“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)下促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)

李懸懸

證據(jù)推理與模型認(rèn)知是化學(xué)學(xué)科五大核心素養(yǎng)之一，要求學(xué)生根據(jù)已有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及事實(shí)進(jìn)行推測并總結(jié)出化學(xué)規(guī)律，并利用此規(guī)律研究物質(zhì)的微觀本質(zhì)，最終形成微觀模型認(rèn)知。同時在這個過程中往往還需要結(jié)合深度學(xué)習(xí)，這種學(xué)習(xí)模式是由美國學(xué)者Ference Marton和Roger Saljo教授在1976年提出的，是問題解決的一種重要策略。教師引導(dǎo)學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上，利用推理的方法將新的思想或者跨學(xué)科的事實(shí)與頭腦中已有的化學(xué)知識相結(jié)合，從而形成一個全新的認(rèn)知或者模型，利用這種模型可以用來解決同一類的問題。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》對原子結(jié)構(gòu)的內(nèi)容要求為：認(rèn)識原子結(jié)構(gòu)元素的性質(zhì)與元素在元素周期表中位置的關(guān)系。就是我們常說的“位—構(gòu)—性”三者間的關(guān)系，有助于提高學(xué)生宏觀辨識與微觀探析的能力，并為后面將要學(xué)習(xí)的元素周期律以及元素周期表打下基礎(chǔ)。本文以《人類對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)知》一課為例作了有益嘗試。

一、提供證據(jù)，問題驅(qū)動，解決湯姆生模型

本節(jié)課以焰色反應(yīng)為基礎(chǔ)提出了研究問題的方法為“觀察—猜想—實(shí)驗(yàn)—機(jī)理”，初步讓學(xué)生形成由宏觀辨識到微觀探析的意識。其設(shè)計(jì)意圖就是想要在一個較為明顯的實(shí)驗(yàn)引入中，使得學(xué)生精力更加集中地放到后面將要進(jìn)行的證據(jù)推理下的模型認(rèn)知方面。為了引出湯姆生的模型，首先提出了較早的原子學(xué)說是建立在“觀察—猜想”的基礎(chǔ)之上。因此，帶著學(xué)生簡單了解了中國古代的五行學(xué)說以及亞里士多德的四元素說，以此來勾起學(xué)生的好奇心，使得學(xué)生想要知道實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)下的原子學(xué)說。

為了驅(qū)動學(xué)生進(jìn)行證據(jù)推理，在學(xué)生了解道爾頓的實(shí)心球模型以及原子不可再分的基礎(chǔ)上給出如下證據(jù)。

【證據(jù)】播放BBC紀(jì)錄片電子的發(fā)現(xiàn)其中的陰極射線實(shí)驗(yàn)以及對應(yīng)圖片細(xì)節(jié)（見下圖）

問題1：外加電場，向正極偏轉(zhuǎn)說明了什么？

學(xué)生：產(chǎn)生光束是一些帶負(fù)電的微粒。

問題2：風(fēng)車轉(zhuǎn)動說明了什么？

學(xué)生：微粒是具有能量的，而且這種能量很大。

問題3：換了不同電極、不同氣體所得的射線一模一樣，又說明什么？

學(xué)生：對于很多的原子在外加電源情況下都會產(chǎn)生相同的微粒。

追問1：因此盧瑟福把這種微粒命名為電子，原子在外加電場下產(chǎn)生電子光束推翻道爾頓的什么結(jié)論？

學(xué)生：道爾頓認(rèn)為原子不可再分是錯誤的，原子中是含有電子的。

問題4：經(jīng)過計(jì)算，電子的荷質(zhì)比非常的小，說明電子的大小如何？

學(xué)生：說明電子非常小。

追問2：如果讓你修改道爾頓的模型，你要如何修改呢？

學(xué)生：結(jié)合已有的初中原子組成的模型自己動手嘗試畫出新的模型，并與PPT上展示的模型進(jìn)行對比。

二、模擬實(shí)驗(yàn)，證據(jù)推理，建構(gòu)盧瑟福模型

【模擬實(shí)驗(yàn)1】黑箱子實(shí)驗(yàn)：想要探究箱子中有什么物質(zhì)，有什么樣的方法？

學(xué)生思考討論，利用光源折射的方法可以看清物質(zhì)的形狀。

這個模擬實(shí)驗(yàn)主要是為了幫助學(xué)生理解為什么盧瑟福要選擇α粒子去轟擊金箔。

【模擬實(shí)驗(yàn)2】投影實(shí)驗(yàn)：讓學(xué)生思考為了在后面顯示屏上留下光點(diǎn)，用激光燈照射行星模型的角度如何選擇？

學(xué)生：從空隙穿過效果最好。

【α粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析】通過前兩個模擬實(shí)驗(yàn)的積累，學(xué)生具有了一定折射散射的基礎(chǔ)，此時進(jìn)行結(jié)果分析，效果更好。

