融合科学阅读 发展学科素养

徐敏姬 王伟群

摘要：针对高考评价体系对学生阅读能力的要求，提出将科学阅读融入课堂教学，不仅有助于学生对理论概念的理解，更有助于学生发展科学阅读技能，提升化学学科素养，促进科学精神的形成。

关键词：科学阅读;学科素养;原子结构

文章编号：1008-0546（2022）04-0002-06

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.04.001

中国高考评价体系[1]确立符合考试评价规律的三个方面的关键能力群，第一方面是以认识世界为核心的知识获取能力群，主要包括语言解码能力、符号理解能力、阅读理解能力、信息搜索能力、信息整理能力等等，这些都与阅读相关。科学阅读侧重于自然科学方面的信息阅读，指的是对他人的科学研究内容的语言、符号、信息整理的系列信息输入的活动。笔者统计了2020年江苏省高考化学试卷的字数是3695个、实验装置图7张，流程图（无机工艺流程和有机合成路线图）3张、物质结构图2张、坐标图像（曲线）4张，考试时间是90分钟，显然高考对学生的阅读速度和信息获取的能力都有较高的要求。应该说，科学阅读随时随地都可以进行，而学生科学阅读能力的提高，其主阵地在课堂。

一、教学主题内容及教学创新点

已有研究表明，将科学阅读融入教学，有助于促进学生对概念的理解，有助于提升学生学科能力的发展[2]。“人类对原子结构的认识”选自苏教版《化学》必修第一册专题2第三单元，是高一的新授课，主要内容是介绍了人类认识原子结构历程中的几位关键人物和几个经典实验，此教学内容是融合科学阅读不可多得的素材。但从目前检索到的相关教学设计[3-7]来看，几乎所有的教学实践中都没有关注到课堂教学与科学阅读的融合，教学设计普遍以原子结构的发展史为线索，通过问题情境，引导学生经历和体验科学家建模的历程，从而发挥本节内容在“证据推理与模型认知”等方面的教育功能与价值。笔者在本节课的教学实践中，从“水与重水的质量差异”的真实情境出发，通过“资料卡”式的阅读文本，将科学阅读活动融入课堂教学，以问题链驱动学生的阅读，引领学生像科学家一样去思辨、讨论、表达、得到科学结论。本节课获得了2020年江苏省高中化学评优课一等奖，下面就本节课的教学思路与一些教学片断与各位同仁分享。

二、教学实践

1.教学目标与设计思路

化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、变化及其应用的一门基础学科，认识原子结构是学生发展“宏观辨识和微观探析”的基础;而人类对原子结构模型的认知历史，不仅反映了科学知识的发现、发展和完善过程，也让学生“认识化学科学研究需要实证与推理”，“了解实验、假说、模型、比较、分类等方法在化学科学研究中的运用”[8]，这也是这节课重要的教学目标。

本節课设计了情境创设、历史回眸、观察学习和拓展学习四个教学环节。在历史回眸环节，用问题引领学生科学阅读与思辨表达，通过“读中悟”达成教学目标，具体的设计思路如图1所示。

