增进化学科学本质理解的教学设计

陈俏 耿雁冰 王心怡 姚燕娟

摘要： 以人教版九年级化学“原子的结构”第1课时的教学设计为例，从化学史和核心素养培育的角度对主题内容的科学本质进行分析，通过将科学家探索原子结构的过程转化为学生的探究活动，如制作模型、引导学生思维外显和过程性评价等措施，学习科学探究方法，发展思维能力和微粒观，培养科学精神，增进学生对科学知识本质、科学探究本质和科学事业本质的理解。

关键词： 化学科学本质； 化学史； 原子的结构； 科学探究； 制作模型

文章编号： 1005-6629（2023）04-0058-07

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

国际科学教育领域近年来非常重视科学本质教育，多个国家和地区在教育纲领性文件中明确指出科学本质教育。我国教育部颁布的《义务教育化学课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）中，将“化学科学本质”作为学习主题“科学探究与化学实验”内容要求的第一要素，并被明确为该学习主题的大概念［1］。其涉及学生对化学学科特征、学科事业、与社会的关系、科学态度和精神等一系列学科基本问题的认识［2］，对增进学生化学科学本质的理解提出了明确要求。

国内较为主流的观点认为，科学本质教育有三个维度：科学知识的本质、科学探究的本质和科学事业的本质［3， 4］。具体包括：科学是观察和推理的结果，科学知识具有暂定性和发展性等；科学是不断探究的过程，具有提出问题、猜想假设、设计实验、建构模型、证据推理、得出结论等要素；科学知识与社会、文化相互影响，科学共同体之间相互论证、合作交流等［5］。研究表明，融入化学史的科学探究是进行科学本质教育的重要方式和有效途径［6］。下面以人教版九年级化学第三单元“原子的结构”第1课时的设计加以阐明。

1  教学主题内容科学本质的分析

1.1  从化学史角度分析

人类对原子结构的认识跨越了两千多年，从古代先贤哲学思辨中的原子到现代薛定谔的电子云模型，主要经历了3个时期、6个模型，见图1。考虑到学生认知水平和教材编排，初中介绍前5个模型，即古代和近代两个时期，电子云模型是学生未来进入高中才学习的内容，初中只是提及。这些模型能解释一些特定的现象，其局限性被科学家们不断突破，模型随之演变，人们对原子结构的认识越来越逼近本质，这是科学知识暂定性和发展性的体现。如行星模型能解释α粒子散射实验现象，但被认为与经典电磁理论相悖，电子会坍塌，事实上原子却很稳定，而玻尔模型回答了这个问题，并能解释氢原子光谱，但不能解释多电子的原子。模型的演变过程基于实验证据和逻辑推理，是去伪存真、追本溯源的过程，包含科学探究的所有要素，彰显科学家们理性批判、求真创新等科学精神，是科学探究本质和科学事业本质的体现。

1.2  从核心素养角度分析

“原子的结构”是学习主题“物质的组成与结构”的内容，涉及核心概念“原子”，基本概念“原子核”“核外电子”“质子”“中子”。新课标对该内容的要求见表1。

由表1可以看出，“原子的结构”承载的核心素养内涵丰富，学生在初识分子、原子后，深入原子内部探析其结构，初步认识物质的组成与结构间的关联，是“结构决定性质”观念建构的起始，为理解离子、元素及化合价奠定基础，其在核心素养发展上的定位及与科学本质的关系如图2所示。其中，科学思维和科学探究作为帮助学生开启原子“黑箱”的两把钥匙，是本节课素养培育的重点。学生沿着科学家探索原子的足迹，通过科学探究过程，学习科学探究方法，发展科学思维能力和微粒观，培养科学态度。比较化学科学本质和化学核心素养，两者内涵相似，育人目标一致，增进化学科学本质的教学可以通过核心素养的落实来实现，学生四个维度核心素养的发展将合力增进对化学科学本质的理解。

2  教学目标

（1） 能从微观视角初步建立物质组成与结构的关系，能说出原子的构成及原子内各微粒电性和数目间的关系，能举例描述原子核外电子的排布，建立认识原子结构的定性和定量视角，发展微粒观。

