核心素養導向的化學史情境教學設計與實踐

文章編號：1005-6629（2025）07-0031-05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1教學分析

化學史作為化學科學認知的三維圖譜，系統整合理論演進、方法論革新與社會性互動，既為概念體系提供證據鏈，也為思維發展保留原生性認知情境。一線教師深人了解化學史，并將其有機融入課堂教學，能激發學生的認知內驅力，培養學生的科學探究與創新意識，樹立科學態度與社會責任意識，提升學生的化學學科核心素養[1～4]。然而，目前的高中化學課堂教學對化學史的應用多呈現碎片化特征，主要局限在課堂情境的引人部分，難以滿足深度學習的需求；課堂組織與呈現環節較多還是依賴教師單方面講述[5，6]，學生課堂的參與度不高，認知建構與情感體驗脫節。

“雜化軌道理論”編排于2020年版人教版高中化學選擇性必修2《物質結構與性質》第二章“分子結構與性質\"中的第三節“分子的空間結構”[7]。在知識建構層面，它是原子結構到分子結構認知的關鍵進階模型，突破從原子到分子的微觀探析瓶頸；在思維發展層面，其理論形成過程蘊含著“模型證偽-理論重構－應用檢驗”的完整思維鏈條；在育人維度上，該理論提出者鮑林通過跨學科實踐展現創新精神，晚年的反核武運動彰顯其科學倫理觀，為學生發展“科學態度與社會責任”的核心素養提供了寶貴的育人資源。

學生在學習“雜化軌道理論”前，已初步具備元素/原子層面結構性質關系的分析能力，掌握了共價鍵本質等分子構建的基礎知識，強化了“證據推理與模型認知”素養的鍛煉。通過對分子空間結構多樣性的了解，? 無錫市教育科學規劃課題\"高中化學拔尖創新人才培養課程實踐研究\"（立項編號 E/D/2025/02 ）階段性成果。

學生逐漸產生對成鍵機理的探究需求。然而，分子結構理論與模型的抽象特征是學生學習中的主要障礙之一?！段镔|結構與性質》模塊對雜化軌道理論的生成過程進行了簡化，摒除過于復雜的數理推導內容，突出結構與性質關聯的化學核心思維。這種簡化降低了學生的認知負荷，卻易造成理論生成邏輯的斷裂，阻礙學生的深度學習和理解應用。

對此，本案例基于《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱為“課標\"）的建議

[8]，利用化學史保留原生性認知情境的特性，還原雜化軌道理論模型生成過程，彌補邏輯斷層，將理論演進史轉化為模型認知進階的“腳手架”。教師不僅在知識層面引導學生經歷“模型證偽-理論重構-應用檢驗”的科學思維歷程，還在拓展設計中引入鮑林的雙諾貝爾獎成就，形成多維育人支點：鮑林的跨學科研究范式反映了科學探索的跨界創新特質；反核運動實踐則將科學家的社會責任具象化。這種生平介紹不僅突破“天才敘事”，豐富學生對科學家工作的認知，感受科學家的立體形象，更有利于學生科學態度與價值觀的塑造，增強學生對科學探索的責任感與使命感，總體實現知識邏輯與價值引領的深度融合。

2 教學目標

（1）通過參與鮑林的理論推導過程，分析甲烷分子的空間結構，理解雜化軌道理論產生的必然性，并掌握雜化軌道理論的基本概念與類型。

（2）運用雜化軌道理論解釋簡單分子的空間結構，說明 $＼textbf { ＼sigma }$ 鍵與 π 鍵的成鍵方式，在價層電子對互斥理論的基礎上，進一步建構并完善解釋分子空間結構的思維模型。

（3）通過充分了解鮑林的生平，體悟科學家的立體人格與社會使命，進一步發展科學態度與社會責任的核心素養。

3教學流程

本案例立足于教材分析，整合化學史素材，還原鮑林提出雜化軌道理論的原生情境

[9]。依托教師引導，學生首先揭示傳統價鍵理論的局限性，觸發認知沖突；繼而修正已有的理論模型，系統建構雜化軌道理論框架，以契合實驗事實；進而推廣該理論在解釋更多簡單分子空間構型中的應用，深化對理論普適性的認知；最終追溯鮑林的科研生涯，建立科學態度與社會責任的情感共鳴。