2.教学实录（1）读前创设情境，触发积极阅读心态

教学片断一：

[情境创设]同学们听说过重水吗？重水，顾名思义，是比水略重的水，事实是否如此？

[学生实验]用电子秤（精确到小数点后面2位）分别称量相同条件下，体积均为2.0mL的水和重水的质量，记录实验数据。

[追问]多次量取（2.0mL）多次称重，均表明等体积的重水比水略重一些。同学们认为重水比水重有哪些可能的原因？

[教师活动]播放“什么是重水”的视频。展示重水与水分子的空间结构。

[学生活动]观看视频，思考分析。重水与水的分子中组成元素相同，原子数目相等，氧原子也相同，唯一不同的是氢原子，正是氢原子质量的不同造成重水的质量稍重一些。

[追问]重水分子中的氢原子并不“轻”，那么它重在哪里呢？普通氢原子的核内只有一个质子，重氢原子的核内除了一个质子，应该还有其他粒子，这是什么粒子？有多少个呢？

设计意图：借助重水创设了“等体积重水和普通水质量不等”这一情境，学生从中读到的是“数据”，再通过视频情境，学生从中读到的是“分子组成和结构”。观察是思维的开始，真实的数据和可信的视频资料都是学生肉眼可见的信息源，最后聚焦到了重氢原子的内部结构，进而引出了本节课的主题。短短几分钟的时间就激发起了学生深入了解原子内部精细结构的探究欲和阅读资料寻求答案的驱动力。

（2）读中问题导向，引导学生深度阅读和思考教学片断二：1阅读收集证据，推理认识模型

[教师活动]提供资料1：汤姆生研究阴极射线的实验背景、装置和实验结果[9]。

[实验背景]1897年，汤姆生（J.J.Thomson，1856～1940）开展阴极射线的研究。

[实验装置]见图2。

[实验结果]

阴极射线实验装置

（1）金属板D1、D2之间不加电场时，射线不偏转，射在屏P1处;加电场时，射线偏转，射在屏P2处;

（2）测阴极射线的荷质比（带电粒子电荷值e与其质量m之比），并进一步测到电荷量与氢离子相同，从而推测出该带电粒子质量约为最轻原子（H）质量的1/2000。

（3）不论管中是什么气体或电极是什么材料，所测粒子的荷质比都一样。

[教师活动]提出问题：1.电子有什么特征？证据是什么？2.电子的发现对原子结构模型有何影响？

[学生活动]阅读材料，小组交流讨论。

学生1：金属板之间加电场时，射线发生偏转，说明射线带电;射在屏P2处，则说明射线带负电。通过测阴极射线的荷质比，发现射线应为带电粒子，且质量比原子质量小得多。gzslib202204022031

学生2补充：实验结果（3）证明所有物质的原子中都含有电子，电子是原子的组成部分。电子的发现，说明原子是可再分的，原子内部有著精细的结构。

[师生小结]

经典实验：阴极射线实验。

↓

逻辑推理：电子带负电、是比原子更小的微粒，是原子的组成部分。

↓

建构模型“：葡萄干面包式”原子结构模型。

2阅读推翻假设，建构新的模型

[教师活动]提供资料2：卢瑟福开展α粒子轰击金箔的实验背景、装置和实验结果[9]。

[实验背景]1909年，盖革（H.Geiger）和马斯登（E.Marsden）在卢瑟福（Ernest Rutherford，1871～1937）的指导下开展α粒子轰击金箔的实验研究（注：α粒子带正电，质量约为电子质量的7300倍）。预测结果：汤姆生模型中正电荷均匀分布在原子内，α粒子穿过原子时受到的各方向正电荷的斥力基本上相互平衡，对α粒子运动的影响不会很大，偏转角度不超过0.87°。

[实验装置]见图3。观察记录荧光屏闪烁的粒子数（α粒子击中时会闪光）。

[实验结果]

（1）绝大多数α粒子直接穿过金箔沿原来的方向前进。

（2）少数α粒子发生大角度偏转，有极少数偏转角度超过90°，甚至几乎达到180°。

[教师活动]提出问题：3.α粒子轰击金箔的实验结果能证明“葡萄干面包式”原子结构模型正确吗？为什么？

[学生活动]阅读材料，小组交流讨论。

学生3：我们认为“葡萄干面包式”模型不完全正确。根据“葡萄干面包式”原子结构模型，当α粒子轰击金箔时，α粒子偏转角度应该很小，几乎不改变方向而穿过金箔。但实验结果却有极少数α粒子发生大角度的偏转，这是“葡萄干面包式”模型无法解释的。

