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摘要:为加深学生对原子核外电子排布规律的理解，帮助他们快速掌握核外电子排布的书写，设计了2种教学模型：“台阶模型”和“台阶房子模型”。向学生介绍了这2种模型，并用试题和访谈了解他们的学习效果，结果良好。这2个教学模型可供中学化学教师在教学中参考和使用。
关键词:核外电子排布教学模型结构化学高中化学
《普通高中化学课程标准（2017年版）》规定，参加新高考化学等级考试的学生，除了修习“化学1”和“化学2”这2门必修课程外，还要修习“化学反应原理”“有机化学基础”和“物质结构与性质”等3门选择性必修课程［1］10。在最新课标实施前，因“物质结构与性质”内容抽象，学生难以理解，同时教师缺乏相关的知识与经验，一些学校不愿意开设该课程。因此，面临该课程必教的现况，部分学校感到无所适从，教师普遍缺乏信心，甚至个别学校还未制订明确的教学计划。忽视“物质结构与性质”的教学由来已久，该课程的教学要上正轨还需时日。人教版［2］、苏教版［3］和鲁科版［4］等3种版本的“物质结构与性质”教材前面都会介绍原子结构，而原子核外电子排布是该主题的主要知识点。据了解，有些教师在教此内容时只是要求学生熟记原子轨道的能级顺序，并掌握常见原子的核外电子排布书写即可，对知识不深入讲解，应试思想严重。为了帮助他们端正教学态度，在该内容的教学中回归学科本质，笔者设计了2种原子核外电子排布教学模型供其参考与使用。为了检验模型的有效性，笔者给海南师范大学附属中学“四年制初高中一体化”［5］实验班3年级2个班的学生介绍了这2种模型，并采用习题法和访谈法了解这2种模型对他们学习原子核外电子排布知识的促进作用，发现效果良好。下面将详细介绍这2种模型的设计和它们的使用情况。
1原子核外电子排布教学模型的设计
从内容来看，3种版本教材对原子核外电子排布的介绍比较系统和专业，但如果教师没有研究教材，对内容不做加工和处理，只是按教材呈现的内容机械地给学生讲授，则学生会觉得课堂枯燥乏味，难以理解知识，只能死记硬背。为了避免此情况，教师应当在消化教材的基础上尝试多种方法去吸引学生对内容的兴趣，诱导他们理解知识难点。如可以尝试利用教学模型去辅助教学，这样不仅使抽象内容形象化，而且学生也容易理解。教学模型可以实物呈现，也可以以图形呈现；可以是教材中的，也可以是教师自己设计的。如针对原子核外电子排布这一内容，笔者设计了2种图形教学模型：台阶模型和台阶房子模型，供教师们参考和使用。
1．1台阶模型
在初中学生已学过原子结构示意图。原子结构示意图形象地表示了原子的核电荷数、电子层、电子层里电子数和每层电子运动离核的平均距离。原子结构示意图也可看作核外电子排布的一种，如氯原子结构示意图用符号表示为K2L8M7。高中原子结构内容标准要求学生要理解能级的概念，这是理解核外电子排布及其规律的前提。量子力学认为微观体系的能级是分立或阶梯型的，因此高中生学习能级概念时，必须建立“阶梯式能级”的概念图。为了帮助学生达到这点，笔者设计图1中的模型（以氯原子为例）。该模型主体是一段台阶，所以称为台阶模型。台阶模型与原子结构示意图有密切的联系，这些联系主要有：（1）前者的台阶即后者的弧线，代表电子层；（2）在前者中，按后者的电子数目把电子以小圆点表示出来，凸显电子的粒性；（3）2者都呈现了电子在核外的排布情况。2者既有联系又有区别，区别有：（1）台阶模型用台阶的高度表示电子层能级的高低，体现能级阶梯化；（2）台阶模型标出了电子层序号，方便与主量子数n进行联系。