基于證據推理和模型建構的初中化學教學

楊慧

摘要：? 證據推理和模型建構是科學思維的重要組成部分。以“原子結構模型的演變”為例，引導學生探索原子結構發現史，通過提取證據、推理分析、制作模型、評價修正等環節，三次建構原子結構模型，初步形成宏觀與微觀、直接與間接相結合的認識物質組成結構的思路與方法，提高基于實驗事實進行證據推理、模型建構的能力，著力發展科學思維與核心素養。

關鍵詞：? 初中化學； 證據推理； 模型建構； 原子結構； 教學設計

文章編號： 1005-6629（2024）05-0055-06

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

化學是研究物質的組成、結構、性質、轉化以及應用的一門基礎學科。原子、分子等微觀粒子不可直接觀察，物質性質及其反應變化規律十分抽象，所以需要根據實際情況，使用分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建構模型以解釋和認識物質結構、性質和變化規律［1］。

“原子結構模型的演變”是《義務教育化學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）學習主題3“物質的組成與結構”下的核心知識，其中“3.3認識物質的組成與結構的思路與方法”部分強調了實驗、想象、推理、假說、模型等探索物質結構的方法［2］。“原子結構模型的演變”主題中原子結構的確立歷經理論探討、實驗探究、模型確立三個階段［3］，科學家在依托假說建構模型、基于證據修正模型的過程中充分展現了研究物質結構的思路與方法，學生能從中發展基于實驗事實進行證據推理、模型建構的思維能力，培養質疑能力和批判能力。

1? 教學主題內容與教學現狀分析

1.1? “原子結構模型的演變”教學內容分析

“原子結構模型的演變”是山東教育出版社出版的《化學》九年級上冊第二單元第三節“原子的構成”的內容［4］。新課標在“物質的組成與結構”主題下提出了原子學習的具體要求：（1）認識原子是由原子核和核外電子構成的；（2）通過科學史體會科學家探索物質的組成與結構的智慧，知道可以通過實驗、想象、推理、假說、模型等方法探索物質的結構；（3）了解人類對物質的組成與結構的探索是不斷發展的，以及研究物質的組成與結構對認識和創造物質的重要意義，發展科學探究的好奇心、想象力與創新精神，初步養成嚴謹求實的科學態度。本節內容主要介紹了原子的內部結構和原子構成的規律，主要包括α粒子轟擊金箔實驗的現象和結論，原子的內部結構和各微粒的帶電情況，以及幾種常見原子的基本構成。原子結構的學習，能夠引領學生用發展的觀點認識原子的構成，幫助學生初步建立物質是有結構的、結構是有層次的等化學基本觀念。同時，學生需要通過分析實驗證據和數據證據，建構原子結構的模型，有助于初步形成認識物質微觀世界的角度和方法，發展基于證據進行推理和建構模型的核心素養。

1.2? 教學現狀分析

1.2.1? 文獻分析

已有研究對“原子的構成”教學的探索與實踐主要從三個角度展開：（1）基于化學史進行教學設計。通過講化學史故事，幫助學生更好地理解、接受和表征電子、原子核、質子、中子等微粒，揭示知識背后所蘊含的科學思想與科學方法，使學生在獲得知識的同時，領悟科學精神，全面提高科學素養［5］。（2）基于“游戲化”進行教學設計。利用游戲的反饋系統制定游戲規則，完成目標教學，吸引學生自愿參與到課堂游戲中去主動學習［6］。（3）基于模型建構進行教學設計。通過對實驗或教具演示結果分析和動手制作模型，激發學生的興趣，明確科學探究的要素，學習科學探究的方法，促進學生深度理解模型的建構過程［7］。雖然已有研究對“原子的構成”這一主題探索較多，但仍然存在以下幾個問題：一是教師多著眼于具體原子結構模型的認知和制作，對科學史中重要的實驗證據利用不夠充分，學生難以從中發展證據推理、模型建構的能力；二是原子結構發現史的呈現方式比較單一，多以教師講述為主，學生感受不深，而且教學中忽略了科學技術發展對原子結構發現的重要推動作用，不利于學生形成運用工程技術手段解決真實問題的意識。