[追问]符合实验结果的原子结构模型是怎样的？

[学生活动]小组交流，画原子结构模型。

学生4：展示原子结构模型图1（见图4）。实验中极少数α粒子发生大角度偏转，甚至反弹的结果，说明原子内存在一个质量比较大的结构，这个结构就是原子核。模型中间的小黑点表示原子核，电子则均匀分布在原子核外。

学生5：展示原子结构模型图2（见图5）。绝大多数α粒子能穿过金箔，说明原子没有“边界”，原子内部绝大部分是“空”的，原子不是实心球体。而极少数α粒子发生大角度偏转，则证明在原子内存在一个质量比α粒子大、带正电的原子核结构，模型图中间带“+”的结构表示原子核，带负电的电子均匀分布在原子核外。

[追问]原子核有什么特征？证据是什么？

[学生活动]小组交流讨论。

学生6：极少数α粒子发生大角度偏转的实验结果证明了原子核带正电、质量大。而撞到的概率很小，说明原子核在原子中所占的体积非常小。

[师生小结]

经典实验：α粒子轰击金箔。

↓

逻辑推理：原子中存在一个体积小、质量大、带正电的原子核。

↓

建构模型：核式原子结构模型。

3阅读实验研究，解剖核的结构

[教师活动]提供资料3：卢瑟福开展“解剖”原子核的实验背景、装置、过程和实验结果[10]。

[实验背景]1919年，卢瑟福开展“解剖”原子核的实验研究。

[实验装置]见图6。

[实验过程]

黄铜罐内分别充入不同气体，用加速后的α粒子轰击气体原子核，观察荧光屏上的闪光。（注：在真空下，调整铝箔厚度，使α粒子恰好被吸收，荧光屏上无闪光）

[实验结果]

（1）罐内充入氮气时，荧光屏上出现了闪光。将粒子引入磁场和电场中，测得该粒子带正电，且带电量与单个电子相同，但质量却约是电子质量的1837倍，确定它就是失去电子的“氢原子核”。

（2）卢瑟福改进装置，从氯、氖、钠、硫、镁等轻元素的原子核中都打出了“氢原子核”。

[教师活动]提出问题：4.原子核内部有什么？你的依据是什么？是如何推理的？

[学生活动]阅读材料，小组交流讨论。学生7：用α粒子轰击氮原子核时，从中打出了“氢

原子核”，这说明“氢原子核”是氮原子核内的一部分。

学生8补充：卢瑟福用α粒子继续轰击其它元素的原子核，从中也都打出了“氢原子核”，这说明“氢原子核”是普遍存在于元素原子核中。

[追问]卢瑟福将“氢原子核”命名为质子，质子有什么特征？证据是什么？质子的发现对原子结构模型有何影响？

[学生活动]小组交流讨论。

学生9：在电场和磁场中分别测定质子的电性、带电量和质量，发现质子带正电，且带电量与一个电子相同，质量却比电子大得多。质子的发现证明了原子核是可再分的，原子核内部还有结构。

[师生小结]

