了承上啟下的過渡作用。

1．2臺(tái)階房子模型

如果對電子能級研究得更精細(xì)，一個(gè)電子層能級可分裂為多個(gè)能級（除K層外），新的能級稱為電子亞層能級。這相當(dāng)于電子層又分為電子亞層，而電子實(shí)際填充在電子亞層能級上，如圖2模型所示，仍然以氯原子為例。圖2模型中，臺(tái)階仍然表示電子層，長條狀房子代表電子亞層，房里的圓點(diǎn)代表填充在該電子亞層能級上的電子。該模型主體是臺(tái)階和房子，所以稱為臺(tái)階房子模型。從圖2的模型可以直接寫出氯原子的核外電子排布為1s22s22p63s23p5。為了讓讀者更好地理解該模型，對該模型的設(shè)計(jì)做以下2點(diǎn)說明：（1）筆者認(rèn)為高中生只需掌握第四周期內(nèi)原子的核外電子排布書寫即可，因此該模型只呈現(xiàn)4個(gè)臺(tái)階。由于該范圍的基態(tài)原子電子最多填充到4p軌道，所以4d和4f房子以虛線表示說明電子填充不到它們；（2）涉及第四周期原子時(shí)，該模型認(rèn)為4s軌道能級低于3d。事實(shí)上，該結(jié)論只對K和Ca成立，而對此周期的過渡金屬原子結(jié)論則相反，即E3d＜E4s。當(dāng)過渡金屬原子的3p軌道填滿后，緊接著第1個(gè)電子先填入能級較低的3d，但因3d軌道的電子互斥能比4s的大得多，為了降低能量，第2、第3個(gè)電子先填滿4s，此后電子才繼續(xù)填充3d軌道，這樣最終得到的核外電子排布與先填滿4s后再填3d結(jié)果一樣。如Sc原子，雖然2個(gè)過程分別為3d14s0→3d14s1→3d14s2和3d04s1→3d04s2→3d14s2，但結(jié)果都是3d14s2［6］。因此，為了不增加知識(shí)的復(fù)雜性和方便解釋K和Ca的核外電子排布，近似認(rèn)為E4s＜E3d適用于第四周期所有原子。教學(xué)中教師可根據(jù)學(xué)生實(shí)際情況選擇是否做此說明。使用臺(tái)階房子模型輔助教學(xué)時(shí)，教師應(yīng)該講解以下知識(shí)：（1）原子核外電子排布相當(dāng)于電子按能量最低原理填充在電子亞層能級上的過程，以臺(tái)階房子模型來類比，即電子按房子由低到高的順序“住”進(jìn)去的過程；（2）不同的電子層包含的電子亞層不同，電子亞層種類有s，p，d和f等。不同電子亞層最多容納的電子數(shù)也不同，s，p，d和f最多容納的電子數(shù)分別為2，6，10和14，具體情況如表1所示。以臺(tái)階房子模型來類比，即房子的類型有s，p，d和f等，從左到右級別越高，表現(xiàn)在房子對臺(tái)階的高度要求越高。（3）電子亞層符號(hào)由臺(tái)階的序號(hào)（主量子數(shù)n）和電子亞層種類（由角量子數(shù)l決定）組成，相當(dāng)于臺(tái)階的序號(hào)與房子類型的組合。房子高低（電子亞層能級高低）的規(guī)律為：同一臺(tái)階上，房子高低的順序?yàn)閟＜p＜d＜f；高臺(tái)階上的房子要比低臺(tái)階上的都要高，但有個(gè)例外，即E4s＜E3d（其實(shí)這是一種近似，前面已說明）。根據(jù)能量最低原理，電子要按房子由低到高“住”進(jìn)去，順序?yàn)?s，2s，2p，3s，3p，4s，3d，4p等。根據(jù)電子的填充順序和每種電子亞層最多容納的電子數(shù)，不難寫出原子的核外電子排布。注意要說明雖然E4s＜E3d，書寫時(shí)還是要按臺(tái)階序號(hào)順序，把3d寫在4s前面。此外，要強(qiáng)調(diào)Cr和Cu的特殊性，即d軌道半滿或全滿時(shí)較穩(wěn)定。

