利用化學史發展學生模型認知能力的實踐研究

王東 朱韶紅

摘要：以“原子的結構”一課為例，對教學中利用化學史發展學生的模型認知能力的問題展開研究。以化學史為教學情境和線索，設計四階段的模型建構過程，搭建“問題鏈、活動鏈、素養鏈”三位一體的教學框架，實踐反思后提出三個觀點：史料選擇要合理化；建模評價要多樣化；素養生長要具身化。

關鍵詞：化學史；模型認知；模型建構；原子的結構；教學設計

文章編號：1008-0546（2021）11-0002-05中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.11.001

化學是研究物質的組成、結構、性質和變化規律的科學。在化學發展的歷史長河中，化學家們運用模型法詮釋事實、模擬結構、預測性質，并且通過實證的方法不斷修正模型。從這個角度看，一部化學史就是各類化學模型的發展歷史。在新一輪指向核心素養的課程改革背景下，在教學中利用化學史發展學生的模型認知能力，是一個值得研究的方向。所謂“模型認知”就是運用模型去解釋現象、預測可能的性質或做出推斷的思維過程。理解和建構模型是模型認知的前提[1]。原子結構模型，是化學學科的重要模型之一，具有極強的應用和遷移價值。筆者嘗試以化學史為教學線索幫助學生建構這一模型，了解模型的來龍去脈，認識和理解其中蘊含的學科方法和思想，發展學生的模型認知能力。

一、化學史料分析

化學史上，對原子結構的認識經歷了漫長的歷程（見圖1），從古代先賢哲學思辨中的原子到近代道爾頓的原子實心球模型，再到現代薛定諤的電子云模型，其中出現了多個原子結構模型，這些模型都能解釋特定的現象，但也有局限性。而對局限性的突破，促成模型的不斷演變，使人們對原子結構的認識逐漸深化，也更加科學。例如盧瑟福的行星模型解釋了“α粒子散射”實驗的現象，但無法解釋電子穩定性的問題，而玻爾的量子化軌道模型則解決了這個問題，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驗證據和邏輯推理的，這正是培養學生證據推理能力的絕佳素材，同時模型的演變過程也是理性批判、求真創新等科學精神的體現。

二、學情分析和教學目標

1.學情分析

“原子的結構”是人教版九年級化學上冊第三單元課題2的內容，它在第三單元課題1“分子和原子”提出物質是由微觀粒子構成的基礎上，對物質構成的奧秘（如原子的構成、離子等）進行深入學習。故它在教材中起著承前啟后的作用，一方面鞏固學生已學分子、原子的概念，使他們理解物質的可分性。另一方面為后續元素、化合價的學習打下基礎。

2.教學目標

以化學史實為情境主線，運用討論、想象、推理、歸納的方法幫助學生建構原子結構模型，知道原子是由質子、中子和電子構成且電子是分層運動的，理解原子不顯電性的原因，初步了解核外電子排布規律，發展學生的“證據推理”和“模型認知”素養，培養嚴謹求實、敢于質疑、勇于創新的科學精神。

三、教學設計和教學流程

1.模型建構的設計

模型是對事物及其現象本質特征的一種概括，它具有解釋、預測、推斷的功能[2]。而一旦模型與科學事實發生沖突時，人們又會尋找新的模型來解釋客觀事實[3]。這是模型得以建構和發展的動因。原子結構模型的演變也是如此，因此教師要引導學生梳理各原子模型的來龍去脈，討論新舊模型的關系、已解決和未解決的問題，關注科學事實（經典實驗）的發現過程，認識到實證、推理、批判、創新等對科學研究的重要性。鑒于此，結合教學目標，本節課分為四個階段，即模型定向、模型初構、模型深化、模型修正，模型定向階段主要是澄清問題導向，即“原子是不可分割的實心球體嗎？”；模型初構階段是利用化學史上系列經典實驗認識構成原子的粒子，初步架構并表征模型；模型深化階段則是利用已知的原子模型對原子的電中性作出推斷，加深對模型的理解；模型修正階段則是通過質疑太陽系模型，引出電子的分層排布，重建發展模型。每個階段所采用的素材和達成的知識目標見圖2。

2.教學流程

教學流程以“問題鏈”“活動鏈”“素養鏈”為框架（見圖3），通過問題鏈使思維可視化，驅動學生的學習活動；通過活動鏈幫助學生建構知識的意義理解，發展學生的學科核心素養[4]；通過素養鏈使課堂教學的關注點和落腳點始終在學科核心素養。三鏈環環相扣，促進教學目標的達成。

