對話歷史構(gòu)建微觀模型

郭曉麗　王麗　魏銳

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)組成的基本微粒進行探討。1661年波義耳在研究空氣時利用不斷分割的思路認為“只有那些不能用化學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，道爾頓提出原子學說，1814年阿伏伽德羅和安培各自提出分子假說，1858年，分子學說被廣泛認可，從微觀角度認識物質(zhì)組成經(jīng)歷了漫長的科學過程。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.反思歷史關(guān)鍵事件，提煉項目核心內(nèi)容。

從對化學史的反思中，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)合促進人類對物質(zhì)組成的深入認識。

我們都認為化學學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行研究？在整個化學發(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識？科學家的認識與探究過程和學生的認識過程有什么相似之處？學生在探究的過程中有哪些可以借鑒的科學家的思維方法？在教學活動中如何通過合理的探究活動讓學生建立起其微觀模型？

基于此，本項目的活動以化學發(fā)展史為背景線索，將學生的學習活動依托在科學發(fā)展史的背景下，體現(xiàn)科學閱讀的思維活動，并注重從發(fā)展史中學習科學的研究方法。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)過程就是學生對微觀的深入認識過程。

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”在實驗事實進一步發(fā)展的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)原子可分，從而進一步打開原子的內(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)學生初步建立微粒觀，并認識微粒的基本特點（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)學生假設(shè)猜想、模型模擬及修正等活動，帶領(lǐng)學生認識和構(gòu)建分子模型?！叭蝿?wù)二”以科學史資料閱讀、經(jīng)典科學實驗重現(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)的認識?！叭蝿?wù)三”以問題創(chuàng)設(shè)情境、計算分析與科學史資料相結(jié)合、應(yīng)用問題驅(qū)動分析等活動，帶領(lǐng)學生認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)，理解科學本質(zhì)。學生活動依托在化學史的背景下，從科學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)建原子模型認識物質(zhì)組成規(guī)律

在建立分子認識的基礎(chǔ)上，進一步構(gòu)建原子模型，并在原子模型的基礎(chǔ)上，認識物質(zhì)組成的規(guī)律。此任務(wù)遵循學生的認識，在實驗事實的基礎(chǔ)上，將學生的追問外顯化，以符合學生的驅(qū)動型追問進行活動拆解，分為三個活動。（見圖3）

活動一有三個核心活動：一是對原子已有認知的探查；二是對陰極射線實驗的觀察與思考，結(jié)合科學史資料的閱讀認識原子是可以再分的，可以分出質(zhì)量很小且?guī)ж撾姾傻牧Ｗ樱ㄟ^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，由學生進行第三個核心活動，引導(dǎo)學生自主構(gòu)建新的原子模型?；顒佣瑑蓚€核心活動：一是從定性的角度認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識原子與原子核大小的相對關(guān)系。活動三有三個核心活動：一是通過實例講解認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，認識原子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而進一步認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)建科學的原子模型認知體系，并體會科學推理及科學方法在科學發(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)學生從微觀世界的分子、原子的學習進入到宏觀世界的元素。活動一從元素的角度認識物質(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，使學生在學習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，起到逐步深化學生認知的作用?；顒佣脑刭|(zhì)量到物質(zhì)組成，引導(dǎo)學生從定量的角度認識物質(zhì)與元素的關(guān)系，通過自主探究活動和對科學史資料的閱讀，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)用基準量的科學方法解決問題的過程，在此過程中完成相對原子質(zhì)量的知識學習。活動三探究元素質(zhì)量與物質(zhì)質(zhì)量的關(guān)系中以補鈣和補鈣劑為載體，梳理了本項目學習中的主體知識結(jié)構(gòu)，并完成了物質(zhì)中某元素質(zhì)量分數(shù)的計算及相關(guān)知識的學習和應(yīng)用。（見圖4）

三、體現(xiàn)項目學習，立體構(gòu)建目標

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。項目學習教材要關(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。

以項目成果的不斷完善促進項目任務(wù)的推進。本項目中主要完成：討論“梳理我對物質(zhì)組成的認識”的海報；繪制“假如我是水分子”系列漫畫。圖5是各任務(wù)階段目標的項目成果目標對應(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，知識目標上，本項目從宏觀和微觀兩方面入手認識物質(zhì)組成：

