基于史料和实验情境的证据推理与模型认知探究课

李继良 于守丽 徐梅星

摘要：证据推理与模型认知是化学课程发展学生核心素养的重要内容，也是深刻认识原子结构模型的重要方式。素养本位的课堂教学旨在教授科学家思维而不是科学家结论。选取代表性史料情境和真实的阴极射线实验、红光实验、光谱实验情境，在学生收集证据、建构模型、应用模型、发展模型的过程中消除学生的迷思概念并体验证据+推理获得观点的科学思维方法；在理解质量数、核素及同位素等概念的基础上，促进学生模型认知能力的提升、感受学科研究价值，全面发展学生学科核心素养。

关键词：原子结构模型；证据推理；模型认知；光谱实验

文章编号：1008-0546（2021）10-0032-05中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.10.008

*本文系北京市2018年规划专项研究课题（CDFB18369）“促进学生核心素养发展的教科研知识管理模式探究”研究成果。

虽然原子结构的核式模型和电子分层排布在高一年级学生眼中是耳熟能详的事情，但是让学生画出其心目中模型的时候，我们看到学生对什么是模型和原子核包含什么、原子壳层以及原子核大小等存在许多认知误区。为充分发展学生的化学核心素养，我们应该“结合有关数据和实验事实认识原子结构”[1]，高中化学教学探讨中一般做法是融入化学史或者介绍原子结构模型发展[2]，基于史料和真實实验情境构建不同证据背景下原子结构模型的多学科融合的研究匮乏。根据人教版化学必修“物质结构元素周期律”专题的整体编排，设计了渗透证据推理与模型认知素养的专题起始课：从微小原子到宏观宇宙——探索原子结构；意在“利用化学实验史实引导学生了解化学概念、化学原理的形成和发展，认识实验在化学科学发展中的重要作用”[3]。

一、证据推理与模型认知教学设计思想

证据推理既可看成证据获得与逻辑推理的并列，也可以作为偏正结构的词汇来理解；为强调证据获得与逻辑推理的重要性，本文倾向前者。“推理”是指思维的基本形式之一，“由一个或几个已知的判断推出新判断的过程，有直接推理、间接推理等”[4]，卢瑟福行星原子结构模型不能解释原子线状光谱就间接证明波尔的电子分层排布模型就是间接推理。人类对原子结构的认识都是基于当时实验条件获得必要的证据，然后科学家基于证据进行逻辑推理后得到相应观点；推理包括定性推理（如汤姆孙推理原子中有带正电的微粒）和定量推理（如薛定谔二阶偏微分方程研究电子运动方式），把观点用类比、抽象的方法图示化表征就形成了不同时期的原子结构模型。

“建模”，泛指人类描述和解释自然现象的一切概念化过程，是对真实世界的经验与发展对经验的解释之间的中心环节，使人们的经验从混沌无序向逻辑有序发展[5]。国内外专家在模型建构和分类上观点各异，其中科学教学中的四种类比映射，即微缩模型、镌刻模型、句法模型和涌现模型[6]较有影响；原子结构模型应属于镌刻模型。本文根据不同时期科学家的研究史料和实验情境的再现，引导学生将证据和推理生成合理的原子结构模型，利用自己构建的模型解释新问题，在新问题面前评估和修正原有模型；在建模、用模、修模的螺旋式发展过程中体验人类认识自然界的基本方法，具体内容如图1。

二、教学目标

见图2。

三、教学分析及主要实验仪器

大部分学生初步了解原子结构的核式模型，知道质子、中子和电子，了解简单元素的原子结构示意图；因为疫情和选考因素，对原子结构模型发展历史知之甚浅，对原子核外电子排布掌握的不够准确，不懂质量数和核素的意义，对原子核组成和电子分布情况还存在迷思概念。经过初中科学和化学课程的学习，大部分学生初步理解证据推理的方法和价值；但是对于“证据、推理和观点”的逻辑关系还比较陌生；对于模型认知缺乏理性认知和感性体验。学生能知道普通化学物质的简单性质（如铁、盐酸）及其在生活中的应用价值，但是对于结构决定性质认识不够深刻，对于原子结构的学科和社会价值认识不深刻。为了提高研究情境的代入感，把学生分成六个研究小组。每组都有六只写有先哲、道尔顿、汤姆孙、卢瑟福和薛定谔名字的胸牌，上课每生随机戴上一只胸牌，方便课堂上分角色展开项目探究活动。