1.2.2? 學情分析

學生經過前面對水分子的運動和變化的學習，已初步確立了認識物質的宏觀元素視角和微觀分子視角，認識了元素概念與原子概念之間的關聯，體會了探索物質組成的學科思維方式，但對于原子的內部結構及其研究方法知之甚少；初中學生的抽象思維能力雖然有一定的發展，但未達到較高水平，同時微觀粒子是不可見的，科學家的重要實驗也難以在課堂上復制，這導致學生對原子結構的學習多以被動接受、機械記憶為主，很容易出現知識的遺忘和混淆，他們也難以從中感受到“不可再分”不是一成不變的，而是隨著化學實驗手段的進步而不斷發展的化學科學本質。

2? 教學思想與創新點

基于實驗事實進行證據推理、模型建構是初中化學學科核心素養“科學思維”的重要組成部分，是研究物質及其變化規律的重要思路與方法。化學學習的過程需要學生運用已有模型提出問題，設計方案和實驗，收集證據并分析證據，從而完善模型，并再次運用模型產生新的問題，這是一個螺旋上升的過程。本文以原子結構模型的演變歷程為主線，學生通過閱讀電子書、觀看視頻、軟件模擬等多種途徑搜集信息，在深入分析實驗證據的基礎上，利用橡皮泥連續制作道爾頓的實心球模型、湯姆森的葡萄干蛋糕模型以及盧瑟福的行星模型，在建構模型、評價模型、修正模型的過程中，認識原子的構成，學習利用實驗、想象、假說、模型等探索物質的組成與結構的思維方法，逐步形成宏觀與微觀、直接與間接相結合認識物質的思路方法。

3? 教學目標

（1） 通過網絡搜索、電子書查閱等多種形式了解原子結構發現史，分析原子發現過程中經歷的重要實驗，理解原子的內部結構，初步形成宏微結合認識物質的雙重視角，同時在信息搜索和篩選加工的過程中發展信息意識。

（2） 利用橡皮泥動手制作原子結構模型，在建構模型、評價模型、修正模型的過程中，發展證據推理、模型建構的能力，形成利用實驗、想象、假說、模型等探索物質的組成與結構的思維方法，感受科學理論曲折發展、“繼承-創新”的發展規律，初步感知科學本質，逐步形成嚴謹求實、大膽質疑的科學精神。

（3） 通過回溯原子結構的發現歷程，了解科學技術的更新迭代，感受技術進步與科學發展的相互促進作用，初步形成直接和間接相結合的認識物質的思路，發展綜合運用化學、技術、工程知識解決問題的能力。

（4） 通過討論原子理論在現代社會的應用，體會研究原子的重要價值，從原子是構成物質的基本單元延伸到個人是構成社會的基本單元，樹立強國有我的信念。

4? 教學流程

確立本課時的教學流程如圖1所示。

5? 教學過程

5.1? 釋古文，探奧秘

［創設情境］從古至今，人類從未停止對物質構成奧秘的探索。早在西周時期，物質可以被不斷分割的思想就開始萌芽，我們從造字中就能窺得一二。比如說“小”字，就是把一個東西不斷分成兩半的意思。墨家思想中的“端”就是墨子認為的無可分割的最原始的東西。無獨有偶，幾乎是在同時期的古希臘，哲學家德謨克利特也提出了類似的觀點，并將這最小的部分稱為原子。不過這個時期，人類既不懂得如何進行科學實驗，也缺少必要的觀測工具，對物質組成的認識大多來自于想象。