（2） 通过对不同阶段原子模型的比较，知道人类对科学的认识是不断发展的，增进对科学知识本质的理解；通过对实验或教具演示结果的分析以及动手制作模型，明确科学探究的要素、学习科学探究的方法，发展类比、证据推理、模型认知和批判质疑能力，增进对科学探究本质的理解。

（3） 通过化学史料的学习，体会科学家探索微观世界的智慧以及科学共同体之间相互论证、合作交流的重要性，学习科学家们理性批判、严谨求实的科学精神，增进对科学事业本质的理解。

3  教学流程

教学设计了任务线、化学史线、问题线、探究线，见图3。以化学史引出问题及探究活动，学生在教师引导下自主获得科学知识、学习科学探究方法、训练科学思维，其中探索近代原子模型的发展是最能增进学生对科学知识、科学探究、科學事业本质理解的部分，成为本节课的学习重点。

4  教学实录

［材料准备］每小组：彩色橡皮泥1桶、一次性纸杯5个（可剪出电子运动轨道）、剪刀1把、细铁丝适量。

［师］今天我们将沿着历史上科学家的足迹，深入原子内部，去打开原子的“黑箱”。

任务一：评价古代原子观点

［史料1］古希腊学者德谟克里特认为万物的本源是原子和虚空，原子在希腊文中是不可分的意思。古代中国墨子认为“端”是空间中不可再分割的最小单位。

［问题1］为什么说德谟克里特和墨子的观点停留在哲学层面的思辨而非科学研究？

［生］结论是通过猜想得出的，未经过科学论证。

任务二：探索近代原子模型发展

［史料2］19世纪初，道尔顿通过对水等物质的研究，证实了每种化合物都有固定的组成（定组成定律），基于对常见原子相对大小和质量的测定等研究，提出原子学说，认为物质是由不可分割的原子构成，并测定了相同元素组成的不同物质中各元素的质量比，得到倍比定律［8］，见表2。

［师］原子论当时能很好地解释定组成定律和倍比定律等，以表2两种碳氧化物的实验结果为例，试用你所学过的分子原子知识加以解释。

［生］道尔顿认为物质是由原子构成，碳由碳原子构成，质量相等说明碳原子个数相等，而一个一氧化碳分子里有一个碳原子和一个氧原子，但一个二氧化碳分子中有两个氧原子，结合的氧原子个数比为1∶2，所以质量比为1∶2。

［师］对！不过当时还没有提出分子概念，分子被道尔顿称为复杂原子。请以小组为单位，利用所给材料制作道尔顿原子模型，见图4。

［问题2］道尔顿被称为近代化学之父，原子论提出的重要意义在哪？

［生］道尔顿原子论有实验数据支撑，使化学成为一门科学。

［史料3］介绍1897年汤姆生的阴极射线实验，实验装置如图5。播放实验视频。

［实验结果］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；推测出该粒子质量约为最轻的氢原子质量的1/1836。

［问题3］汤姆生发现阴极射线有何特征？对原子有何新的认识？

［生］阴极射线是带负电的粒子流，质量很小，所以原子可以再分。

［师］带负电的粒子被称为电子。请制作汤姆生心中的原子模型，见图6。

［师］大家制作的模型是在原子表面粘了些电子，想象一下没粘到电子的地方以及原子内部应该如何？

［学生评价汇总］没粘到电子部分应该想象成有正电荷均匀分布，因为电子带负电、原子不显电性。在原子内部，也应该与模型表面一样均匀分布着电子和正电荷。

［师］分析得对！当时该模型被称为枣糕模型或葡萄干布丁模型或西瓜模型。

［史料4］20世纪初，卢瑟福用带正电的α粒子轰击金箔的实验。

［教具演示α粒子轰击金箔］以直径40cm的白色大泡沫球模拟金原子，用激光模拟α粒子，光纤模拟α粒子运动路径。在球一侧用激光笔照射，学生在另一侧观察激光，比较激光进出位置的区别并描述现象。

