基于科學(xué)史和模型建構(gòu)培養(yǎng)科學(xué)思維的教學(xué)實(shí)踐

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）指出，作為核心素養(yǎng)之一的科學(xué)思維是從科學(xué)的視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式。而作為科學(xué)思維主要內(nèi)容的模型建構(gòu)則體現(xiàn)在以經(jīng)驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ)，對客觀事物進(jìn)行抽象和概括，進(jìn)而建構(gòu)模型；運(yùn)用模型分析、解釋現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、關(guān)系及變化過程。

科學(xué)史中蘊(yùn)涵了豐富的科學(xué)元素，也是科學(xué)家進(jìn)行探究實(shí)踐的過程。在新課標(biāo)、學(xué)業(yè)要求和教學(xué)提示中多次提及科學(xué)史對學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展的重要性，引入科學(xué)史素材有助于學(xué)生體會(huì)科學(xué)的本質(zhì)。

一、教學(xué)分析

（一）教材分析

“原子結(jié)構(gòu)的模型”選自華師大版初中科學(xué)八年級上冊第六章第一節(jié)“構(gòu)成物質(zhì)的微粒”。之前學(xué)生都是在宏觀物質(zhì)世界進(jìn)行科學(xué)探究，從本節(jié)課開始進(jìn)入微觀世界探究，后續(xù)的元素、化學(xué)式、化合價(jià)等知識都需要本節(jié)知識作為基礎(chǔ)，因此本節(jié)內(nèi)容具有承上啟下的作用。

（二）學(xué)情分析

本節(jié)課授課對象是八年級學(xué)生，此前學(xué)生已掌握了宏觀物質(zhì)的基本研究方法，對科學(xué)探究、證據(jù)推理有一定的認(rèn)識，但對微觀世界認(rèn)知很有限，不知道用何種科學(xué)方法來探究，也不知道怎么直觀地認(rèn)識這些微粒。原子肉眼不可見，又很抽象，而初中生抽象思維正處于發(fā)展初期，對抽象知識缺乏想象力，對原子結(jié)構(gòu)的理解有一定的難度，對原子的結(jié)構(gòu)及發(fā)展史只能機(jī)械地記憶。

（三）教學(xué)目標(biāo)

1.科學(xué)觀念：了解原子結(jié)構(gòu)模型的發(fā)展過程及建立依據(jù)，知道α粒子散射實(shí)驗(yàn)及原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，認(rèn)識原子核的位置與特點(diǎn)。

2.科學(xué)思維：通過分析科學(xué)史獲取事實(shí)證據(jù)，進(jìn)行類比推理，評價(jià)并建構(gòu)原子模型，體驗(yàn)“證據(jù)—推理—建?！f明”的過程，初步應(yīng)用“由現(xiàn)象到本質(zhì)、宏觀與微觀相結(jié)合”的思維方法。

3.探究實(shí)踐：能用模型表達(dá)對原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，用模型解釋相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；利用材料自主建構(gòu)原子結(jié)構(gòu)模型，增強(qiáng)學(xué)生的體驗(yàn)感，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

4.態(tài)度責(zé)任：通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，培養(yǎng)學(xué)生的分析推理能力；經(jīng)歷建模過程，體會(huì)模型在科學(xué)研究中的重要作用；經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，增強(qiáng)對科學(xué)家的崇敬之情。

（四）設(shè)計(jì)思路

二、教學(xué)實(shí)施

（一）情境引入，激發(fā)興趣

播放新中國第一顆原子彈成功爆炸視頻，那小小原子為何有如此大的威力？今天讓我們對原子內(nèi)部一探究竟。

設(shè)計(jì)意圖：以震撼的原子彈爆炸視頻為素材，引發(fā)學(xué)生思考“原子內(nèi)部什么結(jié)構(gòu)會(huì)釋放出如此大的能量？”進(jìn)而把學(xué)生從熟悉的宏觀世界帶入到陌生的微觀世界，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入課堂。

（二）從感至理，科學(xué)伊始

師：2400年前，哲學(xué)家德謨克利特提出了最早的原子觀點(diǎn)：物質(zhì)可不斷分割，并將分割后的最小微粒命名為“原子”，他認(rèn)為“原子”是構(gòu)成所有物質(zhì)的基本單位，是最終無法細(xì)分的粒子。這是“原子”這個(gè)名稱的首次提出，不過由于當(dāng)時(shí)僅靠觀察，沒有實(shí)驗(yàn)支持，按照現(xiàn)代科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)來看這個(gè)觀點(diǎn)是有一定局限性的。

