激發(fā)興趣　體驗真實(shí)　探索未來
——以“人類對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識”（第一課時）教學(xué)為例

楊志杰　杭偉華

（浙江省湖州五中　浙江湖州　313100；浙江省長興中學(xué)　浙江長興　313100)

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激發(fā)興趣體驗真實(shí)探索未來
——以“人類對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識”（第一課時）教學(xué)為例

楊志杰杭偉華

（浙江省湖州五中浙江湖州313100；浙江省長興中學(xué)浙江長興313100)

摘要：本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計打破課本素材的局限，先用極具視覺沖擊力的“從10億光年到0.1飛米”系列圖片引入，來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。再通過豐富的史料，將課本中呈現(xiàn)的幾次對于原子結(jié)構(gòu)認(rèn)識的重大突破串聯(lián)起來，展現(xiàn)從“積累”到“突破”的科學(xué)發(fā)展過程，形成因果關(guān)系較為完整的“通史”，體現(xiàn)量變到質(zhì)變的哲學(xué)思想，使學(xué)生能更為真實(shí)的體驗科學(xué)發(fā)展的規(guī)律。最后以電子云模型引出“高深”的量子力學(xué)問題，提供學(xué)生探索未來的動力。這樣的設(shè)計充分調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，并取得了理想的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：激發(fā)；體驗；實(shí)驗；模型；探索

一、教材分析

本課的教學(xué)內(nèi)容位于蘇教版普通高中《化學(xué)1》專題一的第三單元。學(xué)生經(jīng)過前兩單元的學(xué)習(xí)，已經(jīng)認(rèn)識到了化學(xué)世界物質(zhì)的精彩紛呈，了解到了研究物質(zhì)的實(shí)驗方法的多種多樣。這一單元主要通過化學(xué)史的引入把學(xué)生帶入化學(xué)的微觀世界，讓學(xué)生初步了解有關(guān)原子結(jié)構(gòu)的知識，但系統(tǒng)介紹原子核外電子排布和元素周期表則在《化學(xué)2》中呈現(xiàn)。這樣編排不僅有助于學(xué)生在后三個專題的學(xué)習(xí)中能從原子結(jié)構(gòu)的有關(guān)知識角度認(rèn)識某些元素的化學(xué)性質(zhì)和氧化還原反應(yīng)等概念，而且體現(xiàn)了知識結(jié)構(gòu)的循序漸進(jìn)和螺旋式上升的特點(diǎn)。

這一課時的常規(guī)教學(xué)中，大部分老師運(yùn)用的素材基本局限于課本上的道爾頓、湯姆生、盧瑟福和玻爾這四位具有“突破”性貢獻(xiàn)的科學(xué)家，并以介紹他們的原子結(jié)構(gòu)模型為課堂的主要內(nèi)容。

雖然這樣設(shè)計也能完成教學(xué)要求，但在這樣的課堂中，學(xué)生可能會出現(xiàn)一系列的疑問：這些模型是在什么樣的背景下提出的？為什么科學(xué)家會做這些實(shí)驗？是他們突然想出來的，還是受到別人的啟發(fā)？原子結(jié)構(gòu)模型的發(fā)展過程中其他科學(xué)家是否也有貢獻(xiàn)……

因此，常規(guī)設(shè)計中，素材缺少“血肉”，難以激發(fā)學(xué)生對“微觀世界”的學(xué)習(xí)興趣。同時也缺乏“邏輯性”，學(xué)生只知其然不知其所以然，不利于對知識的理解和掌握。

