基于類比推理能力發展的教學設計和實施
——以初中“原子”的教學為例

古 愉 殷志忠 王偉群**

（1.蘇州大學材料與化學化工學部 江蘇 蘇州 215123；2.蘇州市相城實驗中學 江蘇 蘇州 215131）

我國于2016年提出核心素養，［1］“證據推理”能力不僅是化學學科核心素養之一，在科學學習領域中也是一個重要的能力特質。證據推理與科學推理、科學思維以及人的基本認知能力等密切相關，對學生高階思維的發展有著重要的價值。

一、類比推理及其價值

依據不同的推理方式，可以將證據推理的類型分為類比推理、演繹推理和歸納推理等。類比推理簡稱類比，它是人類抽象邏輯的重要形式。如圖1所示，類比推理是指從兩個（類）對象的相似性和一個（類）對象的已知特征推出另一個（類）對象也具有這個特征的過程。［2］類比推理是極具啟發性的思維方法，可以將已知物質的性質推廣到未知類似的物質上去，可以將已知領域的研究方法和手段推廣到去探索未知領域的科學奧秘；也可以為新的技術發明提供邏輯基礎；更是科學家提出科學假說的重要手段。

圖1 類比推理

二、教學設計理念和思路

《義務教育化學課程標準（2022版）》明確指出：初步學會通過實驗獲取化學事實，能運用比較、分類、分析、綜合、歸納等方法認識物質及其變化，形成一定的證據推理能力。［3］我們基于原子結構的教學發展學生的類比推理能力，這部分內容選自滬教版《化學九年級上冊》第三章“物質構成的奧秘”——原子，教材呈現了人類認識原子結構的歷史，湯姆生根據陰極射線實驗，運用類比推理的方法將原子結構類比為葡萄干布丁模型；盧瑟福根據α粒子散射實驗類比推理重新建立原子結構模型。兩位科學家都運用了類比推理的方法建立了原子結構的模型，但教材上只以結論性的語言將發現原子結構的知識進行了抽象的描述，其中科學家探索的詳細歷程和研究方法并沒有過多地介紹。許多教師就此認為，九年級剛接觸化學的學生只學習了一些宏觀物質的研究方法，對微觀的原子結構知識不可能有深刻理解，因此把這段化學史教學演變為著名化學家和重要化學事件的連線記憶，失去了化學史應有的教學價值。

初三學生推理能力雖然還不是很成熟，但生活與學習中已積累了基本的類比推理能力。他們在潛意識下能運用類比的方法對未知的物質進行猜測，但他們并不清楚什么是類比推理，也不清楚正確的類比應該如何進行，且遷移能力和思維的嚴謹性都還不夠，類比推理水平較低。本設計的目的是結合人類探索原子結構模型的歷史，發展學生的類比推理能力。具體的教學目標是：

（1）通過游戲或展示科學家實驗現象提供證據，嘗試以類比的方式拼畫原子結構示意圖，在類比推理中構建和評價新的模型，學習原子結構。

（2）經歷人類探索原子結構的歷史，將宏觀物質與微觀原子結構進行比較，理解類比推理在探索原子結構模型中的作用。

教學思路分為四個環節：一是基于黑匣子游戲實驗，讓學生明確類比推理的思路；二是依據陰極射線實驗，讓學生了解湯姆生原子結構模型的建構思路，初探類比推理；三是依據α-粒子散射實驗，讓學生模仿盧瑟福，嘗試類比推理；四是總結反思，歸納類比推理方法。教學思路設計見圖2。

圖2 教學思路

三、教學過程的設計和實施反思

環節1：通過黑匣子游戲，學習類比推理

【活動1】展示不同形狀的鐵片、銅片和鉛筆芯。

【教師】人眼看到的都是宏觀物質，這些宏觀的物質都是由很小的微粒構成的，當你看到這些宏觀的物質時，你能想象出構成它的微粒是怎樣的嗎？能試著畫一畫這些微粒的形狀嗎？你是根據什么畫出組成這些物質的微粒形狀的？

【學生】畫出不同的宏觀物質的微觀微粒見圖3，這些微粒有不同的形狀，有三角形，球形。

圖3 學生畫的微粒圖

生1：我看到的物質形狀是什么樣，我想象的微粒形狀也是這樣的。

生2：我覺得不同的物質的微粒肯定不同。

【教師】原子到底是不是像同學們畫的那樣呢？

古希臘哲學家德謨克利特與同學們有一樣的想法，憑肉眼看到的物體形狀猜測認為：“物質是由微粒構成的，這種微粒體積最小、堅硬、且不可分，他稱這種微粒為“原子”；原子的性質相同，形狀、大小不同……。”

