丁浩

摘要：2020年江蘇省高中化學(xué)優(yōu)質(zhì)課評比一等獎《人類對原子結(jié)構(gòu)的認識》一課的教學(xué)設(shè)計，在教學(xué)情境的創(chuàng)設(shè)與運用、化學(xué)史料的甄選與呈現(xiàn)上令人耳目一新：從宏觀到微觀，從過去到現(xiàn)在;課堂上傳遞的是科學(xué)方法，彰顯的是科學(xué)精神。

關(guān)鍵詞：原子結(jié)構(gòu);化學(xué)史;重水

2020年10月21日—23日，江蘇省高中化學(xué)優(yōu)質(zhì)課評比在江蘇省清江中學(xué)舉行。我校徐敏姬老師參加了比賽并榮獲一等獎。徐老師執(zhí)教的《人類對原子結(jié)構(gòu)的認識》（新授課），為2020年審定的蘇教版高中化學(xué)必修上冊專題2第三單元的內(nèi)容，包括人類認識原子結(jié)構(gòu)的歷程和原子核的構(gòu)成兩部分內(nèi)容。本節(jié)課中，徐老師對于教學(xué)情境與化學(xué)史料的使用尤為出彩。

一、教學(xué)情境的運用：從宏觀到微觀

原子、分子是納米層級的微粒，即使借助最先進的儀器，觀察也比較困難。當(dāng)然，眼睛看不到的地方可以通過想象到達，但想象需要一個支點或者一種具象，而且要符合高一學(xué)生的認知水平。徐老師就找到了“解剖”原子核的“支點”。課堂伊始，徐老師指導(dǎo)學(xué)生用電子天平稱量等體積（2.0 mL）的“神秘之水”（重水）和普通水（以下稱為“水”）的質(zhì)量，電子天平的讀數(shù)顯示兩者的質(zhì)量相差較大。“神秘之水”是水嗎？如果是水，為什么質(zhì)量不同？會不會是雙氧水？難道是水里添加了什么東西？——這一情境自然而然地觸發(fā)學(xué)生的種種疑問和猜測，激起學(xué)生的好奇心和探究欲望。

從宏觀性質(zhì)到微觀結(jié)構(gòu)，徐老師圍繞重水設(shè)計了四個問題并展開教學(xué)——

1.什么是重水？視頻展示重水相關(guān)素材：重水是由氘和氧組成的化合物，也稱為氧化氘，分子式為D2O，相對分子質(zhì)量近似值為20，比水（H2O）的相對分子質(zhì)量近似值18高出約11%，因此叫作重水。由重水和水的組成和部分不同性質(zhì)激發(fā)學(xué)生的好奇心——什么是氘？氘與氕、氧化氘與氧化氕（水）究竟有什么區(qū)別？由此開啟原子結(jié)構(gòu)和核素的學(xué)習(xí)之旅。

2.重水為什么比水重？視頻展示重水和水的分子的空間結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生通過比較，發(fā)現(xiàn)二者的區(qū)別在于氫原子和氘原子不同，由此推測：重水與水的性質(zhì)差異也應(yīng)該與二者不同的原子有關(guān);等體積的水與重水的質(zhì)量不同應(yīng)該是由氕原子和氘原子質(zhì)量不同引起的。至此，課堂進入對以氕、氘兩種原子為例的原子核構(gòu)成的探究。其中，徐老師還特別注重對學(xué)生定量觀的培養(yǎng)：呈現(xiàn)多組數(shù)據(jù)，讓學(xué)生通過計算和比較，以“物質(zhì)的量”為橋梁，有效溝通宏觀物質(zhì)和微觀粒子——重水、水和分子、中子的聯(lián)系。

3.研究重水有什么意義？介紹重水在國防科技方面的用途（氘原子聚變?yōu)楹ぴ舆^程中釋放出巨大的能量），表明同種元素的不同核素由于原子核的構(gòu)成不同而具有不同的性質(zhì)。

4.如何獲取重水？“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途?！蓖ㄟ^組織學(xué)生設(shè)計從蒸餾水中獲取重水的實驗方案，進一步明確由同種元素不同核素形成的化合物的化學(xué)性質(zhì)幾乎完全一致而物理性質(zhì)不同的觀念。這樣的教學(xué)過程，展現(xiàn)了“宏觀—微觀—宏觀”這樣一條認識物質(zhì)及其應(yīng)用的路徑。

本節(jié)課，徐老師創(chuàng)設(shè)的重水和水的比較情境貫穿整個教學(xué)過程，從宏觀到微觀，變抽象為具象，定量與定性相結(jié)合，從結(jié)構(gòu)到性質(zhì)又回歸性質(zhì)應(yīng)用，既體現(xiàn)了本節(jié)課的教學(xué)重點和難點，又把情境和教學(xué)有機融為一體，可以看出，徐老師教學(xué)設(shè)計的獨具匠心。

