基于证据推理和模型建构的初中化学教学

摘要：  证据推理和模型建构是科学思维的重要组成部分。以“原子结构模型的演变”为例，引导学生探索原子结构发现史，通过提取证据、推理分析、制作模型、评价修正等环节，三次建构原子结构模型，初步形成宏观与微观、直接与间接相结合的认识物质组成结构的思路与方法，提高基于实验事实进行证据推理、模型建构的能力，着力发展科学思维与核心素养。

关键词：  初中化学； 证据推理； 模型建构； 原子结构； 教学设计

文章编号： 1005-6629（2024）05-0055-06

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

化学是研究物质的组成、结构、性质、转化以及应用的一门基础学科。原子、分子等微观粒子不可直接观察，物质性质及其反应变化规律十分抽象，所以需要根据实际情况，使用分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建构模型以解释和认识物质结构、性质和变化规律［1］。

“原子结构模型的演变”是《义务教育化学课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）学习主题3“物质的组成与结构”下的核心知识，其中“3.3认识物质的组成与结构的思路与方法”部分强调了实验、想象、推理、假说、模型等探索物质结构的方法［2］。“原子结构模型的演变”主题中原子结构的确立历经理论探讨、实验探究、模型确立三个阶段［3］，科学家在依托假说建构模型、基于证据修正模型的过程中充分展现了研究物质结构的思路与方法，学生能从中发展基于实验事实进行证据推理、模型建构的思维能力，培养质疑能力和批判能力。

1  教学主题内容与教学现状分析

1.1  “原子结构模型的演变”教学内容分析

“原子结构模型的演变”是山东教育出版社出版的《化学》九年级上册第二单元第三节“原子的构成”的内容［4］。新课标在“物质的组成与结构”主题下提出了原子学习的具体要求：（1）认识原子是由原子核和核外电子构成的；（2）通过科学史体会科学家探索物质的组成与结构的智慧，知道可以通过实验、想象、推理、假说、模型等方法探索物质的结构；（3）了解人类对物质的组成与结构的探索是不断发展的，以及研究物质的组成与结构对认识和创造物质的重要意义，发展科学探究的好奇心、想象力与创新精神，初步养成严谨求实的科学态度。本节内容主要介绍了原子的内部结构和原子构成的规律，主要包括α粒子轰击金箔实验的现象和结论，原子的内部结构和各微粒的带电情况，以及几种常见原子的基本构成。原子结构的学习，能够引领学生用发展的观点认识原子的构成，帮助学生初步建立物质是有结构的、结构是有层次的等化学基本观念。同时，学生需要通过分析实验证据和数据证据，建构原子结构的模型，有助于初步形成认识物质微观世界的角度和方法，发展基于证据进行推理和建构模型的核心素养。

1.2  教学现状分析

1.2.1  文献分析

已有研究对“原子的构成”教学的探索与实践主要从三个角度展开：（1）基于化学史进行教学设计。通过讲化学史故事，帮助学生更好地理解、接受和表征电子、原子核、质子、中子等微粒，揭示知识背后所蕴含的科学思想与科学方法，使学生在获得知识的同时，领悟科学精神，全面提高科学素养［5］。（2）基于“游戏化”进行教学设计。利用游戏的反馈系统制定游戏规则，完成目标教学，吸引学生自愿参与到课堂游戏中去主动学习［6］。（3）基于模型建构进行教学设计。通过对实验或教具演示结果分析和动手制作模型，激发学生的兴趣，明确科学探究的要素，学习科学探究的方法，促进学生深度理解模型的建构过程［7］。虽然已有研究对“原子的构成”这一主题探索较多，但仍然存在以下几个问题：一是教师多着眼于具体原子结构模型的认知和制作，对科学史中重要的实验证据利用不够充分，学生难以从中发展证据推理、模型建构的能力；二是原子结构发现史的呈现方式比较单一，多以教师讲述为主，学生感受不深，而且教学中忽略了科学技术发展对原子结构发现的重要推动作用，不利于学生形成运用工程技术手段解决真实问题的意识。