实验仪器主要是：阴极射线管与光谱管组（湖北鄂州市教学仪器厂）、单筒直读式分光镜（江苏靖江市圣飞光仪设备有限公司）、电子感应圈（北京日坛星云科技发展有限公司）。

四、教学过程

1.情境创设：提出驱动性问题

【情境引入】福岛核电站核污染冷却水存量在不断增加，其中含有放射性铯-134和铯-137，若污染水源容易导致白血病等癌症。放射性铯为什么容易引起白血病呢？另外有报刊说：要抑制铯在人体内沉积，可以多摄入钾[7]，这又是为什么呢？带着这些问题我们一起探索一下原子的内部结构。

2.模型构建：从证据、推理到观点

【材料1】早期原子结构资料[8]

公元前500年，中国墨翟：端，无间也。

公元前500年，古印度庚纳德：物质由最小的质点组成。

公元前400年，古希腊德谟克利特和留基伯：“原子”是构成物质的最小粒子，不可再分。

【教师】概括当时的原子结构模型并评价其科学性，各小组的先哲主持讨论并代表小组发言。

【学生】有推理无证据，属于直觉。

【材料2】道尔顿原子结构研究资料

（1）1789年，拉瓦锡用精确实验证明质量守恒定律。

（2）1799年，普罗斯特根据实验证明：构成各种化合物的各种元素都有一个确定的质量比，即定比定律。道尔顿推测：当2种元素所组成的化合物有2种以上时，在这些化合物中，如果一种元素的量是一定的，那么与它化合的另一种元素的量总是成倍数地变化的（如CO和CO2），即倍比定律。20年后倍比定律被瑞典化学家贝采尼乌斯用实验证明[9]。

（3）金属断裂实验，金属丝直径均为1/10英寸，恰好断裂的重量是：铅29.25磅；锡49.25磅；铜299.25磅……[10]。

（4）1803年，道尔顿通过实验测算不同元素的相对重量，并指出：最轻的元素就是氢，把氢的原子重量相对地定为1是较为合理的。

【教师】为了微观解释上述事实，1803年道尔顿基于上述实验及结论提出实心球体原子结构模型，他运用了证据+推理→观点的思维模型。

【板书】证据：相对质量、定比定律、倍比定律、断裂实验；推理：不可再分、实心球体、原子间作用力。

【投影】道尔顿模型概述：①原子是不可再分的实心球体；②同种元素原子各种性质和质量都相同；③在化学反应中，原子既不消失也不产生，原子的种类和数目是守恒的，不同物质中原子按照简单整数比结合；④原子间通过钩子组成单质或化合物。

【教师】原子真的不可分吗？如果原子可分，汤姆孙预测在正负电极加上高电压，某一极应该向对方发射微粒，让这些微粒穿过电场，大家预测这些粒子会怎样？各小组道尔顿主持阴极射线探究实验。

【学生】带着自己的预测观察阴极射线实验，确认阴极射线发出的粒子带负电。

3.认知迭代：模型应用与模型发展

【材料3】汤姆孙原子结构研究资料[11]

1859年，普吕克尔发现阴极射线在电场和磁场发生偏转，将风车放在阴极射线旁，风车会旋转。

1899年，汤姆孙测定各种物质产生的阴极射线，证明了阴极射线是带负电的粒子，并测定一个粒子的质量是一个氢原子质量的1/1836，随即命名为电子，而且是原子结构的一部分。

【教师】请结合材料3和阴极射线实验，创设原子结构模型解释上述事实？各组汤姆孙主持并展示。

【学生】小组讨论并展示，如图3中T-1、T-2、T-3、

T-4。

【教师】有的同学画出模型中只有带负电的微粒，却没有带正电的微粒，这可能吗？……

【板书】证据：阴极射线实验（直接）、道尔顿模型解释不了（间接）；推理：原子可分，正电微粒分布在原子中。

【投影】汤姆孙原子结构模型：原子由密封在带均匀正电荷的球体和在其中分散的大量带负电的电子构成的。

【教师】卢瑟福试图用一个微小而坚硬微粒进入原子内部一探究竟，于是他选择了质量较大、体积较小带正电的α粒子轰击体积较大的金箔。根据汤姆孙葡萄干布丁原子结构模型预测卢瑟福α粒子轰击金箔的实验现象？

