對話歷史構(gòu)建微觀模型

一、體現(xiàn)歷史發(fā)展線索，確定項目編寫思路

1.挖掘歷史發(fā)展，明確項目內(nèi)容。

對物質(zhì)組成的研究，從古希臘的四元素說（土、氣、水、火）到亞里士多德的五元素說（土、氣、水、火、以太）到中國古代的五行說，都是在對物質(zhì)組成的基本微粒進(jìn)行探討。1661年波義耳在研究空氣時利用不斷分割的思路認(rèn)為“只有那些不能用化學(xué)方法再分解的簡單物質(zhì)才是元素”，并將這一觀點下的“元素”視為物質(zhì)組成的基本單位。

1777年拉瓦錫利用汞在空氣中生成汞灰，將汞灰再分解得到原來空氣的方法，結(jié)束了空氣是組成物質(zhì)的基本單位的錯誤見解，也給我們提供了一種研究物質(zhì)組成的重要的思維方法：采用“合”與“分”的方法研究物質(zhì)組成。1808年，道爾頓提出原子學(xué)說，1814年阿伏伽德羅和安培各自提出分子假說，1858年，分子學(xué)說被廣泛認(rèn)可，從微觀角度認(rèn)識物質(zhì)組成經(jīng)歷了漫長的科學(xué)過程。隨著技術(shù)的發(fā)展，1897年湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子，拉起了研究原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的序幕，使人類可以從原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)一步理解物質(zhì)的組成。

對物質(zhì)定量關(guān)系的研究也一直在進(jìn)行中，1799年，普羅斯闡述了定比定律，測定發(fā)現(xiàn)物質(zhì)中元素的質(zhì)量比是固定的。1804年道爾頓提出倍比定律：“當(dāng)相同之兩元素可生成兩種或兩種以上的化合物時，若其中一元素之重量恒定，則其余元素在各化合物中之相對重量有簡單倍數(shù)之比?！痹诖嘶A(chǔ)上，基于基準(zhǔn)量思想研究物質(zhì)的化合價和相對原子質(zhì)量，有效地發(fā)展了物質(zhì)的定量研究。

2.反思?xì)v史關(guān)鍵事件，提煉項目核心內(nèi)容。

從對化學(xué)史的反思中，我們總結(jié)對物質(zhì)組成研究是從微觀和宏觀兩方面進(jìn)行。微觀上不斷探討組成的基本微粒，以及微粒構(gòu)成物質(zhì)的規(guī)律；宏觀上利用物質(zhì)的質(zhì)量、氣體體積等信息來研究物質(zhì)組成。宏觀現(xiàn)象與微觀解釋相結(jié)合促進(jìn)人類對物質(zhì)組成的深入認(rèn)識。

我們都認(rèn)為化學(xué)學(xué)科是從微觀的分子原子層面研究物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的學(xué)科。在構(gòu)建微觀模型的過程中，我們需要解決幾個問題。

（1）為什么要從微觀的角度進(jìn)行研究？在整個化學(xué)發(fā)展史上經(jīng)歷了怎樣的發(fā)展變化過程？

（2）如何研究微觀世界？化學(xué)家利用了怎樣的思維方法，如何將宏觀現(xiàn)象與微觀組成建立關(guān)聯(lián)？

（3）化學(xué)家在證據(jù)面前經(jīng)歷了怎樣的推理過程來形成對微觀世界的認(rèn)識？科學(xué)家的認(rèn)識與探究過程和學(xué)生的認(rèn)識過程有什么相似之處？學(xué)生在探究的過程中有哪些可以借鑒的科學(xué)家的思維方法？在教學(xué)活動中如何通過合理的探究活動讓學(xué)生建立起其微觀模型？

