基于科學史和模型建構培養科學思維的教學實踐

《義務教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）指出，作為核心素養之一的科學思維是從科學的視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式。而作為科學思維主要內容的模型建構則體現在以經驗事實為基礎，對客觀事物進行抽象和概括，進而建構模型；運用模型分析、解釋現象和數據，描述系統的結構、關系及變化過程。

科學史中蘊涵了豐富的科學元素，也是科學家進行探究實踐的過程。在新課標、學業要求和教學提示中多次提及科學史對學生科學思維發展的重要性，引入科學史素材有助于學生體會科學的本質。

一、教學分析

（一）教材分析

“原子結構的模型”選自華師大版初中科學八年級上冊第六章第一節“構成物質的微粒”。之前學生都是在宏觀物質世界進行科學探究，從本節課開始進入微觀世界探究，后續的元素、化學式、化合價等知識都需要本節知識作為基礎，因此本節內容具有承上啟下的作用。

（二）學情分析

本節課授課對象是八年級學生，此前學生已掌握了宏觀物質的基本研究方法，對科學探究、證據推理有一定的認識，但對微觀世界認知很有限，不知道用何種科學方法來探究，也不知道怎么直觀地認識這些微粒。原子肉眼不可見，又很抽象，而初中生抽象思維正處于發展初期，對抽象知識缺乏想象力，對原子結構的理解有一定的難度，對原子的結構及發展史只能機械地記憶。

（三）教學目標

1.科學觀念：了解原子結構模型的發展過程及建立依據，知道α粒子散射實驗及原子的內部結構，認識原子核的位置與特點。

2.科學思維：通過分析科學史獲取事實證據，進行類比推理，評價并建構原子模型，體驗“證據—推理—建模—說明”的過程，初步應用“由現象到本質、宏觀與微觀相結合”的思維方法。

3.探究實踐：能用模型表達對原子內部結構的認識，用模型解釋相關實驗現象；利用材料自主建構原子結構模型，增強學生的體驗感，培養學生的創新思維。

4.態度責任：通過分析實驗結果，培養學生的分析推理能力；經歷建模過程，體會模型在科學研究中的重要作用；經歷科學探究的過程，增強對科學家的崇敬之情。

（四）設計思路

二、教學實施

（一）情境引入，激發興趣

播放新中國第一顆原子彈成功爆炸視頻，那小小原子為何有如此大的威力？今天讓我們對原子內部一探究竟。

設計意圖：以震撼的原子彈爆炸視頻為素材，引發學生思考“原子內部什么結構會釋放出如此大的能量？”進而把學生從熟悉的宏觀世界帶入到陌生的微觀世界，引導學生進入課堂。

（二）從感至理，科學伊始

師：2400年前，哲學家德謨克利特提出了最早的原子觀點：物質可不斷分割，并將分割后的最小微粒命名為“原子”，他認為“原子”是構成所有物質的基本單位，是最終無法細分的粒子。這是“原子”這個名稱的首次提出，不過由于當時僅靠觀察，沒有實驗支持，按照現代科學的標準來看這個觀點是有一定局限性的。

師：直到18世紀末，科學家道爾頓通過大量實驗，依據實驗事實提出世界上第一個原子結構模型。道爾頓原子實心球模型提出，將原子從哲學思考帶入到科學研究中，是一次大飛躍。

師：如果大家是當時的其他科學家，你認同道爾頓原子實心球觀點嗎？

生1：同意，因為很符合當下人們的認知。

生2：不同意，道爾頓實心球觀點只是他當時的想法，我認為原子沒這么簡單，只是當時科技水平有限。

設計意圖：通過原子這一概念從哲學上到科學上的轉變，科學家們開始從實驗中去尋找證據，從證據中進行推理，建構模型，引導學生從感性思維轉變成理性思維。受限于當時科學水平，我們可以采取模型、設疑方法直觀揭示原子屬性，培養學生的創新精神。

（三）深入對話，建構模型

師：“原子理論之父”道爾頓的原子觀點，將人類研究視角從宏觀發展到微觀。此后近百年時間里，人們一直認同實心球原子模型。直到有關陰極射線系列實驗開展，湯姆生發現陰極射線是帶負電粒子流——電子。