四、教學實錄和活動評價

1.模型定向

【情境】圖片展示從太空俯瞰地球，物質不斷再分，從宏觀到微觀，最后出現原子。

師：通過前面的學習，同學們對原子有了哪些認識？

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

師：那么古人是如何認識原子的呢？

【史料】公元前5世紀，中國的墨子曾提出過物質微粒說，他稱物質的微粒為“端”，意思是不能再被分割的質點。

公元前約400年，希臘哲學家德謨克利特提出：宇宙萬物皆由極微小的、硬的、不可穿透的、不可分割的粒子組成，即原子。

19世紀初，英國科學家道爾頓提出近代原子說，他認為原子是微小的不可分割的實心球體。

師：原子真的是不可分割的實心球體嗎？

活動評價：學生觀察系列動態圖片，由宏觀到微觀，直觀感受到物質的可分性。學生回憶原子的知識，溫故知新，便于定位學生的最近發展區。原子史料的呈現，一是凸顯課題的重要性和歷史感，二是定位課堂教學的切入點，即原子真的是不可分割的實心球體嗎？

2.模型初構

【活動】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一會，將塑料尺靠近碎紙堆，你能看到什么現象？

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】陰極射線實驗，陰極射線在磁場中向正極偏轉。

師：陰極射線為什么偏轉？

生：陰極射線的粒子帶負電，被正極吸引。

師：1897年，湯姆生利用“陰極射線”實驗發現了電子，電子帶負電。現在同學們能否解釋摩擦起電？

生：摩擦過程中，電子發生轉移，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，是人類認識原子結構的一大進步。據此，湯姆生提出了原子的“棗糕”模型。

【史料】棗糕模型：原子是一個球體；正電荷均勻分布在整個球內，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，如果你是名科學家，你想研究哪些問題？

生：原子像棗糕，也就是說它還是實心的球體？正電荷是什么？它是均勻分布的嗎？

師：要研究這些問題，必須通過實驗尋求證據，對于微小的原子，如何設計實驗呢？科學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）實驗，1911年，盧瑟福用一束平行的α粒子（帶正電荷）轟擊金箔時，發現了三種實驗現象：大多數α粒子不改變原來的運動方向；一小部分α粒子發生了偏轉；極少數的α粒子被彈了回來。

師：為什么α粒子轟擊金箔后會出現三種不同的現象？

【活動】小組討論

生：原子不是實心的，內部有相對廣大的空間，所以大多數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粒子靠近時發生偏轉；原子核的體積很小，只有極少數的α粒子能撞到而被彈回。

師：請同學們想象，如把原子比作體育場，原子核只相當于草坪上的一只螞蟻，電子在核外的廣大空間作高速的運動。

【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：請同學們歸納并描繪模型。

生：原子是由原子核和核外電子構成，電子在核外作高速運動，原子核由質子和中子構成。

活動評價：以化學史上原子結構的發現歷程為教學主線，選擇了三個典型實驗，即摩擦起電實驗、陰極射線管實驗、α粒子散射實驗，讓學生經歷科學研究的過程，培養證據意識，體驗科學精神，由淺入深，由表象到本質，初步構建原子模型，形成相對正確的認識。

3.模型深化

資料：每個電子帶一個單位負電荷，每個質子帶一個單位正電荷，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】小組討論。

生：原子核帶正電是因為里面的質子帶正電，那么核電荷數應等于質子數，而質子數應與電子數相等，這樣正負總電荷相等并抵消，使整個原子不顯電性，即核電荷數=質子數=核外電子數。

師：質子數等于電子數，那么質子數與中子數有沒有必然關系呢？

【活動】觀察書本圖表中幾種原子的結構數據

生：有些原子的質子數與中子數相等，有些則不等，兩者無必然關系。

4.模型修正

【史料】盧瑟福的原子太陽系模型，電子像行星繞太陽一樣圍繞原子核運動。

師：這種原子結構模型是否有缺陷？

生：原子核帶正電，電子帶負電，電子會被吸引，能量逐漸消耗，電子最終會落到原子核上，造成原子塌縮。

師：針對這個問題，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動，并且不輻射能量也不吸收能量，解決了原子結構穩定性的問題。

