李鋒云

（上海市上海中學(xué)，上海 200231）

一、研究背景

單元教學(xué)誕生于19 世紀(jì)末，并在20 世紀(jì)得到了長(zhǎng)足發(fā)展。自20 世紀(jì)20 年代單元教學(xué)理念引入我國(guó)后，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐探索，其有效性也得到了廣泛認(rèn)可。2016 年，教育部公布了“中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)”正式框架，并將其寫(xiě)入2017 年版普通高中課程方案中。學(xué)科核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展是以課堂教學(xué)為基礎(chǔ)的，通常需要跨越若干個(gè)課時(shí)；而單元教學(xué)設(shè)計(jì)是教師根據(jù)選定的單元內(nèi)容統(tǒng)領(lǐng)若干課時(shí)教學(xué)活動(dòng)的過(guò)程設(shè)計(jì)，從這個(gè)角度而言，“學(xué)科核心素養(yǎng)”和“單元教學(xué)設(shè)計(jì)”之間具有天然的契合性。鐘啟泉指出，“單元教學(xué)設(shè)計(jì)不是單純知識(shí)點(diǎn)傳輸與技能訓(xùn)練的安排，而是以一定主題的教學(xué)內(nèi)容單元作為教學(xué)設(shè)計(jì)的基本單位，基于學(xué)科核心素養(yǎng)安排和設(shè)計(jì)課堂教學(xué)”。①鐘啟泉：《學(xué)會(huì)“單元設(shè)計(jì)”》，《中國(guó)教育報(bào)》2015 年 6 月 12 日，第 9 版。當(dāng)前，基于學(xué)科核心素養(yǎng)進(jìn)行單元教學(xué)設(shè)計(jì)已成為課堂教學(xué)的主流研究方向，這對(duì)學(xué)科核心素養(yǎng)落地、推動(dòng)課堂教學(xué)轉(zhuǎn)型具有重要意義。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）的重要變化之一就是提出了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，并以此統(tǒng)領(lǐng)課程目標(biāo)、課程內(nèi)容、課程實(shí)施和課程評(píng)價(jià)等?；瘜W(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)主要從5 個(gè)維度進(jìn)行闡述，這5 個(gè)方面的核心素養(yǎng)雖各有側(cè)重，但相輔相成?！白C據(jù)推理與模型認(rèn)知”是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的一個(gè)重要組成方面，它不僅具有非常鮮明的學(xué)科特征，更是學(xué)科核心素養(yǎng)的思維核心。新課標(biāo)指出，“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)具體表現(xiàn)為三個(gè)層次：其一是“具有證據(jù)意識(shí)，即能基于證據(jù)對(duì)物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出可能的假設(shè)，通過(guò)分析推理加以證實(shí)或證偽”；其二是“建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系”；其三是“知道可以通過(guò)分析、推理等方法認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型，并能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律”。②中華人民共和國(guó)教育部：《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》，人民教育出版社2020 年版，第4 頁(yè)。“證據(jù)推理”是基于事實(shí)證據(jù)或?qū)嶒?yàn)證據(jù)等，經(jīng)過(guò)邏輯思維活動(dòng)，形成假說(shuō)并進(jìn)行論證；而“模型認(rèn)知”則是為理解和闡釋科學(xué)事實(shí)而建立科學(xué)模型，或?yàn)檎J(rèn)識(shí)、理解和運(yùn)用科學(xué)理論而建立認(rèn)知模型，并運(yùn)用模型解決問(wèn)題和揭示規(guī)律。因此，“證據(jù)推理”是“模型認(rèn)知”的前提和基礎(chǔ)，而“模型認(rèn)知”則是“證據(jù)推理”的進(jìn)階和高級(jí)形式。①趙銘，趙華：《證據(jù)推理與模型認(rèn)知的內(nèi)涵與教學(xué)研討》，《化學(xué)教學(xué)》2020 年第2 期，第29-33 頁(yè)。

2021 年9 月，依據(jù)新課標(biāo)編制的滬科版高中化學(xué)新教材（以下簡(jiǎn)稱“新教材”）②麻生明，陳寅：《普通高中教科書(shū)化學(xué)必修第一冊(cè)》，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社2021 年版。已全面施行，為使指向?qū)W科核心素養(yǎng)的單元教學(xué)能夠更有效地落實(shí)新課程、新教材的理念，筆者以新教材必修第一冊(cè)“原子結(jié)構(gòu)”教學(xué)內(nèi)容為例，實(shí)施了指向“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)的單元教學(xué)設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐探索。

