徐良明

(浙江慈溪陽光實驗學校，浙江 慈溪 315300)

依“史”重視過程方法 據(jù)“探”促進自主建構
——初中科學教材“構成物質(zhì)的微?！钡慕虒W設計透析

徐良明

(浙江慈溪陽光實驗學校，浙江 慈溪 315300)

以“科學家認識原子過程”的科學史實為教學主題,幫助學生認識知識的形成過程和方法,通過分析、理論探究等教學方法實現(xiàn)學生對“原子”知識的建構,從而提升學生的科學素養(yǎng)．

初中科學教學； 原子; 科學史; 理論探究

《全面科學素質(zhì)行動計劃(2006—2010—2020年)》指出:“科學領域課程應以提升學生科學素養(yǎng)為目標,學生通過課程的學習應了解必要的科學知識、掌握基本的研究方法、樹立科學思想、崇尚科學精神,并具有一定的應用它們處理實際問題的能力”．[1]那么如何在初中科學課堂教學中讓學生學習科學探究方法,經(jīng)歷科學探究過程從而獲得知識呢?本文以“構成物質(zhì)的微?！睘槔?談談依“史”、據(jù)“探”來開展課堂教學提升學生科學素養(yǎng)的實踐和思考．

1 教材分析

在科學課程中,學生可以通過親身的體驗活動來學習科學探究的過程與方法,也可以通過科學家探究活動的“科學史”來認識科學探究．華東師范大學出版社出版的初中科學教材8年級上冊第6章第1節(jié)“構成物質(zhì)的微?！钡木帉懻迷忈屃诉@一點．該教材先介紹了“人們經(jīng)過幾個世紀的不斷探索,終于搞清楚物質(zhì)由分子、原子或離子等微粒構成”后,教材按“分子—原子—原子核—核外電子”的順序來依次認識這些微粒;通過“電子的發(fā)現(xiàn)(閱讀材料)—α粒子散射實驗(閱讀材料)—原子-分子論(閱讀材料)—人們‘看到’了原子與分子(視窗)”的順序讓學生在歷史背景下了解科學建立的過程或者說是知識的形成過程,同時教材還隱藏了一條學生活動的主線,那就是:探究活動1(如何把方糖分得最小且仍有甜味)——微觀解釋活動2(從微觀角度嘗試解釋電解水產(chǎn)生O2和H2的事實)——推測活動3(根據(jù)α粒子運動軌跡推測正電荷在原子內(nèi)部的分布情況)．

2 教學困擾

對教材不同的理解就會產(chǎn)生不同的處理方式,課堂自然就會產(chǎn)生不同的效果．事實上,這節(jié)教材第1課時的內(nèi)容(不涉及離子內(nèi)容,本文也僅介紹分子和原子這部分內(nèi)容)經(jīng)常被選作各類級別賽課的經(jīng)典內(nèi)容．這堂課的設計有個明顯的分化現(xiàn)象,那就是有的課堂注重知識層面充分拓展分子和原子的教學,而將α粒子散射實驗作淡化處理;另一種課堂則是將重點放在α粒子散射實驗的探究上,重心放在實驗現(xiàn)象及現(xiàn)象的分析上．在討論哪種設計更合理之前,筆者發(fā)現(xiàn)有以下兩個問題困擾著教學．

困擾1: 對分子和原子的認識．教材對分子、原子均沒有給出明確的概念,只是強調(diào)“小”和“可分”．學生對這些微粒的認識來自各自的閱讀面,但無論學生對微粒名稱熟悉與否,他們都知道微粒很“小”的事實,不知道的是這兩種微?？煞值胶畏N程度,兩者的區(qū)別在哪兒．那么,在學習完這節(jié)內(nèi)容以后呢?筆者發(fā)現(xiàn)學生對原子和分子的認識并沒有出現(xiàn)縱深的理解,他們還是不能很好地說出分子和原子的區(qū)別,他們獲得的僅僅是知識在平面上的疊加,即知道分子可分為原子,原子由原子核和電子構成,且知道了各自的電性．產(chǎn)生這一問題的根源來自教材.我們知道,由分子構成的物質(zhì),分子是保持物質(zhì)化學性質(zhì)的最小微粒,但教材在一開始就回避這種提法,用了一句“一直分到仍然具有糖的性質(zhì)的最小粒子”來引出分子這一微粒名稱．正是“性質(zhì)”和“最小粒子”這一含糊不清的提法，讓教師在處理教材時出現(xiàn)了上文提到的兩種場景:一是重分子認識的拓展;另一種則是強化探究教學．

