激發興趣　體驗真實　探索未來
——以“人類對原子結構的認識”（第一課時）教學為例

楊志杰　杭偉華

（浙江省湖州五中　浙江湖州　313100；浙江省長興中學　浙江長興　313100)

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激發興趣體驗真實探索未來
——以“人類對原子結構的認識”（第一課時）教學為例

楊志杰杭偉華

（浙江省湖州五中浙江湖州313100；浙江省長興中學浙江長興313100)

摘要：本節課的教學設計打破課本素材的局限，先用極具視覺沖擊力的“從10億光年到0.1飛米”系列圖片引入，來激發學生學習興趣。再通過豐富的史料，將課本中呈現的幾次對于原子結構認識的重大突破串聯起來，展現從“積累”到“突破”的科學發展過程，形成因果關系較為完整的“通史”，體現量變到質變的哲學思想，使學生能更為真實的體驗科學發展的規律。最后以電子云模型引出“高深”的量子力學問題，提供學生探索未來的動力。這樣的設計充分調動了學生的學習積極性，并取得了理想的教學效果。

關鍵詞：激發；體驗；實驗；模型；探索

一、教材分析

本課的教學內容位于蘇教版普通高中《化學1》專題一的第三單元。學生經過前兩單元的學習，已經認識到了化學世界物質的精彩紛呈，了解到了研究物質的實驗方法的多種多樣。這一單元主要通過化學史的引入把學生帶入化學的微觀世界，讓學生初步了解有關原子結構的知識，但系統介紹原子核外電子排布和元素周期表則在《化學2》中呈現。這樣編排不僅有助于學生在后三個專題的學習中能從原子結構的有關知識角度認識某些元素的化學性質和氧化還原反應等概念，而且體現了知識結構的循序漸進和螺旋式上升的特點。

這一課時的常規教學中，大部分老師運用的素材基本局限于課本上的道爾頓、湯姆生、盧瑟福和玻爾這四位具有“突破”性貢獻的科學家，并以介紹他們的原子結構模型為課堂的主要內容。

雖然這樣設計也能完成教學要求，但在這樣的課堂中，學生可能會出現一系列的疑問：這些模型是在什么樣的背景下提出的？為什么科學家會做這些實驗？是他們突然想出來的，還是受到別人的啟發？原子結構模型的發展過程中其他科學家是否也有貢獻……

因此，常規設計中，素材缺少“血肉”，難以激發學生對“微觀世界”的學習興趣。同時也缺乏“邏輯性”，學生只知其然不知其所以然，不利于對知識的理解和掌握。

二、設計思路

針對以上問題，本節課我對教材進行了特殊處理。先通過幻燈片播放名為“從10億光年到0.1飛米”的系列圖片來展示“從宏觀宇宙到微觀結構”的物質世界的變化來引入，給學生以相當震撼的視覺感受，充分調動學生對物質的“微觀結構”的好奇心。然后順著學生的好奇心，逐步展現人類對物質的“微觀結構”的認識過程，并通過豐富的史料，將課本中呈現的幾次重大突破串聯起來，展現從“積累”到“突破”的科學發展過程，每一次“積累”或“突破”都通過“科學家—實驗—結論—模型”這一完整主線呈現，整節課通過“積累—突破—積累—突破—積累—突破……”螺旋上升的時間主線形成一個因果關系較為完整的“通史”，使學生能更為真實的體驗科學發展的規律。最后通過玻爾的原子結構模型來介紹原子的核外電子排布基本規律，過渡自然而順暢，并從玻爾模型中的量子化思想引出復雜的電子云模型，并通過BBC有關原子結構問題前景展望的視頻留給學生課后無限的遐想，提供學生“探索未來”的動力。以下是這節課的核心教學流程：