但科學是不能僅憑猜測的。原子、原子內部的結構看不見、摸不著?？茖W家必須通過實驗提供證據，依據證據進行推理。

19世紀初，化學家道爾頓根據很多氣體實驗的結果認為：“所有物質都由原子構成；原子很小且原子的形狀是實心球體，不可再分；同種原子的性質和質量相同；原子在化學變化中性質不變……”由于道爾頓的原子論能解釋很多氣體實驗，當時得到科學界的普遍公認。

直到19世紀末，科學家根據實驗發現原子是可以再分的。那原子內部的結構是怎樣的？科學家又是如何探究的？

【教師】我們先做一個游戲。過生日的時候我們都有收到包裝精美的禮物盒的經歷。假如給你這樣一個盒子，不打開包裝盒，你判斷里面裝的物品是什么？說說你判斷的依據。

【活動2】學生憑生活經驗猜測盒內物品是小球、面包、餅干等。

【教師】能不能猜得更準確些？這次我要求猜的同學蒙住眼睛，但可以用任何其他方法試探，猜測盒內所裝的物品是什么，有多少個，同樣說說你判斷的依據。

【學生】通過搖晃、稱重猜測黑匣子中的微粒個數和重量，接著對黑匣子內的物品進行觸摸，通過觸感確定物品的大小、形狀、硬度、光滑度、平整度等，將這些特征進行綜合總結，與生活中見過的物品進行比較，猜測盒中物品的種類。

【教師】剛才大家雖然不能看到盒子內部的物品，但各顯神通，通過搖、聽、摸等方法了解了其中物品的一些特征，結合生活中見過的物品，猜測物品可能是什么，準確度高了很多。這種以一個對象的已知特征推出這個對象的其他特征的方法，在科學上稱為類比推理。

設計意圖及反思：活動1 學生的討論透露出他們并不知道構成這些物質的微粒的形狀，但是會根據物質的宏觀結構想象其微觀結構。活動2中學生需要通過觀察、觸摸、討論等方法總結出包裝中的物品的屬性，將這些屬性與他們日常生活中見過的物質進行對比，推測出黑匣子中的物質。這是學生初步具備類比推理能力的表現，只是潛意識的。通過學生做黑匣子游戲，學習類比推理，并通過對德謨克利特與道爾頓原子論的比較，認識猜測與科學推論的區別，體會想象、科學實驗、事實證據在推理中的作用。［4］

環節2：通過陰極射線實驗，初探類比推理

【活動3】科學家也是通過實驗的方法對原子內部的結構進行推理。湯姆生在研究陰極射線時，發現了一些特殊的現象見圖4，據此有了他的原子結構模型。請大家觀看陰極射線實驗的視頻，分組討論以下幾個問題：

圖4 陰極射線實驗

1.通過陰極射線實驗，湯姆生發現所有原子中都帶有質量很小的帶負電荷的粒子，他把這種粒子叫做電子。電子的發現，說明道爾頓的原子模型（實心小球）還成立嗎？

2.原子本身是不帶電，那原子結構應該由哪些部分構成呢？

【學生討論】

生1：原子是可分的，不可能是實心球。

生2：原子不帶電，但是陰極射線實驗中湯姆生發現了原子中有質量很小的帶負電荷的物質，證明原子中肯定含有帶正電荷的物質。

學生經過討論得出原子是可分的，所有原子都含有帶負電荷的粒子，證明原子中有帶正電荷的物質，且正電荷數量與負電荷數量相等，并填寫出道爾頓原子學說與湯姆生陰極射線得出的原子屬性的異同，見表1。