師：直到18世紀(jì)末，科學(xué)家道爾頓通過大量實(shí)驗(yàn)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)提出世界上第一個(gè)原子結(jié)構(gòu)模型。道爾頓原子實(shí)心球模型提出，將原子從哲學(xué)思考帶入到科學(xué)研究中，是一次大飛躍。

師：如果大家是當(dāng)時(shí)的其他科學(xué)家，你認(rèn)同道爾頓原子實(shí)心球觀點(diǎn)嗎？

生1：同意，因?yàn)楹芊袭?dāng)下人們的認(rèn)知。

生2：不同意，道爾頓實(shí)心球觀點(diǎn)只是他當(dāng)時(shí)的想法，我認(rèn)為原子沒這么簡單，只是當(dāng)時(shí)科技水平有限。

設(shè)計(jì)意圖：通過原子這一概念從哲學(xué)上到科學(xué)上的轉(zhuǎn)變，科學(xué)家們開始從實(shí)驗(yàn)中去尋找證據(jù)，從證據(jù)中進(jìn)行推理，建構(gòu)模型，引導(dǎo)學(xué)生從感性思維轉(zhuǎn)變成理性思維。受限于當(dāng)時(shí)科學(xué)水平，我們可以采取模型、設(shè)疑方法直觀揭示原子屬性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。

（三）深入對話，建構(gòu)模型

師：“原子理論之父”道爾頓的原子觀點(diǎn)，將人類研究視角從宏觀發(fā)展到微觀。此后近百年時(shí)間里，人們一直認(rèn)同實(shí)心球原子模型。直到有關(guān)陰極射線系列實(shí)驗(yàn)開展，湯姆生發(fā)現(xiàn)陰極射線是帶負(fù)電粒子流——電子。

活動(dòng)1：用塑料筆桿去靠近小紙屑，觀察現(xiàn)象。

活動(dòng)2：將筆桿在頭發(fā)上反復(fù)摩擦后，再靠近紙屑，描述現(xiàn)象并解釋。

學(xué)生發(fā)現(xiàn)活動(dòng)1基本都無明顯現(xiàn)象，活動(dòng)2大部分同學(xué)的紙屑都能被摩擦后的筆桿吸引。

師：請同學(xué)們利用“知識加油站”中的知識，嘗試著解釋該現(xiàn)象。

生：當(dāng)筆桿與頭發(fā)反復(fù)摩擦，會(huì)發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，筆桿會(huì)帶上一定量電荷，筆桿成了帶電體。當(dāng)它靠近輕小紙屑時(shí)，輕小紙屑會(huì)被帶電筆桿吸引。

師：通過活動(dòng)我們知道，電子是真實(shí)存在的，那道爾頓原子實(shí)心球觀點(diǎn)還成立嗎？

生：不成立，電子在原子內(nèi)部，原子可以再分。

師：原子中存在的電子有什么特征呢？比如，帶何種電荷？

生：電子帶負(fù)電。

師：若你是湯姆生，請對道爾頓原子結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行修正。

活動(dòng)3：如圖3所示，白色圓盤表示原子，不同顏色圓片表示正、負(fù)電荷，四人一小組，請?jiān)囍拚罓栴D實(shí)心球原子模型，并說明理由。

師：大家建構(gòu)模型是基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)提出的，而湯姆生也在發(fā)現(xiàn)電子后，提出了他的原子結(jié)構(gòu)模型。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生活動(dòng)1、活動(dòng)2“摩擦起電”讓學(xué)生感受到電子這種微觀粒子的存在，進(jìn)而推理出道爾頓原子模型的不足之處，并且基于證據(jù)和合理推斷，借助活動(dòng)3的載體進(jìn)行模型修正，呈現(xiàn)湯姆生原子結(jié)構(gòu)模型，讓他們體會(huì)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)問題、進(jìn)行推理和修正的過程。

（四）軌道量子，模型迭代

師：盧瑟福理論認(rèn)為，電子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)向外發(fā)射能量，運(yùn)動(dòng)軌道半徑將逐步縮小，最終掉落在原子核上，但當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)各類原子都是穩(wěn)定的，這使得人們需進(jìn)一步尋找新的證據(jù)。