活動1：用塑料筆桿去靠近小紙屑，觀察現象。

活動2：將筆桿在頭發上反復摩擦后，再靠近紙屑，描述現象并解釋。

學生發現活動1基本都無明顯現象，活動2大部分同學的紙屑都能被摩擦后的筆桿吸引。

師：請同學們利用“知識加油站”中的知識，嘗試著解釋該現象。

生：當筆桿與頭發反復摩擦，會發生電子轉移，筆桿會帶上一定量電荷，筆桿成了帶電體。當它靠近輕小紙屑時，輕小紙屑會被帶電筆桿吸引。

師：通過活動我們知道，電子是真實存在的，那道爾頓原子實心球觀點還成立嗎？

生：不成立，電子在原子內部，原子可以再分。

師：原子中存在的電子有什么特征呢？比如，帶何種電荷？

生：電子帶負電。

師：若你是湯姆生，請對道爾頓原子結構模型進行修正。

活動3：如圖3所示，白色圓盤表示原子，不同顏色圓片表示正、負電荷，四人一小組，請試著修正道爾頓實心球原子模型，并說明理由。

師：大家建構模型是基于實驗事實提出的，而湯姆生也在發現電子后，提出了他的原子結構模型。

設計意圖：學生活動1、活動2“摩擦起電”讓學生感受到電子這種微觀粒子的存在，進而推理出道爾頓原子模型的不足之處，并且基于證據和合理推斷，借助活動3的載體進行模型修正，呈現湯姆生原子結構模型，讓他們體會科學家發現問題、進行推理和修正的過程。

（四）軌道量子，模型迭代

師：盧瑟福理論認為，電子高速旋轉時會向外發射能量，運動軌道半徑將逐步縮小，最終掉落在原子核上，但當時發現各類原子都是穩定的，這使得人們需進一步尋找新的證據。

玻爾用新實驗改進了盧瑟福原子核式結構模型，認為電子在原子核外空間一定軌道上分層繞原子核做高速圓周運動，并提出了原子分層模型。

查德威克發現了原子核內有質子和中子，薛定諤總結前人經驗提出電子云模型，夸克存在證明了質子和中子還可再分……隨著科技的發展，科學家們不斷探索，原子結構逐漸完善。

師：跟隨科學家的腳步我們探索了原子結構，請同學們根據我們剛才的探究來探討下列問題，并用思維導圖的方式描述一下原子結構及各微粒電性。

生：核電荷數=質子數=電子數。

設計意圖：通過新證據的呈現，原子結構模型在不斷被修正，了解最新原子結構進展，引導學生梳理原子結構探索過程，建構原子結構模型及各微粒間關系，認識科學的本質。

（五）情境升華，領悟本質

師：最后我們回到最初的問題。

師：小小原子釋放出巨大威力，與原子內部結構有關，我國原子彈的發明離不開科學家的不懈努力。從古到今，無數科學家前赴后繼地探索著原子內部結構，而越來越完善的原子結構，也正是科學在不斷發展的見證。科學家們根據新證據不斷質疑并修正，推動科學向前發展。科學家們堅持不懈的探索精神，值得我們學習，希望未來同學們繼續去探索。

設計意圖：通過對模型發展過程進行整理總結，體會模型在科學研究中的重要作用，讓學生深化對知識的理解。在質疑中不斷推動科學向前發展，增強學生對科學家的崇敬之情，領悟科學的本質。

三、教學反思

本節課于下午完成課堂授課，在研討活動后已完成二次備課。課堂教學效果還是比較顯著的，主要有以下三點：

1.學生對科學史的學習興趣變得濃厚。比起課本上陳述性知識，學生對歷史上各類科學實驗更加好奇，代入自己“科學家”的身份，利用新證據經歷修正提出新模型的過程，大大提高了學生對學習的主觀能動性，提升了學習效果。

2.學生的科學建模思維得到充分培養。在每個階段有新證據出現時，通過評價交流、模型簡圖、思維導圖等方式加強思維外顯，增強推理論證能力，培養學生的科學思維。

3.學生嚴謹的科學精神逐漸養成。學生通過親歷科學史的方式，真切認識到科學發展十分漫長，在探究過程中會有很多質疑，而恰恰在質疑中，真理才能出現。

作為授課者，這節課仍然有待改進，如在探索原子核時，若能以真實實驗結果來呈現而非Flash動畫則更有助于學生理解；應多用宏觀物質通過類比來增加微觀理解。在今后教學中，筆者將不斷積累經驗，提升自我。