经典实验：α粒子轰击氮原子核。

↓

逻辑推理：原子核内存在带正电、质量较电子大得多的质子。

↓

补充模型：补充原子核模型。

4学会提出假设，阅读证据验证

[教师活动]提出问题：5.只含有多个质子的原子核结构（见图7）是否稳定？说明理由。

[学生活动]思考交流。

学生10：由于质子均带正电，根据“同性相斥”原

理，只含质子的原子核结构是不稳定的。

[追问]卢瑟福通过进一步的实验，测得了原子核质量与电荷的比值总是大于质子质量与电荷的比值，这样的实验结果能说明什么？gzslib202204022031

[学生活动]思考交流。

学生11：说明原子核中还可能存在其他粒子。

[追问]对这种未知粒子，你有什么猜想？说明猜想理由。

[学生活动]思考交流。

学生12：未知粒子必然呈电中性。实验已经证实了原子中存在电子和质子，且两者带电量相同，电性相反，已经能保证原子呈电中性。

[追问]卢瑟福在发现质子后不久，便预言原子核内除存在质子外，还应存在一种呈电中性的粒子，他将其称之为中子。那么，如何证实中子的存在呢？

[教师活动]提供资料4：查德威克开展寻找中子的实验背景、装置、过程和实验结果[9，10]。

[实验背景]1929年起，查德威克（James.Chad?wick，1891～1974）开展寻找中子的实验。

[实验装置]见图8。

[实验过程]用α粒子轰击铍原子核，利用产生的射线轰击石蜡。（注：当时已知γ射线为电中性粒子流，但γ射线无法从石蜡中打出质子）

[实验结果]

（1）α粒子轰击铍原子核时产生穿透力极强的射线，且该射线呈电中性。该射线轰击石蜡时，石蜡中有质子被打出。

（2）经云室探测，运用动量和能量守恒原理，确定该粒子质量与质子质量相当，并确证该粒子呈电中性。

[教师活动]提出问题：6.中子存在的证据是什么？中子具有什么特征？7.中子的发现对原子结构模型有何影响？

[学生活动]阅读材料，小组交流讨论。

学生13：α粒子轰击铍原子核时产生穿透力极强的电中性的射线，而该射线能从石蜡中打出质子，证明该射线不是γ射线。经云室探测和运用动量、能量守恒原理推算，证明该射线是具有一定质量、呈电中性的粒子流，这些特点均符合预言中中子的特征，这就是中子存在的实验证据。

学生14补充：中子的特征是不带电、质量与质子

相当。中子的发现完善了原子核的内部结构。

[师生小结]

假说：原子核可能存在中子。

↓

经典实验：α粒子轰击铍原子核。

↓

逻辑推理：原子核内存在电中性、质量与质子质量相当的中子。

↓

完善模型：完善原子核模型。

[引导]从汤姆生发现电子到查德威克证实中子的存在，一代代科学家们通过一个个经典实验，运用科学方法，逐步揭开了原子的内部结构。回顾这段历程，科学家们研究原子结构时运用了哪些科学方法？这些伟大科学家的身上有哪些科学精神值得我们学习？你对科学研究的目的有哪些新的理解和认识？

[学生活动]交流小结。

学生15：科学方法：实证推理建模

科学精神：坚持不懈、严谨求实。

科學目的：发现规律，运用科学规律，使科学成为改变人类生活生产最有力的工具。

设计意图：问题是学生思维的引擎，通过问题驱动开展教学可以激发和培养学生的思辨能力[11]。本节课所呈现的资料卡都属于科学阅读材料，材料的背景很丰富，专业性也很强，设计贴近学生实际的问题链，不仅有助于学生重点阅读，解决所提出的问题，更有助于学生认识科学的本质，领悟科学规律是在“假说—证实（证伪）—建构”这个过程中逐步走向完善。

（3）读后解决问题提升学科核心思维教学片断三：

[提出问题]经过科学家们的不断努力，现在我们已经可以获得电子、质子、中子较为准确的数据（见表1），结合实验所得的数据（见表2），我们可以粗略计算一个重氢原子中的中子数。

[学生活动]交流讨论，计算：

n（H2O）=1.96g/18g·mol-1=0.109mol，

m（中子）=2.18g-1.96g=0.22g，

n（中子）=0.22g/1.008g·mol-1=0.218mol

学生16：通过计算发现，n（中子）约为n（H2O）的2倍，说明一个重氢原子中包含一个中子。

设计意图：学生通过科学阅读活动，深刻理解原子的内部结构。在此基础上，引导学生“阅读”实验数据、运用“物质的量”粗略推算一个重氢原子中的中子数，培养学生严谨的科学态度，提高学生对实验数据的分析推理能力，渗透从宏观到微观、从现象到本质的学科思想。

