立足“胡桃殼”構建化學課的詩和遠方

陸春梅

摘 要：原子結構的演變史，從點分析：一個模型到另一個模型的轉變可以看到科學家的善于發現問題。從面分析：原子結構演變的過程是人類認知的局限性，在不斷發展科學技術和思想的支持下，科學在不斷地進步。啟發學生錯誤并不可怕，直面自己的問題，不斷修改并創新才能讓自己實現夢想。

關鍵詞：懷特海教育三階段;原子結構演變史;點線面三結合;思維模型的建構

一、問題的源起

回望人類科學、化學發展史，從史前“北京猿人”開始用火到現在群星圍繞量子力學的研究，人的成長可以在人類發展史中找到參照。懷特海在《教育的目的》中提出教育可以分為三個階段：浪漫期、精確期、綜合期。對應人類科學、化學發展史，門捷列夫元素周期表的發現可以說是化學研究的里程碑。它使自法拉第電解法的發明而紛紛涌現的各種元素的不同性質從無序變得有序，使化學由浪漫期進入精確期。紛亂的現象有序化促使科學家們更加深入的思考其背后的本質——化學變化中最小的微粒——原子的結構，也促使物理對原子結構的更為深入和積極。

原子結構的演變史又是一個非常經典的科學研究模型，從中我們可以看出科學演變的本質。原子結構模型的發展可以看作三階段。對比人類科學、化學發展史和原子結構演變史，體會學習的關鍵應該是要像科學家一樣的思考。教材的編寫更重要的是普及知識，但是要成為能推動世界革新的人是需要有創造性的思維能力，引導學生跳出教材的局限，像科學家一樣思考。借著門捷列夫的元素周期表和原子結構，對學生進行職業生涯規劃教育非常適時適地，可以讓我們的化學課堂也充滿“詩和遠方”。

二、教學設計

（一）課標和教材分析

1.以化學史為線，以門捷列夫為點，體會知識的生成方式

提供繪制的科學史發展時間圖，回憶已學化學知識。體會人的認知發展順序和教材構建體系對知識邏輯性的重視。以門捷列夫對紛亂的元素的排序，體會門捷列夫善于發現問題的思維方式。體會原子結構和元素周期表出現在此時此地的重要性，教會學生認知事物的角度和方法。

2.講授原子結構的內容時，利用初中知識進行鋪墊，再次體會教材編寫的方式。

在教材的基礎上深入挖掘相關知識，使隱性知識顯性化。通過對稀有氣體核外電子層排布的分析，學會圖表的數據分析能力，歸納出原子排布的規律，滿足學生對原子結構深入探索的欲望，幫助學生建立宏觀辨識與微觀探析之間的關系，為學生解決元素性質與原子結構、元素周期表中的位置之間的關系打下堅實的基礎。

3.對“科學史話”從點到面的分析，歸納科學研究的特點，體會與自己學習方式的不同。

在教學時，對教材中的“科學史話”欄目適當補充五個階段之間的銜接與過渡。將學生置身于歷史情境中使他們體驗原子結構模型的建立，修正，完善的過程，體會到理論的暫時性。了解原子模型的演變歷程，學生可以認識到從宏觀到微觀結合的視角，分析和解決問題的重要性。了解科學研究過程中常需要依據物質及其變化的信息建構模型，提高模型認知能力。

（二）學情分析

高一學生，借助已知的知識和提供的科學史圖相映照，發現自己學習發展的路徑。跳出點對點的學習，從面上幫助學生認識到教材的目的和認知自己的學習特點。對門捷列夫進行分析發現自己思維的局限性。

（三）教學目標

1.回顧科學發展史、化學教材編排順序，了解人類認知發展的規律及教材編寫之邏輯性;分析門捷列夫的發現，體會科學家思維方式的不同，反思自己的學習方式。

2.了解原子結構、門捷列夫的元素周期表在人類科學史中的地位和重要性，思考自己所處的學習的關鍵節點。

3.計算和分析相關數據，知道質量數的概念及構成的微粒間的關系;找出原子核外電子的排布規律，能畫出1～20號元素的原子結構示意圖;感受數據的直觀性和說服力;體會化學研究由宏觀到微觀、由表面到本質的發展過程。感受知識生成的規律。

