運用化學史實 促進模型認知 培育核心素養(yǎng)

鮑燁靈 曠湘平

摘要：教學以原子結(jié)構(gòu)認知為線索追溯歷史，沿著科學家的足跡體驗發(fā)現(xiàn)問題、實驗探究、分析解釋、建立新模型、解決問題的過程。通過引用有關素材，進行游戲、討論，激發(fā)學生的學習興趣，親身體驗原子結(jié)構(gòu)模型建立、修正、完善的過程。教學過程體現(xiàn)微粒觀構(gòu)建、科學思維體驗、科學態(tài)度培養(yǎng)等功能，從立德樹人的層面落實中學化學學科核心素養(yǎng)。

關鍵詞：化學學科核心素養(yǎng);原子的結(jié)構(gòu);模型認知;微粒觀;宏微結(jié)合

文章編號：1008-0546（2019）07-0056-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2019.07.017

一、問題的提出

“原子的結(jié)構(gòu)”是現(xiàn)行初中化學（人教版）第三單元“物質(zhì)構(gòu)成的奧秘”中的第二個主題，是學生從宏觀世界跨進微觀世界的開端，對于構(gòu)建微粒觀具有很重要的作用。根據(jù)《義務教育化學課程標準（2011版）》分析，本節(jié)的要求是讓學生知道“原子是由原子核和核外電子構(gòu)成的”。其內(nèi)容是陳述性知識，相對單一淺顯。但如果從化學學科核心素養(yǎng)的視角出發(fā)，深入地挖掘證據(jù)意識形成、模型認知培育、科學思維體驗、科學態(tài)度培養(yǎng)等教育功能[1]，本節(jié)教學大有探討與研究的價值。

二、教學理念與設計

1.教學思想

作為化學學科核心素養(yǎng)的主要內(nèi)容，證據(jù)推理與模型認知素養(yǎng)在初中階段包括以下四個方面的內(nèi)涵：（1）具有證據(jù)意識，能提出假設;（2）通過分析推理進行驗證;（3）建立觀點，形成認知模型;（4）運用模型解釋化學現(xiàn)象、本質(zhì)和規(guī)律。通過分析，其教學目標指向培養(yǎng)四個方面的能力，分別是：提出假設，搜集證據(jù)，建立模型，解決問題[2]。

在以往的教學中，常通過圖示和大量的練習，讓學生被動接受“原子是由原子核和核外電子構(gòu)成的”這一基本觀點，但仍然不能確認其客觀存在，尤其在后續(xù)學習中，對于紛繁復雜的化學反應，較難建立起宏觀、微觀和符號之間的內(nèi)在聯(lián)系。原子是具有不可觀測性的原型，需要構(gòu)建模型來表示，并通過證據(jù)進行檢驗，才能形成正確的認識，人類對原子結(jié)構(gòu)的探究歷程正是證據(jù)推理與模型認知素養(yǎng)落實的最佳載體。

文獻研究表明，大多數(shù)的15歲學生已產(chǎn)生了對科學的興趣，而且，對科學和技術有濃厚興趣的學生更有可能從事與科學有關的職業(yè)，因而培養(yǎng)學生對化學學科的興趣是落實化學核心素養(yǎng)的前提。為此，應根據(jù)學生學習的興趣，提煉出一些貼近生活的問題來創(chuàng)設情境。如應用游戲化教學，給學生以感官刺激，給學生創(chuàng)造動手、動腦、自主探究的機會，將看不見摸不著的微觀結(jié)構(gòu)直觀化，使新知識在原有的認知結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生穩(wěn)定而清晰的“發(fā)展點”。同時，化學發(fā)展史蘊含著巨大的人文價值，也是培養(yǎng)學生化學學科核心素養(yǎng)的重要途徑。一個15歲的學生不可能擁有與科學家相似的經(jīng)驗，也很難達到科學家的理解水平，因此教學過程中不能只呈現(xiàn)客觀史實，應該從化學史中挖掘素材，創(chuàng)設學生能夠理解的情境，并注重情境創(chuàng)設的真實性和豐富性，引導學生完成探究實踐活動，讓學生像科學家一樣思考，在探究實踐中逐步形成能力[3]。

2.教學與評價目標

（1）教學目標

①結(jié)合人類探索原子結(jié)構(gòu)的歷史與化學科學發(fā)展的趨勢，能初步對原子模型進行描述、解釋，發(fā)展模型認知能力;

②能根據(jù)原子發(fā)展史的實驗事實證據(jù)，推理舊模型的不足，構(gòu)建和評價新的模型，從而認識證據(jù)意識、體驗模型的發(fā)展性特征;