［生］大部分α粒子直线通过，少数发生偏转，极少数原路返回。

［问题4］能用汤姆生的枣糕模型解释这种现象吗？

［生］枣糕模型电荷和质量均匀分布，α粒子轰击时应大部分被弹回，不能解释。

［师］看来枣糕模型有局限性，请依据证据进行推理。学生观点见表3。

［师］打开教具球体观察，见图7。原子中心的兵乓球模拟的就是原子中带正电荷的微粒。

［师］α粒子碰到的微粒被称为原子核，密度大体积小，把原子比作体育場，原子核相当于体育场正中的一只小蚂蚁。联想到行星绕着太阳转，对比太阳与行星以及原子核与电子，卢瑟福认为原子内部应存在与“大宇宙”类似的“小宇宙”，遂提出行星模型，这种依据两种事物某些方面的相似性而推出其他属性相似的方法叫做“类比”。

［史料5］卢瑟福发现质子并预测原子核内存在中性粒子;查德威克基于波特等人的研究将发现的中性粒子命名为中子（具体内容略）。

［问题5］学生依据史料回答问题并深入探究卢瑟福模型，制作模型，分析评价，见表4。

［师］行星模型能很好地解释α粒子散射实验现象，但被认为与经典电磁理论相悖，电子会坍塌，但事实上原子却很稳定，科学家继续探索。

［史料6］玻尔提出核外电子是在某些特定轨道上运动的，进而提出玻尔原子模型。

［师］简介核外电子的分层排布。仍以锂原子为例，制作玻尔原子模型，见图8左。

［评价］图8左中电子实际是在两个半径不同的球面上运动，在表示原子结构时，可简化为图8右的原子结构示意图。

［师］说明简化的原子结构示意图中每部分的意义。

［生］圈表示原子核，圈内数字表示核电荷数，弧线表示电子层，弧线上数字表示电子层上的电子数。

任务三：展望及总结提升

［史料7］科学家探索原子结构的脚步一直没有停下，后来薛定谔基于量子力学，用统计的方法对电子在核外空间分布方式进行了形象描绘，提出了电子云模型，高中会进一步学习，未来也许还会出现新的原子模型。

［师］这节课我们沿着科学家的脚步，对原子的结构进行了探索，总结科学探究的思路并谈谈你对科学知识、科学探究以及科学家工作的认识。

［师生］共同构建原子模型演变过程中科学探究的思路，见图9。

［学生观点汇总］科学知识是不断发展的，在发现之初认为是真理，一段时间后可能就不是了。化学是一门以实验为基础的科学，这节课我们学到了一些科学探究的方法，如大小宇宙的类比、依据实验寻找证据进行推理得出结论、用制作模型的方法表示看不见的原子。科学家们具有的批判精神和严谨求实的态度，值得我们学习。

5  教学反思

5.1  通过科学探究的“转化”增进化学科学本质的理解

“科学的本质不在于已经认识的真理而在于探索真理”［9］，探索真理即科学探究，而探究的核心在于思维。学生的探究学习活动不同于科学家的探究活动，两者既有联系又有区别，教师在选择化学史时应注意将科学家的探究活动进行“转化”，而非直接呈现。根据学生的认知水平整合化学史内容，在科学知识生成的关键节点设计学生的探究活动或问题链，启发学生的高阶思维，让学生清晰了解知识产生的来龙去脉，沉浸式地学习科学探究的方法、思维方式，才能有效增进对科学本质的理解。本设计中人类探索原子结构的化学史内容繁多且深奥，通过简化实验过程、自制教具、精选图片视频等途径对化学史进行“预处理”，再通过问题设计、引导学生依据证据进行推理、动手制作模型、评价交流等方式，将科学家们对原子结构的探究历程“转化”为适合初中学生的探究活动，充分发挥化学史在增进化学科学本质理解上的功能。

