基于类比推理能力发展的教学设计和实施——以初中“原子”的教学为例

古 愉 殷志忠 王伟群**

（1.苏州大学材料与化学化工学部 江苏 苏州 215123；2.苏州市相城实验中学 江苏 苏州 215131）

我国于2016年提出核心素养，［1］“证据推理”能力不仅是化学学科核心素养之一，在科学学习领域中也是一个重要的能力特质。证据推理与科学推理、科学思维以及人的基本认知能力等密切相关，对学生高阶思维的发展有着重要的价值。

一、类比推理及其价值

依据不同的推理方式，可以将证据推理的类型分为类比推理、演绎推理和归纳推理等。类比推理简称类比，它是人类抽象逻辑的重要形式。如图1所示，类比推理是指从两个（类）对象的相似性和一个（类）对象的已知特征推出另一个（类）对象也具有这个特征的过程。［2］类比推理是极具启发性的思维方法，可以将已知物质的性质推广到未知类似的物质上去，可以将已知领域的研究方法和手段推广到去探索未知领域的科学奥秘；也可以为新的技术发明提供逻辑基础；更是科学家提出科学假说的重要手段。

图1 类比推理

二、教学设计理念和思路

《义务教育化学课程标准（2022版）》明确指出：初步学会通过实验获取化学事实，能运用比较、分类、分析、综合、归纳等方法认识物质及其变化，形成一定的证据推理能力。［3］我们基于原子结构的教学发展学生的类比推理能力，这部分内容选自沪教版《化学九年级上册》第三章“物质构成的奥秘”——原子，教材呈现了人类认识原子结构的历史，汤姆生根据阴极射线实验，运用类比推理的方法将原子结构类比为葡萄干布丁模型；卢瑟福根据α粒子散射实验类比推理重新建立原子结构模型。两位科学家都运用了类比推理的方法建立了原子结构的模型，但教材上只以结论性的语言将发现原子结构的知识进行了抽象的描述，其中科学家探索的详细历程和研究方法并没有过多地介绍。许多教师就此认为，九年级刚接触化学的学生只学习了一些宏观物质的研究方法，对微观的原子结构知识不可能有深刻理解，因此把这段化学史教学演变为著名化学家和重要化学事件的连线记忆，失去了化学史应有的教学价值。

初三学生推理能力虽然还不是很成熟，但生活与学习中已积累了基本的类比推理能力。他们在潜意识下能运用类比的方法对未知的物质进行猜测，但他们并不清楚什么是类比推理，也不清楚正确的类比应该如何进行，且迁移能力和思维的严谨性都还不够，类比推理水平较低。本设计的目的是结合人类探索原子结构模型的历史，发展学生的类比推理能力。具体的教学目标是：

（1）通过游戏或展示科学家实验现象提供证据，尝试以类比的方式拼画原子结构示意图，在类比推理中构建和评价新的模型，学习原子结构。

（2）经历人类探索原子结构的历史，将宏观物质与微观原子结构进行比较，理解类比推理在探索原子结构模型中的作用。

教学思路分为四个环节：一是基于黑匣子游戏实验，让学生明确类比推理的思路；二是依据阴极射线实验，让学生了解汤姆生原子结构模型的建构思路，初探类比推理；三是依据α-粒子散射实验，让学生模仿卢瑟福，尝试类比推理；四是总结反思，归纳类比推理方法。教学思路设计见图2。

图2 教学思路

三、教学过程的设计和实施反思

环节1：通过黑匣子游戏，学习类比推理

【活动1】展示不同形状的铁片、铜片和铅笔芯。

【教师】人眼看到的都是宏观物质，这些宏观的物质都是由很小的微粒构成的，当你看到这些宏观的物质时，你能想象出构成它的微粒是怎样的吗？能试着画一画这些微粒的形状吗？你是根据什么画出组成这些物质的微粒形状的？

【学生】画出不同的宏观物质的微观微粒见图3，这些微粒有不同的形状，有三角形，球形。

图3 学生画的微粒图

生1：我看到的物质形状是什么样，我想象的微粒形状也是这样的。

生2：我觉得不同的物质的微粒肯定不同。

【教师】原子到底是不是像同学们画的那样呢？

古希腊哲学家德谟克利特与同学们有一样的想法，凭肉眼看到的物体形状猜测认为：“物质是由微粒构成的，这种微粒体积最小、坚硬、且不可分，他称这种微粒为“原子”；原子的性质相同，形状、大小不同……。”