③通過游戲開展探究活動，引導學生初步形成“微粒觀”“物質(zhì)觀”等化學學科的核心觀念及宏觀與微觀相結(jié)合的思維方式。

（2）評價目標

①通過組合原子卡片模擬宏觀物質(zhì)反應的活動，診斷并發(fā)展學生對于原子是化學變化中的最小粒子這一觀點的認識水平;

②通過摩擦生電這一宏觀現(xiàn)象進行推理，發(fā)現(xiàn)道爾頓原子模型的不足之處，引導學生思考實心球模型的局限性，診斷學生的證據(jù)意識;

③通過自創(chuàng)游戲模擬盧瑟福的α粒子散射實驗，診斷學生對原子結(jié)構(gòu)模型的認識進階和認知思路的結(jié)構(gòu)化水平。

3.教學設計思路

4.模型構(gòu)建流程

三、教學過程

1.創(chuàng)設情境

【視頻l】嵌入時代背景，聯(lián)系生活實際。介紹1981年掃描隧道顯微鏡的問世讓人類進入可以“操縱”原子的時代;視頻展示2017年諾貝爾化學獎頒給三位科學家，獎勵他們用冷凍電子顯微鏡技術拍攝到了高清晰的生物大分子三維結(jié)構(gòu)，在原子層面的微觀化學領域做出了卓越貢獻。

視頻中三位科學家的發(fā)言向?qū)W生傳達了謙虛的態(tài)度，以及合作的精神。引導學生思考，人類對原子的認識都是源自科學家們孜孜不倦的研究發(fā)現(xiàn)，原子質(zhì)量體積如此小，那在幾百年前科學家們是如何探究原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的呢？接下來重游歷史長河，再探微觀世界。

2.問題探究

（1）片段一：樸素的哲理

【游戲l】一撕兩斷

游戲過程：將一張紙對半撕開，取其中一半，再對半撕開，重復以上操作。

設計意圖：學生通過動手可知，物質(zhì)是可以不斷分割的，引導學生猜想假設，存在一種構(gòu)成物質(zhì)的最小微粒。

【構(gòu)建模型一】哲學中的原子

【史實l】公元前四世紀，西方哲學家德謨克利特由分合的思想提出了原子的認識觀點：物質(zhì)可以不斷進行分割，分割到最小的微粒就是“原子”，“原子”是構(gòu)成一切事物的最后單位。這與中國哲學家莊子的觀點不謀而合，為“物質(zhì)不滅思想”進行鋪墊[4]。

【問題l】聯(lián)系日常思考，生活中哪些事例能說明物質(zhì)是由微粒構(gòu)成的？

【學生討論1】

①把糖放入水中，一段時間后不見蹤影。

②水中滴入紅墨水后整杯溶液變成紅色。

③拉瓦錫加熱分解氧化汞得到液態(tài)汞和氧氣。

設計意圖：通過動手實踐激發(fā)學生的學習興趣，增添課堂的趣味性，從而進行猜想與假設，引出模型一。同時讓學生認識到，化學是一門以實驗為基礎的學科，最早的“原子論”是根據(jù)事實進行推理的產(chǎn)物，并沒有進行過實驗驗證，因而不能成為“科學結(jié)論”。

（2）片段二：遙遠的傳承

哲學中的原子論是一種籠統(tǒng)模糊的哲學思辨，法國化學家普魯斯特發(fā)現(xiàn)有趣的結(jié)論：“參與化學反應的物質(zhì)質(zhì)量都成一定的整數(shù)比”，這引起了道爾頓的思考與深入研究。

【視頻2】道爾頓原子論學說的歷程

【構(gòu)建模型二】道爾頓的實心球模型

【史實2】道爾頓關于原子的見解：原子是一種實心球，它是構(gòu)成物質(zhì)的基本微粒，它們極其微小，是看不見的，它們在所有的化學變化中保持本性不變。同一種元素的原子，其形狀、質(zhì)量和各種性質(zhì)都是相同的，不同元素則各不相同。

用實心球模型可以解釋很多化學變化的過程和特征，例如采用微觀模型示意圖表征氫氣與氧氣發(fā)生化學反應，同時該模型也符合“原子是化學變化中的最小粒子”這一規(guī)律，如圖3。

【游戲2】依葫蘆畫瓢

回顧所學知識，結(jié)合道爾頓的實心球模型，用原子卡片與磁鐵，模擬木炭和氧氣發(fā)生化學變化的過程。如圖4，圖5（每張卡片分別代表一個原子）。

設計意圖：進一步鞏固“化學變化、分子可分、原子不變、重新組合”等觀點，學會用符號、語言等多樣化方式表征化學變化的過程，初步認識宏觀、微觀與符號三者之間的聯(lián)系。

