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问题群驱动的深度学习探究--《共价键模型》教学案例

摘要：以《共价键模型》为例探究问题群驱动的深度学习。共价键模型一课以雪花为什么都成六边形这一科学现象作为问题情境，引发学生的学习兴趣。然后应用问题群驱动，引发学生深入思考，让学生了解共价键这一具体知识是怎么来的，基于哪些证据，经过怎样的推理过程，并建立结构模型，形成物质结构与性质的理论解释，将证据推理与模型认知这一核心素养外显。整节课将微观粒子以动画形式呈现，帮助学生理解其成键过程和过程中空间构形变化，培养其空间想象能力和抽象思维能力，以问促学、引领思维发展。
关键词：问题群驱动 深度学习
1.问题的提出
在2020年山东新高考中《物质结构与性质》由选修课程变成了选择性必修课程，即6选3中选择化学学科的学生，必学必考，这要求我们高度重视该学科。该模块是从原子、分子水平上认识物质构成规律，帮助学生提升有关物质结构的基本认识，了解物质的结构与性质之间的关系，发展“宏观辨识与微观探析”，“证据推理与模型认知”等化学学科素养。但是由于原子分子属于微观世界，我们看不到，摸不着，推理过程理论性强，内容抽象，学生学起来很困难。如何将理论知识联系生活，提高学科价值，激起学生的学习兴趣，设计问题群，梯度递进，引发深度学习显得尤为重要。
《共价键模型》一课是在已有化学键知识的基础上，运用原子结构模型和核外电子运动规律等知识，进一步剖析共价键的本质、构成条件、类型、特征，构建完整的共价键模型，并运用共价键模型解释物质的性质，深化物质结构与性质之间的关系，发展学生“宏观辨识和微观探析”，“证据推理与模型认知”的化学学科核心素养，引导他们养成实事求是的科学态度。基于问题解决的深度学习的需求，有效设计问题，引领学生在问题驱动下，展开真切感受、深度思考、投入探究，切身体验知识的“再创造” 过程，发展学生的高阶思维。
2.基于问题驱动的深度学习教学原理
问题驱动学习又称“基于问题的学习”，以问题（真实问题情境）作为活动的中心，学习者通过对问题进行分析、讨论和制定问题解决方案，实施方案，最终解决问题，实现知识的建构[1]。学习者在学习知识和利用知识解决问题的过程，将建构的新知识融入到原有的认知结构中，便是深度学习。基于问题的深度学习过程大致都可以概括为学习准备阶段、知识主动建构阶段、深化应用阶段和总结反思四个阶段[2]。现将问题驱动的深度学习在《共价键的模型》一课中的应用展示如下。
3.《共价键模型》教学活动
3.1.创设情境,引出问题
视频演示：自然界中形状存在各异的雪花。观察雪花形状，它们都有一个共同点，都成六边形，为什么雪花都成六边形？因为化学键，源于氢原子和氧原子的强大的结合力。氢原子为什么会与氧原子结合形成稳定的分子？共价键究竟是怎样形成的？
3.2.由简而难，建构模型
由氢分子为例探索共价键的形成及本质。
【探究活动1】设计问题群，引发思考
[知识准备]1.氢原子的价电子排布如何？
2.氢分子的形成过程原子轨道有什么变化? 能量有什么变化？
3.核外电子的运动情况有什么变化？
课件展示：动画描述氢气分子形成过程能量变化。
[知识建构]
一、共价键的形成和特征

1.共价键的形成：成键原子相互接近时，原子轨道发生重叠，电子在两原子核之间出现的概率增加，受到两个原子核的吸引，导致体系的能量降低，形成共价键。
2.定义：原子间通过共用电子形成的化学键称为共价键。
3.形成条件：通常，电负性相同或差值小的非金属元素原子之间形成的化学键为共价键。
[深化应用]
1.根据H2分子的形成过程，讨论Cl2分子和HCl分子是怎么形成的？分析H，Cl的价电子轨道模型，介绍s-p σ键，p-p σ键，s-p σ键，引出共价键的方向性。

2.HCl分子中原子个数比为１：１，而H2O分子中原子个数比为２:１，为什么？
画出H,Cl,O原子价电子轨道式，总结，参加配对的单电子数不同，形成共价键总数不同，得出共价键的饱和性。饱和性决定了分子中原子数量关系。
3.由于氧原子的可参配对的单电子数以及电子轨道的形状，决定了水分子的特殊空间构型，进一步解释雪花呈六边形原因。
[知识小结]
二、共价键的特征
饱和性：饱和性由成键原子的未成对电子决定，决定了分子的各原子的数量关系。
方向性：尽可能沿着电子出现概率最大的方向形成，决定分子的空间构型。
【探究活动2】
[知识准备]问题群2
1.氮原子的价电子排布如何？
氮气的结构式是什么？
氮气性质非常稳定，原子轨道发生了怎样的重叠？
多媒体动画演示：氮分子中 σ键与π键形成示意图。

[知识建构]
三、共价键的类型
(1)σ键：原子轨道以“头碰头”方式相互重叠导致电子在核间出现的概率增大而形成的共价键。
π键: 原子轨道以“肩并肩”方式相互重叠导致电子在核间出现的概率增大而形成的共价键。
关系：原子轨道重叠时优先形成σ键，且任何两个原子之间只能形成一个σ键，π键必须与σ键共存。共价双键中有一个σ键，一个π键；共价三键由一个σ键和两个π键组成。
[深化应用]
1.氧气的化学键形成过程。
2.“身边的化学”－防晒霜与π键。防晒霜之所以能减轻紫外光对人体的伤害，其原因之一是它的有效成分的分子中含有π键。这些分子中的π电子在吸收紫外光后被激发，从而阻挡部分紫外光。
3.3总结反思，建构框架
[总结反思]

参考文献
1. “问题驱动”教学模式在高中化学教学中的实践——以《利用化学反应制备物质》一课为例[J]. 谢锦婷,郑志壮.中学教学参考. 2016(29)
2. 黄兰.基于问题驱动的深度学习课例研究 ——以初中数学概念教学为例,硕士论文

-全文完-