依“史”重视过程方法 据“探”促进自主建构——初中科学教材“构成物质的微粒”的教学设计透析

徐良明

(浙江慈溪阳光实验学校，浙江 慈溪 315300)

依“史”重视过程方法 据“探”促进自主建构
——初中科学教材“构成物质的微粒”的教学设计透析

徐良明

(浙江慈溪阳光实验学校，浙江 慈溪 315300)

以“科学家认识原子过程”的科学史实为教学主题,帮助学生认识知识的形成过程和方法,通过分析、理论探究等教学方法实现学生对“原子”知识的建构,从而提升学生的科学素养．

初中科学教学； 原子; 科学史; 理论探究

《全面科学素质行动计划(2006—2010—2020年)》指出:“科学领域课程应以提升学生科学素养为目标,学生通过课程的学习应了解必要的科学知识、掌握基本的研究方法、树立科学思想、崇尚科学精神,并具有一定的应用它们处理实际问题的能力”．[1]那么如何在初中科学课堂教学中让学生学习科学探究方法,经历科学探究过程从而获得知识呢?本文以“构成物质的微粒”为例,谈谈依“史”、据“探”来开展课堂教学提升学生科学素养的实践和思考．

1 教材分析

在科学课程中,学生可以通过亲身的体验活动来学习科学探究的过程与方法,也可以通过科学家探究活动的“科学史”来认识科学探究．华东师范大学出版社出版的初中科学教材8年级上册第6章第1节“构成物质的微粒”的编写正好诠释了这一点．该教材先介绍了“人们经过几个世纪的不断探索,终于搞清楚物质由分子、原子或离子等微粒构成”后,教材按“分子—原子—原子核—核外电子”的顺序来依次认识这些微粒;通过“电子的发现(阅读材料)—α粒子散射实验(阅读材料)—原子-分子论(阅读材料)—人们‘看到’了原子与分子(视窗)”的顺序让学生在历史背景下了解科学建立的过程或者说是知识的形成过程,同时教材还隐藏了一条学生活动的主线,那就是:探究活动1(如何把方糖分得最小且仍有甜味)——微观解释活动2(从微观角度尝试解释电解水产生O2和H2的事实)——推测活动3(根据α粒子运动轨迹推测正电荷在原子内部的分布情况)．

2 教学困扰

对教材不同的理解就会产生不同的处理方式,课堂自然就会产生不同的效果．事实上,这节教材第1课时的内容(不涉及离子内容,本文也仅介绍分子和原子这部分内容)经常被选作各类级别赛课的经典内容．这堂课的设计有个明显的分化现象,那就是有的课堂注重知识层面充分拓展分子和原子的教学,而将α粒子散射实验作淡化处理;另一种课堂则是将重点放在α粒子散射实验的探究上,重心放在实验现象及现象的分析上．在讨论哪种设计更合理之前,笔者发现有以下两个问题困扰着教学．

困扰1: 对分子和原子的认识．教材对分子、原子均没有给出明确的概念,只是强调“小”和“可分”．学生对这些微粒的认识来自各自的阅读面,但无论学生对微粒名称熟悉与否,他们都知道微粒很“小”的事实,不知道的是这两种微粒可分到何种程度,两者的区别在哪儿．那么,在学习完这节内容以后呢?笔者发现学生对原子和分子的认识并没有出现纵深的理解,他们还是不能很好地说出分子和原子的区别,他们获得的仅仅是知识在平面上的叠加,即知道分子可分为原子,原子由原子核和电子构成,且知道了各自的电性．产生这一问题的根源来自教材.我们知道,由分子构成的物质,分子是保持物质化学性质的最小微粒,但教材在一开始就回避这种提法,用了一句“一直分到仍然具有糖的性质的最小粒子”来引出分子这一微粒名称．正是“性质”和“最小粒子”这一含糊不清的提法，让教师在处理教材时出现了上文提到的两种场景:一是重分子认识的拓展;另一种则是强化探究教学．

困扰2: 关于α粒子散射实验．“α粒子散射实验”这部分内容是以“阅读材料”的形式出现的,与它同时出现的还有“汤姆生发现电子”的内容．在教学中,教师穷尽各种方法,尽最大可能地模拟出接近真实的情景,让学生去发现α粒子运行轨迹规律,并试着让学生去解释产生这些现象的原因,但在实际教学中,教师和学生都感到非常吃力.在课后的调查中,学生能说出原子是由原子核和电子构成这一结论,但在复述这一实验原理、现象及推理过程时,漏洞百出,也就是说“过程和方法”这一目标的落实往往达不到预期的教学效果．

那么“α粒子散射实验”这一阅读材料如何利用呢?“α粒子散射实验”的探究教学又如何开展呢?“分子”相关知识的拓展还要不要呢?

