基于證據(jù)推理和模型認(rèn)知的教學(xué)設(shè)計(jì)

儲海燕

一、課程標(biāo)準(zhǔn)、教材以及學(xué)生分析

1.課程標(biāo)準(zhǔn)和教材分析

《課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》對原子結(jié)構(gòu)這一部分的內(nèi)容要求是：認(rèn)識原子結(jié)構(gòu)、元素性質(zhì)與元素在周期表中位置關(guān)系。知道元素、核素的含義，了解原子核外電子的排布。結(jié)合有關(guān)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)事實(shí)認(rèn)識原子結(jié)構(gòu)、元素性質(zhì)呈周期性變化的規(guī)律。

2019版蘇教版《化學(xué)》（第一冊）將該節(jié)內(nèi)容放在元素化合物知識之前，需要要求學(xué)生能充分掌握原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并能將“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”應(yīng)用于后期元素化合物知識的學(xué)習(xí)過程中。同時(shí)該版本的教材最顯明的特點(diǎn)是設(shè)置了“目標(biāo)預(yù)覽”這一欄目，明確了學(xué)生學(xué)習(xí)該節(jié)內(nèi)容的要求：以原子結(jié)構(gòu)模型為例，能從宏觀和微觀結(jié)合的視角理解原子結(jié)構(gòu)模型提出的證據(jù)，初步形成模型建構(gòu)的認(rèn)知方法。

2.學(xué)生分析

本地區(qū)初三學(xué)生使用滬教版教科書，通過學(xué)習(xí)《構(gòu)成物質(zhì)的基本微?！愤@一節(jié)，學(xué)生已經(jīng)能夠認(rèn)識到原子是由核外電子和原子核構(gòu)成，原子核內(nèi)包含質(zhì)子和中子，并且通過α粒子散射實(shí)驗(yàn)初步證實(shí)了原子核的體積非常小但幾乎集中了原子的全部質(zhì)量，核外電子占據(jù)的空間較大同時(shí)在核外作高速運(yùn)動。學(xué)生能夠知道核外電子是分層排布的，層次較好的學(xué)生能夠書寫1-20號原子的原子結(jié)構(gòu)示意圖，并且能夠知道簡單的核外電子排布規(guī)律。另外學(xué)生能夠掌握相對原子質(zhì)量的定義，知道計(jì)算相對原子質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)是“一種碳原子的質(zhì)量的1/12”，在這里的“一種碳原子”即指C，學(xué)生知道其含有6個(gè)質(zhì)子和6個(gè)中子。

二、教學(xué)目標(biāo)

1. 了解人類認(rèn)識原子結(jié)構(gòu)的歷史，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)和崇尚真理的科學(xué)態(tài)度。

2. 能從宏觀和微觀結(jié)合的視角理解原子結(jié)構(gòu)模型提出的證據(jù)，初步形成模型認(rèn)知的思維方式。

3. 了解原子的構(gòu)成，能根據(jù)原子組成符號判斷原子的構(gòu)成。

4. 知道元素、核素與同位素的概念，知道同位素的應(yīng)用。

三、教學(xué)重難點(diǎn)

學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)時(shí)，在知識層面上并不會存在太大的困難，但在學(xué)科素養(yǎng)的提升方面會存在一定的困難，故本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)重點(diǎn)是借助人類對原子結(jié)構(gòu)認(rèn)識的科學(xué)史實(shí)，幫助學(xué)生學(xué)會證據(jù)推理的科學(xué)方法，構(gòu)建模型認(rèn)知的一般思維過程，能夠?qū)W著像科學(xué)家一樣去思考問題。

四、教學(xué)流程圖

五、教學(xué)過程

環(huán)節(jié)一、先哲爭辯

【引入新課】一支粉筆可不可以無限分割下去？

【學(xué)生活動】模擬對話：（學(xué)生A）我是亞里士多德，我認(rèn)為物質(zhì)是連續(xù)的，是可以永遠(yuǎn)無限制的分割下去，你是永遠(yuǎn)也得不到一個(gè)不可再分割的微粒的;（學(xué)生B）我是德謨克利特，我不贊同他的觀點(diǎn)。我認(rèn)為宇宙萬物都是由小到看不見的一個(gè)個(gè)基本單位組成，每個(gè)單位都不生不滅，也不可分割，這個(gè)不可分割的微?？梢苑Q之為原子。

【設(shè)計(jì)意圖】通過模擬對話，再現(xiàn)史料，提出古代原子論的思想，但通過討論得知，古代原子論不能稱之為“科學(xué)”，它缺少實(shí)驗(yàn)的支撐，只屬于哲學(xué)思辨的范疇。