二、設(shè)計思路

針對以上問題，本節(jié)課我對教材進(jìn)行了特殊處理。先通過幻燈片播放名為“從10億光年到0.1飛米”的系列圖片來展示“從宏觀宇宙到微觀結(jié)構(gòu)”的物質(zhì)世界的變化來引入，給學(xué)生以相當(dāng)震撼的視覺感受，充分調(diào)動學(xué)生對物質(zhì)的“微觀結(jié)構(gòu)”的好奇心。然后順著學(xué)生的好奇心，逐步展現(xiàn)人類對物質(zhì)的“微觀結(jié)構(gòu)”的認(rèn)識過程，并通過豐富的史料，將課本中呈現(xiàn)的幾次重大突破串聯(lián)起來，展現(xiàn)從“積累”到“突破”的科學(xué)發(fā)展過程，每一次“積累”或“突破”都通過“科學(xué)家—實(shí)驗—結(jié)論—模型”這一完整主線呈現(xiàn)，整節(jié)課通過“積累—突破—積累—突破—積累—突破……”螺旋上升的時間主線形成一個因果關(guān)系較為完整的“通史”，使學(xué)生能更為真實(shí)的體驗科學(xué)發(fā)展的規(guī)律。最后通過玻爾的原子結(jié)構(gòu)模型來介紹原子的核外電子排布基本規(guī)律，過渡自然而順暢，并從玻爾模型中的量子化思想引出復(fù)雜的電子云模型，并通過BBC有關(guān)原子結(jié)構(gòu)問題前景展望的視頻留給學(xué)生課后無限的遐想，提供學(xué)生“探索未來”的動力。以下是這節(jié)課的核心教學(xué)流程：

三、教學(xué)目標(biāo)

1.知識與技能

（1）了解原子結(jié)構(gòu)模型的演變歷史。

（2）了解部分典型元素原子的核外電子排布，并能用原子結(jié)構(gòu)示意圖表示。

（3）知道活潑金屬和活潑非金屬原子在化學(xué)反應(yīng)過程中通過電子得失使最外層達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的事實(shí)。

（4）通過分析氧化鎂的形成，了解鎂與氧氣反應(yīng)的本質(zhì)。

圖1　教學(xué)流程圖

2.過程與方法

（1）了解科學(xué)家探索原子結(jié)構(gòu)的過程。

（2）認(rèn)識實(shí)驗、假說、模型等科學(xué)方法在化學(xué)研究中的作用。

3.情感態(tài)度與價值觀

（1）體驗科學(xué)家探索原子結(jié)構(gòu)的艱難歷程，激發(fā)對科學(xué)探索的興趣。

（2）建立科學(xué)研究和科學(xué)發(fā)現(xiàn)是無止境的觀念，點(diǎn)燃進(jìn)一步探索的欲望。

四、教學(xué)過程

環(huán)節(jié)一：引入新課，激發(fā)興趣

師：幻燈片播放名為“從10億光年到0.1飛米”的系列圖片（平均1秒一張，共41張）。

生：觀看。

師：還想繼續(xù)看下去嗎？

生：想。

師：可惜圖片沒有了，不過很欣賞大家的好奇心，因為好奇心是科學(xué)探索的原動力！想不想知道宇宙萬物到底是由什么構(gòu)成的。

生：想！

師：很好，不過2000多年前，我們中國的古人早已經(jīng)研究過這個問題，并且提出了“五行學(xué)說”（PPT展示五行學(xué)說）。你們說說，我們祖先的這一說法有什么不足之處。

生：研究不深入，歸納不完全等。

師：對。同時期的古希臘的哲學(xué)家也思考過這個問題。他們認(rèn)為，萬物都是由間斷的、不可分的微粒即原子構(gòu)成的。原子的結(jié)合和分離是萬物變化的根本原因。構(gòu)成不同物質(zhì)的原子在本質(zhì)上是相同的，只是數(shù)量、排列和形狀不同。你認(rèn)為他們的說法正確嗎？

生：不對。構(gòu)成不同物質(zhì)的原子是不同的。

師：比如鐵是由……

生：鐵原子構(gòu)成。

師：銅是由……

生：銅原子構(gòu)成。

師：石墨是由……

生：碳原子構(gòu)成。

師：氫分子是由……

生：氫原子構(gòu)成。

師：氧分子是由……

生：氧原子構(gòu)成。

師：水是由水原子構(gòu)成。

生：不是。由水分子構(gòu)成。

師：水分子是由什么構(gòu)成。

生：氫原子和氧原子構(gòu)成。

師：你能設(shè)計實(shí)驗證明嗎？

生：電解水產(chǎn)生氫氣和氧氣。

設(shè)計意圖：“從10億光年到0.1飛米”的系列圖片具有很強(qiáng)的視覺沖擊力，對激發(fā)學(xué)生的好奇心有很好的效果，以此來引入新課，能充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為下一環(huán)節(jié)的教學(xué)奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

環(huán)節(jié)二：模型演變，體驗真實(shí)