二、單元教學(xué)內(nèi)容分析

“原子結(jié)構(gòu)”是高中化學(xué)必修課程“物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)”主題的核心知識(shí)，也是物理學(xué)和化學(xué)的跨學(xué)科知識(shí)。新教材必修一將原子結(jié)構(gòu)的內(nèi)容編排在第4 章“原子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵”的第2 節(jié)和第3 節(jié)，該章第1節(jié)是元素周期表和元素周期律，第4 節(jié)是化學(xué)鍵。總體而言，整章的編排體現(xiàn)了“從宏觀辨識(shí)到微觀探析的認(rèn)知發(fā)展、從孤立的微粒觀到微粒作用觀的觀念進(jìn)階”的特點(diǎn)。原子結(jié)構(gòu)的內(nèi)容包括原子結(jié)構(gòu)探索歷程及原子的構(gòu)成、核素及其質(zhì)量的計(jì)量、核外電子排布等板塊，具體如圖1 所示。

圖1 新教材“原子結(jié)構(gòu)”內(nèi)容結(jié)構(gòu)圖

“原子結(jié)構(gòu)探索歷程及原子的構(gòu)成”板塊，圍繞“物質(zhì)是怎樣構(gòu)成的”這一核心問(wèn)題，從古代先哲的觀點(diǎn)談起，再到近現(xiàn)代科學(xué)家基于實(shí)驗(yàn)證據(jù)提出有代表性的原子結(jié)構(gòu)模型，最后引出現(xiàn)代原子結(jié)構(gòu)模型，并介紹構(gòu)成原子的微粒及其性質(zhì)?！昂怂丶捌滟|(zhì)量的計(jì)量”板塊，則將研究對(duì)象聚焦于原子核，通過(guò)給出“三種質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的氫原子”，引出核素和同位素的概念；再由“某些核素會(huì)發(fā)生放射性衰變”推出放射性同位素的應(yīng)用；最后以“原子的實(shí)際質(zhì)量過(guò)小而不便計(jì)量”引入相對(duì)原子質(zhì)量，并結(jié)合核素的豐度將其延伸為元素的基本參數(shù)之一?！昂送怆娮优挪肌卑鍓K，將核外電子作為研究對(duì)象，基于核外電子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，指出“科學(xué)家主要運(yùn)用量子力學(xué)等方法研究電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律”，進(jìn)而建構(gòu)了“電子在原子核外不同電子層上分層排布”的模型；通過(guò)給出“核電荷數(shù)為1—20 元素原子和第18 族部分元素原子的電子層排布情況”，引導(dǎo)學(xué)生歸納出核外電子排布的規(guī)律，建立“位置—結(jié)構(gòu)”認(rèn)知模型，再通過(guò)研究“元素化學(xué)性質(zhì)與原子最外層電子排布”的關(guān)系，建構(gòu)“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)”認(rèn)知模型；然后介紹了結(jié)構(gòu)示意圖和電子式這兩種表征電子排布的符號(hào)工具，而這兩種表征工具是建立在核外電子的排布規(guī)律基礎(chǔ)上的；最后通過(guò)探究“元素性質(zhì)隨原子序數(shù)遞增呈現(xiàn)周期性變化”的原因，建立了“位置—結(jié)構(gòu)—性質(zhì)”三者之間關(guān)系的認(rèn)知模型。

因此，新教材認(rèn)識(shí)“原子結(jié)構(gòu)”核心知識(shí)的基本思路可從認(rèn)識(shí)對(duì)象、認(rèn)識(shí)順序、認(rèn)識(shí)視角及承載的素養(yǎng)發(fā)展功能等方面進(jìn)行歸納，如圖2 所示。