基于此，本項目的活動以化學(xué)發(fā)展史為背景線索，將學(xué)生的學(xué)習(xí)活動依托在科學(xué)發(fā)展史的背景下，體現(xiàn)科學(xué)閱讀的思維活動，并注重從發(fā)展史中學(xué)習(xí)科學(xué)的研究方法。同時還要特別重視模型建構(gòu)，通過搭建和繪畫等方式外顯模型建構(gòu)的過程和結(jié)果，因為微觀模型的建構(gòu)過程就是學(xué)生對微觀的深入認(rèn)識過程。

二、宏觀微觀結(jié)合，拆解項目具體活動

本項目拆解任務(wù)的過程和科學(xué)研究的過程有相似之處?！绊椖繉?dǎo)引”先從物質(zhì)的宏觀現(xiàn)象出發(fā)去探索微?？赡軙械奶攸c，“任務(wù)一”進(jìn)一步探索具體的微粒構(gòu)成，構(gòu)建分子模型，“任務(wù)二”在實驗事實進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)原子可分，從而進(jìn)一步打開原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。對元素質(zhì)量和物質(zhì)質(zhì)量的探索，是從宏觀質(zhì)量和微觀組成建立關(guān)聯(lián)的。因此，在“項目導(dǎo)引”部分通過實驗探究引導(dǎo)學(xué)生初步建立微粒觀，并認(rèn)識微粒的基本特點（見圖1）?！叭蝿?wù)一”以常見的水為例，以人類發(fā)展過程中對水的認(rèn)識為引導(dǎo)，結(jié)合資料閱讀、實驗探究、創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生假設(shè)猜想、模型模擬及修正等活動，帶領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識和構(gòu)建分子模型?！叭蝿?wù)二”以科學(xué)史資料閱讀、經(jīng)典科學(xué)實驗重現(xiàn)、模型模擬、教師搭橋?qū)W生實踐等活動，帶領(lǐng)學(xué)生通過實驗觀察、模擬分析、歸納總結(jié)等方法形成對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識?！叭蝿?wù)三”以問題創(chuàng)設(shè)情境、計算分析與科學(xué)史資料相結(jié)合、應(yīng)用問題驅(qū)動分析等活動，帶領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識元素及元素與物質(zhì)的定性和定量的關(guān)系。

任務(wù)一：認(rèn)識水分子，搭建分子模型

以“我們可以通過什么方法來研究水的組成呢”的驅(qū)動型問題開啟本任務(wù)的活動。本任務(wù)分為三個活動。（見圖2）閱讀對物質(zhì)微觀組成的研究歷史，分析假說、模型、證據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，理解科學(xué)本質(zhì)。學(xué)生活動依托在化學(xué)史的背景下，從科學(xué)研究方法和概念形成兩方面完成宏觀到微觀的建構(gòu)。

任務(wù)二：構(gòu)建原子模型認(rèn)識物質(zhì)組成規(guī)律

在建立分子認(rèn)識的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步構(gòu)建原子模型，并在原子模型的基礎(chǔ)上，認(rèn)識物質(zhì)組成的規(guī)律。此任務(wù)遵循學(xué)生的認(rèn)識，在實驗事實的基礎(chǔ)上，將學(xué)生的追問外顯化，以符合學(xué)生的驅(qū)動型追問進(jìn)行活動拆解，分為三個活動。（見圖3）

活動一有三個核心活動：一是對原子已有認(rèn)知的探查；二是對陰極射線實驗的觀察與思考，結(jié)合科學(xué)史資料的閱讀認(rèn)識原子是可以再分的，可以分出質(zhì)量很小且?guī)ж?fù)電荷的粒子，通過分析推理可知原子中必然有帶正電的部分，且原子的絕大部分質(zhì)量集中在帶正電的部分；根據(jù)實驗觀察及分析推理，由學(xué)生進(jìn)行第三個核心活動，引導(dǎo)學(xué)生自主構(gòu)建新的原子模型。活動二包含兩個核心活動：一是從定性的角度認(rèn)識原子中帶正電的部分體積很小但質(zhì)量很大，即原子的核式模型；二是從定量的實驗思路出發(fā)，通過模擬實驗與推理計算認(rèn)識原子與原子核大小的相對關(guān)系?；顒尤腥齻€核心活動：一是通過實例講解認(rèn)識原子核外電子排布的一般規(guī)律并根據(jù)這些規(guī)律畫出前18號元素的原子結(jié)構(gòu)示意圖，為后續(xù)活動做鋪墊；二是通過交流研討活動，認(rèn)識原子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步認(rèn)識離子的形成及離子與原子的關(guān)系；三是通過畫出幾種原子模型及梳理各個模型之間的更迭線索，構(gòu)建科學(xué)的原子模型認(rèn)知體系，并體會科學(xué)推理及科學(xué)方法在科學(xué)發(fā)展中的重要作用。