但科学是不能仅凭猜测的。原子、原子内部的结构看不见、摸不着。科学家必须通过实验提供证据，依据证据进行推理。

19世纪初，化学家道尔顿根据很多气体实验的结果认为：“所有物质都由原子构成；原子很小且原子的形状是实心球体，不可再分；同种原子的性质和质量相同；原子在化学变化中性质不变……”由于道尔顿的原子论能解释很多气体实验，当时得到科学界的普遍公认。

直到19世纪末，科学家根据实验发现原子是可以再分的。那原子内部的结构是怎样的？科学家又是如何探究的？

【教师】我们先做一个游戏。过生日的时候我们都有收到包装精美的礼物盒的经历。假如给你这样一个盒子，不打开包装盒，你判断里面装的物品是什么？说说你判断的依据。

【活动2】学生凭生活经验猜测盒内物品是小球、面包、饼干等。

【教师】能不能猜得更准确些？这次我要求猜的同学蒙住眼睛，但可以用任何其他方法试探，猜测盒内所装的物品是什么，有多少个，同样说说你判断的依据。

【学生】通过摇晃、称重猜测黑匣子中的微粒个数和重量，接着对黑匣子内的物品进行触摸，通过触感确定物品的大小、形状、硬度、光滑度、平整度等，将这些特征进行综合总结，与生活中见过的物品进行比较，猜测盒中物品的种类。

【教师】刚才大家虽然不能看到盒子内部的物品，但各显神通，通过摇、听、摸等方法了解了其中物品的一些特征，结合生活中见过的物品，猜测物品可能是什么，准确度高了很多。这种以一个对象的已知特征推出这个对象的其他特征的方法，在科学上称为类比推理。

设计意图及反思：活动1 学生的讨论透露出他们并不知道构成这些物质的微粒的形状，但是会根据物质的宏观结构想象其微观结构。活动2中学生需要通过观察、触摸、讨论等方法总结出包装中的物品的属性，将这些属性与他们日常生活中见过的物质进行对比，推测出黑匣子中的物质。这是学生初步具备类比推理能力的表现，只是潜意识的。通过学生做黑匣子游戏，学习类比推理，并通过对德谟克利特与道尔顿原子论的比较，认识猜测与科学推论的区别，体会想象、科学实验、事实证据在推理中的作用。［4］

环节2：通过阴极射线实验，初探类比推理

【活动3】科学家也是通过实验的方法对原子内部的结构进行推理。汤姆生在研究阴极射线时，发现了一些特殊的现象见图4，据此有了他的原子结构模型。请大家观看阴极射线实验的视频，分组讨论以下几个问题：

图4 阴极射线实验

1.通过阴极射线实验，汤姆生发现所有原子中都带有质量很小的带负电荷的粒子，他把这种粒子叫做电子。电子的发现，说明道尔顿的原子模型（实心小球）还成立吗？

2.原子本身是不带电，那原子结构应该由哪些部分构成呢？

【学生讨论】

生1：原子是可分的，不可能是实心球。

生2：原子不带电，但是阴极射线实验中汤姆生发现了原子中有质量很小的带负电荷的物质，证明原子中肯定含有带正电荷的物质。

学生经过讨论得出原子是可分的，所有原子都含有带负电荷的粒子，证明原子中有带正电荷的物质，且正电荷数量与负电荷数量相等，并填写出道尔顿原子学说与汤姆生阴极射线得出的原子属性的异同，见表1。