圖2 認(rèn)識(shí)“原子結(jié)構(gòu)”核心知識(shí)的基本思路

“原子結(jié)構(gòu)”內(nèi)容承載了上述核心素養(yǎng)的發(fā)展功能，其中“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)的發(fā)展是貫穿內(nèi)容始終的。新教材中，無(wú)論是基于“陰極射線”“α 粒子轟擊金箔”等實(shí)驗(yàn)證據(jù)提出原子結(jié)構(gòu)模型，還是通過(guò)量子力學(xué)研究核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、建立核外電子分層排布的抽象模型，都是科學(xué)家基于事實(shí)或?qū)嶒?yàn)證據(jù)，經(jīng)過(guò)邏輯思維推理進(jìn)而建立的科學(xué)模型?？茖W(xué)模型具有表征、解釋、預(yù)測(cè)、重演等功能。①陳進(jìn)前：《理解“模型認(rèn)知”素養(yǎng)的不同視角》，《課程·教材·教法》2020 年第4 期，第108-113 頁(yè)。結(jié)構(gòu)示意圖和電子式都是科學(xué)模型的符號(hào)化表示，可以表征核外電子排布；玻爾模型可以解釋大多數(shù)原子均呈現(xiàn)穩(wěn)定的狀態(tài)；根據(jù)核外電子排布的情況可以預(yù)測(cè)元素的化學(xué)性質(zhì)。學(xué)生在4.1 節(jié)“元素周期表和元素周期律”的學(xué)習(xí)中，已經(jīng)建立“位置—性質(zhì)”關(guān)系模型；學(xué)習(xí)“核外電子排布規(guī)律”時(shí)，又將逐步建立“位置—結(jié)構(gòu)”“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)”的關(guān)系模型；最后在“核外電子排布對(duì)周期律的解釋”中整合原有的關(guān)系模型，形成“位置—結(jié)構(gòu)—性質(zhì)”的認(rèn)知模型。運(yùn)用這個(gè)認(rèn)知模型，學(xué)生能夠分析和解決有關(guān)元素及其化合物的性質(zhì)問(wèn)題，進(jìn)而形成科學(xué)的認(rèn)識(shí)思路和思維模型。

三、單元教學(xué)設(shè)計(jì)思考

單元教學(xué)設(shè)計(jì)一般包含單元課時(shí)規(guī)劃、單元教學(xué)目標(biāo)、單元教學(xué)活動(dòng)及評(píng)價(jià)等要素，本研究暫不涉及單元教學(xué)評(píng)價(jià)。

1. 單元課時(shí)規(guī)劃

根據(jù)新教材“原子結(jié)構(gòu)”主題各板塊的內(nèi)容體量和編排特點(diǎn)，單元課時(shí)規(guī)劃為“原子的構(gòu)成”（1 課時(shí)）、“核素及其相對(duì)原子質(zhì)量”（1 課時(shí)）、“核外電子排布”（2 課時(shí)），共計(jì) 4 課時(shí)。

2. 單元教學(xué)目標(biāo)

分析新課標(biāo)“物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)”主題的內(nèi)容要求和學(xué)業(yè)要求，發(fā)現(xiàn)涉及“原子結(jié)構(gòu)”單元的主要有：認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)、元素性質(zhì)與元素在周期表中位置的關(guān)系，能利用原子結(jié)構(gòu)解釋元素性質(zhì)及其遞變規(guī)律和分析、預(yù)測(cè)、比較元素的性質(zhì)；知道元素、核素的含義，了解原子核外電子的排布，能畫(huà)出1—20 號(hào)元素的原子結(jié)構(gòu)示意圖。②中華人民共和國(guó)教育部：《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》，人民教育出版社2020 年版，第18-21 頁(yè)。追溯學(xué)生已有的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，厘清單元教學(xué)的起點(diǎn)，才能更好地設(shè)計(jì)單元教學(xué)目標(biāo)。學(xué)生在初中階段已初步認(rèn)識(shí)物質(zhì)的微觀構(gòu)成，而在前面4.1 節(jié)學(xué)習(xí)中知道了元素周期表的結(jié)構(gòu)，認(rèn)識(shí)了同周期和同主族元素性質(zhì)的遞變規(guī)律，并建構(gòu)元素在周期表中位置和元素性質(zhì)之間的關(guān)系模型。在明確本教學(xué)單元主要承載的學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展要求，以及新課標(biāo)對(duì)本教學(xué)單元的導(dǎo)向性要求后，再結(jié)合學(xué)生已有的認(rèn)知發(fā)展水平，可以確定本單元教學(xué)目標(biāo)，具體見(jiàn)表1。

