融合科學閱讀 發(fā)展學科素養(yǎng)

徐敏姬 王偉群

摘要：針對高考評價體系對學生閱讀能力的要求，提出將科學閱讀融入課堂教學，不僅有助于學生對理論概念的理解，更有助于學生發(fā)展科學閱讀技能，提升化學學科素養(yǎng)，促進科學精神的形成。

關鍵詞：科學閱讀;學科素養(yǎng);原子結構

文章編號：1008-0546（2022）04-0002-06

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.04.001

中國高考評價體系[1]確立符合考試評價規(guī)律的三個方面的關鍵能力群，第一方面是以認識世界為核心的知識獲取能力群，主要包括語言解碼能力、符號理解能力、閱讀理解能力、信息搜索能力、信息整理能力等等，這些都與閱讀相關?？茖W閱讀側重于自然科學方面的信息閱讀，指的是對他人的科學研究內容的語言、符號、信息整理的系列信息輸入的活動。筆者統(tǒng)計了2020年江蘇省高考化學試卷的字數(shù)是3695個、實驗裝置圖7張，流程圖（無機工藝流程和有機合成路線圖）3張、物質結構圖2張、坐標圖像（曲線）4張，考試時間是90分鐘，顯然高考對學生的閱讀速度和信息獲取的能力都有較高的要求。應該說，科學閱讀隨時隨地都可以進行，而學生科學閱讀能力的提高，其主陣地在課堂。

一、教學主題內容及教學創(chuàng)新點

已有研究表明，將科學閱讀融入教學，有助于促進學生對概念的理解，有助于提升學生學科能力的發(fā)展[2]?！叭祟悓υ咏Y構的認識”選自蘇教版《化學》必修第一冊專題2第三單元，是高一的新授課，主要內容是介紹了人類認識原子結構歷程中的幾位關鍵人物和幾個經典實驗，此教學內容是融合科學閱讀不可多得的素材。但從目前檢索到的相關教學設計[3-7]來看，幾乎所有的教學實踐中都沒有關注到課堂教學與科學閱讀的融合，教學設計普遍以原子結構的發(fā)展史為線索，通過問題情境，引導學生經歷和體驗科學家建模的歷程，從而發(fā)揮本節(jié)內容在“證據(jù)推理與模型認知”等方面的教育功能與價值。筆者在本節(jié)課的教學實踐中，從“水與重水的質量差異”的真實情境出發(fā)，通過“資料卡”式的閱讀文本，將科學閱讀活動融入課堂教學，以問題鏈驅動學生的閱讀，引領學生像科學家一樣去思辨、討論、表達、得到科學結論。本節(jié)課獲得了2020年江蘇省高中化學評優(yōu)課一等獎，下面就本節(jié)課的教學思路與一些教學片斷與各位同仁分享。

二、教學實踐

1.教學目標與設計思路

化學是在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、性質、變化及其應用的一門基礎學科，認識原子結構是學生發(fā)展“宏觀辨識和微觀探析”的基礎;而人類對原子結構模型的認知歷史，不僅反映了科學知識的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和完善過程，也讓學生“認識化學科學研究需要實證與推理”，“了解實驗、假說、模型、比較、分類等方法在化學科學研究中的運用”[8]，這也是這節(jié)課重要的教學目標。

本節(jié)課設計了情境創(chuàng)設、歷史回眸、觀察學習和拓展學習四個教學環(huán)節(jié)。在歷史回眸環(huán)節(jié)，用問題引領學生科學閱讀與思辨表達，通過“讀中悟”達成教學目標，具體的設計思路如圖1所示。

2.教學實錄（1）讀前創(chuàng)設情境，觸發(fā)積極閱讀心態(tài)

教學片斷一：

[情境創(chuàng)設]同學們聽說過重水嗎？重水，顧名思義，是比水略重的水，事實是否如此？

[學生實驗]用電子秤（精確到小數(shù)點后面2位）分別稱量相同條件下，體積均為2.0mL的水和重水的質量，記錄實驗數(shù)據(jù)。

[追問]多次量?。?.0mL）多次稱重，均表明等體積的重水比水略重一些。同學們認為重水比水重有哪些可能的原因？

[教師活動]播放“什么是重水”的視頻。展示重水與水分子的空間結構。

[學生活動]觀看視頻，思考分析。重水與水的分子中組成元素相同，原子數(shù)目相等，氧原子也相同，唯一不同的是氫原子，正是氫原子質量的不同造成重水的質量稍重一些。

