從宏觀到微觀，從過去到現在

丁浩

摘要：2020年江蘇省高中化學優質課評比一等獎《人類對原子結構的認識》一課的教學設計，在教學情境的創設與運用、化學史料的甄選與呈現上令人耳目一新：從宏觀到微觀，從過去到現在;課堂上傳遞的是科學方法，彰顯的是科學精神。

關鍵詞：原子結構;化學史;重水

2020年10月21日—23日，江蘇省高中化學優質課評比在江蘇省清江中學舉行。我校徐敏姬老師參加了比賽并榮獲一等獎。徐老師執教的《人類對原子結構的認識》（新授課），為2020年審定的蘇教版高中化學必修上冊專題2第三單元的內容，包括人類認識原子結構的歷程和原子核的構成兩部分內容。本節課中，徐老師對于教學情境與化學史料的使用尤為出彩。

一、教學情境的運用：從宏觀到微觀

原子、分子是納米層級的微粒，即使借助最先進的儀器，觀察也比較困難。當然，眼睛看不到的地方可以通過想象到達，但想象需要一個支點或者一種具象，而且要符合高一學生的認知水平。徐老師就找到了“解剖”原子核的“支點”。課堂伊始，徐老師指導學生用電子天平稱量等體積（2.0 mL）的“神秘之水”（重水）和普通水（以下稱為“水”）的質量，電子天平的讀數顯示兩者的質量相差較大。“神秘之水”是水嗎？如果是水，為什么質量不同？會不會是雙氧水？難道是水里添加了什么東西？——這一情境自然而然地觸發學生的種種疑問和猜測，激起學生的好奇心和探究欲望。

從宏觀性質到微觀結構，徐老師圍繞重水設計了四個問題并展開教學——

1.什么是重水？視頻展示重水相關素材：重水是由氘和氧組成的化合物，也稱為氧化氘，分子式為D2O，相對分子質量近似值為20，比水（H2O）的相對分子質量近似值18高出約11%，因此叫作重水。由重水和水的組成和部分不同性質激發學生的好奇心——什么是氘？氘與氕、氧化氘與氧化氕（水）究竟有什么區別？由此開啟原子結構和核素的學習之旅。

2.重水為什么比水重？視頻展示重水和水的分子的空間結構，引導學生通過比較，發現二者的區別在于氫原子和氘原子不同，由此推測：重水與水的性質差異也應該與二者不同的原子有關;等體積的水與重水的質量不同應該是由氕原子和氘原子質量不同引起的。至此，課堂進入對以氕、氘兩種原子為例的原子核構成的探究。其中，徐老師還特別注重對學生定量觀的培養：呈現多組數據，讓學生通過計算和比較，以“物質的量”為橋梁，有效溝通宏觀物質和微觀粒子——重水、水和分子、中子的聯系。

3.研究重水有什么意義？介紹重水在國防科技方面的用途（氘原子聚變為氦原子過程中釋放出巨大的能量），表明同種元素的不同核素由于原子核的構成不同而具有不同的性質。

4.如何獲取重水？“結構決定性質，性質決定用途。”通過組織學生設計從蒸餾水中獲取重水的實驗方案，進一步明確由同種元素不同核素形成的化合物的化學性質幾乎完全一致而物理性質不同的觀念。這樣的教學過程，展現了“宏觀—微觀—宏觀”這樣一條認識物質及其應用的路徑。

本節課，徐老師創設的重水和水的比較情境貫穿整個教學過程，從宏觀到微觀，變抽象為具象，定量與定性相結合，從結構到性質又回歸性質應用，既體現了本節課的教學重點和難點，又把情境和教學有機融為一體，可以看出，徐老師教學設計的獨具匠心。

二、甄選化學史料：從過去到現在

從知識建構的角度來看，學習化學史有助于學生建構科學知識的發現、發展和完善過程。受到研究者世界觀、價值觀以及當時社會科學思想、科學方法和科學技術水平等方面的影響，科學知識的“正確性”是相對的，是在某一特定歷史時期和范圍內呈現“正確性”。隨著人類認識的不斷深入、科學和技術水平的持續發展，科學知識在“肯定—否定—否定之否定”中獲得發展和完善，呈現螺旋式上升的變化。

在認識原子結構的過程中，徐老師沒有簡單重現經典實驗的場景，而是結合教材，采用“資料卡”的形式，用實驗示意圖描述了經典實驗對原子結構認識過程（具體見表1）的貢獻，讓學生置身于科學家探究的情境中，通過“收集證據—合理推理—建立模型”的過程，學習科學家的思辨方式、實驗方法和質疑意識。

以“資料卡”3（如圖1）為例，引導學生基于加速后的α粒子轟擊不同氣體原子核都得到相同的帶正電粒子的現象，推測原子核中存在一種帶一個單位正電荷、質量相對較大的粒子，進一步說明原子核可以再分。

運用“資料卡”描述經典實驗，可引導學生運用多學科知識思考從經典實驗結論得出的相關原子模型的歷史價值和局限性，從歷史的、科學的角度分析實驗的成功之處和不足所在，體會人類認識的螺旋式上升中科學探究的價值。

原子結構的認識在化學學科中的學科價值，體現在學生綜合運用多學科特別是物理學知識認識原子結構的過程中。課堂上傳遞的是科學方法，彰顯的是科學精神。學生不僅知道了原子結構的認識演變史，更基于原子結構的認識過程，體會了探究質疑、證據推理、對比實驗等科學方法，進而逐步建構原子結構模型，豐富和完善科學概念。

三、一些教學建議

當然，教無止境。筆者以為，本課教學還存在這樣一些值得斟酌和改進的地方。

（1）氕、氘、氚三種氫原子與16O、17O和18O三種氧原子組成的水分子共有18種，這18種水分子之間的沸點差異不大，且水分子之間存在氫鍵，會出現“共沸”現象，因而直接利用沸點差異分離出重水的方法比較困難。

（2）徐老師通過視頻介紹了水分子和重水分子的結構，其實，通過展示分子球棍模型或空間填充模型來介紹更為直觀和合理，更有利于學生“觸摸”分子這種微小的存在。

（3）引導學生通過定量分析等體積的重水和水的質量數據，進而通過倍比定律得到“一個重氫原子比一個氫原子多一個中子”，也是本節課比較亮眼的地方。更進一步地，可以讓學生計算得出重水和水的密度，使學生清晰地感知重水的“重”之所在。并且，徐老師提供的三組重水和水的質量數據都是有效數據，可以增加一個離群數據，指導學生在數據分析時剔除離群數據后再求平均值，培養學生對實驗數據的關注意識和處理能力。

*本文系江蘇省“十三五”教育科學規劃課題“‘教學做合一思想下高中化學項目式學習的研究”（批準號：TYc/2020/04）的階段性研究成果。

參考文獻：

[1] 陸軍.融合化學史教學三問——兼評幾則公開發表的教學設計[J].化學教學，2018（7）.

[2] 劉年，王后雄，王偉.學科核心素養視域下的高中化學教學情境測評[J].教育測量與評價，2019（7）.