困擾2: 關于α粒子散射實驗．“α粒子散射實驗”這部分內(nèi)容是以“閱讀材料”的形式出現(xiàn)的,與它同時出現(xiàn)的還有“湯姆生發(fā)現(xiàn)電子”的內(nèi)容．在教學中,教師窮盡各種方法,盡最大可能地模擬出接近真實的情景,讓學生去發(fā)現(xiàn)α粒子運行軌跡規(guī)律,并試著讓學生去解釋產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因,但在實際教學中,教師和學生都感到非常吃力.在課后的調(diào)查中,學生能說出原子是由原子核和電子構成這一結(jié)論,但在復述這一實驗原理、現(xiàn)象及推理過程時,漏洞百出,也就是說“過程和方法”這一目標的落實往往達不到預期的教學效果．

那么“α粒子散射實驗”這一閱讀材料如何利用呢?“α粒子散射實驗”的探究教學又如何開展呢?“分子”相關知識的拓展還要不要呢?

3 教學設計流程及透析

基于教材和教學困擾分析,筆者提出,借助“微粒”的認識及發(fā)展史來開展課堂教學,讓學生在真切的歷史背景下了解科學知識的建立過程,結(jié)合科學史上的重大發(fā)現(xiàn),展開部分探究活動,讓學生在活動中建立起對原子和分子的認識．本節(jié)課的重點是放在假說的完善、發(fā)展過程上,α粒子散射實驗教學關注研究問題的思路和方法上.這樣,不僅注重了知識和方法的學習,更幫助學生準確地認識科學和科學家,感悟科學精神．

3.1 新課引入

活動1: 見圖1所示.

圖1

設計意圖:通過活動讓學生感知方糖可以分到肉眼看不到的顆粒,為學生的交流作鋪墊,從而引發(fā)學生思考:方糖是不是可以一直分下去，若不能一直分下去,那個能保持甜味的最小顆粒會是什么?

3.2 新課教學流程

第1環(huán)節(jié):認識“原子分子論”的發(fā)展史,感知原子、分子真實存在．

科學史呈現(xiàn)——介紹 1803年道爾頓提出原子論: 一切物質(zhì)都是由最小的不能再分的粒子—原子構成．

學生活動:學生試著用原子論來解釋蔗糖物質(zhì)的構成．

科學事實呈現(xiàn)——1805年,蓋-呂薩克在研究空氣的成分時,發(fā)現(xiàn)并證實水可以用H2和O2按一定的比例制取．

讓學生用原子論來解釋O2、H2和H2O的構成．重點關注H2O是由復雜原子構成的說法．

問題思考: 復雜原子里含有H原子和O原子,它能再分嗎?

修改假說:原子論不能解釋水原子的構成,據(jù)此你會對原子論進行怎樣的修改或完善?

科學史呈現(xiàn)——1811年阿伏伽德羅提出分子假說:原子構成分子,一切物質(zhì)由分子構成．

學生活動: 學生用分子論來解釋蔗糖、水等物質(zhì)的構成．重點讓學生感受分子論的合理性和先進性．

科學事實呈現(xiàn)——掃描隧道顯微鏡下的微粒圖片(如圖2所示)．

圖2

設計意圖:通過活動1,既讓學生認識到原子—分子論的發(fā)展史,也讓學生感受到原子論的局限性;同時,通過設置水原子和水分子的認知沖突讓學生在思考中明白“分子是可以再分成原子的”這一事實．活動最后,教師出示分子、原子的STM顯微圖(圖2),讓學生有理由相信且認同“物質(zhì)就是由分子、原子等微粒構成”．

第2環(huán)節(jié):認識分子構成,了解模型,嘗試微觀解釋．

科學史呈現(xiàn):1860年康尼查羅通過實驗證實了分子的存在,他給“原子”和“分子”下了一個準確的定義．他提出:原子是構成分子的最小粒子;分子則是物質(zhì)性質(zhì)的體現(xiàn)者．

學生小組交流: 以“蔗糖”為例,請學生談談對“原子是構成分子的最小粒子;分子則是物質(zhì)性質(zhì)的體現(xiàn)者”的理解.

教師出示CO2分子的STM顯微圖片并展示CO2分子模型(教師對模型進行簡要的介紹),要求學生仔細觀察分子的特點,說說氣體的組成及分子的構成情況.