設計意圖：了解古代東西方對物質構成奧秘的探索，用辯證的觀點認識樸素原子論的萌芽，逐步形成辯證唯物主義世界觀。

5.2? 觀史實，揭真相

5.2.1? 初探原子模型

［提出問題］你想象中的原子是什么樣子？請用橡皮泥做一做。

［學生活動］小組合作，用橡皮泥制作原子結構模型（學生作品見圖2）。

［任務布置］同學們的觀點與科學家道爾頓不謀而合，18世紀中后期，道爾頓首次提出了科學的原子論。請大家用Pad上網搜索道爾頓原子論的相關資料，總結整理后小組匯報。

［學生活動］網絡搜索篩選信息，提煉道爾頓原子論的主要觀點并進行匯報。

5.2.2? 再探原子模型

［提出問題］1897年，有一位叫湯姆森的科學家做了一個實驗，對此說法提出了疑問：原子真的不能再分嗎？請大家打開Pad中的電子書，查閱湯姆森的相關資料，小組討論：湯姆森的實驗和道爾頓的實心球模型有無沖突？你還可以獲得哪些信息和結論？

［學生活動］閱讀電子書中湯姆森的生平簡介和陰極射線實驗的文字資料，觀看陰極射線實驗視頻。

［任務布置］請小組合作，共同制作一個新的原子模型。

［學生活動］小組合作，二次制作原子結構模型（學生作品見圖3、圖4）。

［教師評價］同學們已經初步掌握了模型建構的方法，個別小組做得還不太理想，請繼續修正。（PPT展示湯姆森的葡萄干蛋糕模型）這是湯姆森建構的葡萄干蛋糕模型，他認為：電子均勻地分布在正電荷的液體中，就像許多軟木塞浸在一盆水里一樣。

5.2.3? 三探原子模型

［提出問題］湯姆森的學生盧瑟福，通過大量實驗，在原子可分的基礎又提出了一個新的問題：原子的內部結構是什么樣的？大家了解一下這個實驗，并嘗試用簡明的語言描述實驗現象。

［學生活動］觀看α粒子轟擊金箔實驗，描述實驗現象。

［教師］湯姆森提出的原子結構模型是否合理？原子的內部結構是什么樣的呢？請你帶著問題，打開Pad上的軟件模擬一下這個實驗。

［學生活動］用網絡軟件模擬α粒子轟擊金箔實驗（圖略），思考、討論回答問題。

［任務布置］請大家根據剛剛獲得的信息，再制作一個原子模型。

［學生活動］小組合作，三次制作原子結構模型，并進行模型的分享和評價（學生作品見圖5）。

［教師評價］同學們現在不僅能夠制作比較準確的模型，還能多角度地評價模型。盧瑟福受太陽系模型的啟發，提出了新的原子模型，這個模型被后人稱為“行星模型”（PPT展示盧瑟福的行星模型）。

［提出問題］我們用了短短幾十分鐘，經歷了三次模型建構，這個過程其實濃縮了原子結構發現史中的百年光陰，同學們，你從科學家身上學到了什么？

［學生1］我們要重視科學實驗，大膽地假設，不斷地驗證。

［學生2］我們要學習科學家勇于探索、追求真理的科學精神。

［教師總結］是的，同學們不僅學到了科學探究的方法，還領悟了科學家們的精神，真的是受益匪淺。

5.2.4? 質子與中子的發現，完善原子結構模型

［提供信息］盧瑟福采用α粒子轟擊氮原子核的實驗，打出了一種帶正電的微粒，他發現這種粒子與氫原子核是一樣的，經大量試驗，他確信原子核中有一種帶正電的粒子，并將它命名為質子。同時，通過定量測算，他預言原子核中還應該有一種中性的粒子。最終，英國的查德威克證實了中子的存在。

［提出問題］你能描述一下原子的結構嗎？那這些粒子的帶電情況呢？

［學生齊答］原子包含原子核和核外電子，原子核包含質子和中子。質子顯正電，中子不顯電性，原子核顯正電，電子顯負電，原子不顯電性。

［追問］那質子和中子能不能再分了？

［學生齊答］夸克。

［追問］夸克就是構成物質最基本的粒子了嗎？

［學生］有人說是，有人說不是。

［教師］這就需要大家今后去揭曉答案了。

設計意圖：學生跟隨科學家們的研究歷程三建原子結構模型，借助網絡和電子書，充分提取化學史中的實驗證據，提升基于實驗事實提出假設、建構模型的能力，總結歸納科學探究的方法，領會科學家精神，體悟人類對物質組成、結構奧秘的探索是永無止境的。