3 教学设计流程及透析

基于教材和教学困扰分析,笔者提出,借助“微粒”的认识及发展史来开展课堂教学,让学生在真切的历史背景下了解科学知识的建立过程,结合科学史上的重大发现,展开部分探究活动,让学生在活动中建立起对原子和分子的认识．本节课的重点是放在假说的完善、发展过程上,α粒子散射实验教学关注研究问题的思路和方法上.这样,不仅注重了知识和方法的学习,更帮助学生准确地认识科学和科学家,感悟科学精神．

3.1 新课引入

活动1: 见图1所示.

图1

设计意图:通过活动让学生感知方糖可以分到肉眼看不到的颗粒,为学生的交流作铺垫,从而引发学生思考:方糖是不是可以一直分下去，若不能一直分下去,那个能保持甜味的最小颗粒会是什么?

3.2 新课教学流程

第1环节:认识“原子分子论”的发展史,感知原子、分子真实存在．

科学史呈现——介绍 1803年道尔顿提出原子论: 一切物质都是由最小的不能再分的粒子—原子构成．

学生活动:学生试着用原子论来解释蔗糖物质的构成．

科学事实呈现——1805年,盖-吕萨克在研究空气的成分时,发现并证实水可以用H2和O2按一定的比例制取．

让学生用原子论来解释O2、H2和H2O的构成．重点关注H2O是由复杂原子构成的说法．

问题思考: 复杂原子里含有H原子和O原子,它能再分吗?

修改假说:原子论不能解释水原子的构成,据此你会对原子论进行怎样的修改或完善?

科学史呈现——1811年阿伏伽德罗提出分子假说:原子构成分子,一切物质由分子构成．

学生活动: 学生用分子论来解释蔗糖、水等物质的构成．重点让学生感受分子论的合理性和先进性．

科学事实呈现——扫描隧道显微镜下的微粒图片(如图2所示)．

图2

设计意图:通过活动1,既让学生认识到原子—分子论的发展史,也让学生感受到原子论的局限性;同时,通过设置水原子和水分子的认知冲突让学生在思考中明白“分子是可以再分成原子的”这一事实．活动最后,教师出示分子、原子的STM显微图(图2),让学生有理由相信且认同“物质就是由分子、原子等微粒构成”．

第2环节:认识分子构成,了解模型,尝试微观解释．

科学史呈现:1860年康尼查罗通过实验证实了分子的存在,他给“原子”和“分子”下了一个准确的定义．他提出:原子是构成分子的最小粒子;分子则是物质性质的体现者．

学生小组交流: 以“蔗糖”为例,请学生谈谈对“原子是构成分子的最小粒子;分子则是物质性质的体现者”的理解.

教师出示CO2分子的STM显微图片并展示CO2分子模型(教师对模型进行简要的介绍),要求学生仔细观察分子的特点,说说气体的组成及分子的构成情况.

设计意图:学生对“原子是构成分子的最小粒子,分子则是物质性质的体现者”这两句话的讨论和交流可以加深他们对分子及原子的认识.教师可以通过和学生一起探讨有意识地校正学生的一些错误认识．STM显微图片承上启下运用,让学生在感性中学会正确地表达宏观世界的组成及微观世界的构成,从而落实知识目标,如CO2是由CO2分子聚集而成,一个CO2分子是由2个O原子和1个C原子构成．通过分子模型的介绍让学生了解到研究微观世界的一种方法．

学生活动1:请学生们阅读教材第146页分子比例模型结构图,并利用模型材料拼接4个分子模型．要求:两个分别是水分子和氧分子模型,另两个分子模型在图中自选.

学生活动2:水在电解的条件下分解成O2和H2．请小组同学用分子等微粒来解释这一现象,并推选1名代表上黑板用微粒模型来示意这一现象.