師：隨著科技的發展，人們對原子的認識不斷修正。科學家發現電子的運動是沒有固定軌道的，只會在一定區域內經常出現，形成了類似“云狀”的圖像。

【史料】薛定諤的電子云模型。

師：我們將電子經常出現的區域稱之為電子層，核外電子是分層運動（排布）的，可用原子結構示意圖表示，請同學們觀察氫原子的結構示意圖，了解各部分的意義。

師：請同學們觀察1～18號元素的原子結構示意圖，你能找出核外電子排布的規律嗎？

【活動】小組討論。

生：電子先排內層，再排外層；第一層最多排2個電子；第二層最多排8個電子；最外層不超過8個電子。

【活動】請根據核外電子排布規律，畫出氧原子、鎂原子、氯原子的結構示意圖。

【史料】1964年，美國科學家蓋爾曼設計了夸克模型，提出質子、中子由更小的夸克構成。

1968年，美國斯坦福線性加速器中心利用深度非彈性散射實驗證實夸克的存在。

人類對原子結構的研究還在不斷深入中……

師：同學們，通過本節課的學習，你們對科學研究和科學精神有哪些感悟？

【活動】小組討論，代表發言，教師點評。

師：研究原子結構的意義。

哲學意義：研究原子的結構，揭示了物質存在的本質，進一步證明物質世界是客觀存在的。

科學意義：研究原子的結構，進一步認識物質的結構，掌握其中的規律，可根據實際需要改造物質甚至創造物質。

應用意義：核能的利用，有助于解決能源危機問題；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生的各種射線治療腫瘤等等。

活動評價：模型是一種假說，一種解釋，是用來解釋客觀事實的，因此隨著新證據的出現，模型必然不斷被修正。故此，通過對盧瑟福原子太陽系模型的質疑反思，引出核外電子分層排布的教學，并拓展電子云模型和夸克等知識，幫助學生進一步完善原子結構模型。最后，學生談感悟，教師談應用，則是從學科素養和學科價值層面對本課題意義的提煉升華。

五、教學反思

1.史料選擇要合理化

化學史料的運用給課堂營造了一種歷史情境，能讓學生像化學家一樣進行探索和研究。但相關史料不能一股腦地呈現給學生，信息過多反而干擾學習。教師應根據課標和教材要求，結合學生的認知基礎和素養需求，進行合理的篩選，要做到重點突出、主次分明。如本課就重點引用“棗糕”模型、“行星”模型、“量子化軌道”模型及相關實驗資料，其他史料則簡略介紹。但實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，由于課時限制無法展開，造成學生一知半解，可采用課后拓展性閱讀的方式，滿足學生的需求。

2.建模評價要多樣化

本節課通過問題鏈引導學生的思維活動，在不斷的“提問—點評”中評價學生的建模狀況，以評促教、以評促學。課后，也布置一些習題來反饋評估學生知識的掌握程度。但本節課的要旨是幫助學生建構原子模型，學生頭腦中形成的原子是什么樣的？一千個讀者就有一千個哈姆雷特，如何讓學生個性化的原子模型表現出來？這絕非幾道習題能做到的，而應通過表現性任務來實現，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等。另外原子結構的認識史承載著大量科學和人文意蘊，可布置學生用思維導圖的方式來展現這段歷史，加深學生的感受。評價此類任務時教師要堅持科學性，更要尊重學生的主體性，在沒有科學性錯誤的前提上，對學生的個性化作品予以鼓勵和贊揚。

3.素養生長要具身化

學科核心素養要內化為學生的思維、意識和觀念，需要學生經歷科學探究的過程，在具身化的實驗、觀察、推理、反思中感悟、積淀。微觀的原子無法感知，中學也缺乏相應的實驗條件。如何拉近原子與學生的距離，讓學生進行具身化的學習？本課以化學史料為情境和線索讓學生經歷科學研究的過程，雖然取得了一定的效果，但僅靠文字和圖片來再現實驗或描述模型是遠遠不夠的，那么多媒體技術可以是努力的方向。如制作視頻或動畫來展現實驗，或者利用VR技術模擬各原子模型等，給學生身臨其境之感。

參考文獻

[1][2]畢華林.對高中化學學科核心素養的認識和理解[J].化學教學，2021（1）：3-9

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

[4]王東，朱韶紅.基于化學學科核心素養的單元教學設計的研究[J].化學教與學，2020（11）：30-33+56