表1 道爾頓原子學說與陰極射線實驗中原子屬性的異同

【教師】陰極射線實驗得出的證據還能解釋道爾頓原子模型嗎？

生4：不能解釋，原子不是實心球體。

【提問］原子不是實心小球，其中有質量很小的、帶負電荷的電子，還有帶正電的物質，那么原子究竟是什么樣的呢？請同學們發揮你們的想象，再畫一畫原子的模型。

【學生】再次修改原子結構，見圖5，圖6。

圖5 “麻球”原子模型

圖6 “足球”原子模型

生1：我畫出的原子結構模型中，原子像一個“麻球”如圖5所示，表面覆蓋著芝麻粒一樣的電子，正電荷均勻地分散在麻球中。

生2：我畫出的原子是一個類似足球的形狀如圖6所示，其中足球上黑色的部分帶正電荷，白色的部分帶負電荷，正電荷與負電荷數量相等。

【教師】展示湯姆生的葡萄干布丁模型如圖7 所示，請同學將自己畫出的原子結構模型與湯姆生畫出的原子結構模型進行比較，有哪些相同之處？又有哪些不同之處呢？

圖7 湯姆生葡萄干布丁模型

【學生】總結得出表2。

表2 原子與葡萄干布丁屬性類比

【評價］原子模型應符合3個屬性：

原子中有帶很小的、負電的電子；原子中有帶正電的物質；原子本身不帶電。

【教師】原子不顯電性是由于帶負電的電子和帶正電的物質相抵消。湯姆生把通過實驗得出的原子的性質和自己常吃的葡萄干布丁進行了類比，發現它們之間竟可類比，他在這個基礎上提出原子是一個球體，正電荷均勻分布在整個球體內，電子像布丁里的葡萄干那樣鑲嵌其中。同學們在重溫陰極射線實驗時，也根據實驗證據得到了原子的屬性特征，根據屬性特征畫出了自己心中的原子結構模型。有的同學想到了麻球，有的同學想到了足球，這些都是同學們日常生活中常常見到的宏觀物質，說明在推測未知的物質時，同學們和科學家的想法類似，都采用了類比推理。

設計意圖及反思：學生在湯姆生實驗的現象中得到原子的其他屬性，將這些屬性與已有的模型進行比較，發現已有的模型與現有屬性有本質差異，這些屬性就是證據，在屬性證據中發現道爾頓原子模型的缺陷，進一步修改自己的原子模型，使其能夠解釋現有屬性，并與科學家構建的模型比較。從湯姆生建構的葡萄干面包模型中深入體會科學探究中類比推理的重要性，同時初步學習類比模型建構的方法。

圖8 α-粒子散射實驗

環節3：通過α-散射實驗，嘗試類比推理

【教師】盧瑟福是湯姆生的學生，為了驗證原子的結構，1909年起，他用α-粒子組成的射線轟擊金箔，收集α-粒子的出射情況，推理原子的內部結構。

（1）絕大多數α-粒子穿過金箔后仍沿原來方向前進；

（2）少數α-粒子改變了原來的路徑；

（3）甚至有極少數的α-粒子好像碰到了不可穿透的堅硬質點而被彈了回來。（α-粒子質量較大，且帶正電。）

金箔是由金原子組成的，且非常薄，可以近似于α-粒子直接打在金原子上。

【設問】從這個實驗現象中你能發現什么信息呢？為什么絕大多數α-粒子穿過金箔后仍沿原來方向前進呢？少數α-粒子改變了原來的路徑說明了什么呢？為什么會有極少數的α-粒子被彈了回來？

【學生討論】

生1：大多數α-粒子穿過金箔，證明原子內部有較大的空間。

生2：少數α-粒子偏轉證明原子中有帶正電的結構，帶正電的原子核與帶正電的α-粒子相互排斥，所以改變了α-粒子運動軌跡，使其發生偏轉。

生3：極少數α-粒子被反彈回來了，說明原子內部具有一個體積很小的結構，并且這個結構還帶正電荷，與α-粒子相排斥。

生4：我認為這個使α-粒子反彈回來的結構的質量應該大于α-粒子，因為如果該粒子質量小，那么該粒子應該更容易被彈出。

學生總結出陰極射線實驗與α-粒子散射實驗中原子屬性的異同，見表3。

表3 陰極射線實驗與α-粒子散射實驗中原子屬性的異同

【教師】湯姆生的葡萄干面包模型已經無法解釋α-粒子的散射實驗了，依據原子的屬性，你能否運用類比推理的方法推測原子應該具有怎樣的結構？請繼續修正原子的結構圖。

【學生】根據新的證據再次修改原子結構，并寫出原子與球形模型屬性的類比，見表4。

表4 原子與球形模型屬性類比

生1：依據盧瑟福的實驗現象能得到關于原子結構的新證據：原子是空心的，因此我把原子的結構類比為空心的麻球見圖9，原子里有質量很小的電子，我把麻球上的芝麻粒類比為原子結構中帶負電荷的電子，原子中內部還有帶正電荷、質量大、體積小的帶正電的物質，因此我假設這個麻球里懸空了一個帶正電的物質。