【問題2】你接受原子是實心球這個觀點嗎？

【學生討論2】

①能夠接受。

②不對，原子中還有其他粒子（提前預習了教材）。

③應該還有其他東西，否則原子和原子之間為什么有的會結(jié)合，而有的不會結(jié)合呢？

設計意圖：幫助學生理解模型具有描述、解釋和預測的作用。在人們還不能用科學手段直接探究原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)時，采取模型方法揭示原子的屬性。道爾頓所提出的原子實心球模型，解釋了當時所知道的各種化學實驗事實及其內(nèi)在聯(lián)系。引導學生運用該模型表征宏觀化學反應，同時設疑，培養(yǎng)學生的懷疑與創(chuàng)新精神。

（3）片段三：新奇的類比

【游戲3】摩擦起電

將游戲1剩下的紙張撕成碎屑，用塑料筆桿在頭發(fā)上反復摩擦后挨近紙屑，觀察現(xiàn)象。

設計意圖：引導學生思考“電子”從何而來？如果說原子是實心球，那電子藏在哪里呢？這是很常見的生活現(xiàn)象，思維定勢決定大部分學生并不會深入探究，而類似的現(xiàn)象恰恰是湯姆生進行研究的契機。

【視頻3】陰極射線在磁場中偏轉(zhuǎn)實驗

【構(gòu)建模型三】湯姆生的棗糕模型

【史實3】湯姆生發(fā)現(xiàn)陰極射線可以在電場或磁場的作用下偏轉(zhuǎn)，由此測定出電子的存在，他認為電子嵌在原子中，就如同棗子嵌在蛋糕中。

【問題3】請根據(jù)理解描述你假設的棗糕模型。

【學生討論3】

①像西瓜籽嵌在西瓜中一樣，電子嵌在原子中。

②如圖6所示。

設計意圖：學生通過游戲，結(jié)合生活實際和思考，從“摩擦起電”的證據(jù)中推理出道爾頓原子模型的不足之處，從而意識到人類對原子原型的構(gòu)建是一種相對真理性的認識，是一個逐步深入的過程。模型及在其基礎上建立的理論都需要再回到事實中去比較和驗證，當模型與新的實驗事實發(fā)生矛盾時，需要建立新的模型。

（4）片段四：勇敢的質(zhì)疑

【設疑】在很長的時間里，湯姆生提出的模型被廣泛認可，同時也接受了科學實驗的進一步驗證。后來，湯姆生的學生盧瑟福用高速α粒子流（帶正電）轟擊極薄的金箔片，結(jié)果發(fā)現(xiàn)絕大部分α粒子順利通過，有極少數(shù)粒子飛行路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，甚至有個別粒子被反彈回來。這個現(xiàn)象讓他對老師的權(quán)威發(fā)起了挑戰(zhàn)。

【游戲4】空間穿越

用玉米粒正對側(cè)立水槽投擲，觀察玉米粒走向。再用玉米粒對著中間懸掛石棉網(wǎng)的呼啦圈投擲，觀察玉米粒走向?？梢杂^察到，如果沒有阻礙，大部分玉米粒能按原運動方向順利通過，如果受到阻擋，玉米粒會改變運動方向或者被彈回（圖7）。這個游戲有助于理解盧瑟福的經(jīng)典實驗[5]。

設計意圖：讓學生在輕松的課堂氛圍中，通過玉米粒穿越情況的差異，突破固有的原子結(jié)構(gòu)認識，構(gòu)建新的原子結(jié)構(gòu)模型，并意識到原子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關系。

【視頻4】盧瑟福α粒子散射實驗

【構(gòu)建模型四】盧瑟福的行星模型

【史實4】運用現(xiàn)代教育技術手段展示原子的微觀結(jié)構(gòu)，解釋盧瑟福的α粒子散射實驗。通過觀察現(xiàn)象學生容易得出盧瑟福原子結(jié)構(gòu)思想的核心：原子中心有一個很小的帶正電的核，它幾乎集中了全部原子的質(zhì)量，電子在它的周圍運動。盧瑟福的理論承認了電子的存在，他發(fā)現(xiàn)了原子核里有帶正電的質(zhì)子。

【問題4】請發(fā)揮你的想象，利用與游戲中不同的物品，構(gòu)建模型來模擬盧瑟福的實驗。

【學生討論4】

①可以用粉筆頭代表α粒子，呼啦圈中間懸掛鈴鐺代表正電荷進行投擲。

②制作兩個半徑相同的大圓圈，第一個圈內(nèi)全部固定硬紙板，第二個圈內(nèi)只在中心處系一小塊硬紙板，兩個人朝對應圓圈內(nèi)隨機投擲粉筆，觀察粉筆的運動情況。

設計意圖：初三學生往往依賴直觀實物，而微粒觀相對抽象，找出有關聯(lián)的證據(jù)還不能真正形成觀點，只有根據(jù)自己的理解形成推理才能構(gòu)建自己的認知模型。此步驟是要打破學生頭腦中原有的“原子是實心的”認識，通過學生體驗活動，模仿科學家模型構(gòu)建的過程，在原有基礎上構(gòu)建新的原子模型。