2臺(tái)階模型和臺(tái)階房子模型的應(yīng)用及效果評價(jià)

筆者給學(xué)生介紹了這2種模型，并通過習(xí)題法和訪談法評價(jià)這2種模型對學(xué)生學(xué)習(xí)原子核外電子排布知識(shí)所產(chǎn)生的效果。

2．1習(xí)題法

給學(xué)生發(fā)的習(xí)題涉及第一至第四周期所有原子的核外電子排布，題目中有要求根據(jù)核外電子排布書寫填充電子的，也有根據(jù)電子的填充情況書寫核外電子排布的，還有2者都需要完成的。習(xí)題考查全面，有層次，學(xué)生在完成習(xí)題的過程中實(shí)現(xiàn)再學(xué)習(xí)，對知識(shí)的理解更深，掌握更扎實(shí)。從習(xí)題完成情況來看，大多數(shù)學(xué)生的答題結(jié)果達(dá)到良等級以上，對于既要求填充電子又要求書寫電子排布的較難題目，大多數(shù)學(xué)生也能寫對，這充分說明這2種模型能幫助學(xué)生更好地理解和掌握原子核外電子排布知識(shí)。

2．2訪談法

筆者挑選學(xué)習(xí)良好和一般各一名學(xué)生進(jìn)行了訪談，分別以“生1”和“生2”來代表，以下是訪談?dòng)涗洠簭纳厦嬖L談可以得到以下結(jié)論：（1）雖然學(xué)生記不住某個(gè)原子的序數(shù)，但只要告訴他們，他們幾乎都能寫出該原子的核外電子排布；（2）學(xué)生對臺(tái)階房子模型印象深刻，書寫核外電子排布時(shí)能與大腦中的模型建立連接，說明抽象的能級結(jié)構(gòu)已以形象的方式深深地植入他們大腦；（3）學(xué)生通過學(xué)習(xí)已具備對該模型的認(rèn)知能力，理解其承載的知識(shí)。雖然寫Kr的電子排布時(shí)思考良久，但在思考過程中觸動(dòng)了大腦里對該模型的記憶并再次強(qiáng)化，到寫Mn的時(shí)候就快很多，如果只是純粹記憶的學(xué)習(xí)并沒有這種效果；（4）學(xué)生對這2種模型很認(rèn)可，覺得抽象的知識(shí)也不那么枯燥。評價(jià)對象只是學(xué)了一點(diǎn)高中化學(xué)內(nèi)容的初三學(xué)生，2種方法的評價(jià)結(jié)果表明他們對原子核外電子排布知識(shí)掌握得很好，這充分說明了這2種模型在教學(xué)中的高效性。

3小結(jié)

“普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）”提出了“宏觀辨識(shí)與微觀探析”等5個(gè)化學(xué)核心素養(yǎng)［1］3－5，今后如何在化學(xué)教學(xué)中落實(shí)這5個(gè)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)將是我們長期要研究的課題，有關(guān)這方面的研究已見報(bào)道，可供學(xué)習(xí)與參考［7－9］。“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”是5個(gè)核心素養(yǎng)之一，按筆者的理解這里的“模型”既可以是教材上的，也可以是教師自主設(shè)計(jì)的。在“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”的教學(xué)中教師更應(yīng)該多嘗試設(shè)計(jì)教學(xué)模型，這不但使抽象的知識(shí)變生動(dòng)，而且容易突破教學(xué)難點(diǎn)，最終提高教學(xué)效果。本文的2種模型只針對一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，所起作用有限，筆者希望將來有更多更好的教學(xué)模型為大家所用，這樣既能培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)模型認(rèn)知素養(yǎng)又能提高“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

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作者:韋吉崇 張宛茹 孫振范 辜燕飛 單位:海南師范大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院 黑龍江省湯原縣高級中學(xué)