鮑燁靈 曠湘平

摘要：教學(xué)以原子結(jié)構(gòu)認(rèn)知為線索追溯歷史，沿著科學(xué)家的足跡體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問題、實(shí)驗(yàn)探究、分析解釋、建立新模型、解決問題的過程。通過引用有關(guān)素材，進(jìn)行游戲、討論，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，親身體驗(yàn)原子結(jié)構(gòu)模型建立、修正、完善的過程。教學(xué)過程體現(xiàn)微粒觀構(gòu)建、科學(xué)思維體驗(yàn)、科學(xué)態(tài)度培養(yǎng)等功能，從立德樹人的層面落實(shí)中學(xué)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng);原子的結(jié)構(gòu);模型認(rèn)知;微粒觀;宏微結(jié)合

文章編號(hào)：1008-0546（2019）07-0056-05

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2019.07.017

一、問題的提出

“原子的結(jié)構(gòu)”是現(xiàn)行初中化學(xué)（人教版）第三單元“物質(zhì)構(gòu)成的奧秘”中的第二個(gè)主題，是學(xué)生從宏觀世界跨進(jìn)微觀世界的開端，對(duì)于構(gòu)建微粒觀具有很重要的作用。根據(jù)《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）》分析，本節(jié)的要求是讓學(xué)生知道“原子是由原子核和核外電子構(gòu)成的”。其內(nèi)容是陳述性知識(shí)，相對(duì)單一淺顯。但如果從化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的視角出發(fā)，深入地挖掘證據(jù)意識(shí)形成、模型認(rèn)知培育、科學(xué)思維體驗(yàn)、科學(xué)態(tài)度培養(yǎng)等教育功能[1]，本節(jié)教學(xué)大有探討與研究的價(jià)值。

二、教學(xué)理念與設(shè)計(jì)

1.教學(xué)思想

作為化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的主要內(nèi)容，證據(jù)推理與模型認(rèn)知素養(yǎng)在初中階段包括以下四個(gè)方面的內(nèi)涵：（1）具有證據(jù)意識(shí)，能提出假設(shè);（2）通過分析推理進(jìn)行驗(yàn)證;（3）建立觀點(diǎn)，形成認(rèn)知模型;（4）運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象、本質(zhì)和規(guī)律。通過分析，其教學(xué)目標(biāo)指向培養(yǎng)四個(gè)方面的能力，分別是：提出假設(shè)，搜集證據(jù)，建立模型，解決問題[2]。

在以往的教學(xué)中，常通過圖示和大量的練習(xí)，讓學(xué)生被動(dòng)接受“原子是由原子核和核外電子構(gòu)成的”這一基本觀點(diǎn)，但仍然不能確認(rèn)其客觀存在，尤其在后續(xù)學(xué)習(xí)中，對(duì)于紛繁復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，較難建立起宏觀、微觀和符號(hào)之間的內(nèi)在聯(lián)系。原子是具有不可觀測(cè)性的原型，需要構(gòu)建模型來表示，并通過證據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，才能形成正確的認(rèn)識(shí)，人類對(duì)原子結(jié)構(gòu)的探究歷程正是證據(jù)推理與模型認(rèn)知素養(yǎng)落實(shí)的最佳載體。

文獻(xiàn)研究表明，大多數(shù)的15歲學(xué)生已產(chǎn)生了對(duì)科學(xué)的興趣，而且，對(duì)科學(xué)和技術(shù)有濃厚興趣的學(xué)生更有可能從事與科學(xué)有關(guān)的職業(yè)，因而培養(yǎng)學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)科的興趣是落實(shí)化學(xué)核心素養(yǎng)的前提。為此，應(yīng)根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提煉出一些貼近生活的問題來創(chuàng)設(shè)情境。如應(yīng)用游戲化教學(xué)，給學(xué)生以感官刺激，給學(xué)生創(chuàng)造動(dòng)手、動(dòng)腦、自主探究的機(jī)會(huì)，將看不見摸不著的微觀結(jié)構(gòu)直觀化，使新知識(shí)在原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生穩(wěn)定而清晰的“發(fā)展點(diǎn)”。同時(shí)，化學(xué)發(fā)展史蘊(yùn)含著巨大的人文價(jià)值，也是培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑。一個(gè)15歲的學(xué)生不可能擁有與科學(xué)家相似的經(jīng)驗(yàn)，也很難達(dá)到科學(xué)家的理解水平，因此教學(xué)過程中不能只呈現(xiàn)客觀史實(shí)，應(yīng)該從化學(xué)史中挖掘素材，創(chuàng)設(shè)學(xué)生能夠理解的情境，并注重情境創(chuàng)設(shè)的真實(shí)性和豐富性，引導(dǎo)學(xué)生完成探究實(shí)踐活動(dòng)，讓學(xué)生像科學(xué)家一樣思考，在探究實(shí)踐中逐步形成能力[3]。

