激发兴趣 体验真实 探索未来——以“人类对原子结构的认识”（第一课时）教学为例

杨志杰　杭伟华

（浙江省湖州五中　浙江湖州　313100；浙江省长兴中学　浙江长兴　313100)



激发兴趣体验真实探索未来
——以“人类对原子结构的认识”（第一课时）教学为例

杨志杰杭伟华

（浙江省湖州五中浙江湖州313100；浙江省长兴中学浙江长兴313100)

摘要：本节课的教学设计打破课本素材的局限，先用极具视觉冲击力的“从10亿光年到0.1飞米”系列图片引入，来激发学生学习兴趣。再通过丰富的史料，将课本中呈现的几次对于原子结构认识的重大突破串联起来，展现从“积累”到“突破”的科学发展过程，形成因果关系较为完整的“通史”，体现量变到质变的哲学思想，使学生能更为真实的体验科学发展的规律。最后以电子云模型引出“高深”的量子力学问题，提供学生探索未来的动力。这样的设计充分调动了学生的学习积极性，并取得了理想的教学效果。

关键词：激发；体验；实验；模型；探索

一、教材分析

本课的教学内容位于苏教版普通高中《化学1》专题一的第三单元。学生经过前两单元的学习，已经认识到了化学世界物质的精彩纷呈，了解到了研究物质的实验方法的多种多样。这一单元主要通过化学史的引入把学生带入化学的微观世界，让学生初步了解有关原子结构的知识，但系统介绍原子核外电子排布和元素周期表则在《化学2》中呈现。这样编排不仅有助于学生在后三个专题的学习中能从原子结构的有关知识角度认识某些元素的化学性质和氧化还原反应等概念，而且体现了知识结构的循序渐进和螺旋式上升的特点。

这一课时的常规教学中，大部分老师运用的素材基本局限于课本上的道尔顿、汤姆生、卢瑟福和玻尔这四位具有“突破”性贡献的科学家，并以介绍他们的原子结构模型为课堂的主要内容。

虽然这样设计也能完成教学要求，但在这样的课堂中，学生可能会出现一系列的疑问：这些模型是在什么样的背景下提出的？为什么科学家会做这些实验？是他们突然想出来的，还是受到别人的启发？原子结构模型的发展过程中其他科学家是否也有贡献……

因此，常规设计中，素材缺少“血肉”，难以激发学生对“微观世界”的学习兴趣。同时也缺乏“逻辑性”，学生只知其然不知其所以然，不利于对知识的理解和掌握。

二、设计思路

针对以上问题，本节课我对教材进行了特殊处理。先通过幻灯片播放名为“从10亿光年到0.1飞米”的系列图片来展示“从宏观宇宙到微观结构”的物质世界的变化来引入，给学生以相当震撼的视觉感受，充分调动学生对物质的“微观结构”的好奇心。然后顺着学生的好奇心，逐步展现人类对物质的“微观结构”的认识过程，并通过丰富的史料，将课本中呈现的几次重大突破串联起来，展现从“积累”到“突破”的科学发展过程，每一次“积累”或“突破”都通过“科学家—实验—结论—模型”这一完整主线呈现，整节课通过“积累—突破—积累—突破—积累—突破……”螺旋上升的时间主线形成一个因果关系较为完整的“通史”，使学生能更为真实的体验科学发展的规律。最后通过玻尔的原子结构模型来介绍原子的核外电子排布基本规律，过渡自然而顺畅，并从玻尔模型中的量子化思想引出复杂的电子云模型，并通过BBC有关原子结构问题前景展望的视频留给学生课后无限的遐想，提供学生“探索未来”的动力。以下是这节课的核心教学流程：

