利用化學(xué)史發(fā)展學(xué)生模型認(rèn)知能力的實(shí)踐研究

王東 朱韶紅

摘要：以“原子的結(jié)構(gòu)”一課為例，對(duì)教學(xué)中利用化學(xué)史發(fā)展學(xué)生的模型認(rèn)知能力的問題展開研究。以化學(xué)史為教學(xué)情境和線索，設(shè)計(jì)四階段的模型建構(gòu)過程，搭建“問題鏈、活動(dòng)鏈、素養(yǎng)鏈”三位一體的教學(xué)框架，實(shí)踐反思后提出三個(gè)觀點(diǎn)：史料選擇要合理化；建模評(píng)價(jià)要多樣化；素養(yǎng)生長(zhǎng)要具身化。

關(guān)鍵詞：化學(xué)史；模型認(rèn)知；模型建構(gòu)；原子的結(jié)構(gòu)；教學(xué)設(shè)計(jì)

文章編號(hào)：1008-0546（2021）11-0002-05中圖分類號(hào)：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.11.001

化學(xué)是研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化規(guī)律的科學(xué)。在化學(xué)發(fā)展的歷史長(zhǎng)河中，化學(xué)家們運(yùn)用模型法詮釋事實(shí)、模擬結(jié)構(gòu)、預(yù)測(cè)性質(zhì)，并且通過實(shí)證的方法不斷修正模型。從這個(gè)角度看，一部化學(xué)史就是各類化學(xué)模型的發(fā)展歷史。在新一輪指向核心素養(yǎng)的課程改革背景下，在教學(xué)中利用化學(xué)史發(fā)展學(xué)生的模型認(rèn)知能力，是一個(gè)值得研究的方向。所謂“模型認(rèn)知”就是運(yùn)用模型去解釋現(xiàn)象、預(yù)測(cè)可能的性質(zhì)或做出推斷的思維過程。理解和建構(gòu)模型是模型認(rèn)知的前提[1]。原子結(jié)構(gòu)模型，是化學(xué)學(xué)科的重要模型之一，具有極強(qiáng)的應(yīng)用和遷移價(jià)值。筆者嘗試以化學(xué)史為教學(xué)線索幫助學(xué)生建構(gòu)這一模型，了解模型的來(lái)龍去脈，認(rèn)識(shí)和理解其中蘊(yùn)含的學(xué)科方法和思想，發(fā)展學(xué)生的模型認(rèn)知能力。

一、化學(xué)史料分析

化學(xué)史上，對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的歷程（見圖1），從古代先賢哲學(xué)思辨中的原子到近代道爾頓的原子實(shí)心球模型，再到現(xiàn)代薛定諤的電子云模型，其中出現(xiàn)了多個(gè)原子結(jié)構(gòu)模型，這些模型都能解釋特定的現(xiàn)象，但也有局限性。而對(duì)局限性的突破，促成模型的不斷演變，使人們對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)逐漸深化，也更加科學(xué)。例如盧瑟福的行星模型解釋了“α粒子散射”實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，但無(wú)法解釋電子穩(wěn)定性的問題，而玻爾的量子化軌道模型則解決了這個(gè)問題，并能解釋氫原子光譜，但玻爾的理論也有其局限性。模型的演變過程是基于實(shí)驗(yàn)證據(jù)和邏輯推理的，這正是培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理能力的絕佳素材，同時(shí)模型的演變過程也是理性批判、求真創(chuàng)新等科學(xué)精神的體現(xiàn)。

二、學(xué)情分析和教學(xué)目標(biāo)

1.學(xué)情分析

“原子的結(jié)構(gòu)”是人教版九年級(jí)化學(xué)上冊(cè)第三單元課題2的內(nèi)容，它在第三單元課題1“分子和原子”提出物質(zhì)是由微觀粒子構(gòu)成的基礎(chǔ)上，對(duì)物質(zhì)構(gòu)成的奧秘（如原子的構(gòu)成、離子等）進(jìn)行深入學(xué)習(xí)。故它在教材中起著承前啟后的作用，一方面鞏固學(xué)生已學(xué)分子、原子的概念，使他們理解物質(zhì)的可分性。另一方面為后續(xù)元素、化合價(jià)的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

2.教學(xué)目標(biāo)