任務(wù)三：探究元素與物質(zhì)組成的奧秘

帶領(lǐng)學(xué)生從微觀世界的分子、原子的學(xué)習(xí)進(jìn)入到宏觀世界的元素?；顒右粡脑氐慕嵌日J(rèn)識物質(zhì)中以元素周期表為依托，設(shè)計了比較開放的交流研討活動，引導(dǎo)學(xué)生將宏觀的元素名稱、元素符號、元素分類、元素化合價、原子團(tuán)等信息與微觀的原子結(jié)構(gòu)相關(guān)知識和理解契合在一起，使學(xué)生在學(xué)習(xí)新知識的過程中將任務(wù)一和任務(wù)二的相關(guān)知識的理解應(yīng)用起來，起到逐步深化學(xué)生認(rèn)知的作用?；顒佣脑刭|(zhì)量到物質(zhì)組成，引導(dǎo)學(xué)生從定量的角度認(rèn)識物質(zhì)與元素的關(guān)系，通過自主探究活動和對科學(xué)史資料的閱讀，梳理元素質(zhì)量與原子數(shù)目之間的比例換算方法，同時體驗應(yīng)用基準(zhǔn)量的科學(xué)方法解決問題的過程，在此過程中完成相對原子質(zhì)量的知識學(xué)習(xí)?；顒尤骄吭刭|(zhì)量與物質(zhì)質(zhì)量的關(guān)系中以補鈣和補鈣劑為載體，梳理了本項目學(xué)習(xí)中的主體知識結(jié)構(gòu)，并完成了物質(zhì)中某元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計算及相關(guān)知識的學(xué)習(xí)和應(yīng)用。（見圖4）

三、體現(xiàn)項目學(xué)習(xí)，立體構(gòu)建目標(biāo)

對項目的基本思路和活動安排有了了解之后，我們來反觀一下項目的目標(biāo)。項目學(xué)習(xí)教材要關(guān)注項目自身價值的實現(xiàn)，同時還要關(guān)注知識、技能、方法、素養(yǎng)等的培養(yǎng)。

1.以項目成果推動完成成果目標(biāo)。

以項目成果的不斷完善促進(jìn)項目任務(wù)的推進(jìn)。本項目中主要完成：討論“梳理我對物質(zhì)組成的認(rèn)識”的海報；繪制“假如我是水分子”系列漫畫。圖5是各任務(wù)階段目標(biāo)的項目成果目標(biāo)對應(yīng)關(guān)系。

2.建立知識體系，體現(xiàn)能力發(fā)展。

從圖6中可看出，知識目標(biāo)上，本項目從宏觀和微觀兩方面入手認(rèn)識物質(zhì)組成：

（1）物質(zhì)是由微粒構(gòu)成的。①從認(rèn)識水分子到構(gòu)建分子模型。從分子角度認(rèn)識物質(zhì)分類（純凈物、混合物），從分子角度認(rèn)識變化，從分子角度認(rèn)識物質(zhì)。②從原子結(jié)構(gòu)的角度認(rèn)識組成物質(zhì)的規(guī)律。由認(rèn)識原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)到關(guān)注核外電子排布，進(jìn)而理解原子構(gòu)成分子的核心規(guī)律——化合價。

