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摘要:為加深學生對原子核外電子排布規律的理解，幫助他們快速掌握核外電子排布的書寫，設計了2種教學模型：“臺階模型”和“臺階房子模型”。向學生介紹了這2種模型，并用試題和訪談了解他們的學習效果，結果良好。這2個教學模型可供中學化學教師在教學中參考和使用。
關鍵詞:核外電子排布教學模型結構化學高中化學
《普通高中化學課程標準（2017年版）》規定，參加新高考化學等級考試的學生，除了修習“化學1”和“化學2”這2門必修課程外，還要修習“化學反應原理”“有機化學基礎”和“物質結構與性質”等3門選擇性必修課程［1］10。在最新課標實施前，因“物質結構與性質”內容抽象，學生難以理解，同時教師缺乏相關的知識與經驗，一些學校不愿意開設該課程。因此，面臨該課程必教的現況，部分學校感到無所適從，教師普遍缺乏信心，甚至個別學校還未制訂明確的教學計劃。忽視“物質結構與性質”的教學由來已久，該課程的教學要上正軌還需時日。人教版［2］、蘇教版［3］和魯科版［4］等3種版本的“物質結構與性質”教材前面都會介紹原子結構，而原子核外電子排布是該主題的主要知識點。據了解，有些教師在教此內容時只是要求學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，對知識不深入講解，應試思想嚴重。為了幫助他們端正教學態度，在該內容的教學中回歸學科本質，筆者設計了2種原子核外電子排布教學模型供其參考與使用。為了檢驗模型的有效性，筆者給海南師范大學附屬中學“四年制初高中一體化”［5］實驗班3年級2個班的學生介紹了這2種模型，并采用習題法和訪談法了解這2種模型對他們學習原子核外電子排布知識的促進作用，發現效果良好。下面將詳細介紹這2種模型的設計和它們的使用情況。
1原子核外電子排布教學模型的設計
從內容來看，3種版本教材對原子核外電子排布的介紹比較系統和專業，但如果教師沒有研究教材，對內容不做加工和處理，只是按教材呈現的內容機械地給學生講授，則學生會覺得課堂枯燥乏味，難以理解知識，只能死記硬背。為了避免此情況，教師應當在消化教材的基礎上嘗試多種方法去吸引學生對內容的興趣，誘導他們理解知識難點。如可以嘗試利用教學模型去輔助教學，這樣不僅使抽象內容形象化，而且學生也容易理解。教學模型可以實物呈現，也可以以圖形呈現；可以是教材中的，也可以是教師自己設計的。如針對原子核外電子排布這一內容，筆者設計了2種圖形教學模型：臺階模型和臺階房子模型，供教師們參考和使用。
1．1臺階模型
在初中學生已學過原子結構示意圖。原子結構示意圖形象地表示了原子的核電荷數、電子層、電子層里電子數和每層電子運動離核的平均距離。原子結構示意圖也可看作核外電子排布的一種，如氯原子結構示意圖用符號表示為K2L8M7。高中原子結構內容標準要求學生要理解能級的概念，這是理解核外電子排布及其規律的前提。量子力學認為微觀體系的能級是分立或階梯型的，因此高中生學習能級概念時，必須建立“階梯式能級”的概念圖。為了幫助學生達到這點，筆者設計圖1中的模型（以氯原子為例）。該模型主體是一段臺階，所以稱為臺階模型。臺階模型與原子結構示意圖有密切的聯系，這些聯系主要有：（1）前者的臺階即后者的弧線，代表電子層；（2）在前者中，按后者的電子數目把電子以小圓點表示出來，凸顯電子的粒性；（3）2者都呈現了電子在核外的排布情況。2者既有聯系又有區別，區別有：（1）臺階模型用臺階的高度表示電子層能級的高低，體現能級階梯化；（2）臺階模型標出了電子層序號，方便與主量子數n進行聯系。臺階模型的教學意義是讓學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生講解以下知識：（1）能級是原子中電子可能具有的能量值，當某個電子的能量表現為某個能級的數值時，可以說該電子填充在該能級上；（2）能級的數值是不連續的，多個不連續的能級形成的階梯結構稱為能級結構；（3）電子可能填充在任何能級上，但一般電子會先填充能量低的能級，保證總能量最低，此時原子最穩定（基態），此即能量最低原理；（4）當原子得失電子或從基態變為激發態時，能級結構會有變化，但通常為了簡化問題，近似認為能級結構不變且有獨立性，即臺階（能級）的存在與它上面有沒有放置（填充）電子無關。（5）原子核外電子排布是電子按一些原則填充能級的結果，這些原則有能量最低原理、洪特規則和泡利不相容原理。臺階模型中一個電子層對應一個能級，對能級考慮不精，也不能直接與標準的核外電子排布書寫聯系。然而，它能與學生學過的原子結構示意圖產生聯系，幫助學生理解能級的概念，同時也是理解下面臺階房子模型的基礎，起到了承上啟下的過渡作用。
1．2臺階房子模型