2.教學(xué)與評(píng)價(jià)目標(biāo)

（1）教學(xué)目標(biāo)

①結(jié)合人類探索原子結(jié)構(gòu)的歷史與化學(xué)科學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)，能初步對(duì)原子模型進(jìn)行描述、解釋，發(fā)展模型認(rèn)知能力;

②能根據(jù)原子發(fā)展史的實(shí)驗(yàn)事實(shí)證據(jù)，推理舊模型的不足，構(gòu)建和評(píng)價(jià)新的模型，從而認(rèn)識(shí)證據(jù)意識(shí)、體驗(yàn)?zāi)Ｐ偷陌l(fā)展性特征;

③通過游戲開展探究活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生初步形成“微粒觀”“物質(zhì)觀”等化學(xué)學(xué)科的核心觀念及宏觀與微觀相結(jié)合的思維方式。

（2）評(píng)價(jià)目標(biāo)

①通過組合原子卡片模擬宏觀物質(zhì)反應(yīng)的活動(dòng)，診斷并發(fā)展學(xué)生對(duì)于原子是化學(xué)變化中的最小粒子這一觀點(diǎn)的認(rèn)識(shí)水平;

②通過摩擦生電這一宏觀現(xiàn)象進(jìn)行推理，發(fā)現(xiàn)道爾頓原子模型的不足之處，引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)心球模型的局限性，診斷學(xué)生的證據(jù)意識(shí);

③通過自創(chuàng)游戲模擬盧瑟福的α粒子散射實(shí)驗(yàn)，診斷學(xué)生對(duì)原子結(jié)構(gòu)模型的認(rèn)識(shí)進(jìn)階和認(rèn)知思路的結(jié)構(gòu)化水平。

3.教學(xué)設(shè)計(jì)思路

4.模型構(gòu)建流程

三、教學(xué)過程

1.創(chuàng)設(shè)情境

【視頻l】嵌入時(shí)代背景，聯(lián)系生活實(shí)際。介紹1981年掃描隧道顯微鏡的問世讓人類進(jìn)入可以“操縱”原子的時(shí)代;視頻展示2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給三位科學(xué)家，獎(jiǎng)勵(lì)他們用冷凍電子顯微鏡技術(shù)拍攝到了高清晰的生物大分子三維結(jié)構(gòu)，在原子層面的微觀化學(xué)領(lǐng)域做出了卓越貢獻(xiàn)。

視頻中三位科學(xué)家的發(fā)言向?qū)W生傳達(dá)了謙虛的態(tài)度，以及合作的精神。引導(dǎo)學(xué)生思考，人類對(duì)原子的認(rèn)識(shí)都是源自科學(xué)家們孜孜不倦的研究發(fā)現(xiàn)，原子質(zhì)量體積如此小，那在幾百年前科學(xué)家們是如何探究原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的呢？接下來重游歷史長(zhǎng)河，再探微觀世界。

2.問題探究

（1）片段一：樸素的哲理

【游戲l】一撕兩斷

游戲過程：將一張紙對(duì)半撕開，取其中一半，再對(duì)半撕開，重復(fù)以上操作。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過動(dòng)手可知，物質(zhì)是可以不斷分割的，引導(dǎo)學(xué)生猜想假設(shè)，存在一種構(gòu)成物質(zhì)的最小微粒。

【構(gòu)建模型一】哲學(xué)中的原子

【史實(shí)l】公元前四世紀(jì)，西方哲學(xué)家德謨克利特由分合的思想提出了原子的認(rèn)識(shí)觀點(diǎn)：物質(zhì)可以不斷進(jìn)行分割，分割到最小的微粒就是“原子”，“原子”是構(gòu)成一切事物的最后單位。這與中國(guó)哲學(xué)家莊子的觀點(diǎn)不謀而合，為“物質(zhì)不滅思想”進(jìn)行鋪墊[4]。