5.3? 看今朝，展未來

5.3.1? 直接認識原子：掃描隧道顯微鏡

［任務布置］因為原子太小，肉眼不可見，因此科學家主要通過建構模型的方法來研究，人們一直渴望能夠通過儀器觀測到原子。終于，這個夢想由掃描隧道顯微鏡技術實現了。請同學們打開電子書，了解一下掃描隧道顯微鏡對于認識原子的幫助。

［學生活動］閱讀掃描隧道顯微鏡的資料，提取信息。

5.3.2? 間接認識原子：打靶轟擊

［提供信息］除了通過掃描隧道顯微鏡直接地認識原子，現代科學家們仍然會采用“打靶”“轟擊”的方式來間接地認識原子，我國自主研發的散裂中子源就是利用這一原理設計的。這是世界第三大散裂中子源裝置，通過發散大量的中子可以直接探查原子核的內部結構。原子的研究不僅豐富了科學理論，更促進了社會的進步，提高了人類的生活水平。比如，散裂中子源技術已經運用到了檢測高鐵和飛機的安全性，以及治療癌癥等方方面面，是當之無愧的國之重器！

5.3.3? 應用原子

［提出問題］你還知道原子技術的哪些應用？

［學生1］核能發電。

［學生2］醫院里核磁共振檢測身體的疾病。

［教師］泡椒鳳爪和果脯制作過程中大多經過了電子束等射線的輻照殺菌，其實原子的應用就在我們身邊。你對未來應用原子造福人類還有哪些暢想？

［學生3］未來核能可以作為新能源代替化石燃料，節約資源，保護環境。

［學生4］醫療上將有更好的設備更清楚地看到人體的內部結構，幫助醫生更準確地判斷病情。

設計意圖：了解原子理論技術在生活生產中的應用，體會科學、技術、社會、環境之間的相互關系，以及化學對提高人們生活水平、促進社會可持續發展作出的重大貢獻。

5.4? 反思與評價

［提出問題］今天我們身臨其境，重溫原子結構發現的過程，到了20世紀20年代，科學家們提出了原子結構的電子云模型。隨著觀測技術的不斷發展，人們對原子結構的猜想也逐漸被證實（PPT展示顯微鏡更新換代的圖片）。模型的演變與科學技術的發展之間相互促進、相輔相成，使人類對物質世界的認識越來越準確，越來越深入。經過這節課的學習，你有什么收獲呢？

［學生活動］暢談收獲。

［提煉認識思路］我們認識物質要兼顧宏觀和微觀兩個視角，具備直接認識和間接認識兩種思路。掌握了認識物質的角度和思路（見圖6），就等同于擁有了一把打開“認識世界”的金鑰匙。如果說原子是物質構成的基本單元，那對于社會來講，我們每一個人就是組成社會的一個基本單元。愿我們每位同學都能用好這把金鑰匙，堅持對真理的追求，開啟科學探究的大門，對社會的文明與進步，盡自己應有的力量。

［任務布置］下面請大家打開Pad，掃描桌面上的二維碼進入評價量表（見表1）對今天的學習進行自評。

［學生活動］掃碼進入評價量表進行自評。

［教師總結］根據評價反饋結果，指出未來的努力方向。

維度評價等級

合格良好優秀

認識原子信息提取能利用網絡進行有效的檢索；能從Pad資源包中獲取與問題相關的信息。能提取關鍵詞利用網絡進行高效的檢索；能從Pad資源包中獲取與問題相關的信息，并進行簡單的總結歸納，凝練成簡潔語言表達出來。能提取關鍵詞利用網絡進行高效的檢索；能從Pad資源包中獲取與問題相關的信息，并結合自己的思考，對信息進行推理論證、總結歸納，邏輯清楚、簡潔明了地表達出來。