活动结束,请学生说说对分子有哪些新的认识?并提出问题:分子可再分,原子可分吗?引入原子教学环节．

设计意图:这一环节内容的设置旨在加深学生对分子的认识,学生会说出不同的分子结构不同;有的分子结构简单，有的结构复杂等生成内容．重要的是让学生有机会动手组装分子模型,在此基础上能借用模型来认识分子可再分,学会用微观粒子来解释宏观现象,为后续学习“化学变化是原子重组的过程”打下基础．

第3环节:原子结构的探究.

教师出示石墨碳原子的STM显微图片,引导学生认识到原子可以直接构成物质后,由此引出问题:原子可以再分吗?

科学史呈现——1803年,道尔顿提出实心球模型;1897年汤姆生发现了电子,电子带负电,而电子普遍存在于各种原子中,且原子整体不显电性．

完善猜想:若你是汤姆生,你会对道尔顿的模型作哪些修改?

问题探究:正电荷如何分布在原子之中?

该如何开展研究呢?

科学史呈现——卢瑟福认为，可以利用电荷间的性质,用带正电荷的α粒子轰击Au原子．通过观察α粒子的运行轨迹来推测正电荷的分布．

问题思考:α粒子质量约是电子质量的7000倍,若碰到电子,α粒子运行方向会不会发生变化?

Au原子带的正电荷多,Au原子的质量是α粒子质量的50倍,α粒子、Au原子中哪个的运动状态容易改变?

科学事实动画呈现——教师用视频出示α粒子撞击金箔的实验动画图(如图3所示),并呈现获得的α粒子的运行轨迹(如图4所示)．

图3

图4

学生活动:结合教材,让学生对α粒子的运行轨迹作整体描述．

探究活动:依据现象,小组进行讨论,针对原子内部正电荷的分布情况提出自己的猜想.

科学史呈现——卢瑟福根据散射实验于1911年提出原子有核模型:原子是由带正电的原子核和带负电荷的电子构成．带正荷的原子核位于原子的中心,它集中了原子的全部正电荷和几乎全部的质量．

反思校正:能支持卢瑟福建立有核模型的依据是哪些现象,请学生逐条论述,相互辨析校正．

设计意图:对学生而言,α粒子、Au原子等概念都是陌生的,学生对α粒子散射现象缺乏感性认识,因此要依据现象来推测原子内部结构会感到特别困难．若把内部结构直接告知学生,不让学生去经历这一探究过程,这对学生探究能力的培养是不利的,也是教学资源的一种浪费,所以教师将这部分内容分步来实施探究教学．先让学生了解α粒子、Au原子的一些相关知识,一方面补充相关知识,另一方面让学生明白为什么会选择这两种粒子做实验材料.之后出示实验动画,让学生对实验有个感性认识,再动画展示α粒子运动轨迹并让学生去描述α粒子运动轨迹特点,加深学生印象.要根据这些现象来探究原子内部正电荷的分布.最后让学生将自己的模型和卢瑟福的有核模型进行比较,通过寻找证据边理解边校正来获得对原子内部结构这一知识的建构．

3.3 阅读整理,小结提升

学生活动:阅读教材完成“原子的构成”知识整理．

学习小结:请学生谈谈这节课感触最深的内容有哪些?

设计意图:对学生来说,学习“原子核的构成”这一知识是没有难度的,教师利用这个时机让学生带着“微任务”去阅读教材,去提升学生的知识整理能力．在课堂小结中,通过让学生谈最深感触来落实“情感、态度、价值观”这一教学目标．

4 结语

我们知道,事实性知识、概念性知识、方法性知识和价值性知识构成了一个完整的知识体系,教师的指导意义就在于通过教学活动使学生对知识的理解程度不仅仅停留在“现象水平”或者“概念水平”,还要让学生关注到“方法水平”与“价值水平”．本节内容主要是介绍性知识,课程标准对本节知识的要求也较低,但教师可以开发教材中的阅读材料来进行探究性教学,本节课的设计理念就是依“史”重视过程方法,据“探”促进自主建构,也就是课堂自始围绕呈现的“科学史”展开,课堂至终按“原子”知识的形成历史过程来推进的,学生活动也是借“认知冲突”来展开的,这样的设计让学生经历知识的生成过程,经历思维形成的过程,使知识和能力在反思、探究中生成、建构、并发展．

1 中华人民共和国中央人民政府．全民科学素质行动计划纲要(2006—2010—2020年)[EB/OL]．

2 王璐珠.寓史于教，寓探于学[J].物理教师，2016(11)：15-18.

2016-12-27)