【問題l】聯(lián)系日常思考，生活中哪些事例能說明物質(zhì)是由微粒構(gòu)成的？

【學(xué)生討論1】

①把糖放入水中，一段時(shí)間后不見蹤影。

②水中滴入紅墨水后整杯溶液變成紅色。

③拉瓦錫加熱分解氧化汞得到液態(tài)汞和氧氣。

設(shè)計(jì)意圖：通過動(dòng)手實(shí)踐激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增添課堂的趣味性，從而進(jìn)行猜想與假設(shè)，引出模型一。同時(shí)讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到，化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，最早的“原子論”是根據(jù)事實(shí)進(jìn)行推理的產(chǎn)物，并沒有進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，因而不能成為“科學(xué)結(jié)論”。

（2）片段二：遙遠(yuǎn)的傳承

哲學(xué)中的原子論是一種籠統(tǒng)模糊的哲學(xué)思辨，法國(guó)化學(xué)家普魯斯特發(fā)現(xiàn)有趣的結(jié)論：“參與化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)質(zhì)量都成一定的整數(shù)比”，這引起了道爾頓的思考與深入研究。

【視頻2】道爾頓原子論學(xué)說的歷程

【構(gòu)建模型二】道爾頓的實(shí)心球模型

【史實(shí)2】道爾頓關(guān)于原子的見解：原子是一種實(shí)心球，它是構(gòu)成物質(zhì)的基本微粒，它們極其微小，是看不見的，它們?cè)谒械幕瘜W(xué)變化中保持本性不變。同一種元素的原子，其形狀、質(zhì)量和各種性質(zhì)都是相同的，不同元素則各不相同。

用實(shí)心球模型可以解釋很多化學(xué)變化的過程和特征，例如采用微觀模型示意圖表征氫氣與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)該模型也符合“原子是化學(xué)變化中的最小粒子”這一規(guī)律，如圖3。

【游戲2】依葫蘆畫瓢

回顧所學(xué)知識(shí)，結(jié)合道爾頓的實(shí)心球模型，用原子卡片與磁鐵，模擬木炭和氧氣發(fā)生化學(xué)變化的過程。如圖4，圖5（每張卡片分別代表一個(gè)原子）。

設(shè)計(jì)意圖：進(jìn)一步鞏固“化學(xué)變化、分子可分、原子不變、重新組合”等觀點(diǎn)，學(xué)會(huì)用符號(hào)、語言等多樣化方式表征化學(xué)變化的過程，初步認(rèn)識(shí)宏觀、微觀與符號(hào)三者之間的聯(lián)系。

【問題2】你接受原子是實(shí)心球這個(gè)觀點(diǎn)嗎？

【學(xué)生討論2】

①能夠接受。

②不對(duì)，原子中還有其他粒子（提前預(yù)習(xí)了教材）。

③應(yīng)該還有其他東西，否則原子和原子之間為什么有的會(huì)結(jié)合，而有的不會(huì)結(jié)合呢？

設(shè)計(jì)意圖：幫助學(xué)生理解模型具有描述、解釋和預(yù)測(cè)的作用。在人們還不能用科學(xué)手段直接探究原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)，采取模型方法揭示原子的屬性。道爾頓所提出的原子實(shí)心球模型，解釋了當(dāng)時(shí)所知道的各種化學(xué)實(shí)驗(yàn)事實(shí)及其內(nèi)在聯(lián)系。引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用該模型表征宏觀化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)設(shè)疑，培養(yǎng)學(xué)生的懷疑與創(chuàng)新精神。

（3）片段三：新奇的類比

【游戲3】摩擦起電

將游戲1剩下的紙張撕成碎屑，用塑料筆桿在頭發(fā)上反復(fù)摩擦后挨近紙屑，觀察現(xiàn)象。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生思考“電子”從何而來？如果說原子是實(shí)心球，那電子藏在哪里呢？這是很常見的生活現(xiàn)象，思維定勢(shì)決定大部分學(xué)生并不會(huì)深入探究，而類似的現(xiàn)象恰恰是湯姆生進(jìn)行研究的契機(jī)。

【視頻3】陰極射線在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)

【構(gòu)建模型三】湯姆生的棗糕模型

【史實(shí)3】湯姆生發(fā)現(xiàn)陰極射線可以在電場(chǎng)或磁場(chǎng)的作用下偏轉(zhuǎn)，由此測(cè)定出電子的存在，他認(rèn)為電子嵌在原子中，就如同棗子嵌在蛋糕中。