表1 “原子結(jié)構(gòu)”單元教學(xué)目標(biāo)

3. 單元教學(xué)活動(dòng)安排

學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)需要教師精心設(shè)計(jì)和引導(dǎo)，如果說(shuō)確定教學(xué)單元和制定教學(xué)目標(biāo)解決單元教學(xué)“教什么”的問(wèn)題，那么設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)則解決“怎么教”的問(wèn)題。①葉佩玉：《中學(xué)化學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)》，上海教育出版社2016 年版，第248 頁(yè)。結(jié)合新課標(biāo)的變化和新教材的編排特點(diǎn)，主體承擔(dān)“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)發(fā)展的單元教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)，應(yīng)關(guān)注關(guān)鍵性問(wèn)題的處理，如下所示：

（1）基于實(shí)驗(yàn)證據(jù)推動(dòng)科學(xué)模型的建立和演變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)認(rèn)知的進(jìn)階

早在古代文明時(shí)期，中外思想家就曾思考“物質(zhì)的構(gòu)成”問(wèn)題，也提出一些觀點(diǎn)，但這并非基于實(shí)驗(yàn)證據(jù)推理而來(lái)。直到近現(xiàn)代，科學(xué)家才開(kāi)始基于實(shí)驗(yàn)或事實(shí)的證據(jù)提出論點(diǎn)，對(duì)物質(zhì)的構(gòu)成乃至原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)不斷發(fā)展：基于質(zhì)量守恒定律、定比定律和倍比定律，認(rèn)識(shí)到原子的存在；基于陰極射線實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)到原子是有結(jié)構(gòu)的；基于α 粒子轟擊金箔實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)到原子核的存在和核外電子繞核高速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)；基于大多數(shù)原子呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)的事實(shí)，認(rèn)識(shí)到電子在原子核外空間特定的軌道上繞核運(yùn)動(dòng)；基于核外電子的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，認(rèn)識(shí)到需用量子力學(xué)研究其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

本單元教學(xué)的第一課時(shí)“原子的構(gòu)成”沿著歷史發(fā)展的脈絡(luò)，再現(xiàn)科學(xué)家探究物質(zhì)構(gòu)成和原子結(jié)構(gòu)的歷程，旨在使學(xué)生體會(huì)基于實(shí)驗(yàn)證據(jù)建立的原子結(jié)構(gòu)模型不斷演變的發(fā)展過(guò)程；第三課時(shí)“核外電子排布”則聚焦于原子的核外電子，通過(guò)描述核外電子運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，提出研究方法，進(jìn)而建立電子分層排布的抽象模型，再基于“部分元素原子的電子層排布情況”的事實(shí)證據(jù)，推理歸納出多電子原子核外電子排布遵循的規(guī)律。整個(gè)單元的教學(xué)大體上按照先整體后局部的線索依次展開(kāi)，“實(shí)驗(yàn)證據(jù)”“科學(xué)模型”“模型認(rèn)知”這三個(gè)要素協(xié)同發(fā)展，從而更好地達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。以第一課時(shí)為例，證據(jù)、模型和認(rèn)知的邏輯關(guān)系如圖3 所示，需要指出的是，這也是單元課時(shí)教學(xué)活動(dòng)演進(jìn)的核心線索。

圖3 原子結(jié)構(gòu)的“證據(jù)—模型—認(rèn)知”邏輯關(guān)系

（2）基于核心知識(shí)建構(gòu)關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)認(rèn)知模型的進(jìn)階設(shè)計(jì)

如果說(shuō)教學(xué)目標(biāo)指引著教學(xué)的方向，那么教學(xué)的起點(diǎn)則對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)具有定位作用。按照新教材的編排順序，在開(kāi)展“原子結(jié)構(gòu)”單元教學(xué)之前，學(xué)生已經(jīng)完成了“元素周期律（表）”單元的學(xué)習(xí)。學(xué)生通過(guò)元素周期律（表）的學(xué)習(xí)，已經(jīng)認(rèn)識(shí)“元素在周期表中位置”與“元素性質(zhì)”之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系，建立“位置—性質(zhì)”二維認(rèn)知模型，這也是本單元教學(xué)的起點(diǎn)。如前所述，本單元教學(xué)主要承擔(dān)的核心素養(yǎng)發(fā)展功能之一，就是引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)“位置—結(jié)構(gòu)—性質(zhì)”的三維認(rèn)知模型，并基于該模型分析、比較元素及其化合物的性質(zhì)。然而，該認(rèn)知模型的建構(gòu)和發(fā)展并非一蹴而就，而是隨著核心知識(shí)遵循其內(nèi)在邏輯逐步展開(kāi)而逐層推進(jìn)的，這就需要教師在設(shè)計(jì)單元教學(xué)活動(dòng)時(shí)予以整體考慮。

