基于POE策略的教學設計及實施

申樹芳 張英鋒

摘要：“原子結構與元素的性質”教學中采用了POE策略進行教學設計，運用預測觀察的方法，引導學生發現堿金屬元素之間性質的相似性和遞變規律。通過本節課的學習，培養學生“宏觀辨識與微觀探析”“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”的化學學科核心素養，為基于化學學科核心素養的教學設計提供案例參考。

關鍵詞：POE策略;原子結構;元素性質;預測;解釋

文章編號：1008-0546（2022）02x-0043-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.02x.011

《普通高中化學課程標準（2017年版）》頒布并實施，新課程以發展化學學科核心素養為主旨，倡導開展素養為本的教學[1]。2019人教版必修一第四章第一節“原子結構與元素周期表”分為三個課時，第三課時為“原子結構與元素的性質”。這部分知識在舊教材的標題是“元素的性質與原子結構”，標題的改變只是表象，我們深入理解新教材的內容變化的意義，用新課程的理念來解讀教材，指導教學設計。舊教材重點介紹鉀與鈉的性質對比，從而總結元素性質與原子結構的關系。新教材采用了預測的方法，引導學生發現堿金屬元素之間性質的相似性和遞變規律。通過本節課的學習，培養學生“宏觀辨識與微觀探析”“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”的化學學科核心素養，為基于化學學科核心素養的教學設計提供案例參考。

一、基于POE策略的教學設計

1992年，White R.T.和Gunstone R.F.提出了POE教學策略，即“預測—觀測—解釋”（Prediction—Obser?vation—Explaination，簡稱POE策略。這種策略要求學生先根據自己已有的知識對實驗現象進行預測;然后進行實驗，觀察現象;實驗結束后，學生對所觀察到的現象進行解釋[2-4]。

預測是教學策略實施的起始階段，在已有信息的基礎上依據一定規律和方法對未知事物所進行的一種推測。在化學研究中，可以根據物質的組成、結構和反應規律等，預測元素及其化合物的性質及可能發生的化學反應。觀察是教學策略實施的重要階段，教師通過實驗和講解等教學活動，讓學生觀察并記錄。當觀察結果與預測不相符時，就會產生認知沖突。為了調和這種沖突，學生會主動閱讀教材、與同學討論或向老師提問求助。解釋是整個教學策略的核心階段。學生通過觀察分析和小組討論發現觀察與預測的差異，反思自己的觀點。教師引導學生逐步得出結論，最后師生共同形成完整的科學概念。

新課程更加關注概念理論知識的建構過程和各部分知識間的聯系，更注重科學學習方法的教育。“原子結構與元素的性質”這節課，我們采用POE策略進行教學。教學中通過鉀和鈉的性質對比，找到原子結構與元素性質的相似性與遞變性的規律，并通過鋰、銣、銫的實驗進一步驗證了元素性質的相似性和遞變性。我們通過認識元素“位置”“結構”“性質”之間的內在聯系，引導學生認識原子結構與元素性質的關系，使學生建立“結構決定性質”的觀念，預測和解釋元素的性質，提升學生的學科素養。

二、分析教材明確教學目標

本節課是教材第四章第一節第三課時的內容，是在學習了原子結構和元素周期表的基礎上，以堿金屬和鹵素為代表，呈現同主族元素性質的相似性和遞變性，引導學生從中發現規律。通過本節課學習，學生對于同主族元素性質有較清晰的認識，對于常見的活潑金屬和活潑非金屬有一定的了解，進一步構建“構”“位”“性”的關系，形成結構決定性質的觀念。

在學習本節課之前，學生已經知道原子核外電子排布的規律;也知道元素周期表中元素的排列是由該元素原子的核外電子排布決定的，能夠明確主族元素的電子層數、最外層電子數與其在周期表中的位置之間的關系;在第二章學習中，學生知道了金屬鈉的基本性質。但是，學生沒有清晰的元素變化規律的認識，還不能將周期表與元素的原子結構以及元素性質聯系起來。通過本節課的學習，學生可以建立同主族元素性質的相似和遞變的簡單模型，為學習元素周期律打下堅實的基礎。

采用POE教學策略，能更準確地理解新教材的教學目標，更好地培養學生學科素養。開展素養為本的教學，要以學生現有知識為起點，以學生需要達到的素養目標為終點，從而確定教學目標。本節課的具體教學目標如下：從微觀上理解同主族元素原子核外電子排布的相似性和遞變規律，明確宏觀上的元素性質與微觀上的原子核外電子排布之間的關系，理解結構決定性質，性質反映結構的基本規律。通過完成堿金屬和鹵族元素性質的探究實驗，初步體驗科學探究在化學學科的學習中的重要地位，了解科學探究的基本方法，培養初步的科學探究能力。建立同主族元素原子結構變化的微觀模型，理解根據該模型進行元素性質推理的科學思想。

三、教學過程

本節課的教學流程如圖1所示。

環節一：問題與預測

【新課導入】門捷列夫繪制出了第一張元素周期表，這張元素周期表實際是有很多空格的。他成功地預言了許多當時尚未發現的元素，那么他是根據什么預言未知元素的性質的呢？

【思考】元素的化學性質由什么決定？

【教師】在初中時，我們已經認識到元素的化學性質與原子的最外層電子關系最為密切，金屬元素的原子最外層電子一般少于4個，在化學反應中容易失去電子，具有金屬性，即原子結構決定元素的性質。