三、教学目标

1.知识与技能

（1）了解原子结构模型的演变历史。

（2）了解部分典型元素原子的核外电子排布，并能用原子结构示意图表示。

（3）知道活泼金属和活泼非金属原子在化学反应过程中通过电子得失使最外层达到稳定结构的事实。

（4）通过分析氧化镁的形成，了解镁与氧气反应的本质。

图1　教学流程图

2.过程与方法

（1）了解科学家探索原子结构的过程。

（2）认识实验、假说、模型等科学方法在化学研究中的作用。

3.情感态度与价值观

（1）体验科学家探索原子结构的艰难历程，激发对科学探索的兴趣。

（2）建立科学研究和科学发现是无止境的观念，点燃进一步探索的欲望。

四、教学过程

环节一：引入新课，激发兴趣

师：幻灯片播放名为“从10亿光年到0.1飞米”的系列图片（平均1秒一张，共41张）。

生：观看。

师：还想继续看下去吗？

生：想。

师：可惜图片没有了，不过很欣赏大家的好奇心，因为好奇心是科学探索的原动力！想不想知道宇宙万物到底是由什么构成的。

生：想！

师：很好，不过2000多年前，我们中国的古人早已经研究过这个问题，并且提出了“五行学说”（PPT展示五行学说）。你们说说，我们祖先的这一说法有什么不足之处。

生：研究不深入，归纳不完全等。

师：对。同时期的古希腊的哲学家也思考过这个问题。他们认为，万物都是由间断的、不可分的微粒即原子构成的。原子的结合和分离是万物变化的根本原因。构成不同物质的原子在本质上是相同的，只是数量、排列和形状不同。你认为他们的说法正确吗？

生：不对。构成不同物质的原子是不同的。

师：比如铁是由……

生：铁原子构成。

师：铜是由……

生：铜原子构成。

师：石墨是由……

生：碳原子构成。

师：氢分子是由……

生：氢原子构成。

师：氧分子是由……

生：氧原子构成。

师：水是由水原子构成。

生：不是。由水分子构成。

师：水分子是由什么构成。

生：氢原子和氧原子构成。

师：你能设计实验证明吗？

生：电解水产生氢气和氧气。

设计意图：“从10亿光年到0.1飞米”的系列图片具有很强的视觉冲击力，对激发学生的好奇心有很好的效果，以此来引入新课，能充分激发学生的学习兴趣，为下一环节的教学奠定了坚实的基础。

环节二：模型演变，体验真实

师：很好。也可以用氢气和氧气反应产生水的实验来证明。这些实验可以说明有的物质是由相同的原子构成的，有的物质是由不同的原子构成。不过200年前，就有人开始定量研究一些化合反应：比如碳和少量氧气反应生成一种新的气体，他测定该气体碳氧质量比为5.4：7，而碳和过量氧气反应会生成另一种气体，他测定该气体的碳氧质量比为5.4：14，大家觉得这两组数据有何特殊性？

生：含氧量正好相差一倍。

师：为什么会这样？

生：因为这两种碳氧化合物按不同的原子个数比组成。后者氧原子数为前者的一倍。

师：概括得真好！当时做这些实验的人叫道尔顿，他也是这么想的。在此基础上，他提出了“原子学说”，你知道怎么描述的吗？

生：他认为物质由原子组成，原子不能被创造也不能被毁灭，它们在化学变化中不可再分割，在化学反应中保持本性不变。

师：此理论解释了当时很多化学家做的类似的定量实验，因此得到了世界的公认，直到50年后，尤利乌斯·普吕克在研究气体放电实验中发现了“阴极射线”。

生：“阴极射线”是什么？

师：问得好。当时著名的科学家赫兹也在想“阴极射线”是什么，于是他设计了一个实验：用一小片铝箔阻挡“阴极射线”。结果他发现“阴极射线”几乎全部穿了过去。从这个实验结果来看，你们认为“阴极射线”是光波还是粒子流。