以化學(xué)史實(shí)為情境主線，運(yùn)用討論、想象、推理、歸納的方法幫助學(xué)生建構(gòu)原子結(jié)構(gòu)模型，知道原子是由質(zhì)子、中子和電子構(gòu)成且電子是分層運(yùn)動(dòng)的，理解原子不顯電性的原因，初步了解核外電子排布規(guī)律，發(fā)展學(xué)生的“證據(jù)推理”和“模型認(rèn)知”素養(yǎng)，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神。

三、教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)流程

1.模型建構(gòu)的設(shè)計(jì)

模型是對(duì)事物及其現(xiàn)象本質(zhì)特征的一種概括，它具有解釋、預(yù)測(cè)、推斷的功能[2]。而一旦模型與科學(xué)事實(shí)發(fā)生沖突時(shí)，人們又會(huì)尋找新的模型來(lái)解釋客觀事實(shí)[3]。這是模型得以建構(gòu)和發(fā)展的動(dòng)因。原子結(jié)構(gòu)模型的演變也是如此，因此教師要引導(dǎo)學(xué)生梳理各原子模型的來(lái)龍去脈，討論新舊模型的關(guān)系、已解決和未解決的問題，關(guān)注科學(xué)事實(shí)（經(jīng)典實(shí)驗(yàn)）的發(fā)現(xiàn)過程，認(rèn)識(shí)到實(shí)證、推理、批判、創(chuàng)新等對(duì)科學(xué)研究的重要性。鑒于此，結(jié)合教學(xué)目標(biāo)，本節(jié)課分為四個(gè)階段，即模型定向、模型初構(gòu)、模型深化、模型修正，模型定向階段主要是澄清問題導(dǎo)向，即“原子是不可分割的實(shí)心球體嗎？”；模型初構(gòu)階段是利用化學(xué)史上系列經(jīng)典實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)構(gòu)成原子的粒子，初步架構(gòu)并表征模型；模型深化階段則是利用已知的原子模型對(duì)原子的電中性作出推斷，加深對(duì)模型的理解；模型修正階段則是通過質(zhì)疑太陽(yáng)系模型，引出電子的分層排布，重建發(fā)展模型。每個(gè)階段所采用的素材和達(dá)成的知識(shí)目標(biāo)見圖2。

2.教學(xué)流程

教學(xué)流程以“問題鏈”“活動(dòng)鏈”“素養(yǎng)鏈”為框架（見圖3），通過問題鏈?zhǔn)顾季S可視化，驅(qū)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)；通過活動(dòng)鏈幫助學(xué)生建構(gòu)知識(shí)的意義理解，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)[4]；通過素養(yǎng)鏈?zhǔn)拐n堂教學(xué)的關(guān)注點(diǎn)和落腳點(diǎn)始終在學(xué)科核心素養(yǎng)。三鏈環(huán)環(huán)相扣，促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。

四、教學(xué)實(shí)錄和活動(dòng)評(píng)價(jià)

1.模型定向

【情境】圖片展示從太空俯瞰地球，物質(zhì)不斷再分，從宏觀到微觀，最后出現(xiàn)原子。

師：通過前面的學(xué)習(xí)，同學(xué)們對(duì)原子有了哪些認(rèn)識(shí)？

生：原子可直接構(gòu)成物質(zhì)，也可先構(gòu)成分子再構(gòu)成物質(zhì)。原子是化學(xué)變化中最小粒子，在化學(xué)變化中不可再分……

師：那么古人是如何認(rèn)識(shí)原子的呢？

【史料】公元前5世紀(jì)，中國(guó)的墨子曾提出過物質(zhì)微粒說(shuō)，他稱物質(zhì)的微粒為“端”，意思是不能再被分割的質(zhì)點(diǎn)。

公元前約400年，希臘哲學(xué)家德謨克利特提出：宇宙萬(wàn)物皆由極微小的、硬的、不可穿透的、不可分割的粒子組成，即原子。

19世紀(jì)初，英國(guó)科學(xué)家道爾頓提出近代原子說(shuō)，他認(rèn)為原子是微小的不可分割的實(shí)心球體。

師：原子真的是不可分割的實(shí)心球體嗎？

活動(dòng)評(píng)價(jià)：學(xué)生觀察系列動(dòng)態(tài)圖片，由宏觀到微觀，直觀感受到物質(zhì)的可分性。學(xué)生回憶原子的知識(shí)，溫故知新，便于定位學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)。原子史料的呈現(xiàn)，一是凸顯課題的重要性和歷史感，二是定位課堂教學(xué)的切入點(diǎn)，即原子真的是不可分割的實(shí)心球體嗎？

