運用化學史實 促進模型認知 培育核心素養

鮑燁靈 曠湘平

摘要：教學以原子結構認知為線索追溯歷史，沿著科學家的足跡體驗發現問題、實驗探究、分析解釋、建立新模型、解決問題的過程。通過引用有關素材，進行游戲、討論，激發學生的學習興趣，親身體驗原子結構模型建立、修正、完善的過程。教學過程體現微粒觀構建、科學思維體驗、科學態度培養等功能，從立德樹人的層面落實中學化學學科核心素養。

關鍵詞：化學學科核心素養;原子的結構;模型認知;微粒觀;宏微結合

文章編號：1008-0546（2019）07-0056-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2019.07.017

一、問題的提出

“原子的結構”是現行初中化學（人教版）第三單元“物質構成的奧秘”中的第二個主題，是學生從宏觀世界跨進微觀世界的開端，對于構建微粒觀具有很重要的作用。根據《義務教育化學課程標準（2011版）》分析，本節的要求是讓學生知道“原子是由原子核和核外電子構成的”。其內容是陳述性知識，相對單一淺顯。但如果從化學學科核心素養的視角出發，深入地挖掘證據意識形成、模型認知培育、科學思維體驗、科學態度培養等教育功能[1]，本節教學大有探討與研究的價值。

二、教學理念與設計

1.教學思想

作為化學學科核心素養的主要內容，證據推理與模型認知素養在初中階段包括以下四個方面的內涵：（1）具有證據意識，能提出假設;（2）通過分析推理進行驗證;（3）建立觀點，形成認知模型;（4）運用模型解釋化學現象、本質和規律。通過分析，其教學目標指向培養四個方面的能力，分別是：提出假設，搜集證據，建立模型，解決問題[2]。

在以往的教學中，常通過圖示和大量的練習，讓學生被動接受“原子是由原子核和核外電子構成的”這一基本觀點，但仍然不能確認其客觀存在，尤其在后續學習中，對于紛繁復雜的化學反應，較難建立起宏觀、微觀和符號之間的內在聯系。原子是具有不可觀測性的原型，需要構建模型來表示，并通過證據進行檢驗，才能形成正確的認識，人類對原子結構的探究歷程正是證據推理與模型認知素養落實的最佳載體。

文獻研究表明，大多數的15歲學生已產生了對科學的興趣，而且，對科學和技術有濃厚興趣的學生更有可能從事與科學有關的職業，因而培養學生對化學學科的興趣是落實化學核心素養的前提。為此，應根據學生學習的興趣，提煉出一些貼近生活的問題來創設情境。如應用游戲化教學，給學生以感官刺激，給學生創造動手、動腦、自主探究的機會，將看不見摸不著的微觀結構直觀化，使新知識在原有的認知結構中產生穩定而清晰的“發展點”。同時，化學發展史蘊含著巨大的人文價值，也是培養學生化學學科核心素養的重要途徑。一個15歲的學生不可能擁有與科學家相似的經驗，也很難達到科學家的理解水平，因此教學過程中不能只呈現客觀史實，應該從化學史中挖掘素材，創設學生能夠理解的情境，并注重情境創設的真實性和豐富性，引導學生完成探究實踐活動，讓學生像科學家一樣思考，在探究實踐中逐步形成能力[3]。

2.教學與評價目標

（1）教學目標

①結合人類探索原子結構的歷史與化學科學發展的趨勢，能初步對原子模型進行描述、解釋，發展模型認知能力;

②能根據原子發展史的實驗事實證據，推理舊模型的不足，構建和評價新的模型，從而認識證據意識、體驗模型的發展性特征;

③通過游戲開展探究活動，引導學生初步形成“微粒觀”“物質觀”等化學學科的核心觀念及宏觀與微觀相結合的思維方式。

（2）評價目標

①通過組合原子卡片模擬宏觀物質反應的活動，診斷并發展學生對于原子是化學變化中的最小粒子這一觀點的認識水平;

②通過摩擦生電這一宏觀現象進行推理，發現道爾頓原子模型的不足之處，引導學生思考實心球模型的局限性，診斷學生的證據意識;

③通過自創游戲模擬盧瑟福的α粒子散射實驗，診斷學生對原子結構模型的認識進階和認知思路的結構化水平。

3.教學設計思路

4.模型構建流程

三、教學過程

1.創設情境

【視頻l】嵌入時代背景，聯系生活實際。介紹1981年掃描隧道顯微鏡的問世讓人類進入可以“操縱”原子的時代;視頻展示2017年諾貝爾化學獎頒給三位科學家，獎勵他們用冷凍電子顯微鏡技術拍攝到了高清晰的生物大分子三維結構，在原子層面的微觀化學領域做出了卓越貢獻。

視頻中三位科學家的發言向學生傳達了謙虛的態度，以及合作的精神。引導學生思考，人類對原子的認識都是源自科學家們孜孜不倦的研究發現，原子質量體積如此小，那在幾百年前科學家們是如何探究原子的內部結構的呢？接下來重游歷史長河，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：將一張紙對半撕開，取其中一半，再對半撕開，重復以上操作。