生：肯定是光波，粒子不可能穿过去。

师：对。赫兹也这样认为，于是他发表了一篇论文《论阴极射线穿过金属箔》，文中明确表达“阴极射线”是光波，而不是从原子中释放出来的粒子。不过几年后，科学家瓦尔利做了一个实验：他在“阴极射线”旁外加一个磁场，发现“阴极射线”发生了偏转，这又说明了什么？

生：“阴极射线”带电。

师：光波会不会带电。

生：不会。

师：那“阴极射线”到底是什么？

生：可能是粒子吧。

师：这需要实验来证明。当时科学家克鲁克斯做了一个实验：他在“阴极射线”经过的路径上装了一个“风轮”，发现“阴极射线”经过时风轮转动了。你们觉得这说明了什么？

生：“阴极射线”是粒子，因为光波照上去不可能使“风轮”转动，只有粒子打上去“风轮”才会转。

师：你们真聪明。可惜克鲁克斯没有这样想。他认为是真空管中残留的气体撞击电极产生的带电分子运动造成的，显然他对自己的实验不够自信，导致他错失了取得重大发现的机会。

生：哎……

师：不过，很快，机会被另一位科学家抓住了，他通过“阴极射线”在磁场中偏转的定量实验，计算出了“阴极射线”的荷质比。荷质比意味着什么？

生：说明“阴极射线”带电，且有一定质量，是一种粒子。

师：很好。这位科学家把这种粒子称之为“电子”，是原子中分出来的更小的微粒。从而打破了道尔顿的原子不可再分的学说。在此基础上，他提出了被称为“葡萄干面包式”的原子结构模型。你们知道他是谁吗？

生：汤姆生。

师：这种模型具体是怎么描述的？

生：正电荷均匀分布在整个原子中，电子体积较小，镶嵌在其中。

师：对，这一模型可以解释上面一系列实验的现象。几年后，汉斯·盖革和恩斯特·马斯登，这两位曼彻斯特大学的学生每天重复着同一个实验：就是用α粒子轰击金箔。他们发现α粒子基本都能穿过去。于是，他们将结果告诉他们的老师卢瑟福，卢瑟福听了很满意，因为他叫学生做这个实验正是为了证明他的老师汤姆生的模型的正确性。根据汤姆生的原子结构模型可以推测金箔的密度远小于α粒子，所以α粒子穿过金箔是很正常的。不过，好奇心驱使着汉斯·盖革和恩斯特·马斯登继续重复着这一个实验，功夫不负有心人，他们观察到了被反射回来的α粒子，他们觉得很奇怪，于是请教了卢瑟福。卢瑟福也很吃惊，无法解释此现象。你们知道是怎么回事吗？

生：正电荷和原子质量并不是均匀分布在整个原子中，而是集中在原子中心，称为原子核，如果α粒子正好打在原子核上，就会反弹回来。

师：非常正确。卢瑟福和他的学生在继续研究了一年之后，提出了类似于行星绕太阳的带核的原子结构模型，这个模型很好地解释了α粒子散射实验。但是，几个月后就被人找到了模型的致命缺陷：正负电荷之间的电场力无法满足稳定性的要求。原子结构究竟是怎样的呢？卢瑟福陷入了沉思。但他的一个学生从普朗克的“量子化”概念中找到了新的灵感，并通过氢原子光谱实验，提出了新的原子结构模型，你们知道他是谁吗？

生：玻尔。

师：他提出的原子结构模型是怎样的？

生：原子由原子核和核外电子组成，核外电子分层排布在一系列稳定的轨道上运动，每个轨道都有一个确定的能量值，核外电子在这些稳定的轨道上运动时，既不放出能量，也不吸收能量。

师：很好。请看下面这一段视频（注：英国BBC纪录片介绍核外电子排布规律的片段）。

大家看课本29页的图1-27，判断哪些原子的轨道处于排满状态，哪些没有排满。

生：He、Ne、Ar处于排满状态。H、O、Mg没有排满。

师：课本上的这种表达写起来不方便，所以我们通常用原子结构示意图来表达原子的结构。

生：书写。

师：继续播放一段视频（注：英国BBC纪录片中介绍钠与氟气反应时的原子核外电子变化情况的片段）。请用钠原子和氟原子的结构示意图的变化来表示氟化钠的形成过程。这位同学请到黑板上来写。

