陳俏 耿雁冰 王心怡 姚燕娟

摘要： 以人教版九年級化學(xué)“原子的結(jié)構(gòu)”第1課時的教學(xué)設(shè)計為例，從化學(xué)史和核心素養(yǎng)培育的角度對主題內(nèi)容的科學(xué)本質(zhì)進行分析，通過將科學(xué)家探索原子結(jié)構(gòu)的過程轉(zhuǎn)化為學(xué)生的探究活動，如制作模型、引導(dǎo)學(xué)生思維外顯和過程性評價等措施，學(xué)習(xí)科學(xué)探究方法，發(fā)展思維能力和微粒觀，培養(yǎng)科學(xué)精神，增進學(xué)生對科學(xué)知識本質(zhì)、科學(xué)探究本質(zhì)和科學(xué)事業(yè)本質(zhì)的理解。

關(guān)鍵詞： 化學(xué)科學(xué)本質(zhì)； 化學(xué)史； 原子的結(jié)構(gòu)； 科學(xué)探究； 制作模型

文章編號： 1005-6629（2023）04-0058-07

中圖分類號： G633.8

文獻標(biāo)識碼： B

國際科學(xué)教育領(lǐng)域近年來非常重視科學(xué)本質(zhì)教育，多個國家和地區(qū)在教育綱領(lǐng)性文件中明確指出科學(xué)本質(zhì)教育。我國教育部頒布的《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）中，將“化學(xué)科學(xué)本質(zhì)”作為學(xué)習(xí)主題“科學(xué)探究與化學(xué)實驗”內(nèi)容要求的第一要素，并被明確為該學(xué)習(xí)主題的大概念［1］。其涉及學(xué)生對化學(xué)學(xué)科特征、學(xué)科事業(yè)、與社會的關(guān)系、科學(xué)態(tài)度和精神等一系列學(xué)科基本問題的認識［2］，對增進學(xué)生化學(xué)科學(xué)本質(zhì)的理解提出了明確要求。

國內(nèi)較為主流的觀點認為，科學(xué)本質(zhì)教育有三個維度：科學(xué)知識的本質(zhì)、科學(xué)探究的本質(zhì)和科學(xué)事業(yè)的本質(zhì)［3， 4］。具體包括：科學(xué)是觀察和推理的結(jié)果，科學(xué)知識具有暫定性和發(fā)展性等；科學(xué)是不斷探究的過程，具有提出問題、猜想假設(shè)、設(shè)計實驗、建構(gòu)模型、證據(jù)推理、得出結(jié)論等要素；科學(xué)知識與社會、文化相互影響，科學(xué)共同體之間相互論證、合作交流等［5］。研究表明，融入化學(xué)史的科學(xué)探究是進行科學(xué)本質(zhì)教育的重要方式和有效途徑［6］。下面以人教版九年級化學(xué)第三單元“原子的結(jié)構(gòu)”第1課時的設(shè)計加以闡明。

1? 教學(xué)主題內(nèi)容科學(xué)本質(zhì)的分析

1.1? 從化學(xué)史角度分析

人類對原子結(jié)構(gòu)的認識跨越了兩千多年，從古代先賢哲學(xué)思辨中的原子到現(xiàn)代薛定諤的電子云模型，主要經(jīng)歷了3個時期、6個模型，見圖1。考慮到學(xué)生認知水平和教材編排，初中介紹前5個模型，即古代和近代兩個時期，電子云模型是學(xué)生未來進入高中才學(xué)習(xí)的內(nèi)容，初中只是提及。這些模型能解釋一些特定的現(xiàn)象，其局限性被科學(xué)家們不斷突破，模型隨之演變，人們對原子結(jié)構(gòu)的認識越來越逼近本質(zhì)，這是科學(xué)知識暫定性和發(fā)展性的體現(xiàn)。如行星模型能解釋α粒子散射實驗現(xiàn)象，但被認為與經(jīng)典電磁理論相悖，電子會坍塌，事實上原子卻很穩(wěn)定，而玻爾模型回答了這個問題，并能解釋氫原子光譜，但不能解釋多電子的原子。模型的演變過程基于實驗證據(jù)和邏輯推理，是去偽存真、追本溯源的過程，包含科學(xué)探究的所有要素，彰顯科學(xué)家們理性批判、求真創(chuàng)新等科學(xué)精神，是科學(xué)探究本質(zhì)和科學(xué)事業(yè)本質(zhì)的體現(xiàn)。

