基于證據(jù)推理和模型認知的教學(xué)設(shè)計

儲海燕

一、課程標準、教材以及學(xué)生分析

1.課程標準和教材分析

《課程標準（2017版）》對原子結(jié)構(gòu)這一部分的內(nèi)容要求是：認識原子結(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)和實驗事實認識原子結(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，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。同時該版本的教材最顯明的特點是設(shè)置了“目標預(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粒子散射實驗初步證實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)的空間較大同時在核外作高速運動。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，知道計算相對原子質(zhì)量的標準是“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個質(zhì)子和6個中子。

二、教學(xué)目標

1. 了解人類認識原子結(jié)構(gòu)的歷史，培養(yǎng)嚴謹求實和崇尚真理的科學(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

學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)時，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)重點是借助人類對原子結(jié)構(gòu)認識的科學(xué)史實，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，我認為物質(zhì)是連續(xù)的，是可以永遠無限制的分割下去，你是永遠也得不到一個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。我認為宇宙萬物都是由小到看不見的一個個基本單位組成，每個單位都不生不滅，也不可分割，這個不可分割的微?？梢苑Q之為原子。

【設(shè)計意圖】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)”，它缺少實驗的支撐，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。

【設(shè)計意圖】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直觀的印象，也能夠使學(xué)生認識到模型建構(gòu)可以是指實物模型。

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。

【實驗再現(xiàn)】陰極射線管實驗。

【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，而遠離帶負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，討論電荷分布情況。

【設(shè)計意圖】1.利用19世紀末物理學(xué)三大發(fā)現(xiàn)的史料激起學(xué)生的認知沖突，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.利用陰極射線管實驗過程中產(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，促進學(xué)生加深對湯姆生原子結(jié)構(gòu)模型的認識。

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)生盧瑟福想通過實驗來驗證老師的理論，但卻有了驚人的發(fā)現(xiàn)。

【實驗再現(xiàn)】α粒子散射實驗。關(guān)鍵證據(jù)：1.當(dāng)α粒子流撞擊金箔時，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個質(zhì)子和2個中子構(gòu)成的氦核，帶有2個單位的正電荷。

【學(xué)生活動】1.討論α粒子散射實驗過程中的證據(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。

【補充史料】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)出兩個等量關(guān)系式;2.學(xué)習(xí)用的方式來表示一個原子，掌握核素、同位素、元素的概念及相互之間的關(guān)系。

【設(shè)計意圖】1.用α粒子散射實驗的史料激起學(xué)生的認知沖突，利用實驗過程中產(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，促進學(xué)生加深對盧瑟福“核式”原子結(jié)構(gòu)模型的認識。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動，其取決于發(fā)射時火箭給予它的能量。同時，由于能量損耗，軌道半徑會縮小，需要定期進行調(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，負電荷電子繞核運動會產(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。

【實驗再現(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，這兩個證據(jù)說明了什么問題？3.氫核外只有一個電子，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)計意圖】1.對比人造地球衛(wèi)星運動時能量損失會導(dǎo)致軌道半徑變小，而核外電子的運動是相對較穩(wěn)定的，激情學(xué)生的認知沖突;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動狀態(tài)的理解。

六、教學(xué)設(shè)計反思

本節(jié)課主要通過回顧人類對原子結(jié)認識的歷史，在認識的幾個關(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)重點是證據(jù)推理和模型認識的學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)，所以在整個設(shè)計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)生的認知深度;2.受限于課時的限制，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。）