三、教后反思

一门真正的科学应该具备两个要素，第一个是数学，它必须是可以数学化、量化的，可以进行计算和预测，因而可以控制。第二个是实验，它必须能够诉诸实验，如果没有经过实验的处理，就会被认为是不可靠的，是不“科学”的。科学文本的阅读要牢牢抓住这两个要素展开：科学家在科学研究过程中做了哪些实验？科学家怎么想到做这些实验？他们是如何开展实验的？实验中看到了什么现象？得到了哪些数据？进行了怎样的推理和分析？得出了哪些重要的结论？学生进行科学阅读的过程就相当于在“参与”科学的研究过程，相当于在“对话”科学家。我也从中体会到学术情境类的文本阅读对提高学生学科素养的重要性，以及一些在课堂教学中融合科学阅读的策略与实施方法。

1.科学阅读的兴趣性。成尚荣先生认为，学习的第一支点就是兴趣，找到了学习兴趣这个支点，可以轻轻地推动学生成长、进步。苏霍姆林斯基指出，在人的心灵深处，都有一种根深蒂固的需要，就是希望自己是一个发现者、探索者。科学阅读是一条通往未知领域的通道，可以满足学生成为发现者、探索者的需要。本节课，学生的兴趣点在于等体积的普通水和重水的差异到底在哪里？整节课学生就围绕这个问题一探究竟。

2.科学阅读的简洁性。在课堂教学中开展科学阅读活动时，由于受教学时间与空间的影响，需要精心遴选阅读素材、精心设计阅读方式和途径，以求有效。首先，科学阅读的文本要简洁，文本所呈现的每一个字、每一个数据、每一张图片都准确无误，确保文本是“科学”的，同时文本可以图文并茂，不要人为增加学生的认知负荷;其次，科学阅读的方法要简洁，要指导学生抓住文字、图表中的关键信息，尽量带着问题去阅读，边阅读边思考。gzslib202204022031

3.科學阅读的广泛性。南京师范大学附属中学的保志明老师针对教学内容列出系列阅读书单，要求学生自行购买阅读，并鼓励学生跨学科阅读，鼓励学生把身边的书籍交换阅读，大大增加了学生科学阅读的时间和数量，丰富了学生的阅读经验，不再局限于课堂上的短篇阅读和短时阅读。

4.科学阅读的深刻性。科学阅读要做到“沉浸”和“沉思”，要透过文字看到文字背后的故事。当然课堂上的科学阅读，教师要适当地加以引导，要设置合适的问题情境，引导学生从文本中提取信息、概括关联、分析解释、推理预测，有意识地渗透科学方法的培养，凸显科学阅读与科学学习之间的关系。通过“文本阅读-思维加工-分析讨论-示范”的循环，发展学生的科学阅读能力。

参考文献

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[2]宁燕丹，魏锐，王磊.学科能力发展导向的科学阅读表现模型及教学策略研究[J].课程·教材·教法，2019（5）：127-133.

[3]周正祥，杨玉琴.指向“证据推理与模型认知”的教学设计——以“原子结构模型演变”为例[J].化学教育（中英文），2018，39（23）：25-30.

[4]宗绪涛.基于化学史教学落实立德树人目标——重温原子构成的发现之旅[J].中学化学教学参考，2019，（4）：23-26.

[5]杨封友.模型修正取向的原子结构教学研究[J].中学化学教学参考，2019（10）：30-33.

[6]保志明.关注科学概念的教育价值——以“原子”为例[J].中学化学教学参考，2015（3）：1-3.

[7]保志明.关注科学概念的教育价值（续）——以“原子”为例[J].中学化学教学参考，2015（4）：1-3.

[8]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2020版）[S].北京：人民教育出版社，2020：11.

[9]徐建中，马海云.化学简史[M].北京：科学出版社，2020：211-230.

[10]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书·物理·选修3-5[M].北京：人民教育出版社，2019：46-69.