1.2? 從核心素養(yǎng)角度分析

“原子的結(jié)構(gòu)”是學(xué)習(xí)主題“物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)”的內(nèi)容，涉及核心概念“原子”，基本概念“原子核”“核外電子”“質(zhì)子”“中子”。新課標(biāo)對該內(nèi)容的要求見表1。

由表1可以看出，“原子的結(jié)構(gòu)”承載的核心素養(yǎng)內(nèi)涵豐富，學(xué)生在初識分子、原子后，深入原子內(nèi)部探析其結(jié)構(gòu)，初步認識物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)間的關(guān)聯(lián)，是“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”觀念建構(gòu)的起始，為理解離子、元素及化合價奠定基礎(chǔ)，其在核心素養(yǎng)發(fā)展上的定位及與科學(xué)本質(zhì)的關(guān)系如圖2所示。其中，科學(xué)思維和科學(xué)探究作為幫助學(xué)生開啟原子“黑箱”的兩把鑰匙，是本節(jié)課素養(yǎng)培育的重點。學(xué)生沿著科學(xué)家探索原子的足跡，通過科學(xué)探究過程，學(xué)習(xí)科學(xué)探究方法，發(fā)展科學(xué)思維能力和微粒觀，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度。比較化學(xué)科學(xué)本質(zhì)和化學(xué)核心素養(yǎng)，兩者內(nèi)涵相似，育人目標(biāo)一致，增進化學(xué)科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)可以通過核心素養(yǎng)的落實來實現(xiàn)，學(xué)生四個維度核心素養(yǎng)的發(fā)展將合力增進對化學(xué)科學(xué)本質(zhì)的理解。

2? 教學(xué)目標(biāo)

（1） 能從微觀視角初步建立物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，能說出原子的構(gòu)成及原子內(nèi)各微粒電性和數(shù)目間的關(guān)系，能舉例描述原子核外電子的排布，建立認識原子結(jié)構(gòu)的定性和定量視角，發(fā)展微粒觀。

（2） 通過對不同階段原子模型的比較，知道人類對科學(xué)的認識是不斷發(fā)展的，增進對科學(xué)知識本質(zhì)的理解；通過對實驗或教具演示結(jié)果的分析以及動手制作模型，明確科學(xué)探究的要素、學(xué)習(xí)科學(xué)探究的方法，發(fā)展類比、證據(jù)推理、模型認知和批判質(zhì)疑能力，增進對科學(xué)探究本質(zhì)的理解。

（3） 通過化學(xué)史料的學(xué)習(xí)，體會科學(xué)家探索微觀世界的智慧以及科學(xué)共同體之間相互論證、合作交流的重要性，學(xué)習(xí)科學(xué)家們理性批判、嚴謹求實的科學(xué)精神，增進對科學(xué)事業(yè)本質(zhì)的理解。

3? 教學(xué)流程

教學(xué)設(shè)計了任務(wù)線、化學(xué)史線、問題線、探究線，見圖3。以化學(xué)史引出問題及探究活動，學(xué)生在教師引導(dǎo)下自主獲得科學(xué)知識、學(xué)習(xí)科學(xué)探究方法、訓(xùn)練科學(xué)思維，其中探索近代原子模型的發(fā)展是最能增進學(xué)生對科學(xué)知識、科學(xué)探究、科學(xué)事業(yè)本質(zhì)理解的部分，成為本節(jié)課的學(xué)習(xí)重點。