【学生】α粒子应该全部穿过。

【教师】请观看α粒子散射实验视频。

【材料4】卢瑟福原子结构研究资料

1909年，卢瑟福和助手做了α粒子轰击金箔散射实验，现象是：①大多数α粒子不偏转；②少数α粒子大角度偏转；③极少数（八千分之一）α粒子被反弹。

1914年，卢瑟福用阴极射线轰击氢，发现了质子。

1919年，卢瑟福用粒子轰击氮核，猜想原子核内存在不带电的中子。

1935年查德威克根据对原子核轰击实验，发现从原子核里发出的γ射线可以把质子从原子中撞出来，确认γ射线中的微粒是中子，中子不带电，质量与质子相近[12]。

【教师】请结合实验视频和材料4創设原子结构模型解释上述事实？各组卢瑟福主持并展示。

【学生】小组讨论并展示，如图3中L-1、L-2、L-3、 L-4。

【教师】绝大部分α粒子穿过金箔说明原子内部很空，有的同学画出的原子核非常大，大家想想符合实验事实吗？还有同学将质子、中子、电子全塞到原子核里面有依据吗？……

【板书】证据：α粒子散射实验、γ射线撞击质子（直接）、汤姆孙模型不能解释散射实验（间接）；推理：质子和中子组成微小的原子核，电子绕核圆周运动。

【投影】卢瑟福原子结构模型：原子核集中了几乎原子的总质量和全部正电荷，原子核很小，电子绕核高速运动。

【资料5】原子中微粒质量

见表1。

【教师】根据资料5不难推出，决定原子质量的微粒是质子和中子，因此质子数加中子数称为质量数。有中子才能有强大的核力将多个质子共存于原子核中。过多的中子会发出γ射线，这就是134Cs和137Cs有放射性的原因。

【板书】质量数=质子数+中子数。134Cs和137Cs互为同位素。

【教师】将氯气通入过氧化氢浓溶液与氢氧化钠固体组成的混合物，我们看到水溶液里有红光闪烁，请用卢瑟福原子结构模型解释红光实验原因？请大家用单筒直读式分光镜观察窗外，看到的是连续光谱吧，各种能量的光有序排列在你的眼前，现在关灯，继续用单筒直读式分光镜观察纯净氢气、汞蒸气和氩气的光谱，大家看到了什么？

【学生】仅有一两条线状光带。

【教师】对，就是线状光谱，大家思考：电子绕核旋转应该逐渐耗能而发射连续光谱。为什么电子没有湮灭在原子核里，而且还发射线状光谱？请大家依据材料6分析，创设新的原子结构模型解释光谱问题，各组波尔主持并发言。

【材料6】波尔原子结构研究资料[14]

1900年，普朗克依据实验提出：振动的电子辐射光的能量是不连续的，一份一份的。

1905年，爱因斯坦针对特定频率的光照射金属飞出电子（光电效应），提出光子运动具有波（电磁波）粒（弹性粒子）二象性。

【学生】画出电子分层排布的核式原子结构模型，如图3中B-1。

【教师】很好，大家都想到了电子分层排布，红光实验中就是新生成的氧气中有外层电子跳跃到内层变成稳定的氧气时释放出的能量恰好以红色可见光的形式发出来。

【板书】证据：原子的线状光谱（直接）、电子没有进入原子核湮灭（间接）；推理：电子在不同能量层间跳跃时发出不同能量的光。

【投影】波尔原子结构简化模型：能量辐射不是连续的，而是电子在不同电子层间转换时才发射或吸收的；电子在不同电子层绕核圆周运动；电子在两个电子层之间转换（电子跃迁）时发射的辐射被记录后就是线状光谱。