[追問]重水分子中的氫原子并不“輕”，那么它重在哪里呢？普通氫原子的核內只有一個質子，重氫原子的核內除了一個質子，應該還有其他粒子，這是什么粒子？有多少個呢？

設計意圖：借助重水創(chuàng)設了“等體積重水和普通水質量不等”這一情境，學生從中讀到的是“數(shù)據(jù)”，再通過視頻情境，學生從中讀到的是“分子組成和結構”。觀察是思維的開始，真實的數(shù)據(jù)和可信的視頻資料都是學生肉眼可見的信息源，最后聚焦到了重氫原子的內部結構，進而引出了本節(jié)課的主題。短短幾分鐘的時間就激發(fā)起了學生深入了解原子內部精細結構的探究欲和閱讀資料尋求答案的驅動力。

（2）讀中問題導向，引導學生深度閱讀和思考教學片斷二：1閱讀收集證據(jù)，推理認識模型

[教師活動]提供資料1：湯姆生研究陰極射線的實驗背景、裝置和實驗結果[9]。

[實驗背景]1897年，湯姆生（J.J.Thomson，1856～1940）開展陰極射線的研究。

[實驗裝置]見圖2。

[實驗結果]

陰極射線實驗裝置

（1）金屬板D1、D2之間不加電場時，射線不偏轉，射在屏P1處;加電場時，射線偏轉，射在屏P2處;

（2）測陰極射線的荷質比（帶電粒子電荷值e與其質量m之比），并進一步測到電荷量與氫離子相同，從而推測出該帶電粒子質量約為最輕原子（H）質量的1/2000。

（3）不論管中是什么氣體或電極是什么材料，所測粒子的荷質比都一樣。

[教師活動]提出問題：1.電子有什么特征？證據(jù)是什么？2.電子的發(fā)現(xiàn)對原子結構模型有何影響？

[學生活動]閱讀材料，小組交流討論。

學生1：金屬板之間加電場時，射線發(fā)生偏轉，說明射線帶電;射在屏P2處，則說明射線帶負電。通過測陰極射線的荷質比，發(fā)現(xiàn)射線應為帶電粒子，且質量比原子質量小得多。gzslib202204022031

學生2補充：實驗結果（3）證明所有物質的原子中都含有電子，電子是原子的組成部分。電子的發(fā)現(xiàn)，說明原子是可再分的，原子內部有著精細的結構。

[師生小結]

經典實驗：陰極射線實驗。

↓

邏輯推理：電子帶負電、是比原子更小的微粒，是原子的組成部分。

↓

建構模型“：葡萄干面包式”原子結構模型。

2閱讀推翻假設，建構新的模型

[教師活動]提供資料2：盧瑟福開展α粒子轟擊金箔的實驗背景、裝置和實驗結果[9]。

[實驗背景]1909年，蓋革（H.Geiger）和馬斯登（E.Marsden）在盧瑟福（Ernest Rutherford，1871～1937）的指導下開展α粒子轟擊金箔的實驗研究（注：α粒子帶正電，質量約為電子質量的7300倍）。預測結果：湯姆生模型中正電荷均勻分布在原子內，α粒子穿過原子時受到的各方向正電荷的斥力基本上相互平衡，對α粒子運動的影響不會很大，偏轉角度不超過0.87°。

[實驗裝置]見圖3。觀察記錄熒光屏閃爍的粒子數(shù)（α粒子擊中時會閃光）。

[實驗結果]

（1）絕大多數(shù)α粒子直接穿過金箔沿原來的方向前進。

（2）少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉，有極少數(shù)偏轉角度超過90°，甚至幾乎達到180°。