4? 教學(xué)實錄

［材料準(zhǔn)備］每小組：彩色橡皮泥1桶、一次性紙杯5個（可剪出電子運動軌道）、剪刀1把、細鐵絲適量。

［師］今天我們將沿著歷史上科學(xué)家的足跡，深入原子內(nèi)部，去打開原子的“黑箱”。

任務(wù)一：評價古代原子觀點

［史料1］古希臘學(xué)者德謨克里特認為萬物的本源是原子和虛空，原子在希臘文中是不可分的意思。古代中國墨子認為“端”是空間中不可再分割的最小單位。

［問題1］為什么說德謨克里特和墨子的觀點停留在哲學(xué)層面的思辨而非科學(xué)研究？

［生］結(jié)論是通過猜想得出的，未經(jīng)過科學(xué)論證。

任務(wù)二：探索近代原子模型發(fā)展

［史料2］19世紀(jì)初，道爾頓通過對水等物質(zhì)的研究，證實了每種化合物都有固定的組成（定組成定律），基于對常見原子相對大小和質(zhì)量的測定等研究，提出原子學(xué)說，認為物質(zhì)是由不可分割的原子構(gòu)成，并測定了相同元素組成的不同物質(zhì)中各元素的質(zhì)量比，得到倍比定律［8］，見表2。

［師］原子論當(dāng)時能很好地解釋定組成定律和倍比定律等，以表2兩種碳氧化物的實驗結(jié)果為例，試用你所學(xué)過的分子原子知識加以解釋。

［生］道爾頓認為物質(zhì)是由原子構(gòu)成，碳由碳原子構(gòu)成，質(zhì)量相等說明碳原子個數(shù)相等，而一個一氧化碳分子里有一個碳原子和一個氧原子，但一個二氧化碳分子中有兩個氧原子，結(jié)合的氧原子個數(shù)比為1∶2，所以質(zhì)量比為1∶2。

［師］對！不過當(dāng)時還沒有提出分子概念，分子被道爾頓稱為復(fù)雜原子。請以小組為單位，利用所給材料制作道爾頓原子模型，見圖4。

［問題2］道爾頓被稱為近代化學(xué)之父，原子論提出的重要意義在哪？

［生］道爾頓原子論有實驗數(shù)據(jù)支撐，使化學(xué)成為一門科學(xué)。

［史料3］介紹1897年湯姆生的陰極射線實驗，實驗裝置如圖5。播放實驗視頻。

［實驗結(jié)果］金屬板D1、 D2之間不加電場時，射線不偏轉(zhuǎn)，射在屏P1處；加電場時，射線偏轉(zhuǎn)，射在屏P2處；推測出該粒子質(zhì)量約為最輕的氫原子質(zhì)量的1/1836。

［問題3］湯姆生發(fā)現(xiàn)陰極射線有何特征？對原子有何新的認識？

［生］陰極射線是帶負電的粒子流，質(zhì)量很小，所以原子可以再分。

［師］帶負電的粒子被稱為電子。請制作湯姆生心中的原子模型，見圖6。

［師］大家制作的模型是在原子表面粘了些電子，想象一下沒粘到電子的地方以及原子內(nèi)部應(yīng)該如何？

［學(xué)生評價匯總］沒粘到電子部分應(yīng)該想象成有正電荷均勻分布，因為電子帶負電、原子不顯電性。在原子內(nèi)部，也應(yīng)該與模型表面一樣均勻分布著電子和正電荷。

［師］分析得對！當(dāng)時該模型被稱為棗糕模型或葡萄干布丁模型或西瓜模型。

［史料4］20世紀(jì)初，盧瑟福用帶正電的α粒子轟擊金箔的實驗。

［教具演示α粒子轟擊金箔］以直徑40cm的白色大泡沫球模擬金原子，用激光模擬α粒子，光纖模擬α粒子運動路徑。在球一側(cè)用激光筆照射，學(xué)生在另一側(cè)觀察激光，比較激光進出位置的區(qū)別并描述現(xiàn)象。