4.归纳总结：核外电子排布规律

【教师】表2是碱金属和部分稀有气体元素的电子层排布，从中你能发现什么规律？

【学生活动】各组薛定谔组织讨论并展示。

【投影】归纳总结：（1）电子总是优先排布在能量较低离核较近的电子层；

（2）每个电子层最多容纳2n2个电子；

（3）最外层不超过8个电子，K层作最外层不超过2个电子；

（4）次外层不超过18个电子；

（5）倒数第三层不超过32个电子。

【教师】请同学们写出钾元素的原子结构示意图，并与投影中铯原子的原子结构示意图比较有什么异同？

【学生】钾与铯最外层电子数都是1，这种结构上的相似性决定其化学性质很相似；以致于我们身体易把铯当成钾摄入，如果身体所需钾元素基本饱和，就不用再吸收钾了，也就抑制了铯的摄入。

5.展望：人类对原子模型的探索仍然在路上

【教师】波尔原子结构模型也有处理不了的问题，后来薛定谔用数学的方法来描述电子等微粒的运动状态，提出了现代量子化原子结构模型。戴维森和革末利用电子衍射实验证明了电子运动的波动性，证明了量子化模型的科学性，但是真正原子结构是什么样子，研究还在持续。

【教师】2020年诺贝尔物理学奖的一半给了罗杰·彭罗斯，他创立了扭量理论，进而计算出了黑洞存在。另一半给了莱因哈德·根泽尔和安德里亚·格兹，他们利用射电望远镜发现银河系中存黑洞。所以从微小原子到宏观宇宙，科学观点的获得既要有合理的逻辑推理，又要有严谨的科学实验证据。这就是人类研究自然的基本论证方法。

五、反思与讨论

素养本位的课堂教学旨在教授科学家思维而不是科学家结论。本课将史料和实验作证据推理的载体，重点是在汤姆孙、卢瑟福和波尔三个探究阶段充分展开探究、合作与生成活动；通过模型构建、模型应用和模型修正有助于学生对学科本质的理解，学生更能够深刻理解原子结构研究需要实验法、模型法、类比法、猜想法等多种思想方法。呈现汤姆孙和卢瑟福的研究过程，使学生加深对原子组成的理解，介绍波尔的研究可使学生对原子结构示意图理解升级，尤其是学生亲身进行光谱实验探究，有助于学生对原子结构理论发展的理解，懂得科学理论是在不断改进中前進的，最终形成能够相对完美解释自然世界的理论。

利用化学史料与真实实验重现进行论证式教学，有助于学生的核心概念转变。原子结构是抽象的、不可见的，势必在学习过程中产生迷思概念，经过证据收集、推理论证修正原有原子结构模型，在体验科学研究过程中能纠正偏差认知，正确理解科学模型的内涵，从而渗透证据推理与模型认知化学核心素养。

参考文献

[1][3]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020：18，72

[2][14]马青.基于化学史的原子结构教学实践研究[D].银川：宁夏大学，2019：7，21

[4]蒋永贵，吴俊明.新课程背景下的数字化实验室及其在中学理科教学中的应用[J].中国电化教育，2006（11）：45-48

[5]林建芬等.化学“四重表征”教学模式的理论建构与实践研究——从15年数字化手持技术实验研究的回顾谈起[J].化学教育，2015，36（7）：1-6

[6]彭豪.基于POE策略的高中化学“四重表征”概念教学研究[J].化学教学，2011（10）：24-27

[7]吉田隆嘉[日]曹逸冰译.走进奇妙的元素周期表[M].海口：南海出版公司，2017：25-27

[8]宗棕，刘兵.卢瑟福原子结构理论中“核”隐喻的提出——一项科学文本的修辞分析[J].科学技术哲学研究，2012，29（3）：13-17

[9][13]林承志.化学之路——新编化学发展简史[M].北京：科学出版社，2011：100-101，215

[10]道尔顿李家玉等译.化学哲学新体系[M].武汉：武汉出版社，1992：120

[11]宋德生.从阴极射线的争议到电子的发现[J].物理，1987（5）：311-316

[12]汪纪苗.“原子结构模型的演变和原子的构成”第一课时教学设计[J].化学教学，2010（12）：32-35