台阶模型的教学意义是让学生理解能级概念和了解电子是如何填充能级的，利用此模型教师可以给学生讲解以下知识：（1）能级是原子中电子可能具有的能量值，当某个电子的能量表现为某个能级的数值时，可以说该电子填充在该能级上；（2）能级的数值是不连续的，多个不连续的能级形成的阶梯结构称为能级结构；（3）电子可能填充在任何能级上，但一般电子会先填充能量低的能级，保证总能量最低，此时原子最稳定（基态），此即能量最低原理；（4）当原子得失电子或从基态变为激发态时，能级结构会有变化，但通常为了简化问题，近似认为能级结构不变且有独立性，即台阶（能级）的存在与它上面有没有放置（填充）电子无关。（5）原子核外电子排布是电子按一些原则填充能级的结果，这些原则有能量最低原理、洪特规则和泡利不相容原理。台阶模型中一个电子层对应一个能级，对能级考虑不精，也不能直接与标准的核外电子排布书写联系。然而，它能与学生学过的原子结构示意图产生联系，帮助学生理解能级的概念，同时也是理解下面台阶房子模型的基础，起到了承上启下的过渡作用。
1．2台阶房子模型
如果对电子能级研究得更精细，一个电子层能级可分裂为多个能级（除K层外），新的能级称为电子亚层能级。这相当于电子层又分为电子亚层，而电子实际填充在电子亚层能级上，如图2模型所示，仍然以氯原子为例。图2模型中，台阶仍然表示电子层，长条状房子代表电子亚层，房里的圆点代表填充在该电子亚层能级上的电子。该模型主体是台阶和房子，所以称为台阶房子模型。从图2的模型可以直接写出氯原子的核外电子排布为1s22s22p63s23p5。为了让读者更好地理解该模型，对该模型的设计做以下2点说明：（1）笔者认为高中生只需掌握第四周期内原子的核外电子排布书写即可，因此该模型只呈现4个台阶。由于该范围的基态原子电子最多填充到4p轨道，所以4d和4f房子以虚线表示说明电子填充不到它们；（2）涉及第四周期原子时，该模型认为4s轨道能级低于3d。事实上，该结论只对K和Ca成立，而对此周期的过渡金属原子结论则相反，即E3d＜E4s。当过渡金属原子的3p轨道填满后，紧接着第1个电子先填入能级较低的3d，但因3d轨道的电子互斥能比4s的大得多，为了降低能量，第2、第3个电子先填满4s，此后电子才继续填充3d轨道，这样最终得到的核外电子排布与先填满4s后再填3d结果一样。如Sc原子，虽然2个过程分别为3d14s0→3d14s1→3d14s2和3d04s1→3d04s2→3d14s2，但结果都是3d14s2［6］。因此，为了不增加知识的复杂性和方便解释K和Ca的核外电子排布，近似认为E4s＜E3d适用于第四周期所有原子。教学中教师可根据学生实际情况选择是否做此说明。使用台阶房子模型辅助教学时，教师应该讲解以下知识：（1）原子核外电子排布相当于电子按能量最低原理填充在电子亚层能级上的过程，以台阶房子模型来类比，即电子按房子由低到高的顺序“住”进去的过程；（2）不同的电子层包含的电子亚层不同，电子亚层种类有s，p，d和f等。不同电子亚层最多容纳的电子数也不同，s，p，d和f最多容纳的电子数分别为2，6，10和14，具体情况如表1所示。以台阶房子模型来类比，即房子的类型有s，p，d和f等，从左到右级别越高，表现在房子对台阶的高度要求越高。（3）电子亚层符号由台阶的序号（主量子数n）和电子亚层种类（由角量子数l决定）组成，相当于台阶的序号与房子类型的组合。房子高低（电子亚层能级高低）的规律为：同一台阶上，房子高低的顺序为s＜p＜d＜f；高台阶上的房子要比低台阶上的都要高，但有个例外，即E4s＜E3d（其实这是一种近似，前面已说明）。根据能量最低原理，电子要按房子由低到高“住”进去，顺序为1s，2s，2p，3s，3p，4s，3d，4p等。根据电子的填充顺序和每种电子亚层最多容纳的电子数，不难写出原子的核外电子排布。注意要说明虽然E4s＜E3d，书写时还是要按台阶序号顺序，把3d写在4s前面。此外，要强调Cr和Cu的特殊性，即d轨道半满或全满时较稳定。