（2）物質(zhì)是由元素構(gòu)成的。從原子的角度連接對元素的認(rèn)識，建立宏觀與微觀之間的關(guān)聯(lián)。進(jìn)而，從元素角度認(rèn)識物質(zhì)組成，認(rèn)識元素質(zhì)量與物質(zhì)質(zhì)量的關(guān)系。

方法目標(biāo)上，在研究微粒特點時，利用分割法來研究組成物質(zhì)的微粒。在確認(rèn)物質(zhì)的組成元素時，利用“合”和“分”的思路方法，正向證明與逆向證明相結(jié)合。在確認(rèn)各元素的質(zhì)量時，利用基準(zhǔn)量的思想將難測的實際量轉(zhuǎn)化為相對質(zhì)量。

情感目標(biāo)上，帶領(lǐng)學(xué)生在學(xué)習(xí)探究的過程中形成對相關(guān)知識的認(rèn)知和知識體系的建立，了解知識來源，幫助學(xué)生更好地理解知識內(nèi)容，同時在學(xué)習(xí)過程中體會科學(xué)家的科學(xué)思想和科學(xué)方法中的智慧閃光點，體會科學(xué)技術(shù)與科研環(huán)境對科學(xué)發(fā)展的重要作用。

3.凸顯科學(xué)本質(zhì)，培養(yǎng)核心素養(yǎng)

本項目充分體現(xiàn)了對化學(xué)史的應(yīng)用，在對化學(xué)史的閱讀活動中體會科學(xué)研究價值，也在對內(nèi)容的推理論證中體現(xiàn)了對化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，主要表現(xiàn)在以下方面：第一，在項目的完成中通過水分子模型的構(gòu)建，真正將宏觀現(xiàn)象與微觀構(gòu)成建立關(guān)聯(lián)，形成宏觀微觀結(jié)合的化學(xué)素養(yǎng)，能從物質(zhì)的微觀層面理解其組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的聯(lián)系；能根據(jù)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)預(yù)測物質(zhì)在特定條件下可能具有的性質(zhì)和可能發(fā)生的變化；形成正確的物質(zhì)觀。第二，培養(yǎng)證據(jù)推理的化學(xué)素養(yǎng)。能基于各種證據(jù)，對物質(zhì)的微觀組成及其變化提出可能的假設(shè)；能基于證據(jù)進(jìn)行分析推理，證實或證偽所做的假設(shè)；能解釋證據(jù)與結(jié)論之間的關(guān)系，闡述形成科學(xué)結(jié)論所需要的證據(jù)和獲取證據(jù)的途徑，如學(xué)生構(gòu)建微觀模型的過程，其本質(zhì)就是學(xué)生在提出自己的假設(shè)，學(xué)生在相互質(zhì)疑的過程中利用實驗事實進(jìn)行論證。第三，模型認(rèn)知，我們對微觀世界的認(rèn)識是建構(gòu)模型的過程，運用模型來解釋某些化學(xué)現(xiàn)象，預(yù)測物質(zhì)及其變化的可能結(jié)果。通過模型與事實的不斷的爭論過程優(yōu)化模型，甚至推翻模型。第四，從化學(xué)史的學(xué)習(xí)中學(xué)習(xí)科學(xué)家實事求是的科學(xué)精神。

