基于证据推理和模型认知的教学设计

储海燕

一、课程标准、教材以及学生分析

1.课程标准和教材分析

《课程标准（2017版）》对原子结构这一部分的内容要求是：认识原子结构、元素性质与元素在周期表中位置关系。知道元素、核素的含义，了解原子核外电子的排布。结合有关数据和实验事实认识原子结构、元素性质呈周期性变化的规律。

2019版苏教版《化学》（第一册）将该节内容放在元素化合物知识之前，需要要求学生能充分掌握原子的结构特点，并能将“结构决定性质”应用于后期元素化合物知识的学习过程中。同时该版本的教材最显明的特点是设置了“目标预览”这一栏目，明确了学生学习该节内容的要求：以原子结构模型为例，能从宏观和微观结合的视角理解原子结构模型提出的证据，初步形成模型建构的认知方法。

2.学生分析

本地区初三学生使用沪教版教科书，通过学习《构成物质的基本微粒》这一节，学生已经能够认识到原子是由核外电子和原子核构成，原子核内包含质子和中子，并且通過α粒子散射实验初步证实了原子核的体积非常小但几乎集中了原子的全部质量，核外电子占据的空间较大同时在核外作高速运动。学生能够知道核外电子是分层排布的，层次较好的学生能够书写1-20号原子的原子结构示意图，并且能够知道简单的核外电子排布规律。另外学生能够掌握相对原子质量的定义，知道计算相对原子质量的标准是“一种碳原子的质量的1/12”，在这里的“一种碳原子”即指C，学生知道其含有6个质子和6个中子。

二、教学目标

1. 了解人类认识原子结构的历史，培养严谨求实和崇尚真理的科学态度。

2. 能从宏观和微观结合的视角理解原子结构模型提出的证据，初步形成模型认知的思维方式。

3. 了解原子的构成，能根据原子组成符号判断原子的构成。

4. 知道元素、核素与同位素的概念，知道同位素的应用。

三、教学重难点

学生在学习本节时，在知识层面上并不会存在太大的困难，但在学科素养的提升方面会存在一定的困难，故本节内容的教学重点是借助人类对原子结构认识的科学史实，帮助学生学会证据推理的科学方法，构建模型认知的一般思维过程，能够学着像科学家一样去思考问题。

四、教学流程图

五、教学过程

环节一、先哲争辩

【引入新课】一支粉笔可不可以无限分割下去？

【学生活动】模拟对话：（学生A）我是亚里士多德，我认为物质是连续的，是可以永远无限制的分割下去，你是永远也得不到一个不可再分割的微粒的;（学生B）我是德谟克利特，我不赞同他的观点。我认为宇宙万物都是由小到看不见的一个个基本单位组成，每个单位都不生不灭，也不可分割，这个不可分割的微粒可以称之为原子。

【设计意图】通过模拟对话，再现史料，提出古代原子论的思想，但通过讨论得知，古代原子论不能称之为“科学”，它缺少实验的支撑，只属于哲学思辨的范畴。

环节二、道尔顿原子理论

【科学史料】道尔顿原子理论提出的三大基础定律及具体内容。

【学生活动】1.讨论如何用道尔顿原子理论解释质量守恒定律;2.利用黏土构建道尔顿原子理论下的原子结构模型;3.学生用语言描述原子结构模型的特点。

【设计意图】1.通过介绍质量守恒定律、定比定律和倍比定律，让学生知道为何道尔顿原子理论可以称得上是“科学”的理论;2.通过思考如何用道尔顿原子理论来解释质量守恒定律，促进学生对道尔顿原子理论的理解;3.让学生利用黏土构建一个原子模型，使学生对道尔顿原子理论下的原子模型形成一个直观的印象，也能够使学生认识到模型建构可以是指实物模型。

环节三、汤姆生原子结构模型

【科学史料】19世纪末物理学三大发现：伦琴发现X射线、贝克勒尔发现天然放射性现象、汤姆生发现电子。

【实验再现】阴极射线管实验。

【学生活动】1.讨论证据背后的结论：①阴极射线会弯向带正电荷的一极，而远离带负电的另一极意味着什么？②为什么不同种物质均可产生这种相同的现象？2.再次利用手中的黏土修改道尔顿原子结构模型，得到汤姆生原子结构模型。3.学生用语言描述原子结构模型的特点，讨论电荷分布情况。

