利用化学史发展学生模型认知能力的实践研究

王东 朱韶红

摘要：以“原子的结构”一课为例，对教学中利用化学史发展学生的模型认知能力的问题展开研究。以化学史为教学情境和线索，设计四阶段的模型建构过程，搭建“问题链、活动链、素养链”三位一体的教学框架，实践反思后提出三个观点：史料选择要合理化；建模评价要多样化；素养生长要具身化。

关键词：化学史；模型认知；模型建构；原子的结构；教学设计

文章编号：1008-0546（2021）11-0002-05中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.11.001

化学是研究物质的组成、结构、性质和变化规律的科学。在化学发展的历史长河中，化学家们运用模型法诠释事实、模拟结构、预测性质，并且通过实证的方法不断修正模型。从这个角度看，一部化學史就是各类化学模型的发展历史。在新一轮指向核心素养的课程改革背景下，在教学中利用化学史发展学生的模型认知能力，是一个值得研究的方向。所谓“模型认知”就是运用模型去解释现象、预测可能的性质或做出推断的思维过程。理解和建构模型是模型认知的前提[1]。原子结构模型，是化学学科的重要模型之一，具有极强的应用和迁移价值。笔者尝试以化学史为教学线索帮助学生建构这一模型，了解模型的来龙去脉，认识和理解其中蕴含的学科方法和思想，发展学生的模型认知能力。

一、化学史料分析

化学史上，对原子结构的认识经历了漫长的历程（见图1），从古代先贤哲学思辨中的原子到近代道尔顿的原子实心球模型，再到现代薛定谔的电子云模型，其中出现了多个原子结构模型，这些模型都能解释特定的现象，但也有局限性。而对局限性的突破，促成模型的不断演变，使人们对原子结构的认识逐渐深化，也更加科学。例如卢瑟福的行星模型解释了“α粒子散射”实验的现象，但无法解释电子稳定性的问题，而玻尔的量子化轨道模型则解决了这个问题，并能解释氢原子光谱，但玻尔的理论也有其局限性。模型的演变过程是基于实验证据和逻辑推理的，这正是培养学生证据推理能力的绝佳素材，同时模型的演变过程也是理性批判、求真创新等科学精神的体现。

二、学情分析和教学目标

1.学情分析

“原子的结构”是人教版九年级化学上册第三单元课题2的内容，它在第三单元课题1“分子和原子”提出物质是由微观粒子构成的基础上，对物质构成的奥秘（如原子的构成、离子等）进行深入学习。故它在教材中起着承前启后的作用，一方面巩固学生已学分子、原子的概念，使他们理解物质的可分性。另一方面为后续元素、化合价的学习打下基础。

2.教学目标

以化学史实为情境主线，运用讨论、想象、推理、归纳的方法帮助学生建构原子结构模型，知道原子是由质子、中子和电子构成且电子是分层运动的，理解原子不显电性的原因，初步了解核外电子排布规律，发展学生的“证据推理”和“模型认知”素养，培养严谨求实、敢于质疑、勇于创新的科学精神。

三、教学设计和教学流程

1.模型建构的设计

模型是对事物及其现象本质特征的一种概括，它具有解释、预测、推断的功能[2]。而一旦模型与科学事实发生冲突时，人们又会寻找新的模型来解释客观事实[3]。这是模型得以建构和发展的动因。原子结构模型的演变也是如此，因此教师要引导学生梳理各原子模型的来龙去脉，讨论新旧模型的关系、已解决和未解决的问题，关注科学事实（经典实验）的发现过程，认识到实证、推理、批判、创新等对科学研究的重要性。鉴于此，结合教学目标，本节课分为四个阶段，即模型定向、模型初构、模型深化、模型修正，模型定向阶段主要是澄清问题导向，即“原子是不可分割的实心球体吗？”；模型初构阶段是利用化学史上系列经典实验认识构成原子的粒子，初步架构并表征模型；模型深化阶段则是利用已知的原子模型对原子的电中性作出推断，加深对模型的理解；模型修正阶段则是通过质疑太阳系模型，引出电子的分层排布，重建发展模型。每个阶段所采用的素材和达成的知识目标见图2。

2.教学流程

教学流程以“问题链”“活动链”“素养链”为框架（见图3），通过问题链使思维可视化，驱动学生的学习活动；通过活动链帮助学生建构知识的意义理解，发展学生的学科核心素养[4]；通过素养链使课堂教学的关注点和落脚点始终在学科核心素养。三链环环相扣，促进教学目标的达成。