板演：用原子结构示意图表示氟化钠的形成过程。

师：大家用同样的方式表达镁和氧气的反应过程。

生：书写。

师：写得很好。请大家完成30页上的“问题解决”。

生：做“问题解决”中的相关练习。

设计意图：在原子结构模型演变的教学过程中，为了学生更好地理解科学发展的前因后果，需要让他们体验完整的发展过程，所以我在每次“突破”之前穿插了很多“积累”过程，让学生真实体验科学发展的规律以及过程的艰难，可以说每次大科学家们的“临门一脚”都是建立在很多小科学家们无数次“助攻”基础之上的。

环节三：了解现在，探索未来

师：玻尔的电子分层排布模型是不是原子结构模型的终极版本？

生：不是。

师：对。微观粒子具有波粒二象性。电子的运动比我们想象的要复杂得多，随着量子力学的发展，有人提出了“电子云”模型。这一模型会不会成为原子结构的最终模型？

生：不会。

师：为什么？

生：因为科学研究和科学发现是无止境的。

师：对。今天我们在学习原子结构模型的演变过程中，大家体会到了什么？

生：思考并回答。

师：播放视频（英国BBC纪录片中有关化学前景展望的片段）。

设计意图：让学生建立科学发展永无止境的观念，激发学生探索未来的动力和兴趣，同时也为学生下节课继续学习原子核有关知识埋下伏笔。

五、教学反思

这节课参加了2015年湖州市优质课比赛，并获得一等奖，给学生和听课老师都留下了深刻的印象。概括起来主要有如下几个优点：

1.引课新颖，激发兴趣

第一次看到“从10亿光年到0.1飞米”系列图片的人，通常都会被它强大的视觉冲击力“震慑住”，因为它展现给我们的就是每个人都想看到，但又没机会看到的画面，它能充分满足人的好奇心，并且容易产生“万物到底是由什么构成的”这样的疑问。所以，这样引课既达到了调动学生学习兴趣的目的，又很自然的引到研究“微观结构”的新课上来，一举两得。

2.通史教育，逻辑严谨

关于“原子结构模型的演变”，课本上只罗列了道尔顿、汤姆生、卢瑟福和玻尔这样四位具有“突破”性贡献的科学家，而真实的发展史中，“突破”固然大快人心，但“积累”过程同样不可或缺，因此我穿插了许多“积累”过程中做出过贡献的科学家，他们的“助攻”不可小觑。把“积累”和“突破”串联起来，形成逻辑严谨的通史，学生喜欢听而且容易理解。

3.体验真实，引起共鸣

在研究“原子结构”的历史长河中：大名鼎鼎的赫兹将电子误认为光波；最早发现“阴极射线”在磁场中偏转的瓦尔利没有意识到这就是电子；卢瑟福提出的原子结构模型面世几个月就被人推翻了……让学生体验这一个个真实的故事，使其沉浸其中，引起共鸣。

4.探索未来，永无止境

通过电子云模型的介绍，学生既知道了原子结构模型又有了新“突破”，又了解许多细节还未“摸透”。这样既体验到了学科发展永无止境，又激发了学生的“探索”欲望。最后，通过BBC的视频，又回到课堂开始的问题：万物到底是由什么构成的引发学生的无限思考，同时，也为下一课时的教学埋下伏笔。

参考文献

［1］浙江省基础教育课程改革专业指导委员会.浙江省普通高中学科教学指导意见（2014版)，2014

［2］王祖浩.普通高中课程标准实验教科书化学1［M］.南京：江苏教育出版社，2014

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.04.021

文章编号：1008-0546（2016）04-0058-04

中图分类号：G633.8

文献标识码：B