二、甄選化學(xué)史料：從過去到現(xiàn)在

從知識建構(gòu)的角度來看，學(xué)習(xí)化學(xué)史有助于學(xué)生建構(gòu)科學(xué)知識的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和完善過程。受到研究者世界觀、價值觀以及當(dāng)時社會科學(xué)思想、科學(xué)方法和科學(xué)技術(shù)水平等方面的影響，科學(xué)知識的“正確性”是相對的，是在某一特定歷史時期和范圍內(nèi)呈現(xiàn)“正確性”。隨著人類認識的不斷深入、科學(xué)和技術(shù)水平的持續(xù)發(fā)展，科學(xué)知識在“肯定—否定—否定之否定”中獲得發(fā)展和完善，呈現(xiàn)螺旋式上升的變化。

在認識原子結(jié)構(gòu)的過程中，徐老師沒有簡單重現(xiàn)經(jīng)典實驗的場景，而是結(jié)合教材，采用“資料卡”的形式，用實驗示意圖描述了經(jīng)典實驗對原子結(jié)構(gòu)認識過程（具體見表1）的貢獻，讓學(xué)生置身于科學(xué)家探究的情境中，通過“收集證據(jù)—合理推理—建立模型”的過程，學(xué)習(xí)科學(xué)家的思辨方式、實驗方法和質(zhì)疑意識。

以“資料卡”3（如圖1）為例，引導(dǎo)學(xué)生基于加速后的α粒子轟擊不同氣體原子核都得到相同的帶正電粒子的現(xiàn)象，推測原子核中存在一種帶一個單位正電荷、質(zhì)量相對較大的粒子，進一步說明原子核可以再分。

運用“資料卡”描述經(jīng)典實驗，可引導(dǎo)學(xué)生運用多學(xué)科知識思考從經(jīng)典實驗結(jié)論得出的相關(guān)原子模型的歷史價值和局限性，從歷史的、科學(xué)的角度分析實驗的成功之處和不足所在，體會人類認識的螺旋式上升中科學(xué)探究的價值。

原子結(jié)構(gòu)的認識在化學(xué)學(xué)科中的學(xué)科價值，體現(xiàn)在學(xué)生綜合運用多學(xué)科特別是物理學(xué)知識認識原子結(jié)構(gòu)的過程中。課堂上傳遞的是科學(xué)方法，彰顯的是科學(xué)精神。學(xué)生不僅知道了原子結(jié)構(gòu)的認識演變史，更基于原子結(jié)構(gòu)的認識過程，體會了探究質(zhì)疑、證據(jù)推理、對比實驗等科學(xué)方法，進而逐步建構(gòu)原子結(jié)構(gòu)模型，豐富和完善科學(xué)概念。

三、一些教學(xué)建議

當(dāng)然，教無止境。筆者以為，本課教學(xué)還存在這樣一些值得斟酌和改進的地方。

（1）氕、氘、氚三種氫原子與16O、17O和18O三種氧原子組成的水分子共有18種，這18種水分子之間的沸點差異不大，且水分子之間存在氫鍵，會出現(xiàn)“共沸”現(xiàn)象，因而直接利用沸點差異分離出重水的方法比較困難。

（2）徐老師通過視頻介紹了水分子和重水分子的結(jié)構(gòu)，其實，通過展示分子球棍模型或空間填充模型來介紹更為直觀和合理，更有利于學(xué)生“觸摸”分子這種微小的存在。

（3）引導(dǎo)學(xué)生通過定量分析等體積的重水和水的質(zhì)量數(shù)據(jù)，進而通過倍比定律得到“一個重氫原子比一個氫原子多一個中子”，也是本節(jié)課比較亮眼的地方。更進一步地，可以讓學(xué)生計算得出重水和水的密度，使學(xué)生清晰地感知重水的“重”之所在。并且，徐老師提供的三組重水和水的質(zhì)量數(shù)據(jù)都是有效數(shù)據(jù)，可以增加一個離群數(shù)據(jù)，指導(dǎo)學(xué)生在數(shù)據(jù)分析時剔除離群數(shù)據(jù)后再求平均值，培養(yǎng)學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)的關(guān)注意識和處理能力。

*本文系江蘇省“十三五”教育科學(xué)規(guī)劃課題“‘教學(xué)做合一思想下高中化學(xué)項目式學(xué)習(xí)的研究”（批準號：TYc/2020/04）的階段性研究成果。

參考文獻：

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[2] 劉年，王后雄，王偉.學(xué)科核心素養(yǎng)視域下的高中化學(xué)教學(xué)情境測評[J].教育測量與評價，2019（7）.