［生］大部分α粒子直線通過，少數(shù)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)原路返回。

［問題4］能用湯姆生的棗糕模型解釋這種現(xiàn)象嗎？

［生］棗糕模型電荷和質(zhì)量均勻分布，α粒子轟擊時應(yīng)大部分被彈回，不能解釋。

［師］看來棗糕模型有局限性，請依據(jù)證據(jù)進行推理。學(xué)生觀點見表3。

［師］打開教具球體觀察，見圖7。原子中心的兵乓球模擬的就是原子中帶正電荷的微粒。

［師］α粒子碰到的微粒被稱為原子核，密度大體積小，把原子比作體育場，原子核相當(dāng)于體育場正中的一只小螞蟻。聯(lián)想到行星繞著太陽轉(zhuǎn)，對比太陽與行星以及原子核與電子，盧瑟福認為原子內(nèi)部應(yīng)存在與“大宇宙”類似的“小宇宙”，遂提出行星模型，這種依據(jù)兩種事物某些方面的相似性而推出其他屬性相似的方法叫做“類比”。

［史料5］盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子并預(yù)測原子核內(nèi)存在中性粒子;查德威克基于波特等人的研究將發(fā)現(xiàn)的中性粒子命名為中子（具體內(nèi)容略）。

［問題5］學(xué)生依據(jù)史料回答問題并深入探究盧瑟福模型，制作模型，分析評價，見表4。

［師］行星模型能很好地解釋α粒子散射實驗現(xiàn)象，但被認為與經(jīng)典電磁理論相悖，電子會坍塌，但事實上原子卻很穩(wěn)定，科學(xué)家繼續(xù)探索。

［史料6］玻爾提出核外電子是在某些特定軌道上運動的，進而提出玻爾原子模型。

［師］簡介核外電子的分層排布。仍以鋰原子為例，制作玻爾原子模型，見圖8左。

［評價］圖8左中電子實際是在兩個半徑不同的球面上運動，在表示原子結(jié)構(gòu)時，可簡化為圖8右的原子結(jié)構(gòu)示意圖。

［師］說明簡化的原子結(jié)構(gòu)示意圖中每部分的意義。

［生］圈表示原子核，圈內(nèi)數(shù)字表示核電荷數(shù)，弧線表示電子層，弧線上數(shù)字表示電子層上的電子數(shù)。

任務(wù)三：展望及總結(jié)提升

［史料7］科學(xué)家探索原子結(jié)構(gòu)的腳步一直沒有停下，后來薛定諤基于量子力學(xué)，用統(tǒng)計的方法對電子在核外空間分布方式進行了形象描繪，提出了電子云模型，高中會進一步學(xué)習(xí)，未來也許還會出現(xiàn)新的原子模型。

［師］這節(jié)課我們沿著科學(xué)家的腳步，對原子的結(jié)構(gòu)進行了探索，總結(jié)科學(xué)探究的思路并談?wù)勀銓茖W(xué)知識、科學(xué)探究以及科學(xué)家工作的認識。

［師生］共同構(gòu)建原子模型演變過程中科學(xué)探究的思路，見圖9。

［學(xué)生觀點匯總］科學(xué)知識是不斷發(fā)展的，在發(fā)現(xiàn)之初認為是真理，一段時間后可能就不是了?；瘜W(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，這節(jié)課我們學(xué)到了一些科學(xué)探究的方法，如大小宇宙的類比、依據(jù)實驗尋找證據(jù)進行推理得出結(jié)論、用制作模型的方法表示看不見的原子。科學(xué)家們具有的批判精神和嚴謹求實的態(tài)度，值得我們學(xué)習(xí)。