（1）物質(zhì)是由微粒構(gòu)成的。①從認識水分子到構(gòu)建分子模型。從分子角度認識物質(zhì)分類（純凈物、混合物），從分子角度認識變化，從分子角度認識物質(zhì)。②從原子結(jié)構(gòu)的角度認識組成物質(zhì)的規(guī)律。由認識原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)到關(guān)注核外電子排布，進而理解原子構(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識，建立宏觀與微觀之間的關(guān)聯(lián)。進而，從元素角度認識物質(zhì)組成，認識元素質(zhì)量與物質(zhì)質(zhì)量的關(guān)系。

方法目標上，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。在確認各元素的質(zhì)量時，利用基準量的思想將難測的實際量轉(zhuǎn)化為相對質(zhì)量。

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

3.凸顯科學本質(zhì)，培養(yǎng)核心素養(yǎng)

本項目充分體現(xiàn)了對化學史的應(yīng)用，在對化學史的閱讀活動中體會科學研究價值，也在對內(nèi)容的推理論證中體現(xiàn)了對化學學科核心素養(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，闡述形成科學結(jié)論所需要的證據(jù)和獲取證據(jù)的途徑，如學生構(gòu)建微觀模型的過程，其本質(zhì)就是學生在提出自己的假設(shè)，學生在相互質(zhì)疑的過程中利用實驗事實進行論證。第三，模型認知，我們對微觀世界的認識是建構(gòu)模型的過程，運用模型來解釋某些化學現(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，從化學史的學習中學習科學家實事求是的科學精神。

四、教學設(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中能注意以下兩點：

其一，充分利用教材中化學史的學習背景，體現(xiàn)科學閱讀活動在學習中的重要意義。在教學中設(shè)置的科學史資料閱讀、經(jīng)典科學實驗重現(xiàn)、經(jīng)典實驗原理模擬、探究基準量法的應(yīng)用歷程、認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史為學習背景，帶領(lǐng)學生在學習探究的過程中了解知識來源，形成對相關(guān)知識的認知、知識體系的建立等，幫助學生更好地理解知識內(nèi)容，同時在學習過程中體會科學家的科學思想和科學方法中的智慧閃光點，體會科學技術(shù)與科研環(huán)境對科學發(fā)展的重要作用。例如，將電解水實驗探究與之前的科學家認識水的資料銜接，學生體驗了科學家的實驗方法，并認識到電池的發(fā)明對該研究的重要作用。在模型模擬活動之后，學生帶著疑問進行“讀科學史故事，學科學家智慧”的活動，在其中不但體會到科學家曾經(jīng)經(jīng)歷過很長時間與他們類似的疑惑和糾結(jié)，也明白了最終科學家如何達成了一致的認識，為自己的活動畫上句號的同時也體會到科學精神的魅力。在構(gòu)建原子模型的學習過程中，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識α粒子散射實驗的原理和結(jié)論。在學習元素與物質(zhì)組成奧秘的過程中，體驗了基準量方法在解決問題中的巧妙作用，契合了科學史上建立相對原子質(zhì)量的過程。在教學中，應(yīng)該注重從化學史的閱讀中學會科學閱讀的方法，從科學家的研究中學習科學研究方法，體會科學家的科學精神。

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習的始終，通過繪畫外顯學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)學生逐步建立更科學的原子結(jié)構(gòu)模型，契合原子模型更迭的科學史實。原子結(jié)構(gòu)示意圖學習過程中，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)學生從微觀本質(zhì)認識宏觀現(xiàn)象，在模擬的過程中展示矛盾，引發(fā)討論，從而引導(dǎo)學生深入思考，并在思考過程中發(fā)現(xiàn)問題統(tǒng)一認識，理解分子及化學式的含義。進一步通過更多分子模型的模擬實踐活動，使學生認識純凈物和混合物的本質(zhì)區(qū)別、分子的定義、物理變化和化學變化的本質(zhì)區(qū)別。構(gòu)建原子模型的學習中，模擬了科學史上認識原子結(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識，將看不見摸不著的探究活動及認知難點化解在輕松愉快且直觀的體驗活動中，體驗科學方法的奇妙和科學研究中科學家展示出來的智慧。