【设计意图】1.利用19世纪末物理学三大发现的史料激起学生的认知冲突，当原有的模型不能适应新的证据，就需要建构新的模型;2.利用阴极射线管实验过程中产生的关键证据推理得到新的结论，学会证据推理的一般思维方法;3.利用黏土构建汤姆生原子结构模型，并用语言描述模型的特点，促进学生加深对汤姆生原子结构模型的认识。

环节四、卢瑟福原子结构模型

【科学史料】1911年，汤姆生的学生卢瑟福想通过实验来验证老师的理论，但却有了惊人的发现。

【实验再现】α粒子散射实验。关键证据：1.当α粒子流撞击金箔时，大多数的α粒子可以直接通过，好像金箔不存在似的。2.也有少数的α粒子发生偏移，还有极少数的α粒子则被直接反弹回来。3.今天我们已经知道α粒子是由2个质子和2个中子构成的氦核，带有2个单位的正电荷。

【学生活动】1.讨论α粒子散射实验过程中的证据，产生对汤姆生原子结构模型的质疑，构建新的原子结构模型。2.用笔画出卢瑟福的原子结构模型，并用语言描述其特点。

【补充史料】1.1919年卢瑟福发现了原子核中带正电荷的粒子，并命名为质子。2.1932年查德威克发现了原子核内不带电荷的中子。

【学生活动】1.总结原子是由电子、质子和中子构成的，由它们的质量和带电荷量总结出两个等量关系式;2.学习用的方式来表示一个原子，掌握核素、同位素、元素的概念及相互之间的关系。

【设计意图】1.用α粒子散射实验的史料激起学生的认知冲突，利用实验过程中产生的关键证据来推理和构建新的原子结构模型;2.利用笔画出卢瑟福的原子结构模型，并用语言描述模型的特点，促进学生加深对卢瑟福“核式”原子结构模型的认识。3.借助发现质子和中子的史料，构建清晰的原子核模型，利用数据让学生非常清晰地掌握原子中的电量和质量的关系;4.在此基础之上，介绍核素的概念，便于学生区分核素和同位素的概念。

环节五、玻尔原子结构模型

【交流与讨论】1.人造地球卫星几乎可以在地球周围的任何轨道上运动，其取决于发射时火箭给予它的能量。同时，由于能量损耗，轨道半径会缩小，需要定期进行调整轨道。2.卢瑟福的“核式行星”原子模型是以经典力学为基础的，负电荷电子绕核运动会产生电磁波，导致能量降低，电子会向原子核接近而导致原子坍陷。

【科学史料】19世纪末，物理学的发展已经告诉我们可见光是一种电磁波，具有一定的能量。根据根据爱因斯坦光子理论：E=hν=hc/λ光子能量和波长成反比，光子的波长越长，能量越小。

【实验再现】白炽灯的色散光谱和氢的发光光谱。

【学生活动】讨论：1.光是怎么产生的？2.白炽灯的色散光谱是连续的，氢的发光光谱是不连续的，这两个证据说明了什么问题？3.氢核外只有一个电子，为什么可以产生能量不连续的四种光线呢？4.借助楼梯上抛硬币的例子，可以猜测氢原子核外的电子是怎样运动的？5.用笔画出玻尔轨道式的原子结构模型。6.解释焰色反应、色彩斑斓的焰火产生的原因。

【设计意图】1.对比人造地球卫星运动时能量损失会导致轨道半径变小，而核外电子的运动是相对较稳定的，激情学生的认知冲突;2.利用氢原子光谱的四种不连续波长的证据推理得出氢原子在核外不同能量的轨道上运动的模型。3.画出玻尔的原子轨道结构模型，并解释一些现象，让学生加深对原子核外电子运动状态的理解。

六、教學设计反思

本节课主要通过回顾人类对原子结认识的历史，在认识的几个关键阶段，选取一些关键证据，教会学生证据推理的一般思维方法和模型建构的科学方法。在介绍认识原子核的组成之后，插入核素和同位素概念的教学，便于学生对概念的理解。本节课的教学重点是证据推理和模型认识的学科素养的培养，所以在整个设计过程中充分借助了证据推理的教学模式，让学生充分思考和讨论。

在设计的过程中也存在一些疑惑，如：1.怎样来筛选合适的史料证据，既要让学生在推理的过程中有据可依，又要符合高一学生的认知深度;2.受限于课时的限制，以及学生的已有的知识，有些教学环节上并不能充分地让学生展开证据推理;3.如何在有限的课堂时间内去平衡对素养培养的关注与对知识传授的关注。

（本文系昆山市教育科学“十三五”规划2020年度课题《基于证据推理的课堂教学模式的研究》的研究成果。）