5? 教學(xué)反思

5.1? 通過科學(xué)探究的“轉(zhuǎn)化”增進化學(xué)科學(xué)本質(zhì)的理解

“科學(xué)的本質(zhì)不在于已經(jīng)認識的真理而在于探索真理”［9］，探索真理即科學(xué)探究，而探究的核心在于思維。學(xué)生的探究學(xué)習(xí)活動不同于科學(xué)家的探究活動，兩者既有聯(lián)系又有區(qū)別，教師在選擇化學(xué)史時應(yīng)注意將科學(xué)家的探究活動進行“轉(zhuǎn)化”，而非直接呈現(xiàn)。根據(jù)學(xué)生的認知水平整合化學(xué)史內(nèi)容，在科學(xué)知識生成的關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計學(xué)生的探究活動或問題鏈，啟發(fā)學(xué)生的高階思維，讓學(xué)生清晰了解知識產(chǎn)生的來龍去脈，沉浸式地學(xué)習(xí)科學(xué)探究的方法、思維方式，才能有效增進對科學(xué)本質(zhì)的理解。本設(shè)計中人類探索原子結(jié)構(gòu)的化學(xué)史內(nèi)容繁多且深奧，通過簡化實驗過程、自制教具、精選圖片視頻等途徑對化學(xué)史進行“預(yù)處理”，再通過問題設(shè)計、引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)證據(jù)進行推理、動手制作模型、評價交流等方式，將科學(xué)家們對原子結(jié)構(gòu)的探究歷程“轉(zhuǎn)化”為適合初中學(xué)生的探究活動，充分發(fā)揮化學(xué)史在增進化學(xué)科學(xué)本質(zhì)理解上的功能。

5.2? 通過將學(xué)生思維外顯及評價增進化學(xué)科學(xué)本質(zhì)的理解

化學(xué)科學(xué)本質(zhì)并不是具體的化學(xué)知識，而是內(nèi)隱在化學(xué)知識中，屬于大概念或者觀念。素養(yǎng)導(dǎo)向的教學(xué)注重探究教學(xué)和科學(xué)思維培養(yǎng)，思維的外顯及評價是增進科學(xué)本質(zhì)理解的有效策略。本節(jié)課增進科學(xué)本質(zhì)理解的思維外顯方法有：（1）呈現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)問題。如古代先賢的原子觀點為什么是哲學(xué)層面的思辨而非科學(xué)研究？為什么棗糕模型不能解釋α粒子散射實驗？讓學(xué)生明白科學(xué)的本質(zhì)在于探究（實驗），證據(jù)推理是科學(xué)探究的一種方法；（2）動手制作原子模型。制作是將思維可視化的過程，能促進學(xué)生主動推理，讓學(xué)生自己“創(chuàng)造”科學(xué)知識，并在修正中不斷發(fā)展；（3）提煉原子模型演變中科學(xué)探究思路，讓學(xué)生明確科學(xué)探究的要素及路徑。通過思維外顯，充分展現(xiàn)學(xué)生“從哪里想”和“怎么想”，為診斷學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解提供證據(jù)，有效開展過程性評價，及時調(diào)控教學(xué)，實現(xiàn)“教、學(xué)、評”一致性。

5.3? 關(guān)注不同學(xué)段科學(xué)本質(zhì)教育的“縱向進階”

新課標(biāo)明確了不同學(xué)段科學(xué)知識的內(nèi)容要求、學(xué)業(yè)要求和學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，反映了不同學(xué)段核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)，科學(xué)本質(zhì)也存在相應(yīng)的“縱向進階”教育。如對原子的認識，初中主要為原子的構(gòu)成及原子內(nèi)各微粒間的關(guān)系；高中必修階段要認識“位、構(gòu)、性”關(guān)系、核素、核外電子排布，建構(gòu)元素周期律；選擇性必修階段認識電子云模型、核外電子能級高低順序和構(gòu)造原理等。在任何學(xué)段都應(yīng)避免將知識“講死”或隨意“拔高”，既要遵循知識暫定性與發(fā)展性原則，又要遵循學(xué)生的認知規(guī)律，如本節(jié)課電子云模型雖提及但不詳解即基于此考慮。