設計意圖：學生通過動手可知，物質是可以不斷分割的，引導學生猜想假設，存在一種構成物質的最小微粒。

【構建模型一】哲學中的原子

【史實l】公元前四世紀，西方哲學家德謨克利特由分合的思想提出了原子的認識觀點：物質可以不斷進行分割，分割到最小的微粒就是“原子”，“原子”是構成一切事物的最后單位。這與中國哲學家莊子的觀點不謀而合，為“物質不滅思想”進行鋪墊[4]。

【問題l】聯系日常思考，生活中哪些事例能說明物質是由微粒構成的？

【學生討論1】

①把糖放入水中，一段時間后不見蹤影。

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汞和氧氣。

設計意圖：通過動手實踐激發學生的學習興趣，增添課堂的趣味性，從而進行猜想與假設，引出模型一。同時讓學生認識到，化學是一門以實驗為基礎的學科，最早的“原子論”是根據事實進行推理的產物，并沒有進行過實驗驗證，因而不能成為“科學結論”。

（2）片段二：遙遠的傳承

哲學中的原子論是一種籠統模糊的哲學思辨，法國化學家普魯斯特發現有趣的結論：“參與化學反應的物質質量都成一定的整數比”，這引起了道爾頓的思考與深入研究。

【視頻2】道爾頓原子論學說的歷程

【構建模型二】道爾頓的實心球模型

【史實2】道爾頓關于原子的見解：原子是一種實心球，它是構成物質的基本微粒，它們極其微小，是看不見的，它們在所有的化學變化中保持本性不變。同一種元素的原子，其形狀、質量和各種性質都是相同的，不同元素則各不相同。

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

【游戲2】依葫蘆畫瓢

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

設計意圖：進一步鞏固“化學變化、分子可分、原子不變、重新組合”等觀點，學會用符號、語言等多樣化方式表征化學變化的過程，初步認識宏觀、微觀與符號三者之間的聯系。

【問題2】你接受原子是實心球這個觀點嗎？

【學生討論2】

①能夠接受。

②不對，原子中還有其他粒子（提前預習了教材）。

③應該還有其他東西，否則原子和原子之間為什么有的會結合，而有的不會結合呢？

設計意圖：幫助學生理解模型具有描述、解釋和預測的作用。在人們還不能用科學手段直接探究原子內部結構時，采取模型方法揭示原子的屬性。道爾頓所提出的原子實心球模型，解釋了當時所知道的各種化學實驗事實及其內在聯系。引導學生運用該模型表征宏觀化學反應，同時設疑，培養學生的懷疑與創新精神。

（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，用塑料筆桿在頭發上反復摩擦后挨近紙屑，觀察現象。

設計意圖：引導學生思考“電子”從何而來？如果說原子是實心球，那電子藏在哪里呢？這是很常見的生活現象，思維定勢決定大部分學生并不會深入探究，而類似的現象恰恰是湯姆生進行研究的契機。

【視頻3】陰極射線在磁場中偏轉實驗

【構建模型三】湯姆生的棗糕模型

【史實3】湯姆生發現陰極射線可以在電場或磁場的作用下偏轉，由此測定出電子的存在，他認為電子嵌在原子中，就如同棗子嵌在蛋糕中。

【問題3】請根據理解描述你假設的棗糕模型。

【學生討論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。

設計意圖：學生通過游戲，結合生活實際和思考，從“摩擦起電”的證據中推理出道爾頓原子模型的不足之處，從而意識到人類對原子原型的構建是一種相對真理性的認識，是一個逐步深入的過程。模型及在其基礎上建立的理論都需要再回到事實中去比較和驗證，當模型與新的實驗事實發生矛盾時，需要建立新的模型。

（4）片段四：勇敢的質疑

【設疑】在很長的時間里，湯姆生提出的模型被廣泛認可，同時也接受了科學實驗的進一步驗證。后來，湯姆生的學生盧瑟福用高速α粒子流（帶正電）轟擊極薄的金箔片，結果發現絕大部分α粒子順利通過，有極少數粒子飛行路徑發生偏轉，甚至有個別粒子被反彈回來。這個現象讓他對老師的權威發起了挑戰。

【游戲4】空間穿越

用玉米粒正對側立水槽投擲，觀察玉米粒走向。再用玉米粒對著中間懸掛石棉網的呼啦圈投擲，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動方向順利通過，如果受到阻擋，玉米粒會改變運動方向或者被彈回（圖7）。這個游戲有助于理解盧瑟福的經典實驗[5]。