三、教學目標

1.知識與技能

（1）了解原子結構模型的演變歷史。

（2）了解部分典型元素原子的核外電子排布，并能用原子結構示意圖表示。

（3）知道活潑金屬和活潑非金屬原子在化學反應過程中通過電子得失使最外層達到穩定結構的事實。

（4）通過分析氧化鎂的形成，了解鎂與氧氣反應的本質。

圖1　教學流程圖

2.過程與方法

（1）了解科學家探索原子結構的過程。

（2）認識實驗、假說、模型等科學方法在化學研究中的作用。

3.情感態度與價值觀

（1）體驗科學家探索原子結構的艱難歷程，激發對科學探索的興趣。

（2）建立科學研究和科學發現是無止境的觀念，點燃進一步探索的欲望。

四、教學過程

環節一：引入新課，激發興趣

師：幻燈片播放名為“從10億光年到0.1飛米”的系列圖片（平均1秒一張，共41張）。

生：觀看。

師：還想繼續看下去嗎？

生：想。

師：可惜圖片沒有了，不過很欣賞大家的好奇心，因為好奇心是科學探索的原動力！想不想知道宇宙萬物到底是由什么構成的。

生：想！

師：很好，不過2000多年前，我們中國的古人早已經研究過這個問題，并且提出了“五行學說”（PPT展示五行學說）。你們說說，我們祖先的這一說法有什么不足之處。

生：研究不深入，歸納不完全等。

師：對。同時期的古希臘的哲學家也思考過這個問題。他們認為，萬物都是由間斷的、不可分的微粒即原子構成的。原子的結合和分離是萬物變化的根本原因。構成不同物質的原子在本質上是相同的，只是數量、排列和形狀不同。你認為他們的說法正確嗎？

生：不對。構成不同物質的原子是不同的。

師：比如鐵是由……

生：鐵原子構成。

師：銅是由……

生：銅原子構成。

師：石墨是由……

生：碳原子構成。

師：氫分子是由……

生：氫原子構成。

師：氧分子是由……

生：氧原子構成。

師：水是由水原子構成。

生：不是。由水分子構成。

師：水分子是由什么構成。

生：氫原子和氧原子構成。

師：你能設計實驗證明嗎？

生：電解水產生氫氣和氧氣。

設計意圖：“從10億光年到0.1飛米”的系列圖片具有很強的視覺沖擊力，對激發學生的好奇心有很好的效果，以此來引入新課，能充分激發學生的學習興趣，為下一環節的教學奠定了堅實的基礎。

環節二：模型演變，體驗真實

師：很好。也可以用氫氣和氧氣反應產生水的實驗來證明。這些實驗可以說明有的物質是由相同的原子構成的，有的物質是由不同的原子構成。不過200年前，就有人開始定量研究一些化合反應：比如碳和少量氧氣反應生成一種新的氣體，他測定該氣體碳氧質量比為5.4：7，而碳和過量氧氣反應會生成另一種氣體，他測定該氣體的碳氧質量比為5.4：14，大家覺得這兩組數據有何特殊性？

生：含氧量正好相差一倍。

師：為什么會這樣？

生：因為這兩種碳氧化合物按不同的原子個數比組成。后者氧原子數為前者的一倍。

師：概括得真好！當時做這些實驗的人叫道爾頓，他也是這么想的。在此基礎上，他提出了“原子學說”，你知道怎么描述的嗎？

生：他認為物質由原子組成，原子不能被創造也不能被毀滅，它們在化學變化中不可再分割，在化學反應中保持本性不變。

師：此理論解釋了當時很多化學家做的類似的定量實驗，因此得到了世界的公認，直到50年后，尤利烏斯·普呂克在研究氣體放電實驗中發現了“陰極射線”。

生：“陰極射線”是什么？

師：問得好。當時著名的科學家赫茲也在想“陰極射線”是什么，于是他設計了一個實驗：用一小片鋁箔阻擋“陰極射線”。結果他發現“陰極射線”幾乎全部穿了過去。從這個實驗結果來看，你們認為“陰極射線”是光波還是粒子流。

生：肯定是光波，粒子不可能穿過去。

師：對。赫茲也這樣認為，于是他發表了一篇論文《論陰極射線穿過金屬箔》，文中明確表達“陰極射線”是光波，而不是從原子中釋放出來的粒子。不過幾年后，科學家瓦爾利做了一個實驗：他在“陰極射線”旁外加一個磁場，發現“陰極射線”發生了偏轉，這又說明了什么？