四、教学实录和活动评价

1.模型定向

【情境】图片展示从太空俯瞰地球，物质不断再分，从宏观到微观，最后出现原子。

师：通过前面的学习，同学们对原子有了哪些认识？

生：原子可直接构成物质，也可先构成分子再构成物质。原子是化学变化中最小粒子，在化学变化中不可再分……

师：那么古人是如何认识原子的呢？

【史料】公元前5世纪，中国的墨子曾提出过物质微粒说，他称物质的微粒为“端”，意思是不能再被分割的质点。

公元前约400年，希腊哲学家德谟克利特提出：宇宙万物皆由极微小的、硬的、不可穿透的、不可分割的粒子组成，即原子。

19世纪初，英国科学家道尔顿提出近代原子说，他认为原子是微小的不可分割的实心球体。

师：原子真的是不可分割的实心球体吗？

活动评价：学生观察系列动态图片，由宏观到微观，直观感受到物质的可分性。学生回忆原子的知识，温故知新，便于定位学生的最近发展区。原子史料的呈现，一是凸显课题的重要性和历史感，二是定位课堂教学的切入点，即原子真的是不可分割的实心球体吗？

2.模型初构

【活动】将一张纸片撕碎，尽可能小，垒成一堆，用塑料尺快速摩擦头发一会，将塑料尺靠近碎纸堆，你能看到什么现象？

生：摩擦起静电，小纸片被塑料尺吸引了。

师：摩擦为什么起电？

【史料】阴极射线实验，阴极射线在磁场中向正极偏转。

师：阴极射线为什么偏转？

生：阴极射线的粒子带负电，被正极吸引。

师：1897年，汤姆生利用“阴极射线”实验发现了电子，电子带负电。现在同学们能否解释摩擦起电？

生：摩擦过程中，电子发生转移，使物体带电。

师：原子中有电子，否定了“原子不可分割”这一观点，是人类认识原子结构的一大进步。据此，汤姆生提出了原子的“枣糕”模型。

【史料】枣糕模型：原子是一个球体；正电荷均匀分布在整个球内，而电子都象枣核那样镶嵌在原子里面。

师：枣糕模型还是有很大探索空间的，如果你是名科学家，你想研究哪些问题？

生：原子像枣糕，也就是说它还是实心的球体？正电荷是什么？它是均匀分布的吗？

师：要研究这些问题，必须通过实验寻求证据，对于微小的原子，如何设计实验呢？科学家们用轰击原子的方法，打开了原子的大门。

【史料】α粒子散射（轰击）实验，1911年，卢瑟福用一束平行的α粒子（带正电荷）轰击金箔时，发现了三种实验现象：大多数α粒子不改变原来的运动方向；一小部分α粒子发生了偏转；极少数的α粒子被弹了回来。

师：为什么α粒子轰击金箔后会出现三种不同的现象？

【活动】小组讨论

生：原子不是实心的，内部有相对广大的空间，所以大多数α粒子可以穿过；原子的中心有原子核，其带正电荷，小部分带正电荷α粒子靠近时发生偏转；原子核的体积很小，只有极少数的α粒子能撞到而被弹回。

师：请同学们想象，如把原子比作体育场，原子核只相当于草坪上的一只蚂蚁，电子在核外的广大空间作高速的运动。

【史料】1919年，卢瑟福用α粒子轰击氦原子核，轰出一种带正电荷的粒子，命名为质子。

1932年，查德威克用α粒子轰击硼原子核，得到一种不带电的粒子，命名为中子。

师：请同学们归纳并描绘模型。

生：原子是由原子核和核外电子构成，电子在核外作高速运动，原子核由质子和中子构成。

活动评价：以化学史上原子结构的发现历程为教学主线，选择了三个典型实验，即摩擦起电实验、阴极射线管实验、α粒子散射实验，让学生经历科学研究的过程，培养证据意识，体验科学精神，由浅入深，由表象到本质，初步构建原子模型，形成相对正确的认识。

3.模型深化

资料：每个电子带一个单位负电荷，每个质子带一个单位正电荷，中子不带电。

师：原子核为什么带正电？原子为何不显电性？

【活动】小组讨论。

生：原子核带正电是因为里面的质子带正电，那么核电荷数应等于质子数，而质子数应与电子数相等，这样正负总电荷相等并抵消，使整个原子不显电性，即核电荷数=质子数=核外电子数。