設計意圖：讓學生在輕松的課堂氛圍中，通過玉米粒穿越情況的差異，突破固有的原子結構認識，構建新的原子結構模型，并意識到原子結構與性質之間的關系。

【視頻4】盧瑟福α粒子散射實驗

【構建模型四】盧瑟福的行星模型

【史實4】運用現代教育技術手段展示原子的微觀結構，解釋盧瑟福的α粒子散射實驗。通過觀察現象學生容易得出盧瑟福原子結構思想的核心：原子中心有一個很小的帶正電的核，它幾乎集中了全部原子的質量，電子在它的周圍運動。盧瑟福的理論承認了電子的存在，他發現了原子核里有帶正電的質子。

【問題4】請發揮你的想象，利用與游戲中不同的物品，構建模型來模擬盧瑟福的實驗。

【學生討論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行投擲。

②制作兩個半徑相同的大圓圈，第一個圈內全部固定硬紙板，第二個圈內只在中心處系一小塊硬紙板，兩個人朝對應圓圈內隨機投擲粉筆，觀察粉筆的運動情況。

設計意圖：初三學生往往依賴直觀實物，而微粒觀相對抽象，找出有關聯的證據還不能真正形成觀點，只有根據自己的理解形成推理才能構建自己的認知模型。此步驟是要打破學生頭腦中原有的“原子是實心的”認識，通過學生體驗活動，模仿科學家模型構建的過程，在原有基礎上構建新的原子模型。

（5）片段五：親密的合作

【視頻5】盧瑟福與學生查德威克的合作

【構建模型五】原子的核式模型

【史實5】查德威克用α粒子轟擊鈹的原子核時，發現原子核可以分裂，得到質量和質子非常接近，但不帶電荷的粒子，將其命名為中子，從而確認了原子核是由質子和中子構成的。他的研究為改變原子核提供了一種新的手段，促進了核裂變研究工作的發展和原子能的利用。

設計意圖：通過化學家們在探究過程中所運用的研究方法，所體現出的合作精神，來培養學生與他人合作的意識和嚴謹求實的科學態度。

3.問題探究

至此原子的神秘面紗也就被揭下了，學生親身體驗原子結構模型的建立、修正、完善的過程，頭腦中初步構建了原子的結構模型。當然，第五個模型并不是原子結構探究的終點，丹麥科學家波爾在盧瑟福模型的基礎上，描繪出了新的原子結構模型：電子在核外是分層排布的。這說明科學的研究永遠是在不斷否定、不斷肯定中前進，科學的發現是偶然和必然的辯證統一。

四、教學評價

教學完成后，采用征集科普小論文的方法，對本節課進行反饋與評價。從“模型認知”“知識同化”“認知進階”“核心素養”四個方面對被調查的學生小論文進行分析，學生的項目成果代表如圖8和表1。

五、教學反思

1.運用游戲，構建宏微思維

我校是一所偏遠的農村寄宿制初中，學生大都是留守兒童或來自貧困家庭。激發學生學習興趣是第一要務。基于“宏觀與微觀相結合”的視角，精心設計串聯教學過程的游戲環節，如“一撕兩斷”“依葫蘆畫瓢”等，通過活動充分調動學生參與學習的積極性和主動性。通過宏觀游戲理解微觀模型，促進學生對原子模型的認知與構建，同時讓學生直觀感受化學的魅力所在，激發學習興趣。

2.創設情境，加深模型認知

在常規教學中，此部分內容并不被重視，學生只需要記住幾種模型即可，更不用說理解與運用模型。本教學設計基于化學學科核心素養目標，挖掘情境素材的素養發展價值，關注學生的學習障礙，設計學習主題和學習活動，加深對原子結構的模型認知[6]。

3.提煉信息，進行證據推理

引導學生從游戲、史實中提煉信息，成為有效證據，使用推理，解釋證據，構建證據與觀點之間的聯系，讓學生親自感受科學家在探究過程中的論證活動，身臨其境地體驗科學文化和科學本質。

4.復演歷史，培養科學精神

注重人文積淀，挖掘與課程有關的人文要素，經歷德謨克利特哲學模型一道爾頓實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。體驗歷史上科學家們嚴謹的論證推理、激烈的思想碰撞和豐富的學科思維，強調知識的獲得過程。肯定學生質疑權威的行為，培養其批判的科學精神，讓學生在真實的問題背景下圍繞問題解決獲得知識。

參考文獻

[l]曠湘平，肖榮，初中化學素養型試題的命題策略[J]現代中小學教育，2016，32（9）：51-55

[2]倪霞.基于證據推理與模型認知視角下的教學實踐[J].化學教與學，2018 （7）：19-21

[3]郭飛紅.基于“實驗和模型”教學挖掘宏觀現象的微觀本質[J].化學教育，2014（15）：18-23

[4]陸薇.以“原子結構模型的演變”教學設計談化學核心素養的提升[J].數理化學習，2018（3）：59-60

[5]金新華，基于化學史的科學探究教學嘗試[J].化學教與學，2014（3）：63-64

[6]曠湘平等.“化學物質的多樣性”教學現狀與教學建議[J].天津師范大學學報（基礎教育版），2018，19（2）：62-68