[教師活動]提出問題：3.α粒子轟擊金箔的實驗結果能證明“葡萄干面包式”原子結構模型正確嗎？為什么？

[學生活動]閱讀材料，小組交流討論。

學生3：我們認為“葡萄干面包式”模型不完全正確。根據(jù)“葡萄干面包式”原子結構模型，當α粒子轟擊金箔時，α粒子偏轉角度應該很小，幾乎不改變方向而穿過金箔。但實驗結果卻有極少數(shù)α粒子發(fā)生大角度的偏轉，這是“葡萄干面包式”模型無法解釋的。

[追問]符合實驗結果的原子結構模型是怎樣的？

[學生活動]小組交流，畫原子結構模型。

學生4：展示原子結構模型圖1（見圖4）。實驗中極少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉，甚至反彈的結果，說明原子內存在一個質量比較大的結構，這個結構就是原子核。模型中間的小黑點表示原子核，電子則均勻分布在原子核外。

學生5：展示原子結構模型圖2（見圖5）。絕大多數(shù)α粒子能穿過金箔，說明原子沒有“邊界”，原子內部絕大部分是“空”的，原子不是實心球體。而極少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉，則證明在原子內存在一個質量比α粒子大、帶正電的原子核結構，模型圖中間帶“+”的結構表示原子核，帶負電的電子均勻分布在原子核外。

[追問]原子核有什么特征？證據(jù)是什么？

[學生活動]小組交流討論。

學生6：極少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉的實驗結果證明了原子核帶正電、質量大。而撞到的概率很小，說明原子核在原子中所占的體積非常小。

[師生小結]

經典實驗：α粒子轟擊金箔。

↓

邏輯推理：原子中存在一個體積小、質量大、帶正電的原子核。

↓

建構模型：核式原子結構模型。

3閱讀實驗研究，解剖核的結構

[教師活動]提供資料3：盧瑟福開展“解剖”原子核的實驗背景、裝置、過程和實驗結果[10]。

[實驗背景]1919年，盧瑟福開展“解剖”原子核的實驗研究。

[實驗裝置]見圖6。

[實驗過程]

黃銅罐內分別充入不同氣體，用加速后的α粒子轟擊氣體原子核，觀察熒光屏上的閃光。（注：在真空下，調整鋁箔厚度，使α粒子恰好被吸收，熒光屏上無閃光）

[實驗結果]

（1）罐內充入氮氣時，熒光屏上出現(xiàn)了閃光。將粒子引入磁場和電場中，測得該粒子帶正電，且?guī)щ娏颗c單個電子相同，但質量卻約是電子質量的1837倍，確定它就是失去電子的“氫原子核”。

（2）盧瑟福改進裝置，從氯、氖、鈉、硫、鎂等輕元素的原子核中都打出了“氫原子核”。

[教師活動]提出問題：4.原子核內部有什么？你的依據(jù)是什么？是如何推理的？

[學生活動]閱讀材料，小組交流討論。學生7：用α粒子轟擊氮原子核時，從中打出了“氫

原子核”，這說明“氫原子核”是氮原子核內的一部分。

學生8補充：盧瑟福用α粒子繼續(xù)轟擊其它元素的原子核，從中也都打出了“氫原子核”，這說明“氫原子核”是普遍存在于元素原子核中。

[追問]盧瑟福將“氫原子核”命名為質子，質子有什么特征？證據(jù)是什么？質子的發(fā)現(xiàn)對原子結構模型有何影響？

[學生活動]小組交流討論。

學生9：在電場和磁場中分別測定質子的電性、帶電量和質量，發(fā)現(xiàn)質子帶正電，且?guī)щ娏颗c一個電子相同，質量卻比電子大得多。質子的發(fā)現(xiàn)證明了原子核是可再分的，原子核內部還有結構。

[師生小結]