問題1：為什么絕大多數(shù)α粒子穿過金箔仍沿著原來方向前進(jìn)？

學(xué)生：說明并不是葡萄干面包的模型，原子核中間有空隙，而且空隙很大。

問題2：為什么少數(shù)α粒子發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)α粒子的偏轉(zhuǎn)超過90o，有的甚至幾乎達(dá)到180o而被反彈回來？

學(xué)生：說明原子中間有一個核，這個核體積較小，但是質(zhì)量很大。

追問：這個核被命名為原子核，那現(xiàn)在同學(xué)們知不知道原子是如何組成的呢？

學(xué)生：原子由原子以及原子核構(gòu)成。

【科學(xué)史話】質(zhì)子及中子的發(fā)現(xiàn)，居里夫人錯失另外一份諾貝爾化學(xué)獎的故事。

問題3：目前為止原子的組成是什么樣子的呢？請大家動手畫出原子的組成。

【數(shù)據(jù)分析】根據(jù)教材中給出的質(zhì)子、中子和電子的質(zhì)量、相對質(zhì)量和電量表，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

學(xué)生：對原子而言，原子成電中性，因而質(zhì)子數(shù)=電子數(shù)，原子質(zhì)量主要集中在原子核上。

三、學(xué)以致用，總結(jié)對比，促進(jìn)結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)模型建構(gòu)

問題1：盧瑟福的模型如果沒有考慮電子的運(yùn)動，如果一直發(fā)生運(yùn)動會產(chǎn)生什么問題？

提示：電子在做圓周運(yùn)動的過程中會不斷地釋放能量，質(zhì)量會減小。

學(xué)生：會逐漸地靠近原子核，最終會被吸入原子核中發(fā)生爆炸。

追問：實(shí)際上我們的宇宙一直能夠穩(wěn)定存在說明電子沒有被吸引，因而玻爾對其進(jìn)行修正，提出了行星模型，那請同學(xué)們思考這種模式和中學(xué)學(xué)習(xí)的哪一種原子形式比較接近？

學(xué)生：和我們所學(xué)的原子結(jié)構(gòu)示意圖比較接近。

【圖片展示】1-18號原子結(jié)構(gòu)示意圖，讓學(xué)生思考穩(wěn)定原子結(jié)構(gòu)的形式。

學(xué)生：最外層電子數(shù)為2（He）或者最外層電子數(shù)為8。

【學(xué)以致用】寫出Na+、Cl-、Mg2+、S2-的原子結(jié)構(gòu)示意圖，并總結(jié)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系。

學(xué)生練習(xí)，總結(jié)：最外層電子數(shù)<4時，容易失去電子，最外層電子數(shù)≥4時，容易得到電子。

【輔助理解】氯化鈉的形成過程（略）。

【拓展視野】電子云模型（略）。

四、總結(jié)評價

從教學(xué)內(nèi)容整體來看，首先，學(xué)生在教師給出的視頻以及問題下進(jìn)行了證據(jù)的推理，修正了道爾頓的模型，在這個過程中學(xué)生將新的證據(jù)下的認(rèn)知與已有的初中知識進(jìn)行聯(lián)合，從而將原子結(jié)構(gòu)認(rèn)知進(jìn)行升華，提高自身證據(jù)推理以及模型認(rèn)知素養(yǎng)。

其次，在盧瑟福模型建構(gòu)過程中先選擇兩個模擬實(shí)驗(yàn)為α粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析奠定基礎(chǔ)，為后面的推理以及物理與化學(xué)的學(xué)科融合做好準(zhǔn)備工作，也符合學(xué)生的認(rèn)知順序。同時教師在進(jìn)行學(xué)生證據(jù)推理素養(yǎng)提升的同時，傳授學(xué)生原子組成的知識，將素養(yǎng)目標(biāo)以及知識目標(biāo)進(jìn)行聯(lián)動。

最后，通過觀察以及練習(xí)的形式，學(xué)生巧妙地推出結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的關(guān)系，使得整體課程更加完整。在這個過程中學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力也得以體現(xiàn)，學(xué)生增長知識的同時，也建立了結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的模型認(rèn)知，從而為后面化學(xué)元素的學(xué)習(xí)做好鋪墊。

總之，本節(jié)課設(shè)置了三個活動，以此鍛煉學(xué)生的推理能力以及模型認(rèn)知的素養(yǎng)，向?qū)W生傳授了原子構(gòu)成以及原子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系的知識點(diǎn)，通過練習(xí)也巧妙地將“教、學(xué)、評”進(jìn)行了整合。同時給學(xué)生強(qiáng)調(diào)了推理以及模型建立的一般操作為“發(fā)現(xiàn)問題—模型修正—分析驗(yàn)證—創(chuàng)建新?！?，真正印證了教學(xué)不僅僅只是傳授知識，更重要的是教授能力，提高學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)。

（作者單位：江蘇省外國語學(xué)校）

（責(zé)任編輯 曉寒）