4.分析原子結構模型的發展史，了解原子結構的發展和完善過程。滲透模型在科學研究中的重要作用;感悟科學不斷自我糾錯的特性，體會批判性思維是科學工作的關鍵要素。思考自己的學習方式的局限性。

（四）教學過程

1.課堂導入：欣賞詩歌，體會詩人對原子的深情，引發學生的興趣。

[引入]我們都來自同樣的種子，擁有同一個父親，如母親般哺育我們的大地，接收清澈的雨滴，產出明亮的麥穗，繁茂的綠樹，還有人類，和各種野獸，供給食物，滋養生靈，過著幸福的生活，繁衍子嗣……

——盧克萊修（約前99年～約前55年）《物性論》

[設計意圖]通過時間和名人對原子的熱衷激發學生對原子的好奇。

2.核心內容1：以科學史為線，所學過的知識為點，印證認知發展規律。

（1）原子，你從哪里來？

[思考與討論]小組合作

①沿著化學發展史，找一找你所熟悉的科學家或理論，和同學聊一聊你是在什么樣的場合與他們相遇的？

②回憶你所學過的化學知識，按照教材編寫的順序找一找他們在發展史中的位置。你發現了什么規律嗎？如果讓你來編寫化學教科書，你會如何編排？

③什么是原子？在科學發展史中，原子的身影在哪里？出現的頻率如何？為什么呢？

[設計意圖]

①了解教材的編寫的順序，感知教材之用心;

②了解門捷列夫的元素周期表里程碑式的意義;

③了解原子結構的地位和意義。

④通過人類科學史、教材編寫順序的相互印證體會認知發展，同時體會到元素周期表的重要性，門捷列夫的與眾不同，體會科學家的眼光的獨到之處。

3.核心問題2：借助現在的原子結構的學習，體會知識生成的方法。

[過渡]回望歷史——原子，從遠古蹣跚走來，現在的它又正是科學家的眼中的少男少女——就如我眼中的你們，孕育著希望。

讓我們來看一看——現在——科學家眼中的原子的模樣：

（2）原子，你是誰？

原子的質量

[思考與討論]（小組合作）

①參照初中所學的相對原子質量的計算方法，利用初中教材提供的數據，計算粒子的相對質量（保留5位有效數字）。

②分析計算得到的數據，感受原子核與核外電子質量之間的差距。

③近似處理計算得到的數據，體會粒子的相對質量與粒子個數之間的關系。

（3）原子核外電子的分層排布

[思考與討論]

從稀有氣體元素原子的電子層排布表中，你能發現什么規律？請思考并討論下列問題。

①當K成為最外層時，最多能容納的電子數是多少？除了K層，其它各層為最外層時，最多能容納的電子數是多少？

②次外層最多容納的電子數是多少？（學生對次外層的意思不是很清楚，需要解釋）

③你能歸納出第n層最多能容納的電子數嗎？

④請你根據所歸納的規律，用原子結構示意圖表示核電荷數為1-20號元素原子的核外電子排布。

[設計意圖]

①充分使用教材之材料，提高計算和分析數據的能力，體會數據帶來的直觀性和說服力，感受宏觀質量和微觀粒子個數之間的微妙的、神奇的關系;

②提高歸納整理數據的能力，掌握原子核外電子排布的規律。

③在前概念的助力下，新知識順利生成，讓學生體會到知識生成的規律。

4.核心問題3：借助原子結構的演變史，體會科學家的思維方式。

[過渡]但是我想問兩個問題：

①大家體會一下教材的編排，真的是十分的用心。我們要注意教材的這種階梯式編排符合人類認知的一般水平，讓我們對新知識時學習有了鋪墊，因為《人是如何學習的》中明確地說：學習是需要前概念的輔助的。所以教材的編寫如此，我們的常規教學也必須如此。