環(huán)節(jié)二、道爾頓原子理論

【科學(xué)史料】道爾頓原子理論提出的三大基礎(chǔ)定律及具體內(nèi)容。

【學(xué)生活動】1.討論如何用道爾頓原子理論解釋質(zhì)量守恒定律;2.利用黏土構(gòu)建道爾頓原子理論下的原子結(jié)構(gòu)模型;3.學(xué)生用語言描述原子結(jié)構(gòu)模型的特點(diǎn)。

【設(shè)計(jì)意圖】1.通過介紹質(zhì)量守恒定律、定比定律和倍比定律，讓學(xué)生知道為何道爾頓原子理論可以稱得上是“科學(xué)”的理論;2.通過思考如何用道爾頓原子理論來解釋質(zhì)量守恒定律，促進(jìn)學(xué)生對道爾頓原子理論的理解;3.讓學(xué)生利用黏土構(gòu)建一個(gè)原子模型，使學(xué)生對道爾頓原子理論下的原子模型形成一個(gè)直觀的印象，也能夠使學(xué)生認(rèn)識到模型建構(gòu)可以是指實(shí)物模型。

環(huán)節(jié)三、湯姆生原子結(jié)構(gòu)模型

【科學(xué)史料】19世紀(jì)末物理學(xué)三大發(fā)現(xiàn)：倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、貝克勒爾發(fā)現(xiàn)天然放射性現(xiàn)象、湯姆生發(fā)現(xiàn)電子。

【實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)】陰極射線管實(shí)驗(yàn)。

【學(xué)生活動】1.討論證據(jù)背后的結(jié)論：①陰極射線會彎向帶正電荷的一極，而遠(yuǎn)離帶負(fù)電的另一極意味著什么？②為什么不同種物質(zhì)均可產(chǎn)生這種相同的現(xiàn)象？2.再次利用手中的黏土修改道爾頓原子結(jié)構(gòu)模型，得到湯姆生原子結(jié)構(gòu)模型。3.學(xué)生用語言描述原子結(jié)構(gòu)模型的特點(diǎn)，討論電荷分布情況。

【設(shè)計(jì)意圖】1.利用19世紀(jì)末物理學(xué)三大發(fā)現(xiàn)的史料激起學(xué)生的認(rèn)知沖突，當(dāng)原有的模型不能適應(yīng)新的證據(jù)，就需要建構(gòu)新的模型;2.利用陰極射線管實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的關(guān)鍵證據(jù)推理得到新的結(jié)論，學(xué)會證據(jù)推理的一般思維方法;3.利用黏土構(gòu)建湯姆生原子結(jié)構(gòu)模型，并用語言描述模型的特點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生加深對湯姆生原子結(jié)構(gòu)模型的認(rèn)識。

環(huán)節(jié)四、盧瑟福原子結(jié)構(gòu)模型

【科學(xué)史料】1911年，湯姆生的學(xué)生盧瑟福想通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證老師的理論，但卻有了驚人的發(fā)現(xiàn)。

【實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)】α粒子散射實(shí)驗(yàn)。關(guān)鍵證據(jù)：1.當(dāng)α粒子流撞擊金箔時(shí)，大多數(shù)的α粒子可以直接通過，好像金箔不存在似的。2.也有少數(shù)的α粒子發(fā)生偏移，還有極少數(shù)的α粒子則被直接反彈回來。3.今天我們已經(jīng)知道α粒子是由2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子構(gòu)成的氦核，帶有2個(gè)單位的正電荷。

【學(xué)生活動】1.討論α粒子散射實(shí)驗(yàn)過程中的證據(jù)，產(chǎn)生對湯姆生原子結(jié)構(gòu)模型的質(zhì)疑，構(gòu)建新的原子結(jié)構(gòu)模型。2.用筆畫出盧瑟福的原子結(jié)構(gòu)模型，并用語言描述其特點(diǎn)。

【補(bǔ)充史料】1.1919年盧瑟福發(fā)現(xiàn)了原子核中帶正電荷的粒子，并命名為質(zhì)子。2.1932年查德威克發(fā)現(xiàn)了原子核內(nèi)不帶電荷的中子。

【學(xué)生活動】1.總結(jié)原子是由電子、質(zhì)子和中子構(gòu)成的，由它們的質(zhì)量和帶電荷量總結(jié)出兩個(gè)等量關(guān)系式;2.學(xué)習(xí)用的方式來表示一個(gè)原子，掌握核素、同位素、元素的概念及相互之間的關(guān)系。