師：很好。也可以用氫氣和氧氣反應(yīng)產(chǎn)生水的實(shí)驗來證明。這些實(shí)驗可以說明有的物質(zhì)是由相同的原子構(gòu)成的，有的物質(zhì)是由不同的原子構(gòu)成。不過200年前，就有人開始定量研究一些化合反應(yīng)：比如碳和少量氧氣反應(yīng)生成一種新的氣體，他測定該氣體碳氧質(zhì)量比為5.4：7，而碳和過量氧氣反應(yīng)會生成另一種氣體，他測定該氣體的碳氧質(zhì)量比為5.4：14，大家覺得這兩組數(shù)據(jù)有何特殊性？

生：含氧量正好相差一倍。

師：為什么會這樣？

生：因為這兩種碳氧化合物按不同的原子個數(shù)比組成。后者氧原子數(shù)為前者的一倍。

師：概括得真好！當(dāng)時做這些實(shí)驗的人叫道爾頓，他也是這么想的。在此基礎(chǔ)上，他提出了“原子學(xué)說”，你知道怎么描述的嗎？

生：他認(rèn)為物質(zhì)由原子組成，原子不能被創(chuàng)造也不能被毀滅，它們在化學(xué)變化中不可再分割，在化學(xué)反應(yīng)中保持本性不變。

師：此理論解釋了當(dāng)時很多化學(xué)家做的類似的定量實(shí)驗，因此得到了世界的公認(rèn)，直到50年后，尤利烏斯·普呂克在研究氣體放電實(shí)驗中發(fā)現(xiàn)了“陰極射線”。

生：“陰極射線”是什么？

師：問得好。當(dāng)時著名的科學(xué)家赫茲也在想“陰極射線”是什么，于是他設(shè)計了一個實(shí)驗：用一小片鋁箔阻擋“陰極射線”。結(jié)果他發(fā)現(xiàn)“陰極射線”幾乎全部穿了過去。從這個實(shí)驗結(jié)果來看，你們認(rèn)為“陰極射線”是光波還是粒子流。

生：肯定是光波，粒子不可能穿過去。

師：對。赫茲也這樣認(rèn)為，于是他發(fā)表了一篇論文《論陰極射線穿過金屬箔》，文中明確表達(dá)“陰極射線”是光波，而不是從原子中釋放出來的粒子。不過幾年后，科學(xué)家瓦爾利做了一個實(shí)驗：他在“陰極射線”旁外加一個磁場，發(fā)現(xiàn)“陰極射線”發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，這又說明了什么？

生：“陰極射線”帶電。

師：光波會不會帶電。

生：不會。

師：那“陰極射線”到底是什么？

生：可能是粒子吧。

師：這需要實(shí)驗來證明。當(dāng)時科學(xué)家克魯克斯做了一個實(shí)驗：他在“陰極射線”經(jīng)過的路徑上裝了一個“風(fēng)輪”，發(fā)現(xiàn)“陰極射線”經(jīng)過時風(fēng)輪轉(zhuǎn)動了。你們覺得這說明了什么？

生：“陰極射線”是粒子，因為光波照上去不可能使“風(fēng)輪”轉(zhuǎn)動，只有粒子打上去“風(fēng)輪”才會轉(zhuǎn)。

師：你們真聰明。可惜克魯克斯沒有這樣想。他認(rèn)為是真空管中殘留的氣體撞擊電極產(chǎn)生的帶電分子運(yùn)動造成的，顯然他對自己的實(shí)驗不夠自信，導(dǎo)致他錯失了取得重大發(fā)現(xiàn)的機(jī)會。

生：哎……

師：不過，很快，機(jī)會被另一位科學(xué)家抓住了，他通過“陰極射線”在磁場中偏轉(zhuǎn)的定量實(shí)驗，計算出了“陰極射線”的荷質(zhì)比。荷質(zhì)比意味著什么？

生：說明“陰極射線”帶電，且有一定質(zhì)量，是一種粒子。

師：很好。這位科學(xué)家把這種粒子稱之為“電子”，是原子中分出來的更小的微粒。從而打破了道爾頓的原子不可再分的學(xué)說。在此基礎(chǔ)上，他提出了被稱為“葡萄干面包式”的原子結(jié)構(gòu)模型。你們知道他是誰嗎？