1.2.2  学情分析

学生经过前面对水分子的运动和变化的学习，已初步确立了认识物质的宏观元素视角和微观分子视角，认识了元素概念与原子概念之间的关联，体会了探索物质组成的学科思维方式，但对于原子的内部结构及其研究方法知之甚少；初中学生的抽象思维能力虽然有一定的发展，但未达到较高水平，同时微观粒子是不可见的，科学家的重要实验也难以在课堂上复制，这导致学生对原子结构的学习多以被动接受、机械记忆为主，很容易出现知识的遗忘和混淆，他们也难以从中感受到“不可再分”不是一成不变的，而是随着化学实验手段的进步而不断发展的化学科学本质。

2  教学思想与创新点

基于实验事实进行证据推理、模型建构是初中化学学科核心素养“科学思维”的重要组成部分，是研究物质及其变化规律的重要思路与方法。化学学习的过程需要学生运用已有模型提出问题，设计方案和实验，收集证据并分析证据，从而完善模型，并再次运用模型产生新的问题，这是一个螺旋上升的过程。本文以原子结构模型的演变历程为主线，学生通过阅读电子书、观看视频、软件模拟等多种途径搜集信息，在深入分析实验证据的基础上，利用橡皮泥连续制作道尔顿的实心球模型、汤姆森的葡萄干蛋糕模型以及卢瑟福的行星模型，在建构模型、评价模型、修正模型的过程中，认识原子的构成，学习利用实验、想象、假说、模型等探索物质的组成与结构的思维方法，逐步形成宏观与微观、直接与间接相结合认识物质的思路方法。

3  教学目标

（1） 通过网络搜索、电子书查阅等多种形式了解原子结构发现史，分析原子发现过程中经历的重要实验，理解原子的内部结构，初步形成宏微结合认识物质的双重视角，同时在信息搜索和筛选加工的过程中发展信息意识。

（2） 利用橡皮泥动手制作原子结构模型，在建构模型、评价模型、修正模型的过程中，发展证据推理、模型建构的能力，形成利用实验、想象、假说、模型等探索物质的组成与结构的思维方法，感受科学理论曲折发展、“继承-创新”的发展规律，初步感知科学本质，逐步形成严谨求实、大胆质疑的科学精神。

（3） 通过回溯原子结构的发现历程，了解科学技术的更新迭代，感受技术进步与科学发展的相互促进作用，初步形成直接和间接相结合的认识物质的思路，发展综合运用化学、技术、工程知识解决问题的能力。

（4） 通过讨论原子理论在现代社会的应用，体会研究原子的重要价值，从原子是构成物质的基本单元延伸到个人是构成社会的基本单元，树立强国有我的信念。

4  教学流程

确立本课时的教学流程如图1所示。

5  教学过程

5.1  释古文，探奥秘

［创设情境］从古至今，人类从未停止对物质构成奥秘的探索。早在西周时期，物质可以被不断分割的思想就开始萌芽，我们从造字中就能窥得一二。比如说“小”字，就是把一个东西不断分成两半的意思。墨家思想中的“端”就是墨子认为的无可分割的最原始的东西。无独有偶，几乎是在同时期的古希腊，哲学家德谟克利特也提出了类似的观点，并将这最小的部分称为原子。不过这个时期，人类既不懂得如何进行科学实验，也缺少必要的观测工具，对物质组成的认识大多来自于想象。

