“證據推理與模型認知”素養下促進學生深度學習

李懸懸

證據推理與模型認知是化學學科五大核心素養之一，要求學生根據已有的實驗現象及事實進行推測并總結出化學規律，并利用此規律研究物質的微觀本質，最終形成微觀模型認知。同時在這個過程中往往還需要結合深度學習，這種學習模式是由美國學者Ference Marton和Roger Saljo教授在1976年提出的，是問題解決的一種重要策略。教師引導學生在理解的基礎上，利用推理的方法將新的思想或者跨學科的事實與頭腦中已有的化學知識相結合，從而形成一個全新的認知或者模型，利用這種模型可以用來解決同一類的問題。

《普通高中化學課程標準》對原子結構的內容要求為：認識原子結構元素的性質與元素在元素周期表中位置的關系。就是我們常說的“位—構—性”三者間的關系，有助于提高學生宏觀辨識與微觀探析的能力，并為后面將要學習的元素周期律以及元素周期表打下基礎。本文以《人類對原子結構的認知》一課為例作了有益嘗試。

一、提供證據，問題驅動，解決湯姆生模型

本節課以焰色反應為基礎提出了研究問題的方法為“觀察—猜想—實驗—機理”，初步讓學生形成由宏觀辨識到微觀探析的意識。其設計意圖就是想要在一個較為明顯的實驗引入中，使得學生精力更加集中地放到后面將要進行的證據推理下的模型認知方面。為了引出湯姆生的模型，首先提出了較早的原子學說是建立在“觀察—猜想”的基礎之上。因此，帶著學生簡單了解了中國古代的五行學說以及亞里士多德的四元素說，以此來勾起學生的好奇心，使得學生想要知道實驗指導下的原子學說。

為了驅動學生進行證據推理，在學生了解道爾頓的實心球模型以及原子不可再分的基礎上給出如下證據。

【證據】播放BBC紀錄片電子的發現其中的陰極射線實驗以及對應圖片細節（見下圖）

問題1：外加電場，向正極偏轉說明了什么？

學生：產生光束是一些帶負電的微粒。

問題2：風車轉動說明了什么？

學生：微粒是具有能量的，而且這種能量很大。

問題3：換了不同電極、不同氣體所得的射線一模一樣，又說明什么？

學生：對于很多的原子在外加電源情況下都會產生相同的微粒。

追問1：因此盧瑟福把這種微粒命名為電子，原子在外加電場下產生電子光束推翻道爾頓的什么結論？

學生：道爾頓認為原子不可再分是錯誤的，原子中是含有電子的。

問題4：經過計算，電子的荷質比非常的小，說明電子的大小如何？

學生：說明電子非常小。

追問2：如果讓你修改道爾頓的模型，你要如何修改呢？

學生：結合已有的初中原子組成的模型自己動手嘗試畫出新的模型，并與PPT上展示的模型進行對比。

二、模擬實驗，證據推理，建構盧瑟福模型

【模擬實驗1】黑箱子實驗：想要探究箱子中有什么物質，有什么樣的方法？

學生思考討論，利用光源折射的方法可以看清物質的形狀。

這個模擬實驗主要是為了幫助學生理解為什么盧瑟福要選擇α粒子去轟擊金箔。

【模擬實驗2】投影實驗：讓學生思考為了在后面顯示屏上留下光點，用激光燈照射行星模型的角度如何選擇？

學生：從空隙穿過效果最好。

【α粒子散射實驗結果分析】通過前兩個模擬實驗的積累，學生具有了一定折射散射的基礎，此時進行結果分析，效果更好。

問題1：為什么絕大多數α粒子穿過金箔仍沿著原來方向前進？

學生：說明并不是葡萄干面包的模型，原子核中間有空隙，而且空隙很大。

問題2：為什么少數α粒子發生較大偏轉，極少數α粒子的偏轉超過90o，有的甚至幾乎達到180o而被反彈回來？

學生：說明原子中間有一個核，這個核體積較小，但是質量很大。

追問：這個核被命名為原子核，那現在同學們知不知道原子是如何組成的呢？

學生：原子由原子以及原子核構成。

【科學史話】質子及中子的發現，居里夫人錯失另外一份諾貝爾化學獎的故事。

問題3：目前為止原子的組成是什么樣子的呢？請大家動手畫出原子的組成。

【數據分析】根據教材中給出的質子、中子和電子的質量、相對質量和電量表，進行數據分析。

學生：對原子而言，原子成電中性，因而質子數=電子數，原子質量主要集中在原子核上。

三、學以致用，總結對比，促進結構決定性質模型建構

問題1：盧瑟福的模型如果沒有考慮電子的運動，如果一直發生運動會產生什么問題？

提示：電子在做圓周運動的過程中會不斷地釋放能量，質量會減小。

學生：會逐漸地靠近原子核，最終會被吸入原子核中發生爆炸。

追問：實際上我們的宇宙一直能夠穩定存在說明電子沒有被吸引，因而玻爾對其進行修正，提出了行星模型，那請同學們思考這種模式和中學學習的哪一種原子形式比較接近？

學生：和我們所學的原子結構示意圖比較接近。

【圖片展示】1-18號原子結構示意圖，讓學生思考穩定原子結構的形式。

學生：最外層電子數為2（He）或者最外層電子數為8。

【學以致用】寫出Na+、Cl-、Mg2+、S2-的原子結構示意圖，并總結結構與性質之間的關系。

學生練習，總結：最外層電子數<4時，容易失去電子，最外層電子數≥4時，容易得到電子。

【輔助理解】氯化鈉的形成過程（略）。

【拓展視野】電子云模型（略）。

四、總結評價

從教學內容整體來看，首先，學生在教師給出的視頻以及問題下進行了證據的推理，修正了道爾頓的模型，在這個過程中學生將新的證據下的認知與已有的初中知識進行聯合，從而將原子結構認知進行升華，提高自身證據推理以及模型認知素養。

其次，在盧瑟福模型建構過程中先選擇兩個模擬實驗為α粒子散射實驗結果分析奠定基礎，為后面的推理以及物理與化學的學科融合做好準備工作，也符合學生的認知順序。同時教師在進行學生證據推理素養提升的同時，傳授學生原子組成的知識，將素養目標以及知識目標進行聯動。

最后，通過觀察以及練習的形式，學生巧妙地推出結構和性質的關系，使得整體課程更加完整。在這個過程中學生自主學習的能力也得以體現，學生增長知識的同時，也建立了結構決定性質的模型認知，從而為后面化學元素的學習做好鋪墊。

總之，本節課設置了三個活動，以此鍛煉學生的推理能力以及模型認知的素養，向學生傳授了原子構成以及原子結構與性質關系的知識點，通過練習也巧妙地將“教、學、評”進行了整合。同時給學生強調了推理以及模型建立的一般操作為“發現問題—模型修正—分析驗證—創建新模”，真正印證了教學不僅僅只是傳授知識，更重要的是教授能力，提高學生學科素養。

（作者單位：江蘇省外國語學校）

（責任編輯 曉寒）