5.2  通过将学生思维外显及评价增进化学科学本质的理解

化学科学本质并不是具体的化学知识，而是内隐在化学知识中，属于大概念或者观念。素养导向的教学注重探究教学和科学思维培养，思维的外显及评价是增进科学本质理解的有效策略。本节课增进科学本质理解的思维外显方法有：（1）呈现科学本质问题。如古代先贤的原子观点为什么是哲学层面的思辨而非科学研究？为什么枣糕模型不能解释α粒子散射实验？让学生明白科学的本质在于探究（实验），证据推理是科学探究的一种方法；（2）动手制作原子模型。制作是将思维可视化的过程，能促进学生主动推理，让学生自己“创造”科学知识，并在修正中不断发展；（3）提炼原子模型演变中科学探究思路，让学生明确科学探究的要素及路径。通过思维外显，充分展现学生“从哪里想”和“怎么想”，为诊断学生对科学本质的理解提供证据，有效开展过程性评价，及时调控教学，实现“教、学、评”一致性。

5.3  关注不同学段科学本质教育的“纵向进阶”

新课标明确了不同学段科学知识的内容要求、学业要求和学业质量标准，反映了不同学段核心素养的培养目标，科学本质也存在相应的“纵向进阶”教育。如对原子的认识，初中主要为原子的构成及原子内各微粒间的关系；高中必修阶段要认识“位、构、性”关系、核素、核外电子排布，建构元素周期律；选择性必修阶段认识电子云模型、核外电子能级高低顺序和构造原理等。在任何学段都应避免将知识“讲死”或随意“拔高”，既要遵循知识暂定性与发展性原则，又要遵循学生的认知规律，如本节课电子云模型虽提及但不详解即基于此考虑。

5.4  以跨学科实践活动实现科学本质教育的“横向整合”

化学与其他科学之间、STSE（科学、技术、社会和环境教育）之间关联密切，科学教育呼唤跨学科实践，在跨学科实践活动中进行科学本质的教育即“横向整合”［10， 11］。新课标注重跨学科实践，不仅将“化学与社会/跨学科实践”作为学习主题，还列出10个跨学科实践活动供选择，其中“制作模型并展示科学家探索物质组成与结构的历程”即与本课题相关联。本设计通过“做中学”，将科学、技术与艺术在课堂中融合，且制作材料源自生活中的常见物质，易于实施，极大地激发了学生的学习兴趣；通过“做中学”，展示科學家们探索原子的历程，将抽象的概念形象化、具体化、可视化和动态化，学生在深化概念理解的同时也增进了对科学知识、科学探究和科学事业本质的理解。当然，教学中还可以尝试将信息技术融合进来，如让学生制作人类探索原子化学史的动画或3D打印模型等，以扩大“横向整合”的范围。

总之，教师对科学本质的理解是科学本质教育的前提，教师应深入学习科学本质内容，领会新课标要求，实现科学本质教育从理解认知层面向教学实践层面的转化。

参考文献：

［1］［7］中华人民共和国教育部制定. 义务教育化学课程标准（2022年版）［S］. 北京： 北京师范大学出版社， 2022.

［2］房喻， 王磊. 义务教育化学课程标准（2022年版）解读［M］. 北京： 高等教育出版社， 2022： 78.

［3］刘健智. 论中学生科学本质观的内涵［J］. 物理教学探讨， 2006， （5）： １～３.

［4］田春凤， 郭玉英. 高中物理教学中科学本质教育的现状与建议——基于对一线教师的调查研究［J］. 课程·教材·教法， 2010， 30（3）： 45～49.

［5］廖东军， 任凤竹. 体现科学本质的HPS教学——以“原子的核式结构模型”教学为例［J］. 物理教师， 2022， 43（3）： 26～30.

［6］王培. 运用化学史开展探究教学发展学生科学本质观的行动研究［D］. 兰州： 西北师范大学硕士学位论文， 2021： 5～19.

［8］丁绪贤. 化学史通考［M］. 北京： 中国大百科全书出版社， 2011： 160～189.

［9］夏禹龙等. 科学学基础［M］. 北京： 科学出版社， 1983： 45.

［10］郭玉英， 姚建欣， 彭征. 美国《新一代科学教育标准》述评［J］. 课程·教材·教法， 2013， （8）： 118～127.

［11］康琪. 将科学本质教育落实到科学课堂实践中——基于美国新一代科学教育标准中科学本质的启示［J］. 当代教育科学， 2016， （24）： 52～55， 60.