设计意图：了解古代东西方对物质构成奥秘的探索，用辩证的观点认识朴素原子论的萌芽，逐步形成辩证唯物主义世界观。

5.2  观史实，揭真相

5.2.1  初探原子模型

［提出问题］你想象中的原子是什么样子？请用橡皮泥做一做。

［学生活动］小组合作，用橡皮泥制作原子结构模型（学生作品见图2）。

［任务布置］同学们的观点与科学家道尔顿不谋而合，18世纪中后期，道尔顿首次提出了科学的原子论。请大家用Pad上网搜索道尔顿原子论的相关资料，总结整理后小组汇报。

［学生活动］网络搜索筛选信息，提炼道尔顿原子论的主要观点并进行汇报。

5.2.2  再探原子模型

［提出问题］1897年，有一位叫汤姆森的科学家做了一个实验，对此说法提出了疑问：原子真的不能再分吗？请大家打开Pad中的电子书，查阅汤姆森的相关资料，小组讨论：汤姆森的实验和道尔顿的实心球模型有无冲突？你还可以获得哪些信息和结论？

［学生活动］阅读电子书中汤姆森的生平简介和阴极射线实验的文字资料，观看阴极射线实验视频。

［任务布置］请小组合作，共同制作一个新的原子模型。

［学生活动］小组合作，二次制作原子结构模型（学生作品见图3、图4）。

［教师评价］同学们已经初步掌握了模型建构的方法，个别小组做得还不太理想，请继续修正。（PPT展示汤姆森的葡萄干蛋糕模型）这是汤姆森建构的葡萄干蛋糕模型，他认为：电子均匀地分布在正电荷的液体中，就像许多软木塞浸在一盆水里一样。

5.2.3  三探原子模型

［提出问题］汤姆森的学生卢瑟福，通过大量实验，在原子可分的基础又提出了一个新的问题：原子的内部结构是什么样的？大家了解一下这个实验，并尝试用简明的语言描述实验现象。

［学生活动］观看α粒子轰击金箔实验，描述实验现象。

［教师］汤姆森提出的原子结构模型是否合理？原子的内部结构是什么样的呢？请你带着问题，打开Pad上的软件模拟一下这个实验。

［学生活动］用网络软件模拟α粒子轰击金箔实验（图略），思考、讨论回答问题。

［任务布置］请大家根据刚刚获得的信息，再制作一个原子模型。

［学生活动］小组合作，三次制作原子结构模型，并进行模型的分享和评价（学生作品见图5）。

［教师评价］同学们现在不仅能够制作比较准确的模型，还能多角度地评价模型。卢瑟福受太阳系模型的启发，提出了新的原子模型，这个模型被后人称为“行星模型”（PPT展示卢瑟福的行星模型）。

［提出问题］我们用了短短几十分钟，经历了三次模型建构，这个过程其实浓缩了原子结构发现史中的百年光阴，同学们，你从科学家身上学到了什么？

［学生1］我们要重视科学实验，大胆地假设，不断地验证。

［学生2］我们要学习科学家勇于探索、追求真理的科学精神。

［教师总结］是的，同学们不仅学到了科学探究的方法，还领悟了科学家们的精神，真的是受益匪浅。

5.2.4  质子与中子的发现，完善原子结构模型

［提供信息］卢瑟福采用α粒子轰击氮原子核的实验，打出了一种带正电的微粒，他发现这种粒子与氢原子核是一样的，经大量试验，他确信原子核中有一种带正电的粒子，并将它命名为质子。同时，通过定量测算，他预言原子核中还应该有一种中性的粒子。最终，英国的查德威克证实了中子的存在。

［提出问题］你能描述一下原子的结构吗？那这些粒子的带电情况呢？

［学生齐答］原子包含原子核和核外电子，原子核包含质子和中子。质子显正电，中子不显电性，原子核显正电，电子显负电，原子不显电性。

［追问］那质子和中子能不能再分了？

［学生齐答］夸克。

［追问］夸克就是构成物质最基本的粒子了吗？

［学生］有人说是，有人说不是。

［教师］这就需要大家今后去揭晓答案了。

设计意图：学生跟随科学家们的研究历程三建原子结构模型，借助网络和电子书，充分提取化学史中的实验证据，提升基于实验事实提出假设、建构模型的能力，总结归纳科学探究的方法，领会科学家精神，体悟人类对物质组成、结构奥秘的探索是永无止境的。