表1 道尔顿原子学说与阴极射线实验中原子属性的异同

【教师】阴极射线实验得出的证据还能解释道尔顿原子模型吗？

生4：不能解释，原子不是实心球体。

【提问］原子不是实心小球，其中有质量很小的、带负电荷的电子，还有带正电的物质，那么原子究竟是什么样的呢？请同学们发挥你们的想象，再画一画原子的模型。

【学生】再次修改原子结构，见图5，图6。

图5 “麻球”原子模型

图6 “足球”原子模型

生1：我画出的原子结构模型中，原子像一个“麻球”如图5所示，表面覆盖着芝麻粒一样的电子，正电荷均匀地分散在麻球中。

生2：我画出的原子是一个类似足球的形状如图6所示，其中足球上黑色的部分带正电荷，白色的部分带负电荷，正电荷与负电荷数量相等。

【教师】展示汤姆生的葡萄干布丁模型如图7 所示，请同学将自己画出的原子结构模型与汤姆生画出的原子结构模型进行比较，有哪些相同之处？又有哪些不同之处呢？

图7 汤姆生葡萄干布丁模型

【学生】总结得出表2。

表2 原子与葡萄干布丁属性类比

【评价］原子模型应符合3个属性：

原子中有带很小的、负电的电子；原子中有带正电的物质；原子本身不带电。

【教师】原子不显电性是由于带负电的电子和带正电的物质相抵消。汤姆生把通过实验得出的原子的性质和自己常吃的葡萄干布丁进行了类比，发现它们之间竟可类比，他在这个基础上提出原子是一个球体，正电荷均匀分布在整个球体内，电子像布丁里的葡萄干那样镶嵌其中。同学们在重温阴极射线实验时，也根据实验证据得到了原子的属性特征，根据属性特征画出了自己心中的原子结构模型。有的同学想到了麻球，有的同学想到了足球，这些都是同学们日常生活中常常见到的宏观物质，说明在推测未知的物质时，同学们和科学家的想法类似，都采用了类比推理。

设计意图及反思：学生在汤姆生实验的现象中得到原子的其他属性，将这些属性与已有的模型进行比较，发现已有的模型与现有属性有本质差异，这些属性就是证据，在属性证据中发现道尔顿原子模型的缺陷，进一步修改自己的原子模型，使其能够解释现有属性，并与科学家构建的模型比较。从汤姆生建构的葡萄干面包模型中深入体会科学探究中类比推理的重要性，同时初步学习类比模型建构的方法。

图8 α-粒子散射实验

环节3：通过α-散射实验，尝试类比推理

【教师】卢瑟福是汤姆生的学生，为了验证原子的结构，1909年起，他用α-粒子组成的射线轰击金箔，收集α-粒子的出射情况，推理原子的内部结构。

（1）绝大多数α-粒子穿过金箔后仍沿原来方向前进；

（2）少数α-粒子改变了原来的路径；

（3）甚至有极少数的α-粒子好像碰到了不可穿透的坚硬质点而被弹了回来。（α-粒子质量较大，且带正电。）

金箔是由金原子组成的，且非常薄，可以近似于α-粒子直接打在金原子上。

【设问】从这个实验现象中你能发现什么信息呢？为什么绝大多数α-粒子穿过金箔后仍沿原来方向前进呢？少数α-粒子改变了原来的路径说明了什么呢？为什么会有极少数的α-粒子被弹了回来？

【学生讨论】

生1：大多数α-粒子穿过金箔，证明原子内部有较大的空间。

生2：少数α-粒子偏转证明原子中有带正电的结构，带正电的原子核与带正电的α-粒子相互排斥，所以改变了α-粒子运动轨迹，使其发生偏转。

生3：极少数α-粒子被反弹回来了，说明原子内部具有一个体积很小的结构，并且这个结构还带正电荷，与α-粒子相排斥。

生4：我认为这个使α-粒子反弹回来的结构的质量应该大于α-粒子，因为如果该粒子质量小，那么该粒子应该更容易被弹出。

学生总结出阴极射线实验与α-粒子散射实验中原子属性的异同，见表3。

表3 阴极射线实验与α-粒子散射实验中原子属性的异同

【教师】汤姆生的葡萄干面包模型已经无法解释α-粒子的散射实验了，依据原子的属性，你能否运用类比推理的方法推测原子应该具有怎样的结构？请继续修正原子的结构图。

【学生】根据新的证据再次修改原子结构，并写出原子与球形模型属性的类比，见表4。

表4 原子与球形模型属性类比

生1：依据卢瑟福的实验现象能得到关于原子结构的新证据：原子是空心的，因此我把原子的结构类比为空心的麻球见图9，原子里有质量很小的电子，我把麻球上的芝麻粒类比为原子结构中带负电荷的电子，原子中内部还有带正电荷、质量大、体积小的带正电的物质，因此我假设这个麻球里悬空了一个带正电的物质。