生：湯姆生。

師：這種模型具體是怎么描述的？

生：正電荷均勻分布在整個原子中，電子體積較小，鑲嵌在其中。

師：對，這一模型可以解釋上面一系列實(shí)驗的現(xiàn)象。幾年后，漢斯·蓋革和恩斯特·馬斯登，這兩位曼徹斯特大學(xué)的學(xué)生每天重復(fù)著同一個實(shí)驗：就是用α粒子轟擊金箔。他們發(fā)現(xiàn)α粒子基本都能穿過去。于是，他們將結(jié)果告訴他們的老師盧瑟福，盧瑟福聽了很滿意，因為他叫學(xué)生做這個實(shí)驗正是為了證明他的老師湯姆生的模型的正確性。根據(jù)湯姆生的原子結(jié)構(gòu)模型可以推測金箔的密度遠(yuǎn)小于α粒子，所以α粒子穿過金箔是很正常的。不過，好奇心驅(qū)使著漢斯·蓋革和恩斯特·馬斯登繼續(xù)重復(fù)著這一個實(shí)驗，功夫不負(fù)有心人，他們觀察到了被反射回來的α粒子，他們覺得很奇怪，于是請教了盧瑟福。盧瑟福也很吃驚，無法解釋此現(xiàn)象。你們知道是怎么回事嗎？

生：正電荷和原子質(zhì)量并不是均勻分布在整個原子中，而是集中在原子中心，稱為原子核，如果α粒子正好打在原子核上，就會反彈回來。

師：非常正確。盧瑟福和他的學(xué)生在繼續(xù)研究了一年之后，提出了類似于行星繞太陽的帶核的原子結(jié)構(gòu)模型，這個模型很好地解釋了α粒子散射實(shí)驗。但是，幾個月后就被人找到了模型的致命缺陷：正負(fù)電荷之間的電場力無法滿足穩(wěn)定性的要求。原子結(jié)構(gòu)究竟是怎樣的呢？盧瑟福陷入了沉思。但他的一個學(xué)生從普朗克的“量子化”概念中找到了新的靈感，并通過氫原子光譜實(shí)驗，提出了新的原子結(jié)構(gòu)模型，你們知道他是誰嗎？

生：玻爾。

師：他提出的原子結(jié)構(gòu)模型是怎樣的？

生：原子由原子核和核外電子組成，核外電子分層排布在一系列穩(wěn)定的軌道上運(yùn)動，每個軌道都有一個確定的能量值，核外電子在這些穩(wěn)定的軌道上運(yùn)動時，既不放出能量，也不吸收能量。

師：很好。請看下面這一段視頻（注：英國BBC紀(jì)錄片介紹核外電子排布規(guī)律的片段）。

大家看課本29頁的圖1-27，判斷哪些原子的軌道處于排滿狀態(tài)，哪些沒有排滿。

生：He、Ne、Ar處于排滿狀態(tài)。H、O、Mg沒有排滿。

師：課本上的這種表達(dá)寫起來不方便，所以我們通常用原子結(jié)構(gòu)示意圖來表達(dá)原子的結(jié)構(gòu)。

生：書寫。

師：繼續(xù)播放一段視頻（注：英國BBC紀(jì)錄片中介紹鈉與氟氣反應(yīng)時的原子核外電子變化情況的片段）。請用鈉原子和氟原子的結(jié)構(gòu)示意圖的變化來表示氟化鈉的形成過程。這位同學(xué)請到黑板上來寫。

板演：用原子結(jié)構(gòu)示意圖表示氟化鈉的形成過程。

師：大家用同樣的方式表達(dá)鎂和氧氣的反應(yīng)過程。

生：書寫。

師：寫得很好。請大家完成30頁上的“問題解決”。

生：做“問題解決”中的相關(guān)練習(xí)。

設(shè)計意圖：在原子結(jié)構(gòu)模型演變的教學(xué)過程中，為了學(xué)生更好地理解科學(xué)發(fā)展的前因后果，需要讓他們體驗完整的發(fā)展過程，所以我在每次“突破”之前穿插了很多“積累”過程，讓學(xué)生真實(shí)體驗科學(xué)發(fā)展的規(guī)律以及過程的艱難，可以說每次大科學(xué)家們的“臨門一腳”都是建立在很多小科學(xué)家們無數(shù)次“助攻”基礎(chǔ)之上的。