2.模型初構(gòu)

【活動(dòng)】將一張紙片撕碎，盡可能小，壘成一堆，用塑料尺快速摩擦頭發(fā)一會(huì)，將塑料尺靠近碎紙堆，你能看到什么現(xiàn)象？

生：摩擦起靜電，小紙片被塑料尺吸引了。

師：摩擦為什么起電？

【史料】陰極射線實(shí)驗(yàn)，陰極射線在磁場(chǎng)中向正極偏轉(zhuǎn)。

師：陰極射線為什么偏轉(zhuǎn)？

生：陰極射線的粒子帶負(fù)電，被正極吸引。

師：1897年，湯姆生利用“陰極射線”實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電子，電子帶負(fù)電?，F(xiàn)在同學(xué)們能否解釋摩擦起電？

生：摩擦過程中，電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，使物體帶電。

師：原子中有電子，否定了“原子不可分割”這一觀點(diǎn)，是人類認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)的一大進(jìn)步。據(jù)此，湯姆生提出了原子的“棗糕”模型。

【史料】棗糕模型：原子是一個(gè)球體；正電荷均勻分布在整個(gè)球內(nèi)，而電子都象棗核那樣鑲嵌在原子里面。

師：棗糕模型還是有很大探索空間的，如果你是名科學(xué)家，你想研究哪些問題？

生：原子像棗糕，也就是說(shuō)它還是實(shí)心的球體？正電荷是什么？它是均勻分布的嗎？

師：要研究這些問題，必須通過實(shí)驗(yàn)尋求證據(jù)，對(duì)于微小的原子，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)?？科學(xué)家們用轟擊原子的方法，打開了原子的大門。

【史料】α粒子散射（轟擊）實(shí)驗(yàn)，1911年，盧瑟福用一束平行的α粒子（帶正電荷）轟擊金箔時(shí)，發(fā)現(xiàn)了三種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：大多數(shù)α粒子不改變?cè)瓉?lái)的運(yùn)動(dòng)方向；一小部分α粒子發(fā)生了偏轉(zhuǎn)；極少數(shù)的α粒子被彈了回來(lái)。

師：為什么α粒子轟擊金箔后會(huì)出現(xiàn)三種不同的現(xiàn)象？

【活動(dòng)】小組討論

生：原子不是實(shí)心的，內(nèi)部有相對(duì)廣大的空間，所以大多數(shù)α粒子可以穿過；原子的中心有原子核，其帶正電荷，小部分帶正電荷α粒子靠近時(shí)發(fā)生偏轉(zhuǎn)；原子核的體積很小，只有極少數(shù)的α粒子能撞到而被彈回。

師：請(qǐng)同學(xué)們想象，如把原子比作體育場(chǎng)，原子核只相當(dāng)于草坪上的一只螞蟻，電子在核外的廣大空間作高速的運(yùn)動(dòng)。

【史料】1919年，盧瑟福用α粒子轟擊氦原子核，轟出一種帶正電荷的粒子，命名為質(zhì)子。

1932年，查德威克用α粒子轟擊硼原子核，得到一種不帶電的粒子，命名為中子。

師：請(qǐng)同學(xué)們歸納并描繪模型。

生：原子是由原子核和核外電子構(gòu)成，電子在核外作高速運(yùn)動(dòng)，原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成。

活動(dòng)評(píng)價(jià)：以化學(xué)史上原子結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)歷程為教學(xué)主線，選擇了三個(gè)典型實(shí)驗(yàn)，即摩擦起電實(shí)驗(yàn)、陰極射線管實(shí)驗(yàn)、α粒子散射實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)研究的過程，培養(yǎng)證據(jù)意識(shí)，體驗(yàn)科學(xué)精神，由淺入深，由表象到本質(zhì)，初步構(gòu)建原子模型，形成相對(duì)正確的認(rèn)識(shí)。