如果對電子能級研究得更精細，一個電子層能級可分裂為多個能級（除K層外），新的能級稱為電子亞層能級。這相當于電子層又分為電子亞層，而電子實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，臺階仍然表示電子層，長條狀房子代表電子亞層，房里的圓點代表填充在該電子亞層能級上的電子。該模型主體是臺階和房子，所以稱為臺階房子模型。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，對該模型的設計做以下2點說明：（1）筆者認為高中生只需掌握第四周期內原子的核外電子排布書寫即可，因此該模型只呈現4個臺階。由于該范圍的基態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，該模型認為4s軌道能級低于3d。事實上，該結論只對K和Ca成立，而對此周期的過渡金屬原子結論則相反，即E3d＜E4s。當過渡金屬原子的3p軌道填滿后，緊接著第1個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個電子先填滿4s，此后電子才繼續填充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結果一樣。如Sc原子，雖然2個過程分別為3d14s0→3d14s1→3d14s2和3d04s1→3d04s2→3d14s2，但結果都是3d14s2［6］。因此，為了不增加知識的復雜性和方便解釋K和Ca的核外電子排布，近似認為E4s＜E3d適用于第四周期所有原子。教學中教師可根據學生實際情況選擇是否做此說明。使用臺階房子模型輔助教學時，教師應該講解以下知識：（1）原子核外電子排布相當于電子按能量最低原理填充在電子亞層能級上的過程，以臺階房子模型來類比，即電子按房子由低到高的順序“住”進去的過程；（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也不同，s，p，d和f最多容納的電子數分別為2，6，10和14，具體情況如表1所示。以臺階房子模型來類比，即房子的類型有s，p，d和f等，從左到右級別越高，表現在房子對臺階的高度要求越高。（3）電子亞層符號由臺階的序號（主量子數n）和電子亞層種類（由角量子數l決定）組成，相當于臺階的序號與房子類型的組合。房子高低（電子亞層能級高低）的規律為：同一臺階上，房子高低的順序為s＜p＜d＜f；高臺階上的房子要比低臺階上的都要高，但有個例外，即E4s＜E3d（其實這是一種近似，前面已說明）。根據能量最低原理，電子要按房子由低到高“住”進去，順序為1s，2s，2p，3s，3p，4s，3d，4p等。根據電子的填充順序和每種電子亞層最多容納的電子數，不難寫出原子的核外電子排布。注意要說明雖然E4s＜E3d，書寫時還是要按臺階序號順序，把3d寫在4s前面。此外，要強調Cr和Cu的特殊性，即d軌道半滿或全滿時較穩定。
2臺階模型和臺階房子模型的應用及效果評價
筆者給學生介紹了這2種模型，并通過習題法和訪談法評價這2種模型對學生學習原子核外電子排布知識所產生的效果。
2．1習題法
給學生發的習題涉及第一至第四周期所有原子的核外電子排布，題目中有要求根據核外電子排布書寫填充電子的，也有根據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。習題考查全面，有層次，學生在完成習題的過程中實現再學習，對知識的理解更深，掌握更扎實。從習題完成情況來看，大多數學生的答題結果達到良等級以上，對于既要求填充電子又要求書寫電子排布的較難題目，大多數學生也能寫對，這充分說明這2種模型能幫助學生更好地理解和掌握原子核外電子排布知識。
2．2訪談法
筆者挑選學習良好和一般各一名學生進行了訪談，分別以“生1”和“生2”來代表，以下是訪談記錄：從上面訪談可以得到以下結論：（1）雖然學生記不住某個原子的序數，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）學生對臺階房子模型印象深刻，書寫核外電子排布時能與大腦中的模型建立連接，說明抽象的能級結構已以形象的方式深深地植入他們大腦；（3）學生通過學習已具備對該模型的認知能力，理解其承載的知識。雖然寫Kr的電子排布時思考良久，但在思考過程中觸動了大腦里對該模型的記憶并再次強化，到寫Mn的時候就快很多，如果只是純粹記憶的學習并沒有這種效果；（4）學生對這2種模型很認可，覺得抽象的知識也不那么枯燥。評價對象只是學了一點高中化學內容的初三學生，2種方法的評價結果表明他們對原子核外電子排布知識掌握得很好，這充分說明了這2種模型在教學中的高效性。
3小結
“普通高中化學課程標準（2017年版）”提出了“宏觀辨識與微觀探析”等5個化學核心素養［1］3－5，今后如何在化學教學中落實這5個核心素養的培養將是我們長期要研究的課題，有關這方面的研究已見報道，可供學習與參考［7－9］。“證據推理與模型認知”是5個核心素養之一，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計的。在“物質結構與性質”的教學中教師更應該多嘗試設計教學模型，這不但使抽象的知識變生動，而且容易突破教學難點，最終提高教學效果。本文的2種模型只針對一個知識點，所起作用有限，筆者希望將來有更多更好的教學模型為大家所用，這樣既能培養學生的化學模型認知素養又能提高“物質結構與性質”的教學效果。
參考文獻
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［9］黃元東，閆春更，魯春梅，等．化學教育（中英文），2018，39（17）：40－46
作者:韋吉崇 張宛茹 孫振范 辜燕飛 單位:海南師范大學化學與化工學院 黑龍江省湯原縣高級中學