教學流程如圖1所示。

圖1教學流程

4教學過程

4.1環節一：鮑林的困惑

[化學史情境]請根據以下線索推斷一位化學家的身份：第一，迄今為止唯一兩次獨立獲得諾貝爾獎的科學家；第二，其創立的能量最低原理、化學鍵參數理論、電負性理論等，均為我們熟知。

[學生1]鮑林。

［活動]鮑林在青年時期的理論儲備與當前的同學們相當。請回憶已學的成鍵理論體系。

[學生2]我們掌握了路易斯八電子規則，能夠書寫分子電子式（如圖2上）。

[學生3]后續學習的海特勒-倫敦經典價鍵理論強調電子成對與軌道方向性，認為原子軌道重疊、電子配對形成共價鍵（如圖2下）。

圖2前人的成鍵理論

[教師追問]基于現有理論體系，如何解釋甲烷分 子結構？

［學生4］經小組研討發現，經典價鍵理論推導的C-H鍵構型與 CH₄ 實際結構存在矛盾（如圖3），與電子式書寫結果及實驗事實均不相符。

圖3前人理論解釋 CH₄ 結構的困境

設計意圖：本環節利用化學史情境引導學生“像科學家一樣思考”。學生與鮑林處在相同的學習進度，通過切實的認知沖突，能有意識地串聯起舊識，延展邏輯思維網絡。這樣的環節設計相比傳統講授型課堂，更能激發學生興趣，促進學生思考，發揮學生的主體作用，培養學生的科學探究與創新意識的核心素養。

4.2環節二：鮑林的理論

[活動]現有理論在解釋甲烷成鍵時存在局限，請思考理論修正方向。

[學生5]我們小組認為，修正理論需要建立“成化學鍵”與“軌道重疊”的聯系，將成鍵修正問題轉化為軌道修正問題。

[引導]同學們可以將復雜問題分解為具體研究步驟，例如（1共價鍵形成的軌道條件；（2）甲烷四鍵等長隱含的軌道特征；（3）經典理論的改進方向，等等。

［學生6]經小組研討，我們形成兩個核心問題：第一，中心碳原子需要提供四個單電子占據獨立軌道，分別與氫原子成鍵;第二，除方向外，四個軌道需要具備完全相同的物理性質。

[師生討論]經全班討論，老師總結具體解決方案（如圖4所示）。

1、解決成鍵單電子個數問題

圖4達成 CH₄ 成鍵目標的解決方法

［小結]同學們提出的軌道能量平均化方案與鮑林的思路高度吻合。這種能量平均化過程被稱為“雜化”過程，由此建立的雜化軌道理論可以很好地解釋甲烷分子的正四面體構型。其中，中心C原子的一個s軌道和三個p軌道組合成4個新軌道，被稱為4個方向不同，能量相等的 sp³ 雜化軌道。

設計意圖：本環節通過重構傳統的直陳式授課方式，以經典價鍵理論為起點，引導學生主動發掘理論與事實的矛盾，提出模型修正方案，建構雜化軌道理論的核心概念與知識體系。該流程通過模型解構與重建的進階任務，發展學生的邏輯推理與抽象建模能力，提升學習成就感，培育學生證據推理與模型認知、科學探究與創新意識的核心素養。

4.3環節三：理論的應用

[學習任務1]為了檢驗同學們修正得到新理論的適用范圍，請運用雜化軌道理論分析 BF₃ 、 BeCl₂ 的中心原子雜化方式、成鍵方式及空間構型。

［學生7]通過觀察分子模型， BF₃ 分子為平面三角形，其中B原子采取 sp² 雜化，剩余一個 p 軌道不成鍵；

BeCl₂ 分子整體呈直線形，Be原子采取sp雜化，雜化軌道和CI原子軌道“頭碰頭”形成 $＼textbf { ＼sigma }$ 鍵，未雜化p軌道保持原方向。

[學習任務2]觀察乙烯、乙炔、苯的分子模型，分析中心原子雜化方式，并尋找 π 鍵成鍵規律。

[學生8]通過分子模型觀察與雜化過程分析（如圖5）發現， π 鍵由未雜化軌道“肩并肩”形成。中心原子的可能雜化方式多樣，實際采用的雜化方式由分子構型決定。

圖5簡單有機物中心碳原子雜化過程

[小結]同學對 π 鍵形成規律的歸納較為準確完整。此外，需要特別肯定“實際雜化方式由分子構型決定”這一關鍵觀點?？梢?，雜化軌道理論是一項解釋性理論，知曉分子的真實結構是正確判斷雜化方式的先決條件。