5.4? 以跨學(xué)科實踐活動實現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)教育的“橫向整合”

化學(xué)與其他科學(xué)之間、STSE（科學(xué)、技術(shù)、社會和環(huán)境教育）之間關(guān)聯(lián)密切，科學(xué)教育呼喚跨學(xué)科實踐，在跨學(xué)科實踐活動中進行科學(xué)本質(zhì)的教育即“橫向整合”［10， 11］。新課標(biāo)注重跨學(xué)科實踐，不僅將“化學(xué)與社會/跨學(xué)科實踐”作為學(xué)習(xí)主題，還列出10個跨學(xué)科實踐活動供選擇，其中“制作模型并展示科學(xué)家探索物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)的歷程”即與本課題相關(guān)聯(lián)。本設(shè)計通過“做中學(xué)”，將科學(xué)、技術(shù)與藝術(shù)在課堂中融合，且制作材料源自生活中的常見物質(zhì)，易于實施，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；通過“做中學(xué)”，展示科學(xué)家們探索原子的歷程，將抽象的概念形象化、具體化、可視化和動態(tài)化，學(xué)生在深化概念理解的同時也增進了對科學(xué)知識、科學(xué)探究和科學(xué)事業(yè)本質(zhì)的理解。當(dāng)然，教學(xué)中還可以嘗試將信息技術(shù)融合進來，如讓學(xué)生制作人類探索原子化學(xué)史的動畫或3D打印模型等，以擴大“橫向整合”的范圍。

總之，教師對科學(xué)本質(zhì)的理解是科學(xué)本質(zhì)教育的前提，教師應(yīng)深入學(xué)習(xí)科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容，領(lǐng)會新課標(biāo)要求，實現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)教育從理解認知層面向教學(xué)實踐層面的轉(zhuǎn)化。

參考文獻：

［1］［7］中華人民共和國教育部制定. 義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［S］. 北京： 北京師范大學(xué)出版社， 2022.

［2］房喻， 王磊. 義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）解讀［M］. 北京： 高等教育出版社， 2022： 78.

［3］劉健智. 論中學(xué)生科學(xué)本質(zhì)觀的內(nèi)涵［J］. 物理教學(xué)探討， 2006， （5）： １～３.

［4］田春鳳， 郭玉英. 高中物理教學(xué)中科學(xué)本質(zhì)教育的現(xiàn)狀與建議——基于對一線教師的調(diào)查研究［J］. 課程·教材·教法， 2010， 30（3）： 45～49.

［5］廖東軍， 任鳳竹. 體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的HPS教學(xué)——以“原子的核式結(jié)構(gòu)模型”教學(xué)為例［J］. 物理教師， 2022， 43（3）： 26～30.

［6］王培. 運用化學(xué)史開展探究教學(xué)發(fā)展學(xué)生科學(xué)本質(zhì)觀的行動研究［D］. 蘭州： 西北師范大學(xué)碩士學(xué)位論文， 2021： 5～19.

［8］丁緒賢. 化學(xué)史通考［M］. 北京： 中國大百科全書出版社， 2011： 160～189.

［9］夏禹龍等. 科學(xué)學(xué)基礎(chǔ)［M］. 北京： 科學(xué)出版社， 1983： 45.

［10］郭玉英， 姚建欣， 彭征. 美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》述評［J］. 課程·教材·教法， 2013， （8）： 118～127.

［11］康琪. 將科學(xué)本質(zhì)教育落實到科學(xué)課堂實踐中——基于美國新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)中科學(xué)本質(zhì)的啟示［J］. 當(dāng)代教育科學(xué)， 2016， （24）： 52～55， 60.