【問題3】請(qǐng)根據(jù)理解描述你假設(shè)的棗糕模型。

【學(xué)生討論3】

①像西瓜籽嵌在西瓜中一樣，電子嵌在原子中。

②如圖6所示。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過游戲，結(jié)合生活實(shí)際和思考，從“摩擦起電”的證據(jù)中推理出道爾頓原子模型的不足之處，從而意識(shí)到人類對(duì)原子原型的構(gòu)建是一種相對(duì)真理性的認(rèn)識(shí)，是一個(gè)逐步深入的過程。模型及在其基礎(chǔ)上建立的理論都需要再回到事實(shí)中去比較和驗(yàn)證，當(dāng)模型與新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)發(fā)生矛盾時(shí)，需要建立新的模型。

（4）片段四：勇敢的質(zhì)疑

【設(shè)疑】在很長(zhǎng)的時(shí)間里，湯姆生提出的模型被廣泛認(rèn)可，同時(shí)也接受了科學(xué)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步驗(yàn)證。后來，湯姆生的學(xué)生盧瑟福用高速α粒子流（帶正電）轟擊極薄的金箔片，結(jié)果發(fā)現(xiàn)絕大部分α粒子順利通過，有極少數(shù)粒子飛行路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，甚至有個(gè)別粒子被反彈回來。這個(gè)現(xiàn)象讓他對(duì)老師的權(quán)威發(fā)起了挑戰(zhàn)。

【游戲4】空間穿越

用玉米粒正對(duì)側(cè)立水槽投擲，觀察玉米粒走向。再用玉米粒對(duì)著中間懸掛石棉網(wǎng)的呼啦圈投擲，觀察玉米粒走向。可以觀察到，如果沒有阻礙，大部分玉米粒能按原運(yùn)動(dòng)方向順利通過，如果受到阻擋，玉米粒會(huì)改變運(yùn)動(dòng)方向或者被彈回（圖7）。這個(gè)游戲有助于理解盧瑟福的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)[5]。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生在輕松的課堂氛圍中，通過玉米粒穿越情況的差異，突破固有的原子結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)，構(gòu)建新的原子結(jié)構(gòu)模型，并意識(shí)到原子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系。

【視頻4】盧瑟福α粒子散射實(shí)驗(yàn)

【構(gòu)建模型四】盧瑟福的行星模型

【史實(shí)4】運(yùn)用現(xiàn)代教育技術(shù)手段展示原子的微觀結(jié)構(gòu)，解釋盧瑟福的α粒子散射實(shí)驗(yàn)。通過觀察現(xiàn)象學(xué)生容易得出盧瑟福原子結(jié)構(gòu)思想的核心：原子中心有一個(gè)很小的帶正電的核，它幾乎集中了全部原子的質(zhì)量，電子在它的周圍運(yùn)動(dòng)。盧瑟福的理論承認(rèn)了電子的存在，他發(fā)現(xiàn)了原子核里有帶正電的質(zhì)子。

【問題4】請(qǐng)發(fā)揮你的想象，利用與游戲中不同的物品，構(gòu)建模型來模擬盧瑟福的實(shí)驗(yàn)。

【學(xué)生討論4】

①可以用粉筆頭代表α粒子，呼啦圈中間懸掛鈴鐺代表正電荷進(jìn)行投擲。

②制作兩個(gè)半徑相同的大圓圈，第一個(gè)圈內(nèi)全部固定硬紙板，第二個(gè)圈內(nèi)只在中心處系一小塊硬紙板，兩個(gè)人朝對(duì)應(yīng)圓圈內(nèi)隨機(jī)投擲粉筆，觀察粉筆的運(yùn)動(dòng)情況。

設(shè)計(jì)意圖：初三學(xué)生往往依賴直觀實(shí)物，而微粒觀相對(duì)抽象，找出有關(guān)聯(lián)的證據(jù)還不能真正形成觀點(diǎn)，只有根據(jù)自己的理解形成推理才能構(gòu)建自己的認(rèn)知模型。此步驟是要打破學(xué)生頭腦中原有的“原子是實(shí)心的”認(rèn)識(shí)，通過學(xué)生體驗(yàn)活動(dòng)，模仿科學(xué)家模型構(gòu)建的過程，在原有基礎(chǔ)上構(gòu)建新的原子模型。