小組合作能主動地參與小組討論；能參與模型制作的過程。能主動地參與小組討論，聽取別人的意見，積極尋找解決問題的方法；全程參與模型制作的過程。能主動地參與小組討論，對別人的意見，作出回應性的思考，能提出解決問題的方法；全程參與模型制作的過程，并給出指導性意見。

模型建構能夠根據實驗事實，建構原子模型。能夠分析實驗現象，對原子結構進行合理的推理，制作較為準確的原子模型；能夠評價別人的原子模型。能夠分析實驗現象，對原子結構進行合理的推理，制作較為準確的原子模型，并對制作的模型進行科學論證；能夠多角度評價別人的原子模型，給出合理的修正意見。

設計意圖：回顧總結整節課的學習，明確模型演變與技術發展之間的關系，形成認識物質的角度和思路，領悟科學發展的本質特征。借助評價量表從多個角度公正客觀地評價自己的表現，通過反思提升學習能力。

6? 教學反思

6.1? 追溯原子結構發展歷程，挖掘內容價值，形成認識思路

原子結構發現史中含有豐富的科學證據，滲透了人類認識世界的智慧與方法。學生在本節課中回溯原子結構發現的歷程，了解了既可以通過打靶轟擊的方式間接認識原子，又可以借助掃描隧道顯微鏡直接觀測原子，初步形成了直接與間接相結合認識物質的思路方法。通過對原子結構的深入學習，學生還初步形成了宏觀與微觀相結合探究物質的認識方式，科學思維得到了充分的發展。

6.2? 動手制作原子結構模型，依托原子模型，發展證據意識

紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。學生在制作模型之前已經對實驗證據進行了充分的論證分析，但在制作原子結構模型時仍然會出現各種問題，這說明學生還沒有建立起證據與模型之間的邏輯關系。教師應在制作模型后引領學生基于實驗證據評價模型，并借助模型去解釋實驗事實，在提升建構模型能力的同時，提高他們應用證據、解釋證據的能力，發展學生的證據意識。

6.3? 綜合運用信息科技手段，提高課堂效率，激發學習興趣

本節課實現了信息科技與化學學習的融合，突破了微觀粒子教學內容抽象、學生興趣不足的難關。學生是學習的主體，教師要創造各種條件，盡可能地發揮青少年學生的主體精神，給學生在學習中更多的自由和選擇［8］。本節課，學生借助Pad完成了資料搜索、模擬實驗、問卷反饋等多個學習任務，在滿足學生個性化學習需求的同時，大大提高了課堂的效率，這種新穎的學習方式激發了學生主動學習的熱情，讓他們始終興味盎然，沉浸其中，留下難忘的記憶。

參考文獻：

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［3］張霄， 馬薇， 吳晗清. “原子結構發現史”中科學要素剖析及教學反思［J］. 化學教學， 2016， （4）： 33～36.

［4］畢華林， 盧巍主編. 義務教育教科書·化學（九年級上冊）［M］. 濟南： 山東教育出版社， 2023： 36～38.

［5］國平. 基于化學史的微觀表征教學策略研究——以“原子的構成”教學為例［J］. 化學教育（中英文）， 2015， 36（7）： 20～25.

［6］陳瀅潔， 鄭柳萍. 利用游戲化教學促進“微粒觀”建構——以“原子的結構”第一課時為例［J］. 化學教育（中英文）， 2022， 43（1）： 58～62.

［7］陳俏， 耿雁冰， 王心怡， 姚燕娟. 增進化學科學本質理解的教學設計——以“原子的結構”為例［J］. 化學教學， 2023， （4）： 58～63， 73.

［8］續潤華， 孔敏. 現代教育理論視野下的學生觀探析［J］. 教學與管理（中學版）， 2011，（5）： 28～29.