本單元教學(xué)的第三課時(shí)，提出了“確定未知元素原子的電子層數(shù)和最外層電子數(shù)”的實(shí)際問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生探究“周期序數(shù)與電子層數(shù)”“族序數(shù)與最外層電子數(shù)”等關(guān)系，進(jìn)而建立“位置—結(jié)構(gòu)”二維認(rèn)知模型；第三課時(shí)，研究金屬單質(zhì)和非金屬單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，得出“元素的化學(xué)性質(zhì)與原子的最外層電子排布密切相關(guān)”，形成“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)”二維認(rèn)知模型；第四課時(shí)，從研究“為什么元素的性質(zhì)會(huì)隨著原子序數(shù)的遞增呈現(xiàn)周期性變化”入手，引導(dǎo)學(xué)生從研究原子中核外電子排布變化規(guī)律的角度，去理解元素性質(zhì)的周期性變化規(guī)律，整合已有的二維模型，厘清“位置”“結(jié)構(gòu)”和“性質(zhì)”三者之間的內(nèi)在邏輯，形成“位置—結(jié)構(gòu)—性質(zhì)”的三維認(rèn)知模型。本單元教學(xué)活動(dòng)中的驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題、核心知識(shí)和認(rèn)知模型的邏輯關(guān)系如圖4 所示，這也體現(xiàn)了認(rèn)知模型的進(jìn)階設(shè)計(jì)。

圖4 “位置—結(jié)構(gòu)—性質(zhì)”三維認(rèn)知模型的進(jìn)階設(shè)計(jì)

（3）設(shè)計(jì)基于歷史情境的對(duì)話活動(dòng)，體會(huì)模型方法的重要作用

知識(shí)能否轉(zhuǎn)化為素養(yǎng)很大程度上取決于教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施，這其中包括學(xué)生活動(dòng)的設(shè)計(jì)。情境能夠?yàn)閷W(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)提供必要的信息，從而支持和促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)。教學(xué)情境的創(chuàng)設(shè)離不開(kāi)情境素材，教學(xué)內(nèi)容不同，情境素材的應(yīng)用策略也不同。

原子結(jié)構(gòu)的探索歷程實(shí)際上是科學(xué)家基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)和計(jì)算建立各種原子結(jié)構(gòu)模型并不斷演進(jìn)的過(guò)程。而教學(xué)的難點(diǎn)就在于如何讓學(xué)生在課堂教學(xué)的有限時(shí)間內(nèi)，理解科學(xué)家基于實(shí)驗(yàn)證據(jù)推理建構(gòu)原子結(jié)構(gòu)模型的思維過(guò)程。因此，教學(xué)時(shí)可以將原子結(jié)構(gòu)的探索歷程設(shè)計(jì)成情境，引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入科學(xué)發(fā)現(xiàn)時(shí)期的歷史情境，通過(guò)設(shè)計(jì)系列對(duì)話活動(dòng)，增進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，形成基于證據(jù)進(jìn)行推理的意識(shí)，體會(huì)模型方法在化學(xué)研究中的重要作用，進(jìn)而內(nèi)化為學(xué)科核心素養(yǎng)。