經典實驗：α粒子轟擊氮原子核。

↓

邏輯推理：原子核內存在帶正電、質量較電子大得多的質子。

↓

補充模型：補充原子核模型。

4學會提出假設，閱讀證據(jù)驗證

[教師活動]提出問題：5.只含有多個質子的原子核結構（見圖7）是否穩(wěn)定？說明理由。

[學生活動]思考交流。

學生10：由于質子均帶正電，根據(jù)“同性相斥”原

理，只含質子的原子核結構是不穩(wěn)定的。

[追問]盧瑟福通過進一步的實驗，測得了原子核質量與電荷的比值總是大于質子質量與電荷的比值，這樣的實驗結果能說明什么？gzslib202204022031

[學生活動]思考交流。

學生11：說明原子核中還可能存在其他粒子。

[追問]對這種未知粒子，你有什么猜想？說明猜想理由。

[學生活動]思考交流。

學生12：未知粒子必然呈電中性。實驗已經證實了原子中存在電子和質子，且兩者帶電量相同，電性相反，已經能保證原子呈電中性。

[追問]盧瑟福在發(fā)現(xiàn)質子后不久，便預言原子核內除存在質子外，還應存在一種呈電中性的粒子，他將其稱之為中子。那么，如何證實中子的存在呢？

[教師活動]提供資料4：查德威克開展尋找中子的實驗背景、裝置、過程和實驗結果[9，10]。

[實驗背景]1929年起，查德威克（James.Chad?wick，1891～1974）開展尋找中子的實驗。

[實驗裝置]見圖8。

[實驗過程]用α粒子轟擊鈹原子核，利用產生的射線轟擊石蠟。（注：當時已知γ射線為電中性粒子流，但γ射線無法從石蠟中打出質子）

[實驗結果]

（1）α粒子轟擊鈹原子核時產生穿透力極強的射線，且該射線呈電中性。該射線轟擊石蠟時，石蠟中有質子被打出。

（2）經云室探測，運用動量和能量守恒原理，確定該粒子質量與質子質量相當，并確證該粒子呈電中性。

[教師活動]提出問題：6.中子存在的證據(jù)是什么？中子具有什么特征？7.中子的發(fā)現(xiàn)對原子結構模型有何影響？

[學生活動]閱讀材料，小組交流討論。

學生13：α粒子轟擊鈹原子核時產生穿透力極強的電中性的射線，而該射線能從石蠟中打出質子，證明該射線不是γ射線。經云室探測和運用動量、能量守恒原理推算，證明該射線是具有一定質量、呈電中性的粒子流，這些特點均符合預言中中子的特征，這就是中子存在的實驗證據(jù)。

學生14補充：中子的特征是不帶電、質量與質子

相當。中子的發(fā)現(xiàn)完善了原子核的內部結構。

[師生小結]

假說：原子核可能存在中子。

↓

經典實驗：α粒子轟擊鈹原子核。

↓

邏輯推理：原子核內存在電中性、質量與質子質量相當?shù)闹凶印?/p>

↓

完善模型：完善原子核模型。

[引導]從湯姆生發(fā)現(xiàn)電子到查德威克證實中子的存在，一代代科學家們通過一個個經典實驗，運用科學方法，逐步揭開了原子的內部結構。回顧這段歷程，科學家們研究原子結構時運用了哪些科學方法？這些偉大科學家的身上有哪些科學精神值得我們學習？你對科學研究的目的有哪些新的理解和認識？

[學生活動]交流小結。

學生15：科學方法：實證推理建模

科學精神：堅持不懈、嚴謹求實。

科學目的：發(fā)現(xiàn)規(guī)律，運用科學規(guī)律，使科學成為改變人類生活生產最有力的工具。

設計意圖：問題是學生思維的引擎，通過問題驅動開展教學可以激發(fā)和培養(yǎng)學生的思辨能力[11]。本節(jié)課所呈現(xiàn)的資料卡都屬于科學閱讀材料，材料的背景很豐富，專業(yè)性也很強，設計貼近學生實際的問題鏈，不僅有助于學生重點閱讀，解決所提出的問題，更有助于學生認識科學的本質，領悟科學規(guī)律是在“假說—證實（證偽）—建構”這個過程中逐步走向完善。

（3）讀后解決問題提升學科核心思維教學片斷三：

[提出問題]經過科學家們的不斷努力，現(xiàn)在我們已經可以獲得電子、質子、中子較為準確的數(shù)據(jù)（見表1），結合實驗所得的數(shù)據(jù)（見表2），我們可以粗略計算一個重氫原子中的中子數(shù)。