（5）片段五：親密的合作

【視頻5】盧瑟福與學生查德威克的合作

【構(gòu)建模型五】原子的核式模型

【史實5】查德威克用α粒子轟擊鈹?shù)脑雍藭r，發(fā)現(xiàn)原子核可以分裂，得到質(zhì)量和質(zhì)子非常接近，但不帶電荷的粒子，將其命名為中子，從而確認了原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的。他的研究為改變原子核提供了一種新的手段，促進了核裂變研究工作的發(fā)展和原子能的利用。

設計意圖：通過化學家們在探究過程中所運用的研究方法，所體現(xiàn)出的合作精神，來培養(yǎng)學生與他人合作的意識和嚴謹求實的科學態(tài)度。

3.問題探究

至此原子的神秘面紗也就被揭下了，學生親身體驗原子結(jié)構(gòu)模型的建立、修正、完善的過程，頭腦中初步構(gòu)建了原子的結(jié)構(gòu)模型。當然，第五個模型并不是原子結(jié)構(gòu)探究的終點，丹麥科學家波爾在盧瑟福模型的基礎上，描繪出了新的原子結(jié)構(gòu)模型：電子在核外是分層排布的。這說明科學的研究永遠是在不斷否定、不斷肯定中前進，科學的發(fā)現(xiàn)是偶然和必然的辯證統(tǒng)一。

四、教學評價

教學完成后，采用征集科普小論文的方法，對本節(jié)課進行反饋與評價。從“模型認知”“知識同化”“認知進階”“核心素養(yǎng)”四個方面對被調(diào)查的學生小論文進行分析，學生的項目成果代表如圖8和表1。

五、教學反思

1.運用游戲，構(gòu)建宏微思維

我校是一所偏遠的農(nóng)村寄宿制初中，學生大都是留守兒童或來自貧困家庭。激發(fā)學生學習興趣是第一要務?；凇昂暧^與微觀相結(jié)合”的視角，精心設計串聯(lián)教學過程的游戲環(huán)節(jié)，如“一撕兩斷”“依葫蘆畫瓢”等，通過活動充分調(diào)動學生參與學習的積極性和主動性。通過宏觀游戲理解微觀模型，促進學生對原子模型的認知與構(gòu)建，同時讓學生直觀感受化學的魅力所在，激發(fā)學習興趣。

2.創(chuàng)設情境，加深模型認知

在常規(guī)教學中，此部分內(nèi)容并不被重視，學生只需要記住幾種模型即可，更不用說理解與運用模型。本教學設計基于化學學科核心素養(yǎng)目標，挖掘情境素材的素養(yǎng)發(fā)展價值，關注學生的學習障礙，設計學習主題和學習活動，加深對原子結(jié)構(gòu)的模型認知[6]。

3.提煉信息，進行證據(jù)推理

引導學生從游戲、史實中提煉信息，成為有效證據(jù)，使用推理，解釋證據(jù)，構(gòu)建證據(jù)與觀點之間的聯(lián)系，讓學生親自感受科學家在探究過程中的論證活動，身臨其境地體驗科學文化和科學本質(zhì)。

4.復演歷史，培養(yǎng)科學精神

注重人文積淀，挖掘與課程有關的人文要素，經(jīng)歷德謨克利特哲學模型一道爾頓實心球模型一湯姆生棗糕模型一盧瑟福行星模型一查德威克核式模型建立、修正、完善的過程。體驗歷史上科學家們嚴謹?shù)恼撟C推理、激烈的思想碰撞和豐富的學科思維，強調(diào)知識的獲得過程?？隙▽W生質(zhì)疑權(quán)威的行為，培養(yǎng)其批判的科學精神，讓學生在真實的問題背景下圍繞問題解決獲得知識。

參考文獻

[l]曠湘平，肖榮，初中化學素養(yǎng)型試題的命題策略[J]現(xiàn)代中小學教育，2016，32（9）：51-55

[2]倪霞.基于證據(jù)推理與模型認知視角下的教學實踐[J].化學教與學，2018 （7）：19-21

[3]郭飛紅.基于“實驗和模型”教學挖掘宏觀現(xiàn)象的微觀本質(zhì)[J].化學教育，2014（15）：18-23

[4]陸薇.以“原子結(jié)構(gòu)模型的演變”教學設計談化學核心素養(yǎng)的提升[J].數(shù)理化學習，2018（3）：59-60

[5]金新華，基于化學史的科學探究教學嘗試[J].化學教與學，2014（3）：63-64

[6]曠湘平等.“化學物質(zhì)的多樣性”教學現(xiàn)狀與教學建議[J].天津師范大學學報（基礎教育版），2018，19（2）：62-68