教師利用本單元教學(xué)的第一課時(shí)，設(shè)計(jì)分析推理、解釋說(shuō)明類的對(duì)話活動(dòng)，如設(shè)計(jì)“如果你是道爾頓，如何運(yùn)用提出的原子論來(lái)解釋質(zhì)量守恒定律、定比定律和倍比定律”的對(duì)話活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)解釋說(shuō)明進(jìn)一步加深對(duì)“道爾頓是如何基于實(shí)驗(yàn)證據(jù)建立原子論”的理解；又如設(shè)計(jì)“如果你身處湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子的時(shí)代，關(guān)于原子的結(jié)構(gòu)，你又會(huì)有何想法”的對(duì)話活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生基于“電子帶負(fù)電荷，而原子是電中性的”進(jìn)行分析推理，重走湯姆孫當(dāng)年建立葡萄干面包模型的思路歷程；再如設(shè)計(jì)“根據(jù)α 粒子轟擊金箔實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，有人認(rèn)為原子內(nèi)部有可能存在多個(gè)相同的、帶正電荷的核，如果你是身處那個(gè)時(shí)代的盧瑟福，會(huì)如何回應(yīng)”的對(duì)話活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)的碰撞規(guī)律進(jìn)行分析推理，排除這種可能性，進(jìn)而沿著盧瑟福的思考軌跡“建立”有核模型。在第二課時(shí)，教師可設(shè)計(jì)比較分析類的對(duì)話活動(dòng)，如設(shè)計(jì)“原子的質(zhì)量極小，如果你身處道爾頓提出原子論的時(shí)代，如何方便地表示原子的質(zhì)量”的對(duì)話活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)比較建立數(shù)據(jù)分析模型，做出當(dāng)年科學(xué)家曾做的選擇，即以某種原子的質(zhì)量作為標(biāo)準(zhǔn)，采用相對(duì)質(zhì)量進(jìn)行計(jì)量。

四、單元教學(xué)實(shí)踐案例剖析

依據(jù)單元課時(shí)的規(guī)劃和擬定的教學(xué)目標(biāo)，遵循單元教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)，以“原子的構(gòu)成”一課的教學(xué)片段為例，進(jìn)行“原子結(jié)構(gòu)”單元的教學(xué)實(shí)踐。

1. 創(chuàng)設(shè)情境，引出物質(zhì)的微觀構(gòu)成問(wèn)題，了解古代先哲的觀點(diǎn)

教學(xué)片段1：

（情境）展示金塊被不斷切割的圖片，讓學(xué)生想象把一片金塊不斷切成更小的小塊最終能得到什么，從而引出物質(zhì)的微觀構(gòu)成問(wèn)題。

學(xué)生思考，猜測(cè)可能是分子、原子等微粒。

教師：同學(xué)們做出了不同的猜測(cè)，我們暫且擱置爭(zhēng)議，先來(lái)了解一下古代先哲的觀點(diǎn)。大約公元前400 年，中外思想家都曾思考過(guò)類似的問(wèn)題。古希臘哲學(xué)家德謨克利特在原子唯物論學(xué)說(shuō)中認(rèn)為，物質(zhì)由極小的、不可分割的被稱為“原子”的微粒構(gòu)成。同時(shí)代的中國(guó)戰(zhàn)國(guó)初期思想家墨子認(rèn)為，物體分到不能再分成兩半的時(shí)候，就不變了，因?yàn)樗呀?jīng)到“端”了。這種“原子”或“端”的概念，只是一種哲學(xué)觀點(diǎn)，并沒(méi)有經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。

學(xué)生認(rèn)識(shí)到古代中外思想家的觀點(diǎn)也只是猜想，需要實(shí)驗(yàn)證據(jù)來(lái)證明是否正確。

2.體驗(yàn)近現(xiàn)代科學(xué)家基于實(shí)驗(yàn)證據(jù)推理建立科學(xué)模型的過(guò)程，認(rèn)識(shí)到科學(xué)模型是不斷經(jīng)歷修正和完善的

教學(xué)片段2：

（α 粒子轟擊金箔實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫(huà)演示）絕大多數(shù)的α 粒子都直線穿過(guò)金箔，但有極少數(shù)α 粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，有個(gè)別α 粒子甚至被直接反彈回去。

教師介紹：1909 年，盧瑟福領(lǐng)導(dǎo)的科研小組就做了該實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，分組討論原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。

組1 學(xué)生：絕大部分α 粒子能直線穿過(guò)金箔，說(shuō)明原子幾乎是空的。

組2 學(xué)生：極少數(shù)的α 粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，有個(gè)別甚至被直接彈回，說(shuō)明原子內(nèi)部存在一個(gè)很小的、密度很大且?guī)д姾傻暮恕?/p>