環(huán)節(jié)三：了解現(xiàn)在，探索未來

師：玻爾的電子分層排布模型是不是原子結(jié)構(gòu)模型的終極版本？

生：不是。

師：對。微觀粒子具有波粒二象性。電子的運(yùn)動比我們想象的要復(fù)雜得多，隨著量子力學(xué)的發(fā)展，有人提出了“電子云”模型。這一模型會不會成為原子結(jié)構(gòu)的最終模型？

生：不會。

師：為什么？

生：因為科學(xué)研究和科學(xué)發(fā)現(xiàn)是無止境的。

師：對。今天我們在學(xué)習(xí)原子結(jié)構(gòu)模型的演變過程中，大家體會到了什么？

生：思考并回答。

師：播放視頻（英國BBC紀(jì)錄片中有關(guān)化學(xué)前景展望的片段）。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生建立科學(xué)發(fā)展永無止境的觀念，激發(fā)學(xué)生探索未來的動力和興趣，同時也為學(xué)生下節(jié)課繼續(xù)學(xué)習(xí)原子核有關(guān)知識埋下伏筆。

五、教學(xué)反思

這節(jié)課參加了2015年湖州市優(yōu)質(zhì)課比賽，并獲得一等獎，給學(xué)生和聽課老師都留下了深刻的印象。概括起來主要有如下幾個優(yōu)點(diǎn)：

1.引課新穎，激發(fā)興趣

第一次看到“從10億光年到0.1飛米”系列圖片的人，通常都會被它強(qiáng)大的視覺沖擊力“震懾住”，因為它展現(xiàn)給我們的就是每個人都想看到，但又沒機(jī)會看到的畫面，它能充分滿足人的好奇心，并且容易產(chǎn)生“萬物到底是由什么構(gòu)成的”這樣的疑問。所以，這樣引課既達(dá)到了調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的目的，又很自然的引到研究“微觀結(jié)構(gòu)”的新課上來，一舉兩得。

2.通史教育，邏輯嚴(yán)謹(jǐn)

關(guān)于“原子結(jié)構(gòu)模型的演變”，課本上只羅列了道爾頓、湯姆生、盧瑟福和玻爾這樣四位具有“突破”性貢獻(xiàn)的科學(xué)家，而真實(shí)的發(fā)展史中，“突破”固然大快人心，但“積累”過程同樣不可或缺，因此我穿插了許多“積累”過程中做出過貢獻(xiàn)的科學(xué)家，他們的“助攻”不可小覷。把“積累”和“突破”串聯(lián)起來，形成邏輯嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐ㄊ?，學(xué)生喜歡聽而且容易理解。

3.體驗真實(shí)，引起共鳴

在研究“原子結(jié)構(gòu)”的歷史長河中：大名鼎鼎的赫茲將電子誤認(rèn)為光波；最早發(fā)現(xiàn)“陰極射線”在磁場中偏轉(zhuǎn)的瓦爾利沒有意識到這就是電子；盧瑟福提出的原子結(jié)構(gòu)模型面世幾個月就被人推翻了……讓學(xué)生體驗這一個個真實(shí)的故事，使其沉浸其中，引起共鳴。

4.探索未來，永無止境

通過電子云模型的介紹，學(xué)生既知道了原子結(jié)構(gòu)模型又有了新“突破”，又了解許多細(xì)節(jié)還未“摸透”。這樣既體驗到了學(xué)科發(fā)展永無止境，又激發(fā)了學(xué)生的“探索”欲望。最后，通過BBC的視頻，又回到課堂開始的問題：萬物到底是由什么構(gòu)成的引發(fā)學(xué)生的無限思考，同時，也為下一課時的教學(xué)埋下伏筆。

參考文獻(xiàn)

［1］浙江省基礎(chǔ)教育課程改革專業(yè)指導(dǎo)委員會.浙江省普通高中學(xué)科教學(xué)指導(dǎo)意見（2014版)，2014

［2］王祖浩.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗教科書化學(xué)1［M］.南京：江蘇教育出版社，2014

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.04.021

文章編號：1008-0546（2016）04-0058-04

中圖分類號：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B