四、教學(xué)設(shè)計過程中注重項目的特色和落實

我們希望教師在項目三的教學(xué)中能注意以下兩點：

其一，充分利用教材中化學(xué)史的學(xué)習(xí)背景，體現(xiàn)科學(xué)閱讀活動在學(xué)習(xí)中的重要意義。在教學(xué)中設(shè)置的科學(xué)史資料閱讀、經(jīng)典科學(xué)實驗重現(xiàn)、經(jīng)典實驗原理模擬、探究基準(zhǔn)量法的應(yīng)用歷程、認(rèn)識元素與元素之間存在的規(guī)律等實驗探究及分析等活動全部都依托化學(xué)史為學(xué)習(xí)背景，帶領(lǐng)學(xué)生在學(xué)習(xí)探究的過程中了解知識來源，形成對相關(guān)知識的認(rèn)知、知識體系的建立等，幫助學(xué)生更好地理解知識內(nèi)容，同時在學(xué)習(xí)過程中體會科學(xué)家的科學(xué)思想和科學(xué)方法中的智慧閃光點，體會科學(xué)技術(shù)與科研環(huán)境對科學(xué)發(fā)展的重要作用。例如，將電解水實驗探究與之前的科學(xué)家認(rèn)識水的資料銜接，學(xué)生體驗了科學(xué)家的實驗方法，并認(rèn)識到電池的發(fā)明對該研究的重要作用。在模型模擬活動之后，學(xué)生帶著疑問進(jìn)行“讀科學(xué)史故事，學(xué)科學(xué)家智慧”的活動，在其中不但體會到科學(xué)家曾經(jīng)經(jīng)歷過很長時間與他們類似的疑惑和糾結(jié)，也明白了最終科學(xué)家如何達(dá)成了一致的認(rèn)識，為自己的活動畫上句號的同時也體會到科學(xué)精神的魅力。在構(gòu)建原子模型的學(xué)習(xí)過程中，不但重現(xiàn)了經(jīng)典的陰極射線實驗，而且通過模擬探究活動認(rèn)識α粒子散射實驗的原理和結(jié)論。在學(xué)習(xí)元素與物質(zhì)組成奧秘的過程中，體驗了基準(zhǔn)量方法在解決問題中的巧妙作用，契合了科學(xué)史上建立相對原子質(zhì)量的過程。在教學(xué)中，應(yīng)該注重從化學(xué)史的閱讀中學(xué)會科學(xué)閱讀的方法，從科學(xué)家的研究中學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法，體會科學(xué)家的科學(xué)精神。

其二，本項目的模型建構(gòu)活動，要利用多種方式外顯學(xué)生的建構(gòu)過程和結(jié)果。例如，“假如我是水分子”系列漫畫活動貫串于項目學(xué)習(xí)的始終，通過繪畫外顯學(xué)生的思維活動和模型的構(gòu)建狀況。在構(gòu)建原子模型的過程中，也要注重通過繪畫引導(dǎo)學(xué)生逐步建立更科學(xué)的原子結(jié)構(gòu)模型，契合原子模型更迭的科學(xué)史實。原子結(jié)構(gòu)示意圖學(xué)習(xí)過程中，通過畫出的前18號元素的原子結(jié)構(gòu)示意圖發(fā)現(xiàn)規(guī)律，歸納總結(jié)，形成“穩(wěn)定結(jié)構(gòu)”“離子”等知識的認(rèn)知。模型建構(gòu)的活動類型之二是模型模擬，在水的組成實驗探究之后，教師通過球棍模型模擬引導(dǎo)學(xué)生從微觀本質(zhì)認(rèn)識宏觀現(xiàn)象，在模擬的過程中展示矛盾，引發(fā)討論，從而引導(dǎo)學(xué)生深入思考，并在思考過程中發(fā)現(xiàn)問題統(tǒng)一認(rèn)識，理解分子及化學(xué)式的含義。進(jìn)一步通過更多分子模型的模擬實踐活動，使學(xué)生認(rèn)識純凈物和混合物的本質(zhì)區(qū)別、分子的定義、物理變化和化學(xué)變化的本質(zhì)區(qū)別。構(gòu)建原子模型的學(xué)習(xí)中，模擬了科學(xué)史上認(rèn)識原子結(jié)構(gòu)經(jīng)典的α粒子散射實驗的原理、方法和過程，引導(dǎo)學(xué)生在探究和體驗過程中構(gòu)建自己的原子模型，通過模擬過程形成“原子核式結(jié)構(gòu)”和原子核與原子半徑比較的認(rèn)識，將看不見摸不著的探究活動及認(rèn)知難點化解在輕松愉快且直觀的體驗活動中，體驗科學(xué)方法的奇妙和科學(xué)研究中科學(xué)家展示出來的智慧。