圖9 修改后的“麻球”原子模型

生2：我的原子結構模型是一個足球見圖10，足球表面粘著許多小而輕的帶負電荷的電子，足球內部有一個帶正電荷的，體積小質量大的物質。

圖10 修改后的“足球”原子模型

【教師】盧瑟福是如何重塑原子模型的呢？受到太陽系運動模型的啟發，盧瑟福將太陽系和原子結構進行了類比，把這個帶正電的、在原子中心的小核定義為原子核，把電子繞著原子核運動類比為行星繞著太陽進行運動，因此這個原子模型又叫行星模型。

【學生】寫出原子與行星模型屬性的類比，見表5。

表5 原子與行星模型屬性類比

設計意圖及反思：通過實驗現象等宏觀證據向學生提出關于原子內部結構一系列的問題，讓學生基于α-粒子散射實驗中所獲得的證據出發，發現與葡萄干面包模型的矛盾并依據新的證據嘗試進行類比推理，獨立修改原子結構模型。推出盧瑟福的行星模型，通過小組討論和屬性對比，驗證類比推理的方法，加深對類比推理方法的理解和使用。

環節4：總結反思，歸納類比推理

【教師】當然，科學發現并不是一蹴而就的，1903年盧瑟福發現了α-射線，從1906開始，他進行α-粒子散射實驗，近乎三年的時間他才得出行星原子模型結構。1919年，盧瑟福和他的助手用α-粒子轟擊氮原子核，發現原子核里面有質子且一個質子帶一個單位的正電荷，1932年，科學家又經過反復實驗發現了原子中還存在不帶電荷的中子，至此原子核內的微觀結構才被人們慢慢發現。通過這些信息，你們有什么想法？你能再次修改畫出原子的模型嗎？

【學生1】我畫出的原子里面包含了一個帶正電的原子核和核外帶負電荷的電子，原子核帶正電的原因是原子中的質子帶正電，中子不帶電，見圖11。

圖11 再次修改后的原子模型

【學生2】我也畫出了這個模型，由于帶正電荷的質子使得原子核呈正電，所以質子的個數和原子核所帶的電荷數相等。

【學生3】因為原子不帶電，所以質子的個數還和核外電子個數一樣。

【教師】由此我們可以得出一個等式：質子數=核電荷數=核外電子數。重溫了一系列科學家對于原子結構的探索，同學們對類比推理方法有什么認識呢？

【學生討論】

生1：我認為這是一種比較的方法，把未知的事物和已知的事物進行比較，在已知中找到最像未知的那個事物。

生2：因為是一種相似性的比較，所以需要不斷地進行實驗探究，找到未知事物的多種性質。

生3：這是一種類比的方法，首先了解學習的新概念，例如：通過科學家對原子結構探究的進程，實驗證據確定其屬性（特性），接著還要分析原子和其他類比物質之間的特點；確定二者的相似性、相異性，最后進行推理。

【教師】類比推理得出的結論一定是正確的嗎？

【學生1】類比推理得出的結論并不一定是正確的，湯姆生根據陰極射線實驗得出原子的一些屬性，將其類比為宏觀的葡萄干面包模型，在當下是符合的，但是盧瑟福的實驗證明了原子的其他屬性與葡萄干面包模型不相符，卻與行星運動模型極為相似。

【學生2】原子是微觀的結構，而葡萄干面包和行星運動模型都是宏觀的，它們肯定有不一樣的地方。

【學生3】隨著科學的發展，人類的實驗儀器越來越精密，對微觀世界的了解越來越深入，知道了很多原子結構的屬性特征，對原子的類比就會更加精確。但是類比始終是一種相似性的比較，并不是完全相同。

【教師】課堂小結：今天我們走進科學家探尋原子結構的歷史，在實驗中收集證據，通過類比的方法將原子比作已知的物質，一步一步揭開原子神秘的面紗，勾勒出了原子的形態，相信同學們經過本節課的學習對類比的科學方法有了更加深入的認識。

設計意圖及反思：再次修改畫出原子的結構，學生在推理中明確原子中各粒子的關系與帶電情況，通過提問、交流，學生自主歸納類比推理的使用方法和注意事項，內化類比推理的科學方法。

四、結論與啟示

本節課教師通過設置4 個不同的情境：黑匣子實驗、湯姆生陰極射線實驗、盧瑟福α-粒子轟擊實驗、原子結構示意圖，來驅動和支撐學生的學習活動。學生在了解類比思維、學習類比思維、驗證類比思維的學習過程中，跟隨科學家的腳步，一步一步在紙上畫出了原子的結構模型。學生在已有經驗的基礎上，積極主動地構建了知識，體會了科學家進行科學探究尋找原子微觀結構的全過程，有效地訓練和提升了他們的類比思維能力。