3.模型深化

資料：每個(gè)電子帶一個(gè)單位負(fù)電荷，每個(gè)質(zhì)子帶一個(gè)單位正電荷，中子不帶電。

師：原子核為什么帶正電？原子為何不顯電性？

【活動(dòng)】小組討論。

生：原子核帶正電是因?yàn)槔锩娴馁|(zhì)子帶正電，那么核電荷數(shù)應(yīng)等于質(zhì)子數(shù)，而質(zhì)子數(shù)應(yīng)與電子數(shù)相等，這樣正負(fù)總電荷相等并抵消，使整個(gè)原子不顯電性，即核電荷數(shù)=質(zhì)子數(shù)=核外電子數(shù)。

師：質(zhì)子數(shù)等于電子數(shù)，那么質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)有沒有必然關(guān)系呢？

【活動(dòng)】觀察書本圖表中幾種原子的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

生：有些原子的質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)相等，有些則不等，兩者無(wú)必然關(guān)系。

4.模型修正

【史料】盧瑟福的原子太陽(yáng)系模型，電子像行星繞太陽(yáng)一樣圍繞原子核運(yùn)動(dòng)。

師：這種原子結(jié)構(gòu)模型是否有缺陷？

生：原子核帶正電，電子帶負(fù)電，電子會(huì)被吸引，能量逐漸消耗，電子最終會(huì)落到原子核上，造成原子塌縮。

師：針對(duì)這個(gè)問題，玻爾提出了量子化軌道理論，指出核外電子在特定軌道上運(yùn)動(dòng)，并且不輻射能量也不吸收能量，解決了原子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的問題。

師：隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)原子的認(rèn)識(shí)不斷修正?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)電子的運(yùn)動(dòng)是沒有固定軌道的，只會(huì)在一定區(qū)域內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)，形成了類似“云狀”的圖像。

【史料】薛定諤的電子云模型。

師：我們將電子經(jīng)常出現(xiàn)的區(qū)域稱之為電子層，核外電子是分層運(yùn)動(dòng)（排布）的，可用原子結(jié)構(gòu)示意圖表示，請(qǐng)同學(xué)們觀察氫原子的結(jié)構(gòu)示意圖，了解各部分的意義。

師：請(qǐng)同學(xué)們觀察1～18號(hào)元素的原子結(jié)構(gòu)示意圖，你能找出核外電子排布的規(guī)律嗎？

【活動(dòng)】小組討論。

生：電子先排內(nèi)層，再排外層；第一層最多排2個(gè)電子；第二層最多排8個(gè)電子；最外層不超過8個(gè)電子。

【活動(dòng)】請(qǐng)根據(jù)核外電子排布規(guī)律，畫出氧原子、鎂原子、氯原子的結(jié)構(gòu)示意圖。

【史料】1964年，美國(guó)科學(xué)家蓋爾曼設(shè)計(jì)了夸克模型，提出質(zhì)子、中子由更小的夸克構(gòu)成。

1968年，美國(guó)斯坦福線性加速器中心利用深度非彈性散射實(shí)驗(yàn)證實(shí)夸克的存在。

人類對(duì)原子結(jié)構(gòu)的研究還在不斷深入中……

師：同學(xué)們，通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，你們對(duì)科學(xué)研究和科學(xué)精神有哪些感悟？

【活動(dòng)】小組討論，代表發(fā)言，教師點(diǎn)評(píng)。

師：研究原子結(jié)構(gòu)的意義。

哲學(xué)意義：研究原子的結(jié)構(gòu)，揭示了物質(zhì)存在的本質(zhì)，進(jìn)一步證明物質(zhì)世界是客觀存在的。

科學(xué)意義：研究原子的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，掌握其中的規(guī)律，可根據(jù)實(shí)際需要改造物質(zhì)甚至創(chuàng)造物質(zhì)。

應(yīng)用意義：核能的利用，有助于解決能源危機(jī)問題；利用14C衰變斷定文物或古化石的年代；利用放射性同位素產(chǎn)生的各種射線治療腫瘤等等。

活動(dòng)評(píng)價(jià)：模型是一種假說(shuō)，一種解釋，是用來(lái)解釋客觀事實(shí)的，因此隨著新證據(jù)的出現(xiàn)，模型必然不斷被修正。故此，通過對(duì)盧瑟福原子太陽(yáng)系模型的質(zhì)疑反思，引出核外電子分層排布的教學(xué)，并拓展電子云模型和夸克等知識(shí)，幫助學(xué)生進(jìn)一步完善原子結(jié)構(gòu)模型。最后，學(xué)生談感悟，教師談應(yīng)用，則是從學(xué)科素養(yǎng)和學(xué)科價(jià)值層面對(duì)本課題意義的提煉升華。