教師提問(wèn)：原子內(nèi)部有可能存在多個(gè)相同的、帶正電荷的核嗎？

組3 學(xué)生：如果每個(gè)原子有多個(gè)相同的核時(shí)，每個(gè)核擁有的質(zhì)量與只有一個(gè)核時(shí)相比會(huì)下降不少，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)的碰撞規(guī)律，高速運(yùn)動(dòng)的α 粒子若撞上核，也很可能無(wú)法直接彈回。

教師總結(jié)：大家剛才的分析已推翻了湯姆孫的葡萄干面包原子模型。1911 年，盧瑟福提出了原子結(jié)構(gòu)的有核模型。

3. 認(rèn)識(shí)原子的構(gòu)成，基于證據(jù)推理構(gòu)成原子的微粒之間的數(shù)量關(guān)系

教學(xué)片段3：

（素材）列表給出質(zhì)子、中子和電子的質(zhì)量、相對(duì)質(zhì)量和電荷等基本數(shù)據(jù)。

教師啟發(fā)：根據(jù)表中所列數(shù)據(jù)，小組討論下列問(wèn)題：在原子中，質(zhì)子數(shù)、核電荷數(shù)和核外電子數(shù)之間存在怎樣的數(shù)量關(guān)系？原子的質(zhì)量主要由哪些微粒決定？

組4 學(xué)生：每個(gè)質(zhì)子帶1 個(gè)單位正電荷，中子不帶電荷，故原子核的核電荷數(shù)等于其核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)。原子整體顯電中性，而每個(gè)電子帶1 個(gè)單位負(fù)電荷，所以核電荷數(shù)也等于核外電子數(shù)。由表中數(shù)據(jù)可知，電子的質(zhì)量大約只有質(zhì)子或中子的1836 分之一，可以忽略不計(jì)，因此原子的質(zhì)量主要由質(zhì)子和中子決定。

五、單元教學(xué)設(shè)計(jì)的反思與改進(jìn)

“原子的構(gòu)成”教學(xué)的主體內(nèi)容在舊教材中也基本覆蓋，但是新課標(biāo)新教材對(duì)該內(nèi)容提出了更高的要求，賦予它學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展功能的要求。這就決定了“原子的構(gòu)成”的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施都是以素養(yǎng)發(fā)展為導(dǎo)向的，且主要指向“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)。通過(guò)課堂觀察、抽樣訪談，探查單元課時(shí)的教學(xué)效果，筆者總結(jié)出如下策略：

1. 基于證據(jù)的教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生證據(jù)推理意識(shí)的養(yǎng)成

基于證據(jù)的推理是人類重要的科學(xué)思維方式之一，而這要求學(xué)生具有證據(jù)意識(shí)，形成“證據(jù)支持觀點(diǎn)”的論證思路，學(xué)會(huì)“有理有據(jù)”地思考推理。蘇霍姆林斯基認(rèn)為，學(xué)生希望自己就是一個(gè)發(fā)現(xiàn)者、研究者、探索者。①蘇霍姆林斯基：《給教師的100 條建議》，杜殿坤譯，教育科學(xué)出版社2015 年版，第63 頁(yè)。如果教師在教學(xué)中能立足情境收集證據(jù)、基于證據(jù)進(jìn)行推理，就會(huì)激發(fā)學(xué)生的求知欲，進(jìn)而促進(jìn)證據(jù)推理意識(shí)的養(yǎng)成?；谧C據(jù)進(jìn)行推理的實(shí)踐貫穿“原子的構(gòu)成”的教學(xué)始終，無(wú)論是基于“陰極射線偏向于正電極板”推理出“陰極射線由帶負(fù)電荷的電子組成”，還是基于“絕大部分α 粒子能直線穿過(guò)金箔”推理出“原子幾乎是空的”。抽樣調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生基本都能認(rèn)識(shí)到原子結(jié)構(gòu)模型是科學(xué)家在大量實(shí)驗(yàn)證據(jù)的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)推理提出的抽象模型；每一次模型的提出，都是對(duì)以前模型的質(zhì)疑，都要用新的實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證質(zhì)疑的合理性，也都受到當(dāng)時(shí)科技水平的限制。