生：“陰極射線”帶電。

師：光波會不會帶電。

生：不會。

師：那“陰極射線”到底是什么？

生：可能是粒子吧。

師：這需要實驗來證明。當時科學家克魯克斯做了一個實驗：他在“陰極射線”經過的路徑上裝了一個“風輪”，發現“陰極射線”經過時風輪轉動了。你們覺得這說明了什么？

生：“陰極射線”是粒子，因為光波照上去不可能使“風輪”轉動，只有粒子打上去“風輪”才會轉。

師：你們真聰明。可惜克魯克斯沒有這樣想。他認為是真空管中殘留的氣體撞擊電極產生的帶電分子運動造成的，顯然他對自己的實驗不夠自信，導致他錯失了取得重大發現的機會。

生：哎……

師：不過，很快，機會被另一位科學家抓住了，他通過“陰極射線”在磁場中偏轉的定量實驗，計算出了“陰極射線”的荷質比。荷質比意味著什么？

生：說明“陰極射線”帶電，且有一定質量，是一種粒子。

師：很好。這位科學家把這種粒子稱之為“電子”，是原子中分出來的更小的微粒。從而打破了道爾頓的原子不可再分的學說。在此基礎上，他提出了被稱為“葡萄干面包式”的原子結構模型。你們知道他是誰嗎？

生：湯姆生。

師：這種模型具體是怎么描述的？

生：正電荷均勻分布在整個原子中，電子體積較小，鑲嵌在其中。

師：對，這一模型可以解釋上面一系列實驗的現象。幾年后，漢斯·蓋革和恩斯特·馬斯登，這兩位曼徹斯特大學的學生每天重復著同一個實驗：就是用α粒子轟擊金箔。他們發現α粒子基本都能穿過去。于是，他們將結果告訴他們的老師盧瑟福，盧瑟福聽了很滿意，因為他叫學生做這個實驗正是為了證明他的老師湯姆生的模型的正確性。根據湯姆生的原子結構模型可以推測金箔的密度遠小于α粒子，所以α粒子穿過金箔是很正常的。不過，好奇心驅使著漢斯·蓋革和恩斯特·馬斯登繼續重復著這一個實驗，功夫不負有心人，他們觀察到了被反射回來的α粒子，他們覺得很奇怪，于是請教了盧瑟福。盧瑟福也很吃驚，無法解釋此現象。你們知道是怎么回事嗎？

生：正電荷和原子質量并不是均勻分布在整個原子中，而是集中在原子中心，稱為原子核，如果α粒子正好打在原子核上，就會反彈回來。

師：非常正確。盧瑟福和他的學生在繼續研究了一年之后，提出了類似于行星繞太陽的帶核的原子結構模型，這個模型很好地解釋了α粒子散射實驗。但是，幾個月后就被人找到了模型的致命缺陷：正負電荷之間的電場力無法滿足穩定性的要求。原子結構究竟是怎樣的呢？盧瑟福陷入了沉思。但他的一個學生從普朗克的“量子化”概念中找到了新的靈感，并通過氫原子光譜實驗，提出了新的原子結構模型，你們知道他是誰嗎？

生：玻爾。

師：他提出的原子結構模型是怎樣的？

生：原子由原子核和核外電子組成，核外電子分層排布在一系列穩定的軌道上運動，每個軌道都有一個確定的能量值，核外電子在這些穩定的軌道上運動時，既不放出能量，也不吸收能量。

師：很好。請看下面這一段視頻（注：英國BBC紀錄片介紹核外電子排布規律的片段）。

大家看課本29頁的圖1-27，判斷哪些原子的軌道處于排滿狀態，哪些沒有排滿。

生：He、Ne、Ar處于排滿狀態。H、O、Mg沒有排滿。

師：課本上的這種表達寫起來不方便，所以我們通常用原子結構示意圖來表達原子的結構。

生：書寫。

師：繼續播放一段視頻（注：英國BBC紀錄片中介紹鈉與氟氣反應時的原子核外電子變化情況的片段）。請用鈉原子和氟原子的結構示意圖的變化來表示氟化鈉的形成過程。這位同學請到黑板上來寫。