[學習任務3]請系統歸納雜化軌道理論的核心要素。

[學生9]經小組研討形成知識體系（見表1），涵蓋雜化類型、軌道組成、空間構型等維度。

表1雜化軌道理論知識體系小結

設計意圖：利用雜化軌道理論解釋簡單分子的構型是本節課的重點。其中，借助理論進一步理解分子中 鍵與 π 鍵的成鍵方式為難點。通過知識生成式學習與理論自主應用，學生解釋分子構型的思路更加清晰，能力顯著提升，最終完成從原子結構到分子結構的完整認知躍遷。在情感方面，自主完成任務能增強學生的成就感，激發化學理論的學習熱情。

4.4環節四：鮑林的生平

［化學史情境]除雜化軌道理論外，鮑林提出了電負性理論與能量最低原理，發展了諸多與原子、分子基本結構與性質相關的理論，并涉足DNA雙螺旋模型、分子病、抗體與抗原結構互補理論等跨學科領域。此外，他長期呼吁科學家共同反對戰爭、保衛和平。眾人熟知的《科學家反對核試驗宣言》即由鮑林起草并牽頭簽署。其1954年獲得諾貝爾化學獎，1962年獲得諾貝爾和平獎，充分彰顯了科學家的多維價值。

設計意圖：由于化學史情境貫穿了整節課的課堂教學，學生逐步沉浸于研究者的身份，實現角色共情。教師此時通過解析鮑林的跨學科探索歷程與科學史敘事，引導學生更深刻地感受鮑林的立體人格。在引導學生“像科學家一樣做事”的化學史情境課堂中，教學尾聲通過知識整合與情感遷移，推動學生將理論認知、思維模型與價值認同融合為核心素養，實現學科育人價值。

5 教學效果及反思

本課以化學史情境貫穿教學，通過“模型證偽-理論重構-應用檢驗”的邏輯鏈，驅動學生自主探究；采用小組合作學習模式，借助梯度性問題鏈引導學生突破思維盲區；通過實驗數據分析與證據推理等高階思維活動，促進學生自主構建雜化軌道模型?？傮w而言，本節課是利用化學史情境幫助學生深度學習、提升化學學科核心素養的有效實踐。

通過課堂提問、課后訪談及紙面作業等方式，教師對學生的學習成果和整體素養提升情況進行結果評價和量表測評。測評結果顯示，在學習能力相當的班級中，相比于采用傳統“講授-練習-應用”模式的班級，采用化學史情境授課的班級在以下三個方面表現更為突出：一是對雜化軌道理論的理解更透徹，評分提升為平行班級的 139.1% ，能夠更清晰地闡述該理論作為一種解釋性理論的價值；二是在處理陌生分子雜化類型等問題時，得分達到平行班級的 126.2% ，表明學生解決問題的能力得到提升；三是對化學史和化學理論研究表現出更濃厚的興趣，得分為平行班級的 125.3% ，在后續知識學習中展現出更積極主動的態度。

本節課后，教師還需強化知識銜接，在物質性質教學中有機融人雜化軌道理論知識，持續追蹤學生構性觀的進階發展表現[10]。此外，本課例顯示化學史情境的開發與應用仍有廣闊空間：哪些化學概念與知識的原生認知情境適配高中課堂構建？還有何種科學思維進階路徑可借由化學史敘事顯性化？另外，在知識落實與模型構建外，教師需著重培養學生在探究與思辨過程中的規范化表達能力。

參考文獻：

［1]［8］中華人民共和國教育部制定．普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S]．北京：人民教育出版社，2020：39.

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［3］吳晗清，吳涵摯．我國中學化學史教育研究的概況與進程一基于近40年化學教育類期刊載文的可視化分析[J].現代中小學教育，2021，37（6：64.

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[6］盧子怡，黃燕敏，黃華乾.在中學化學教學中融入化學史教育的研究[J]．基礎教育研究，2023，（11）：58.

［7］王晶，鄭長龍主編．普通高中教科書·選擇性必修2·物質結構與性質[M]．北京：人民教育出版社，2020：41.［9］鮑林.盧嘉錫，黃耀曾，曾廣植等譯．化學鍵的本質［M]．北京：北京大學出版社，2020：1.

[10］王換榮，肖中榮.學科大概念多重層級下的主題大概念教學路徑——以人教版（2019版）選擇性必修2《物質結構與性質》為例[J].化學教學，2023，（9）：25～28.