【過渡】我們把第IA族（除了氫）稱為堿金屬元素，堿金屬元素之間的內在聯系是什么呢？

【思考】從上到下堿金屬元素的核電荷數、原子半徑的變化有什么特點？

【學生】核電荷數遞增，原子半徑逐漸增大。

【思考】它們的原子核外電子排布有什么特點？

【學生】隨著核電荷數遞增，電子層數增加，最外層電子數都是1。

【預測】根據堿金屬元素原子結構的相同點，預測出堿金屬化學性質相似的結論。

【問題1】鈉具有哪些化學性質？從原子結構角度如何解釋？

【學生】與氧氣反應：4Na+O2==2Na2O

【解釋】Na原子最外層只有1個電子，在反應中容易失去電子，所以能分別和氧氣、水等發生反應，形成+1價化合物，Na具有金屬性。

【思考】結合Na和K的原子結構特點，預測K會具有怎樣的性質。

【預測】鉀具有與鈉相似的化學性質，鈉、鉀的原子核外最外層電子數都是1個，應該表現相似的化學性質，所以鉀與氧氣、水應該都能發生反應。

設計意圖：先讓學生回顧鈉的化學性質，為接下來預測其它元素的性質做好鋪墊。再讓學生結合Na、K的原子結構特點，預測K可能具有的化學性質。學生說出預測的理由，不管預測是否正確，教師可不予評價，使學生保持好奇心。

環節二：實驗和觀察

【實驗探究】堿金屬元素化學性質的比較

【實驗1】鉀在空氣中的燃燒

【現象】鉀在加熱過程中迅速熔化，發出紫色火焰（透過藍色鈷玻璃），生成黃色固體。

【思考】鉀與氧氣的實驗，為什么需要先加熱坩堝，再投入用濾紙吸去表面煤油的鉀塊，生成黃色固體是什么？

【解釋】縮短加熱時間，避免因為緩慢氧化而不利于觀察熔化后的鉀的色澤，生成黃色固體是KO（2超氧化鉀）。

【結論】鉀與氧氣反應更劇烈，鉀的金屬活潑性大于鈉。

【實驗2】鉀與水的反應

【現象】鉀浮于水面，迅速熔化成銀色小球，四處游動，反應劇烈，有輕微爆炸聲并著火燃燒，反應后滴入酚酞，溶液變紅。

【問題2】K和水反應、Na和水反應現象有何不同？從原子結構角度解釋。

【學生】鉀與水反應有輕微爆炸聲，并發出紫色火焰。

【反應原理】2K+2H2O==2KOH+H2↑

【解釋】從Na到K，隨著核電荷數增大，電子層數增多，原子半徑增大，原子核對最外層電子引力減弱，失電子能力增強，元素金屬性增強，因此K與水的反應現象更劇烈。

設計意圖：本環節先讓學生回憶Na分別與氧氣、水反應的現象，以和接下來的實驗現象做對比。根據實驗現象展開討論，總結鈉、鉀相似的化學性質，解決學生心中的疑惑，與環節一前后呼應。

環節三：分析和結論

【問題3】Li、Rb、Cs能和水反應嗎？反應現象如何？從原子結構角度解釋原因。

【解釋】由鋰到銫，堿金屬元素的原子電子層增加，原子半徑增大，所以原子失電子能力增加，金屬單質的活動性增強，其與水反應變得越來越容易。

【總結】1.堿金屬元素化學性質的相似性：堿金屬元素原子的最外層上都有一個電子，很容易失去，它們的化學性質相似，都能和氧氣、水發生反應。因此堿金屬元素的化合價都是+1價。2.堿金屬元素化學性質的遞變性：隨著原子序數的遞增，原子半徑逐漸增大，原子核對最外層電子的引力逐漸減小，堿金屬元素的原子失電子能力逐漸增強，金屬性逐漸增強。與O2的反應，產物越來越復雜，反應程度越來越劇烈;與H2O反應越來越劇烈。

設計意圖：本環節通過比較鉀、鈉分別與水反應的難易程度，預測鋰與水反應的難易程度，讓學生認識鋰、鈉、鉀化學性質的差異性和遞變性。讓學生運用堿金屬元素原子結構的遞變性來解釋鋰、鈉、鉀化學性質的遞變性，歸納出堿金屬化學性質的相似性和遞變規律。通過本環節的學習，讓學生學會由個別到一般的歸納方法。

【思考】堿金屬單質的物理性質有哪些相似性和遞變性？

【學生】1.相似性：除Cs外其余均為銀白色金屬，密度都比較小，熔點也都比較低。2.遞變性：隨著元素原子核電荷數的增加，堿金屬單質的熔點和沸點逐漸降低。

四、教學總結與反思

學科核心素養是學科育人價值的集中體現，如何在教學過程中真正落實核心素養是廣大教師一直關注和研究的問題。新課程提倡“素養為本”的教學應該“促進學生化學學科核心素養的形成和發展”。在教學過程中，采用POE策略進行教學，教師通過讓學生對堿金屬原子結構分析，預測元素的性質，再由實驗驗證元素性質，引導學生認識原子結構與元素性質的關系。本節課旨在通過探究堿金屬的性質得出同一主族元素得失電子的能力、金屬性遞變的趨勢，教給學生思考問題的思路和方法，為學習元素周期表打好基礎。通過本節課的學習，使學生建立“結構決定性質”的觀念，指導鹵族元素的學習，體現了知識之間的聯系性。本節課教學中重視理論知識的構建過程，通過課堂討論的形式，教師進行適當的引導，讓學生自主思考與交流，培養學生“宏觀辨識與微觀探析”

“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”的化學學科核心素養。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]鄧琳，王后雄.POE教學策略在化學概念教學中的應用[J].中學化學，2016（3）：1-3.

[3]苑凌云，李鼎，岳文虹.實驗室模擬酸雨形成條件的設計——基于POE教學策略融合數字化實驗手段[J].化學教學，2019（2）：58-61.

[4]孟凡龍.援引科學史探究DNA復制方式的POE教學策略分析[J].生物學教學，2018（1）：15-16.

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