（5）片段五：親密的合作

【視頻5】盧瑟福與學(xué)生查德威克的合作

【構(gòu)建模型五】原子的核式模型

【史實(shí)5】查德威克用α粒子轟擊鈹?shù)脑雍藭r(shí)，發(fā)現(xiàn)原子核可以分裂，得到質(zhì)量和質(zhì)子非常接近，但不帶電荷的粒子，將其命名為中子，從而確認(rèn)了原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的。他的研究為改變?cè)雍颂峁┝艘环N新的手段，促進(jìn)了核裂變研究工作的發(fā)展和原子能的利用。

設(shè)計(jì)意圖：通過化學(xué)家們?cè)谔骄窟^程中所運(yùn)用的研究方法，所體現(xiàn)出的合作精神，來培養(yǎng)學(xué)生與他人合作的意識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。

3.問題探究

至此原子的神秘面紗也就被揭下了，學(xué)生親身體驗(yàn)原子結(jié)構(gòu)模型的建立、修正、完善的過程，頭腦中初步構(gòu)建了原子的結(jié)構(gòu)模型。當(dāng)然，第五個(gè)模型并不是原子結(jié)構(gòu)探究的終點(diǎn)，丹麥科學(xué)家波爾在盧瑟福模型的基礎(chǔ)上，描繪出了新的原子結(jié)構(gòu)模型：電子在核外是分層排布的。這說明科學(xué)的研究永遠(yuǎn)是在不斷否定、不斷肯定中前進(jìn)，科學(xué)的發(fā)現(xiàn)是偶然和必然的辯證統(tǒng)一。

四、教學(xué)評(píng)價(jià)

教學(xué)完成后，采用征集科普小論文的方法，對(duì)本節(jié)課進(jìn)行反饋與評(píng)價(jià)。從“模型認(rèn)知”“知識(shí)同化”“認(rèn)知進(jìn)階”“核心素養(yǎng)”四個(gè)方面對(duì)被調(diào)查的學(xué)生小論文進(jìn)行分析，學(xué)生的項(xiàng)目成果代表如圖8和表1。

五、教學(xué)反思

1.運(yùn)用游戲，構(gòu)建宏微思維

我校是一所偏遠(yuǎn)的農(nóng)村寄宿制初中，學(xué)生大都是留守兒童或來自貧困家庭。激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣是第一要?jiǎng)?wù)?；凇昂暧^與微觀相結(jié)合”的視角，精心設(shè)計(jì)串聯(lián)教學(xué)過程的游戲環(huán)節(jié)，如“一撕兩斷”“依葫蘆畫瓢”等，通過活動(dòng)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生參與學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。通過宏觀游戲理解微觀模型，促進(jìn)學(xué)生對(duì)原子模型的認(rèn)知與構(gòu)建，同時(shí)讓學(xué)生直觀感受化學(xué)的魅力所在，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

2.創(chuàng)設(shè)情境，加深模型認(rèn)知

在常規(guī)教學(xué)中，此部分內(nèi)容并不被重視，學(xué)生只需要記住幾種模型即可，更不用說理解與運(yùn)用模型。本教學(xué)設(shè)計(jì)基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)，挖掘情境素材的素養(yǎng)發(fā)展價(jià)值，關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)障礙，設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)主題和學(xué)習(xí)活動(dòng)，加深對(duì)原子結(jié)構(gòu)的模型認(rèn)知[6]。

3.提煉信息，進(jìn)行證據(jù)推理

引導(dǎo)學(xué)生從游戲、史實(shí)中提煉信息，成為有效證據(jù)，使用推理，解釋證據(jù)，構(gòu)建證據(jù)與觀點(diǎn)之間的聯(lián)系，讓學(xué)生親自感受科學(xué)家在探究過程中的論證活動(dòng)，身臨其境地體驗(yàn)科學(xué)文化和科學(xué)本質(zhì)。

4.復(fù)演歷史，培養(yǎng)科學(xué)精神

注重人文積淀，挖掘與課程有關(guān)的人文要素，經(jīng)歷德謨克利特哲學(xué)模型一道爾頓實(shí)心球模型一湯姆生棗糕模型一盧瑟福行星模型一查德威克核式模型建立、修正、完善的過程。體驗(yàn)歷史上科學(xué)家們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼撟C推理、激烈的思想碰撞和豐富的學(xué)科思維，強(qiáng)調(diào)知識(shí)的獲得過程?？隙▽W(xué)生質(zhì)疑權(quán)威的行為，培養(yǎng)其批判的科學(xué)精神，讓學(xué)生在真實(shí)的問題背景下圍繞問題解決獲得知識(shí)。

參考文獻(xiàn)

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