【設(shè)計(jì)意圖】1.用α粒子散射實(shí)驗(yàn)的史料激起學(xué)生的認(rèn)知沖突，利用實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的關(guān)鍵證據(jù)來推理和構(gòu)建新的原子結(jié)構(gòu)模型;2.利用筆畫出盧瑟福的原子結(jié)構(gòu)模型，并用語言描述模型的特點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生加深對盧瑟福“核式”原子結(jié)構(gòu)模型的認(rèn)識。3.借助發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子的史料，構(gòu)建清晰的原子核模型，利用數(shù)據(jù)讓學(xué)生非常清晰地掌握原子中的電量和質(zhì)量的關(guān)系;4.在此基礎(chǔ)之上，介紹核素的概念，便于學(xué)生區(qū)分核素和同位素的概念。

環(huán)節(jié)五、玻爾原子結(jié)構(gòu)模型

【交流與討論】1.人造地球衛(wèi)星幾乎可以在地球周圍的任何軌道上運(yùn)動，其取決于發(fā)射時(shí)火箭給予它的能量。同時(shí)，由于能量損耗，軌道半徑會縮小，需要定期進(jìn)行調(diào)整軌道。2.盧瑟福的“核式行星”原子模型是以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)的，負(fù)電荷電子繞核運(yùn)動會產(chǎn)生電磁波，導(dǎo)致能量降低，電子會向原子核接近而導(dǎo)致原子坍陷。

【科學(xué)史料】19世紀(jì)末，物理學(xué)的發(fā)展已經(jīng)告訴我們可見光是一種電磁波，具有一定的能量。根據(jù)根據(jù)愛因斯坦光子理論：E=hν=hc/λ光子能量和波長成反比，光子的波長越長，能量越小。

【實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)】白熾燈的色散光譜和氫的發(fā)光光譜。

【學(xué)生活動】討論：1.光是怎么產(chǎn)生的？2.白熾燈的色散光譜是連續(xù)的，氫的發(fā)光光譜是不連續(xù)的，這兩個(gè)證據(jù)說明了什么問題？3.氫核外只有一個(gè)電子，為什么可以產(chǎn)生能量不連續(xù)的四種光線呢？4.借助樓梯上拋硬幣的例子，可以猜測氫原子核外的電子是怎樣運(yùn)動的？5.用筆畫出玻爾軌道式的原子結(jié)構(gòu)模型。6.解釋焰色反應(yīng)、色彩斑斕的焰火產(chǎn)生的原因。

【設(shè)計(jì)意圖】1.對比人造地球衛(wèi)星運(yùn)動時(shí)能量損失會導(dǎo)致軌道半徑變小，而核外電子的運(yùn)動是相對較穩(wěn)定的，激情學(xué)生的認(rèn)知沖突;2.利用氫原子光譜的四種不連續(xù)波長的證據(jù)推理得出氫原子在核外不同能量的軌道上運(yùn)動的模型。3.畫出玻爾的原子軌道結(jié)構(gòu)模型，并解釋一些現(xiàn)象，讓學(xué)生加深對原子核外電子運(yùn)動狀態(tài)的理解。

六、教學(xué)設(shè)計(jì)反思

本節(jié)課主要通過回顧人類對原子結(jié)認(rèn)識的歷史，在認(rèn)識的幾個(gè)關(guān)鍵階段，選取一些關(guān)鍵證據(jù)，教會學(xué)生證據(jù)推理的一般思維方法和模型建構(gòu)的科學(xué)方法。在介紹認(rèn)識原子核的組成之后，插入核素和同位素概念的教學(xué)，便于學(xué)生對概念的理解。本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)是證據(jù)推理和模型認(rèn)識的學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)，所以在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中充分借助了證據(jù)推理的教學(xué)模式，讓學(xué)生充分思考和討論。

在設(shè)計(jì)的過程中也存在一些疑惑，如：1.怎樣來篩選合適的史料證據(jù)，既要讓學(xué)生在推理的過程中有據(jù)可依，又要符合高一學(xué)生的認(rèn)知深度;2.受限于課時(shí)的限制，以及學(xué)生的已有的知識，有些教學(xué)環(huán)節(jié)上并不能充分地讓學(xué)生展開證據(jù)推理;3.如何在有限的課堂時(shí)間內(nèi)去平衡對素養(yǎng)培養(yǎng)的關(guān)注與對知識傳授的關(guān)注。

（本文系昆山市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度課題《基于證據(jù)推理的課堂教學(xué)模式的研究》的研究成果。）