师：质子数等于电子数，那么质子数与中子数有没有必然关系呢？

【活动】观察书本图表中几种原子的结构数据

生：有些原子的质子数与中子数相等，有些则不等，两者无必然关系。

4.模型修正

【史料】卢瑟福的原子太阳系模型，电子像行星绕太阳一样围绕原子核运动。

师：这种原子结构模型是否有缺陷？

生：原子核带正电，电子带负电，电子会被吸引，能量逐渐消耗，电子最终会落到原子核上，造成原子塌缩。

师：针对这个问题，玻尔提出了量子化軌道理论，指出核外电子在特定轨道上运动，并且不辐射能量也不吸收能量，解决了原子结构稳定性的问题。

师：随着科技的发展，人们对原子的认识不断修正。科学家发现电子的运动是没有固定轨道的，只会在一定区域内经常出现，形成了类似“云状”的图像。

【史料】薛定谔的电子云模型。

师：我们将电子经常出现的区域称之为电子层，核外电子是分层运动（排布）的，可用原子结构示意图表示，请同学们观察氢原子的结构示意图，了解各部分的意义。

师：请同学们观察1～18号元素的原子结构示意图，你能找出核外电子排布的规律吗？

【活动】小组讨论。

生：电子先排内层，再排外层；第一层最多排2个电子；第二层最多排8个电子；最外层不超过8个电子。

【活动】请根据核外电子排布规律，画出氧原子、镁原子、氯原子的结构示意图。

【史料】1964年，美国科学家盖尔曼设计了夸克模型，提出质子、中子由更小的夸克构成。

1968年，美国斯坦福线性加速器中心利用深度非弹性散射实验证实夸克的存在。

人类对原子结构的研究还在不断深入中……

师：同学们，通过本节课的学习，你们对科学研究和科学精神有哪些感悟？

【活动】小组讨论，代表发言，教师点评。

师：研究原子结构的意义。

哲学意义：研究原子的结构，揭示了物质存在的本质，进一步证明物质世界是客观存在的。

科学意义：研究原子的结构，进一步认识物质的结构，掌握其中的规律，可根据实际需要改造物质甚至创造物质。

应用意义：核能的利用，有助于解决能源危机问题；利用14C衰变断定文物或古化石的年代；利用放射性同位素产生的各种射线治疗肿瘤等等。

活动评价：模型是一种假说，一种解释，是用来解释客观事实的，因此随着新证据的出现，模型必然不断被修正。故此，通过对卢瑟福原子太阳系模型的质疑反思，引出核外电子分层排布的教学，并拓展电子云模型和夸克等知识，帮助学生进一步完善原子结构模型。最后，学生谈感悟，教师谈应用，则是从学科素养和学科价值层面对本课题意义的提炼升华。

五、教学反思

1.史料选择要合理化

化学史料的运用给课堂营造了一种历史情境，能让学生像化学家一样进行探索和研究。但相关史料不能一股脑地呈现给学生，信息过多反而干扰学习。教师应根据课标和教材要求，结合学生的认知基础和素养需求，进行合理的筛选，要做到重点突出、主次分明。如本课就重点引用“枣糕”模型、“行星”模型、“量子化轨道”模型及相关实验资料，其他史料则简略介绍。但实践后依然感觉有些史料的处理有问题，如量子化轨道模型、电子云模型，由于课时限制无法展开，造成学生一知半解，可采用课后拓展性阅读的方式，满足学生的需求。

2.建模评价要多样化

本节课通过问题链引导学生的思维活动，在不断的“提问—点评”中评价学生的建模状况，以评促教、以评促学。课后，也布置一些习题来反馈评估学生知识的掌握程度。但本节课的要旨是帮助学生建构原子模型，学生头脑中形成的原子是什么样的？一千个读者就有一千个哈姆雷特，如何让学生个性化的原子模型表现出来？这绝非几道习题能做到的，而应通过表现性任务来实现，如写一篇《我心目中的原子》小論文，画一幅原子美图，制作一版图文并茂的原子小报等。另外原子结构的认识史承载着大量科学和人文意蕴，可布置学生用思维导图的方式来展现这段历史，加深学生的感受。评价此类任务时教师要坚持科学性，更要尊重学生的主体性，在没有科学性错误的前提上，对学生的个性化作品予以鼓励和赞扬。

3.素养生长要具身化

学科核心素养要内化为学生的思维、意识和观念，需要学生经历科学探究的过程，在具身化的实验、观察、推理、反思中感悟、积淀。微观的原子无法感知，中学也缺乏相应的实验条件。如何拉近原子与学生的距离，让学生进行具身化的学习？本课以化学史料为情境和线索让学生经历科学研究的过程，虽然取得了一定的效果，但仅靠文字和图片来再现实验或描述模型是远远不够的，那么多媒体技术可以是努力的方向。如制作视频或动画来展现实验，或者利用VR技术模拟各原子模型等，给学生身临其境之感。

参考文献

[1][2]毕华林.对高中化学学科核心素养的认识和理解[J].化学教学，2021（1）：3-9

[3]陈廷俊“模型法”在化学中的应用及教学启示[J].化学教学，2021（1）：42-45+65

[4]王东，朱韶红.基于化学学科核心素养的单元教学设计的研究[J].化学教与学，2020（11）：30-33+56