但是，你有沒有想過：科學家是這樣思考這樣的問題的？他會不會像我們這樣借助于稀有氣體的核外電子排布來總結核外電子的排布規律呢？

②我們現在所學的原子結構模型一定正確嗎？

帶著這樣的問題，我們一起來回望原子結構的研究過程，看看能給我們哪些啟示：

（4）原子，你到哪里去？

[思考與討論]閱讀教材中188頁的科學史話和補充材料：

①科學家們是怎樣一步一步探究原子結構的？

②科學家們研究的問題是從哪里來的？他們如何解決問題？

③從他們的研究中你發現了哪些方法可以借鑒？

[設計意圖]

①體會模型的發展過程，感知化學由宏觀到微觀、由表面到本質的發展過程。

②知道預測、假設、模型等方法在科學家研究中的重要作用

③知道批判性思維是科學工作的關鍵要素。

④從人類認知的一般規律與科學家思考的方式對比，反思自己的學習方式。

5.總結提升：回顧原子結構的知識，追問自己的人生：

今天，我們借著小小的又舉足輕重的原子，學著跳出“胡桃殼”的世界，站在上帝的視角：從時間上，跨越千古，知道了原子的前世今生——知道了我們現在所學的原子結構模型——質量數、核外電子排布的規律;展望未來，我們知道未來已來——量子力學已經拉開帷幕。

今天，我不僅僅想要告訴你，原子，你是誰？你從哪里來？你到哪里去？

我還想問一問每天都在讀書的你、剛剛進入高一的你，

有沒有想一想：我今天在學什么？學的這個知識的意義和價值在哪里？

有沒有問一問：我今天的學習是為了什么？我的明天在哪里？

有沒有問一問：我是誰？我從哪里來？我到哪里去？

我們何其幸運，生活在一個無法確知怎樣的世界。

未知的未來，給了我們無限的空間;

未知的未來，給了我們無限的驚喜！

未來，一定屬于你們！

[設計意圖]總結提升，讓學生回顧自己走過的路，反思自己的學習方式，思考自己的未來。

6.課外拓展：《科學的旅程》、卡洛·羅偉利、《科學革命的結構》

[設計意圖]課堂四十五分鐘的重心在現行原子結構的知識講解和人類認知規律、教材分析及原子演變，學生可能會課堂上出現的部分內容感興趣，所以補充一些課外書，有助于他們拓展。

四、教學反思

在常規教學實踐中，大多數老師對此部分的內容并不重視，而且意識不到這部分內容的重要性。很少老師會意識到門捷列夫當時掌握的知識相當于我們學生現在所掌握的知識量，門捷列夫想到將混亂的知識找到順序和規律，而學生在混亂中卻沒想到進行歸納整理。學生在接受知識時的隨遇而安狀態使他們不能像科學家一樣的思考，所以要提醒學生轉變自己的學習方式。

通常很多老師會將原子模型的推動細節作為教學的重點，但是這樣的研究細節離學生太遠，即便仔細分析對學生也意義不大，只能給學生增加心理負擔。在本節課中，借助教材和科學史，不在細節上糾結，而是從宏觀層面上總結出科學的發展規律，科學家的批判思維本質，相對真理的推陳出新的規律。讓學生體會科學家的糾錯能力，啟發學生思維方式的轉變。引導我們的學生跳出教材的局限，像科學家一樣思考。

當學生明白自己的思維特點，意識到自己的局限性，就可以跳出自己的“胡桃殼”，構建自己的詩和遠方。

參考文獻

[1]萬杏根.人類對原子結構認識的發展過程[J].化學教育，1986，7（1）：58-62.

[2]楊封友.基于科學要素的化學史教學設計——以"原子結構的模型"教學為例[J].化學教與學，2019（12）.

[3]陳必賢.關于"門捷列夫周期律和元素周期表"一章教材的復習提綱[J].化學通報，1957（11）：52-54.