板演：用原子結構示意圖表示氟化鈉的形成過程。

師：大家用同樣的方式表達鎂和氧氣的反應過程。

生：書寫。

師：寫得很好。請大家完成30頁上的“問題解決”。

生：做“問題解決”中的相關練習。

設計意圖：在原子結構模型演變的教學過程中，為了學生更好地理解科學發展的前因后果，需要讓他們體驗完整的發展過程，所以我在每次“突破”之前穿插了很多“積累”過程，讓學生真實體驗科學發展的規律以及過程的艱難，可以說每次大科學家們的“臨門一腳”都是建立在很多小科學家們無數次“助攻”基礎之上的。

環節三：了解現在，探索未來

師：玻爾的電子分層排布模型是不是原子結構模型的終極版本？

生：不是。

師：對。微觀粒子具有波粒二象性。電子的運動比我們想象的要復雜得多，隨著量子力學的發展，有人提出了“電子云”模型。這一模型會不會成為原子結構的最終模型？

生：不會。

師：為什么？

生：因為科學研究和科學發現是無止境的。

師：對。今天我們在學習原子結構模型的演變過程中，大家體會到了什么？

生：思考并回答。

師：播放視頻（英國BBC紀錄片中有關化學前景展望的片段）。

設計意圖：讓學生建立科學發展永無止境的觀念，激發學生探索未來的動力和興趣，同時也為學生下節課繼續學習原子核有關知識埋下伏筆。

五、教學反思

這節課參加了2015年湖州市優質課比賽，并獲得一等獎，給學生和聽課老師都留下了深刻的印象。概括起來主要有如下幾個優點：

1.引課新穎，激發興趣

第一次看到“從10億光年到0.1飛米”系列圖片的人，通常都會被它強大的視覺沖擊力“震懾住”，因為它展現給我們的就是每個人都想看到，但又沒機會看到的畫面，它能充分滿足人的好奇心，并且容易產生“萬物到底是由什么構成的”這樣的疑問。所以，這樣引課既達到了調動學生學習興趣的目的，又很自然的引到研究“微觀結構”的新課上來，一舉兩得。

2.通史教育，邏輯嚴謹

關于“原子結構模型的演變”，課本上只羅列了道爾頓、湯姆生、盧瑟福和玻爾這樣四位具有“突破”性貢獻的科學家，而真實的發展史中，“突破”固然大快人心，但“積累”過程同樣不可或缺，因此我穿插了許多“積累”過程中做出過貢獻的科學家，他們的“助攻”不可小覷。把“積累”和“突破”串聯起來，形成邏輯嚴謹的通史，學生喜歡聽而且容易理解。

3.體驗真實，引起共鳴

在研究“原子結構”的歷史長河中：大名鼎鼎的赫茲將電子誤認為光波；最早發現“陰極射線”在磁場中偏轉的瓦爾利沒有意識到這就是電子；盧瑟福提出的原子結構模型面世幾個月就被人推翻了……讓學生體驗這一個個真實的故事，使其沉浸其中，引起共鳴。

4.探索未來，永無止境

通過電子云模型的介紹，學生既知道了原子結構模型又有了新“突破”，又了解許多細節還未“摸透”。這樣既體驗到了學科發展永無止境，又激發了學生的“探索”欲望。最后，通過BBC的視頻，又回到課堂開始的問題：萬物到底是由什么構成的引發學生的無限思考，同時，也為下一課時的教學埋下伏筆。

參考文獻

［1］浙江省基礎教育課程改革專業指導委員會.浙江省普通高中學科教學指導意見（2014版)，2014

［2］王祖浩.普通高中課程標準實驗教科書化學1［M］.南京：江蘇教育出版社，2014

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.04.021

文章編號：1008-0546（2016）04-0058-04

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B