2台阶模型和台阶房子模型的应用及效果评价
笔者给学生介绍了这2种模型，并通过习题法和访谈法评价这2种模型对学生学习原子核外电子排布知识所产生的效果。
2．1习题法
给学生发的习题涉及第一至第四周期所有原子的核外电子排布，题目中有要求根据核外电子排布书写填充电子的，也有根据电子的填充情况书写核外电子排布的，还有2者都需要完成的。习题考查全面，有层次，学生在完成习题的过程中实现再学习，对知识的理解更深，掌握更扎实。从习题完成情况来看，大多数学生的答题结果达到良等级以上，对于既要求填充电子又要求书写电子排布的较难题目，大多数学生也能写对，这充分说明这2种模型能帮助学生更好地理解和掌握原子核外电子排布知识。
2．2访谈法
笔者挑选学习良好和一般各一名学生进行了访谈，分别以“生1”和“生2”来代表，以下是访谈记录：从上面访谈可以得到以下结论：（1）虽然学生记不住某个原子的序数，但只要告诉他们，他们几乎都能写出该原子的核外电子排布；（2）学生对台阶房子模型印象深刻，书写核外电子排布时能与大脑中的模型建立连接，说明抽象的能级结构已以形象的方式深深地植入他们大脑；（3）学生通过学习已具备对该模型的认知能力，理解其承载的知识。虽然写Kr的电子排布时思考良久，但在思考过程中触动了大脑里对该模型的记忆并再次强化，到写Mn的时候就快很多，如果只是纯粹记忆的学习并没有这种效果；（4）学生对这2种模型很认可，觉得抽象的知识也不那么枯燥。评价对象只是学了一点高中化学内容的初三学生，2种方法的评价结果表明他们对原子核外电子排布知识掌握得很好，这充分说明了这2种模型在教学中的高效性。
3小结
“普通高中化学课程标准（2017年版）”提出了“宏观辨识与微观探析”等5个化学核心素养［1］3－5，今后如何在化学教学中落实这5个核心素养的培养将是我们长期要研究的课题，有关这方面的研究已见报道，可供学习与参考［7－9］。“证据推理与模型认知”是5个核心素养之一，按笔者的理解这里的“模型”既可以是教材上的，也可以是教师自主设计的。在“物质结构与性质”的教学中教师更应该多尝试设计教学模型，这不但使抽象的知识变生动，而且容易突破教学难点，最终提高教学效果。本文的2种模型只针对一个知识点，所起作用有限，笔者希望将来有更多更好的教学模型为大家所用，这样既能培养学生的化学模型认知素养又能提高“物质结构与性质”的教学效果。
参考文献
［1］中华人民共和国教育部．普通高中化学课程标准（2017年版）．北京：人民教育出版社，2018
［2］人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心．物质结构与性质．北京：人民教育出版社，2004：2－12
［3］王祖浩，吴星，刘宝剑，等．物质结构与性质．2版．南京：江苏教育出版社，2009：7－16
［4］陈光巨，王磊，王明召．物质结构与性质．3版．济南：山东科学技术出版社，2007：1－9
［5］韦吉崇，傅开裕，辜燕飞，等．亚太教育，2016（5）：294
［6］周公度，段连运．结构化学基础．5版．北京：北京大学出版社，2017：46－47
［7］周冬冬，王磊，陈颖．化学教育（中英文），2018，39（19）：1－7
［8］宁燕丹，王磊，陈颖，等．化学教育（中英文），2018，39（19）：15－22
［9］黄元东，闫春更，鲁春梅，等．化学教育（中英文），2018，39（17）：40－46
作者:韦吉崇 张宛茹 孙振范 辜燕飞 单位:海南师范大学化学与化工学院 黑龙江省汤原县高级中学