从宏观到微观，从过去到现在

丁浩

摘要：2020年江苏省高中化学优质课评比一等奖《人类对原子结构的认识》一课的教学设计，在教学情境的创设与运用、化学史料的甄选与呈现上令人耳目一新：从宏观到微观，从过去到现在;课堂上传递的是科学方法，彰显的是科学精神。

关键词：原子结构;化学史;重水

2020年10月21日—23日，江苏省高中化学优质课评比在江苏省清江中学举行。我校徐敏姬老师参加了比赛并荣获一等奖。徐老师执教的《人类对原子结构的认识》（新授课），为2020年审定的苏教版高中化学必修上册专题2第三单元的内容，包括人类认识原子结构的历程和原子核的构成两部分内容。本节课中，徐老师对于教学情境与化学史料的使用尤为出彩。

一、教学情境的运用：从宏观到微观

原子、分子是纳米层级的微粒，即使借助最先进的仪器，观察也比较困难。当然，眼睛看不到的地方可以通过想象到达，但想象需要一个支点或者一种具象，而且要符合高一学生的认知水平。徐老师就找到了“解剖”原子核的“支点”。课堂伊始，徐老师指导学生用电子天平称量等体积（2.0 mL）的“神秘之水”（重水）和普通水（以下称为“水”）的质量，电子天平的读数显示两者的质量相差较大。“神秘之水”是水吗？如果是水，为什么质量不同？会不会是双氧水？难道是水里添加了什么东西？——这一情境自然而然地触发学生的种种疑问和猜测，激起学生的好奇心和探究欲望。

从宏观性质到微观结构，徐老师围绕重水设计了四个问题并展开教学——

1.什么是重水？视频展示重水相关素材：重水是由氘和氧组成的化合物，也称为氧化氘，分子式为D2O，相对分子质量近似值为20，比水（H2O）的相对分子质量近似值18高出约11%，因此叫作重水。由重水和水的组成和部分不同性质激发学生的好奇心——什么是氘？氘与氕、氧化氘与氧化氕（水）究竟有什么区别？由此开启原子结构和核素的学习之旅。

2.重水为什么比水重？视频展示重水和水的分子的空间结构，引导学生通过比较，发现二者的区别在于氢原子和氘原子不同，由此推测：重水与水的性质差异也应该与二者不同的原子有关;等体积的水与重水的质量不同应该是由氕原子和氘原子质量不同引起的。至此，课堂进入对以氕、氘两种原子为例的原子核构成的探究。其中，徐老师还特别注重对学生定量观的培养：呈现多组数据，让学生通过计算和比较，以“物质的量”为桥梁，有效沟通宏观物质和微观粒子——重水、水和分子、中子的联系。

3.研究重水有什么意义？介绍重水在国防科技方面的用途（氘原子聚变为氦原子过程中释放出巨大的能量），表明同种元素的不同核素由于原子核的构成不同而具有不同的性质。

4.如何获取重水？“结构决定性质，性质决定用途。”通过组织学生设计从蒸馏水中获取重水的实验方案，进一步明确由同种元素不同核素形成的化合物的化学性质几乎完全一致而物理性质不同的观念。这样的教学过程，展现了“宏观—微观—宏观”这样一条认识物质及其应用的路径。

本节课，徐老师创设的重水和水的比较情境贯穿整个教学过程，从宏观到微观，变抽象为具象，定量与定性相结合，从结构到性质又回归性质应用，既体现了本节课的教学重点和难点，又把情境和教学有机融为一体，可以看出，徐老师教学设计的独具匠心。

二、甄选化学史料：从过去到现在

从知识建构的角度来看，学习化学史有助于学生建构科学知识的发现、发展和完善过程。受到研究者世界观、价值观以及当时社会科学思想、科学方法和科学技术水平等方面的影响，科学知识的“正确性”是相对的，是在某一特定历史时期和范围内呈现“正确性”。随着人类认识的不断深入、科学和技术水平的持续发展，科学知识在“肯定—否定—否定之否定”中获得发展和完善，呈现螺旋式上升的变化。

在认识原子结构的过程中，徐老师没有简单重现经典实验的场景，而是结合教材，采用“资料卡”的形式，用实验示意图描述了经典实验对原子结构认识过程（具体见表1）的贡献，让学生置身于科学家探究的情境中，通过“收集证据—合理推理—建立模型”的过程，学习科学家的思辨方式、实验方法和质疑意识。

以“资料卡”3（如图1）为例，引导学生基于加速后的α粒子轰击不同气体原子核都得到相同的带正电粒子的现象，推测原子核中存在一种带一个单位正电荷、质量相对较大的粒子，进一步说明原子核可以再分。

运用“资料卡”描述经典实验，可引导学生运用多学科知识思考从经典实验结论得出的相关原子模型的历史价值和局限性，从历史的、科学的角度分析实验的成功之处和不足所在，体会人类认识的螺旋式上升中科学探究的价值。

原子结构的认识在化学学科中的学科价值，体现在学生综合运用多学科特别是物理学知识认识原子结构的过程中。课堂上传递的是科学方法，彰显的是科学精神。学生不仅知道了原子结构的认识演变史，更基于原子结构的认识过程，体会了探究质疑、证据推理、对比实验等科学方法，进而逐步建构原子结构模型，丰富和完善科学概念。

三、一些教学建议

当然，教无止境。笔者以为，本课教学还存在这样一些值得斟酌和改进的地方。

（1）氕、氘、氚三种氢原子与16O、17O和18O三种氧原子组成的水分子共有18种，这18种水分子之间的沸点差异不大，且水分子之间存在氢键，会出现“共沸”现象，因而直接利用沸点差异分离出重水的方法比较困难。

（2）徐老师通过视频介绍了水分子和重水分子的结构，其实，通过展示分子球棍模型或空间填充模型来介绍更为直观和合理，更有利于学生“触摸”分子这种微小的存在。

（3）引导学生通过定量分析等体积的重水和水的质量数据，进而通过倍比定律得到“一个重氢原子比一个氢原子多一个中子”，也是本节课比较亮眼的地方。更进一步地，可以让学生计算得出重水和水的密度，使学生清晰地感知重水的“重”之所在。并且，徐老师提供的三组重水和水的质量数据都是有效数据，可以增加一个离群数据，指导学生在数据分析时剔除离群数据后再求平均值，培养学生对实验数据的关注意识和处理能力。

*本文系江苏省“十三五”教育科学规划课题“‘教学做合一思想下高中化学项目式学习的研究”（批准号：TYc/2020/04）的阶段性研究成果。

参考文献：

[1] 陆军.融合化学史教学三问——兼评几则公开发表的教学设计[J].化学教学，2018（7）.

[2] 劉年，王后雄，王伟.学科核心素养视域下的高中化学教学情境测评[J].教育测量与评价，2019（7）.