五、教學(xué)反思

1.史料選擇要合理化

化學(xué)史料的運(yùn)用給課堂營(yíng)造了一種歷史情境，能讓學(xué)生像化學(xué)家一樣進(jìn)行探索和研究。但相關(guān)史料不能一股腦地呈現(xiàn)給學(xué)生，信息過多反而干擾學(xué)習(xí)。教師應(yīng)根據(jù)課標(biāo)和教材要求，結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知基礎(chǔ)和素養(yǎng)需求，進(jìn)行合理的篩選，要做到重點(diǎn)突出、主次分明。如本課就重點(diǎn)引用“棗糕”模型、“行星”模型、“量子化軌道”模型及相關(guān)實(shí)驗(yàn)資料，其他史料則簡(jiǎn)略介紹。但實(shí)踐后依然感覺有些史料的處理有問題，如量子化軌道模型、電子云模型，由于課時(shí)限制無(wú)法展開，造成學(xué)生一知半解，可采用課后拓展性閱讀的方式，滿足學(xué)生的需求。

2.建模評(píng)價(jià)要多樣化

本節(jié)課通過問題鏈引導(dǎo)學(xué)生的思維活動(dòng)，在不斷的“提問—點(diǎn)評(píng)”中評(píng)價(jià)學(xué)生的建模狀況，以評(píng)促教、以評(píng)促學(xué)。課后，也布置一些習(xí)題來(lái)反饋評(píng)估學(xué)生知識(shí)的掌握程度。但本節(jié)課的要旨是幫助學(xué)生建構(gòu)原子模型，學(xué)生頭腦中形成的原子是什么樣的？一千個(gè)讀者就有一千個(gè)哈姆雷特，如何讓學(xué)生個(gè)性化的原子模型表現(xiàn)出來(lái)？這絕非幾道習(xí)題能做到的，而應(yīng)通過表現(xiàn)性任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如寫一篇《我心目中的原子》小論文，畫一幅原子美圖，制作一版圖文并茂的原子小報(bào)等。另外原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)史承載著大量科學(xué)和人文意蘊(yùn)，可布置學(xué)生用思維導(dǎo)圖的方式來(lái)展現(xiàn)這段歷史，加深學(xué)生的感受。評(píng)價(jià)此類任務(wù)時(shí)教師要堅(jiān)持科學(xué)性，更要尊重學(xué)生的主體性，在沒有科學(xué)性錯(cuò)誤的前提上，對(duì)學(xué)生的個(gè)性化作品予以鼓勵(lì)和贊揚(yáng)。

3.素養(yǎng)生長(zhǎng)要具身化

學(xué)科核心素養(yǎng)要內(nèi)化為學(xué)生的思維、意識(shí)和觀念，需要學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，在具身化的實(shí)驗(yàn)、觀察、推理、反思中感悟、積淀。微觀的原子無(wú)法感知，中學(xué)也缺乏相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件。如何拉近原子與學(xué)生的距離，讓學(xué)生進(jìn)行具身化的學(xué)習(xí)？本課以化學(xué)史料為情境和線索讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)研究的過程，雖然取得了一定的效果，但僅靠文字和圖片來(lái)再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)或描述模型是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，那么多媒體技術(shù)可以是努力的方向。如制作視頻或動(dòng)畫來(lái)展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)，或者利用VR技術(shù)模擬各原子模型等，給學(xué)生身臨其境之感。

參考文獻(xiàn)

[1][2]畢華林.對(duì)高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的認(rèn)識(shí)和理解[J].化學(xué)教學(xué)，2021（1）：3-9

[3]陳廷俊“模型法”在化學(xué)中的應(yīng)用及教學(xué)啟示[J].化學(xué)教學(xué)，2021（1）：42-45+65

[4]王東，朱韶紅.基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的單元教學(xué)設(shè)計(jì)的研究[J].化學(xué)教與學(xué)，2020（11）：30-33+56