图9 修改后的“麻球”原子模型

生2：我的原子结构模型是一个足球见图10，足球表面粘着许多小而轻的带负电荷的电子，足球内部有一个带正电荷的，体积小质量大的物质。

图10 修改后的“足球”原子模型

【教师】卢瑟福是如何重塑原子模型的呢？受到太阳系运动模型的启发，卢瑟福将太阳系和原子结构进行了类比，把这个带正电的、在原子中心的小核定义为原子核，把电子绕着原子核运动类比为行星绕着太阳进行运动，因此这个原子模型又叫行星模型。

【学生】写出原子与行星模型属性的类比，见表5。

表5 原子与行星模型属性类比

设计意图及反思：通过实验现象等宏观证据向学生提出关于原子内部结构一系列的问题，让学生基于α-粒子散射实验中所获得的证据出发，发现与葡萄干面包模型的矛盾并依据新的证据尝试进行类比推理，独立修改原子结构模型。推出卢瑟福的行星模型，通过小组讨论和属性对比，验证类比推理的方法，加深对类比推理方法的理解和使用。

环节4：总结反思，归纳类比推理

【教师】当然，科学发现并不是一蹴而就的，1903年卢瑟福发现了α-射线，从1906开始，他进行α-粒子散射实验，近乎三年的时间他才得出行星原子模型结构。1919年，卢瑟福和他的助手用α-粒子轰击氮原子核，发现原子核里面有质子且一个质子带一个单位的正电荷，1932年，科学家又经过反复实验发现了原子中还存在不带电荷的中子，至此原子核内的微观结构才被人们慢慢发现。通过这些信息，你们有什么想法？你能再次修改画出原子的模型吗？

【学生1】我画出的原子里面包含了一个带正电的原子核和核外带负电荷的电子，原子核带正电的原因是原子中的质子带正电，中子不带电，见图11。

图11 再次修改后的原子模型

【学生2】我也画出了这个模型，由于带正电荷的质子使得原子核呈正电，所以质子的个数和原子核所带的电荷数相等。

【学生3】因为原子不带电，所以质子的个数还和核外电子个数一样。

【教师】由此我们可以得出一个等式：质子数=核电荷数=核外电子数。重温了一系列科学家对于原子结构的探索，同学们对类比推理方法有什么认识呢？

【学生讨论】

生1：我认为这是一种比较的方法，把未知的事物和已知的事物进行比较，在已知中找到最像未知的那个事物。

生2：因为是一种相似性的比较，所以需要不断地进行实验探究，找到未知事物的多种性质。

生3：这是一种类比的方法，首先了解学习的新概念，例如：通过科学家对原子结构探究的进程，实验证据确定其属性（特性），接着还要分析原子和其他类比物质之间的特点；确定二者的相似性、相异性，最后进行推理。

【教师】类比推理得出的结论一定是正确的吗？

【学生1】类比推理得出的结论并不一定是正确的，汤姆生根据阴极射线实验得出原子的一些属性，将其类比为宏观的葡萄干面包模型，在当下是符合的，但是卢瑟福的实验证明了原子的其他属性与葡萄干面包模型不相符，却与行星运动模型极为相似。

【学生2】原子是微观的结构，而葡萄干面包和行星运动模型都是宏观的，它们肯定有不一样的地方。

【学生3】随着科学的发展，人类的实验仪器越来越精密，对微观世界的了解越来越深入，知道了很多原子结构的属性特征，对原子的类比就会更加精确。但是类比始终是一种相似性的比较，并不是完全相同。

【教师】课堂小结：今天我们走进科学家探寻原子结构的历史，在实验中收集证据，通过类比的方法将原子比作已知的物质，一步一步揭开原子神秘的面纱，勾勒出了原子的形态，相信同学们经过本节课的学习对类比的科学方法有了更加深入的认识。

设计意图及反思：再次修改画出原子的结构，学生在推理中明确原子中各粒子的关系与带电情况，通过提问、交流，学生自主归纳类比推理的使用方法和注意事项，内化类比推理的科学方法。

四、结论与启示

本节课教师通过设置4 个不同的情境：黑匣子实验、汤姆生阴极射线实验、卢瑟福α-粒子轰击实验、原子结构示意图，来驱动和支撑学生的学习活动。学生在了解类比思维、学习类比思维、验证类比思维的学习过程中，跟随科学家的脚步，一步一步在纸上画出了原子的结构模型。学生在已有经验的基础上，积极主动地构建了知识，体会了科学家进行科学探究寻找原子微观结构的全过程，有效地训练和提升了他们的类比思维能力。