2. 聚焦推理的過(guò)程，促進(jìn)邏輯推理能力的進(jìn)階發(fā)展

基于證據(jù)經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的邏輯推理過(guò)程得出觀點(diǎn)，是證據(jù)推理的核心所在。教師在引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)各種原子結(jié)構(gòu)模型時(shí)，要讓學(xué)生思考并體驗(yàn)這一過(guò)程。如果基于證據(jù)進(jìn)行邏輯推理的教學(xué)過(guò)程都被直接給出的觀點(diǎn)所替代，那么“基于證據(jù)進(jìn)行推理，進(jìn)而建構(gòu)科學(xué)模型”的素養(yǎng)發(fā)展就失去落腳點(diǎn)，科學(xué)探究精神的實(shí)踐也喪失殆盡。證據(jù)推理能力的發(fā)展主要受到知識(shí)基礎(chǔ)、邏輯思維、學(xué)習(xí)方式等因素的影響。

（1）借助跨學(xué)科知識(shí)，為邏輯推理奠定知識(shí)基礎(chǔ)

基于證據(jù)進(jìn)行邏輯推理時(shí)，往往需要運(yùn)用學(xué)科知識(shí)對(duì)證據(jù)進(jìn)行分析、推理、演繹、歸納，而這也是教學(xué)難點(diǎn)之一。例如，原子結(jié)構(gòu)模型的建立需要跨學(xué)科知識(shí)的支撐，尤其對(duì)學(xué)生的物理學(xué)知識(shí)提出了較高的要求；在對(duì)“α 粒子轟擊金箔實(shí)驗(yàn)結(jié)果”進(jìn)行分析時(shí)，對(duì)學(xué)生的碰撞理論知識(shí)提出了較高的要求；而分析“有核模型”的缺陷時(shí)，又對(duì)學(xué)生的電磁學(xué)理論知識(shí)提出了要求。筆者在進(jìn)行這些內(nèi)容的初次教學(xué)時(shí)，通過(guò)課堂觀察發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生難以跨越這個(gè)難點(diǎn)，課后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這與學(xué)生缺少“運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)進(jìn)行分析”的意識(shí)有很大關(guān)系。因此，教師可通過(guò)課前發(fā)放資料包的形式引導(dǎo)學(xué)生回顧或?qū)W習(xí)相關(guān)物理學(xué)知識(shí)，后續(xù)在其他班級(jí)的教學(xué)中成效明顯。

（2）充分發(fā)揮“質(zhì)疑”的糾錯(cuò)功能，促進(jìn)邏輯推理能力的發(fā)展

質(zhì)疑是推動(dòng)科學(xué)研究不斷前行的原動(dòng)力。學(xué)習(xí)原子結(jié)構(gòu)模型的建立和演變需要學(xué)生具備較強(qiáng)的邏輯推理和科學(xué)思辨的能力。在教學(xué)中，學(xué)生觀察到“有個(gè)別α 粒子被直接彈回”這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考辨析“如果參照‘葡萄干面包模型’，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象又該是怎樣的”，進(jìn)而對(duì)“葡萄干面包模型”提出質(zhì)疑，然后再基于發(fā)現(xiàn)的新證據(jù)進(jìn)行推理，從而促進(jìn)學(xué)生邏輯推理能力的進(jìn)階發(fā)展。其實(shí)也正是不斷經(jīng)歷這樣的過(guò)程，原子結(jié)構(gòu)模型才得以不斷演變和發(fā)展。

（3）借力合作學(xué)習(xí)，提升證據(jù)推理的成效

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為，個(gè)體通過(guò)證據(jù)直接推理原子內(nèi)部可能的結(jié)構(gòu)還是很具有挑戰(zhàn)性的，如基于“有個(gè)別α 粒子被直接彈回”推理出“原子內(nèi)部存在一個(gè)很小的、密度很大且?guī)д姾傻暮恕保梢酝ㄟ^(guò)設(shè)計(jì)小組合作學(xué)習(xí)，思考爭(zhēng)論，集思廣益，能有效地突破這個(gè)難點(diǎn)，從而提升課堂推理的成效。

“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)指向的原子結(jié)構(gòu)教學(xué)，關(guān)注的不僅是學(xué)生認(rèn)識(shí)各種原子結(jié)構(gòu)模型的知識(shí)指向，還應(yīng)更關(guān)注培養(yǎng)學(xué)生基于證據(jù)進(jìn)行質(zhì)疑的意識(shí)、通過(guò)邏輯推理提出假說(shuō)的能力和運(yùn)用模型解決問(wèn)題的觀念。