玻爾用新實(shí)驗(yàn)改進(jìn)了盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)模型，認(rèn)為電子在原子核外空間一定軌道上分層繞原子核做高速圓周運(yùn)動(dòng)，并提出了原子分層模型。

查德威克發(fā)現(xiàn)了原子核內(nèi)有質(zhì)子和中子，薛定諤總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)提出電子云模型，夸克存在證明了質(zhì)子和中子還可再分……隨著科技的發(fā)展，科學(xué)家們不斷探索，原子結(jié)構(gòu)逐漸完善。

師：跟隨科學(xué)家的腳步我們探索了原子結(jié)構(gòu)，請同學(xué)們根據(jù)我們剛才的探究來探討下列問題，并用思維導(dǎo)圖的方式描述一下原子結(jié)構(gòu)及各微粒電性。

生：核電荷數(shù)=質(zhì)子數(shù)=電子數(shù)。

設(shè)計(jì)意圖：通過新證據(jù)的呈現(xiàn)，原子結(jié)構(gòu)模型在不斷被修正，了解最新原子結(jié)構(gòu)進(jìn)展，引導(dǎo)學(xué)生梳理原子結(jié)構(gòu)探索過程，建構(gòu)原子結(jié)構(gòu)模型及各微粒間關(guān)系，認(rèn)識科學(xué)的本質(zhì)。

（五）情境升華，領(lǐng)悟本質(zhì)

師：最后我們回到最初的問題。

師：小小原子釋放出巨大威力，與原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，我國原子彈的發(fā)明離不開科學(xué)家的不懈努力。從古到今，無數(shù)科學(xué)家前赴后繼地探索著原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而越來越完善的原子結(jié)構(gòu)，也正是科學(xué)在不斷發(fā)展的見證?？茖W(xué)家們根據(jù)新證據(jù)不斷質(zhì)疑并修正，推動(dòng)科學(xué)向前發(fā)展?？茖W(xué)家們堅(jiān)持不懈的探索精神，值得我們學(xué)習(xí)，希望未來同學(xué)們繼續(xù)去探索。

設(shè)計(jì)意圖：通過對模型發(fā)展過程進(jìn)行整理總結(jié)，體會(huì)模型在科學(xué)研究中的重要作用，讓學(xué)生深化對知識的理解。在質(zhì)疑中不斷推動(dòng)科學(xué)向前發(fā)展，增強(qiáng)學(xué)生對科學(xué)家的崇敬之情，領(lǐng)悟科學(xué)的本質(zhì)。

三、教學(xué)反思

本節(jié)課于下午完成課堂授課，在研討活動(dòng)后已完成二次備課。課堂教學(xué)效果還是比較顯著的，主要有以下三點(diǎn)：

1.學(xué)生對科學(xué)史的學(xué)習(xí)興趣變得濃厚。比起課本上陳述性知識，學(xué)生對歷史上各類科學(xué)實(shí)驗(yàn)更加好奇，代入自己“科學(xué)家”的身份，利用新證據(jù)經(jīng)歷修正提出新模型的過程，大大提高了學(xué)生對學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，提升了學(xué)習(xí)效果。

2.學(xué)生的科學(xué)建模思維得到充分培養(yǎng)。在每個(gè)階段有新證據(jù)出現(xiàn)時(shí)，通過評價(jià)交流、模型簡圖、思維導(dǎo)圖等方式加強(qiáng)思維外顯，增強(qiáng)推理論證能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

3.學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神逐漸養(yǎng)成。學(xué)生通過親歷科學(xué)史的方式，真切認(rèn)識到科學(xué)發(fā)展十分漫長，在探究過程中會(huì)有很多質(zhì)疑，而恰恰在質(zhì)疑中，真理才能出現(xiàn)。

作為授課者，這節(jié)課仍然有待改進(jìn)，如在探索原子核時(shí)，若能以真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來呈現(xiàn)而非Flash動(dòng)畫則更有助于學(xué)生理解；應(yīng)多用宏觀物質(zhì)通過類比來增加微觀理解。在今后教學(xué)中，筆者將不斷積累經(jīng)驗(yàn)，提升自我。