[學生活動]交流討論，計算：

n（H2O）=1.96g/18g·mol-1=0.109mol，

m（中子）=2.18g-1.96g=0.22g，

n（中子）=0.22g/1.008g·mol-1=0.218mol

學生16：通過計算發(fā)現(xiàn)，n（中子）約為n（H2O）的2倍，說明一個重氫原子中包含一個中子。

設計意圖：學生通過科學閱讀活動，深刻理解原子的內部結構。在此基礎上，引導學生“閱讀”實驗數(shù)據(jù)、運用“物質的量”粗略推算一個重氫原子中的中子數(shù)，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，提高學生對實驗數(shù)據(jù)的分析推理能力，滲透從宏觀到微觀、從現(xiàn)象到本質的學科思想。

三、教后反思

一門真正的科學應該具備兩個要素，第一個是數(shù)學，它必須是可以數(shù)學化、量化的，可以進行計算和預測，因而可以控制。第二個是實驗，它必須能夠訴諸實驗，如果沒有經過實驗的處理，就會被認為是不可靠的，是不“科學”的?？茖W文本的閱讀要牢牢抓住這兩個要素展開：科學家在科學研究過程中做了哪些實驗？科學家怎么想到做這些實驗？他們是如何開展實驗的？實驗中看到了什么現(xiàn)象？得到了哪些數(shù)據(jù)？進行了怎樣的推理和分析？得出了哪些重要的結論？學生進行科學閱讀的過程就相當于在“參與”科學的研究過程，相當于在“對話”科學家。我也從中體會到學術情境類的文本閱讀對提高學生學科素養(yǎng)的重要性，以及一些在課堂教學中融合科學閱讀的策略與實施方法。

1.科學閱讀的興趣性。成尚榮先生認為，學習的第一支點就是興趣，找到了學習興趣這個支點，可以輕輕地推動學生成長、進步。蘇霍姆林斯基指出，在人的心靈深處，都有一種根深蒂固的需要，就是希望自己是一個發(fā)現(xiàn)者、探索者。科學閱讀是一條通往未知領域的通道，可以滿足學生成為發(fā)現(xiàn)者、探索者的需要。本節(jié)課，學生的興趣點在于等體積的普通水和重水的差異到底在哪里？整節(jié)課學生就圍繞這個問題一探究竟。

2.科學閱讀的簡潔性。在課堂教學中開展科學閱讀活動時，由于受教學時間與空間的影響，需要精心遴選閱讀素材、精心設計閱讀方式和途徑，以求有效。首先，科學閱讀的文本要簡潔，文本所呈現(xiàn)的每一個字、每一個數(shù)據(jù)、每一張圖片都準確無誤，確保文本是“科學”的，同時文本可以圖文并茂，不要人為增加學生的認知負荷;其次，科學閱讀的方法要簡潔，要指導學生抓住文字、圖表中的關鍵信息，盡量帶著問題去閱讀，邊閱讀邊思考。gzslib202204022031

3.科學閱讀的廣泛性。南京師范大學附屬中學的保志明老師針對教學內容列出系列閱讀書單，要求學生自行購買閱讀，并鼓勵學生跨學科閱讀，鼓勵學生把身邊的書籍交換閱讀，大大增加了學生科學閱讀的時間和數(shù)量，豐富了學生的閱讀經驗，不再局限于課堂上的短篇閱讀和短時閱讀。

4.科學閱讀的深刻性?？茖W閱讀要做到“沉浸”和“沉思”，要透過文字看到文字背后的故事。當然課堂上的科學閱讀，教師要適當?shù)丶右砸龑ВO置合適的問題情境，引導學生從文本中提取信息、概括關聯(lián)、分析解釋、推理預測，有意識地滲透科學方法的培養(yǎng)，凸顯科學閱讀與科學學習之間的關系。通過“文本閱讀-思維加工-分析討論-示范”的循環(huán)，發(fā)展學生的科學閱讀能力。

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