設計意圖:學生對“原子是構成分子的最小粒子,分子則是物質(zhì)性質(zhì)的體現(xiàn)者”這兩句話的討論和交流可以加深他們對分子及原子的認識.教師可以通過和學生一起探討有意識地校正學生的一些錯誤認識．STM顯微圖片承上啟下運用,讓學生在感性中學會正確地表達宏觀世界的組成及微觀世界的構成,從而落實知識目標,如CO2是由CO2分子聚集而成,一個CO2分子是由2個O原子和1個C原子構成．通過分子模型的介紹讓學生了解到研究微觀世界的一種方法．

學生活動1:請學生們閱讀教材第146頁分子比例模型結(jié)構圖,并利用模型材料拼接4個分子模型．要求:兩個分別是水分子和氧分子模型,另兩個分子模型在圖中自選.

學生活動2:水在電解的條件下分解成O2和H2．請小組同學用分子等微粒來解釋這一現(xiàn)象,并推選1名代表上黑板用微粒模型來示意這一現(xiàn)象.

活動結(jié)束,請學生說說對分子有哪些新的認識?并提出問題:分子可再分,原子可分嗎?引入原子教學環(huán)節(jié)．

設計意圖:這一環(huán)節(jié)內(nèi)容的設置旨在加深學生對分子的認識,學生會說出不同的分子結(jié)構不同;有的分子結(jié)構簡單，有的結(jié)構復雜等生成內(nèi)容．重要的是讓學生有機會動手組裝分子模型,在此基礎上能借用模型來認識分子可再分,學會用微觀粒子來解釋宏觀現(xiàn)象,為后續(xù)學習“化學變化是原子重組的過程”打下基礎．

第3環(huán)節(jié):原子結(jié)構的探究.

教師出示石墨碳原子的STM顯微圖片,引導學生認識到原子可以直接構成物質(zhì)后,由此引出問題:原子可以再分嗎?

科學史呈現(xiàn)——1803年,道爾頓提出實心球模型;1897年湯姆生發(fā)現(xiàn)了電子,電子帶負電,而電子普遍存在于各種原子中,且原子整體不顯電性．

完善猜想:若你是湯姆生,你會對道爾頓的模型作哪些修改?

問題探究:正電荷如何分布在原子之中?

該如何開展研究呢?

科學史呈現(xiàn)——盧瑟福認為，可以利用電荷間的性質(zhì),用帶正電荷的α粒子轟擊Au原子．通過觀察α粒子的運行軌跡來推測正電荷的分布．

問題思考:α粒子質(zhì)量約是電子質(zhì)量的7000倍,若碰到電子,α粒子運行方向會不會發(fā)生變化?

Au原子帶的正電荷多,Au原子的質(zhì)量是α粒子質(zhì)量的50倍,α粒子、Au原子中哪個的運動狀態(tài)容易改變?

科學事實動畫呈現(xiàn)——教師用視頻出示α粒子撞擊金箔的實驗動畫圖(如圖3所示),并呈現(xiàn)獲得的α粒子的運行軌跡(如圖4所示)．

圖3

圖4

學生活動:結(jié)合教材,讓學生對α粒子的運行軌跡作整體描述．

探究活動:依據(jù)現(xiàn)象,小組進行討論,針對原子內(nèi)部正電荷的分布情況提出自己的猜想.

科學史呈現(xiàn)——盧瑟福根據(jù)散射實驗于1911年提出原子有核模型:原子是由帶正電的原子核和帶負電荷的電子構成．帶正荷的原子核位于原子的中心,它集中了原子的全部正電荷和幾乎全部的質(zhì)量．

反思校正:能支持盧瑟福建立有核模型的依據(jù)是哪些現(xiàn)象,請學生逐條論述,相互辨析校正．

設計意圖:對學生而言,α粒子、Au原子等概念都是陌生的,學生對α粒子散射現(xiàn)象缺乏感性認識,因此要依據(jù)現(xiàn)象來推測原子內(nèi)部結(jié)構會感到特別困難．若把內(nèi)部結(jié)構直接告知學生,不讓學生去經(jīng)歷這一探究過程,這對學生探究能力的培養(yǎng)是不利的,也是教學資源的一種浪費,所以教師將這部分內(nèi)容分步來實施探究教學．先讓學生了解α粒子、Au原子的一些相關知識,一方面補充相關知識,另一方面讓學生明白為什么會選擇這兩種粒子做實驗材料.之后出示實驗動畫,讓學生對實驗有個感性認識,再動畫展示α粒子運動軌跡并讓學生去描述α粒子運動軌跡特點,加深學生印象.要根據(jù)這些現(xiàn)象來探究原子內(nèi)部正電荷的分布.最后讓學生將自己的模型和盧瑟福的有核模型進行比較,通過尋找證據(jù)邊理解邊校正來獲得對原子內(nèi)部結(jié)構這一知識的建構．

3.3 閱讀整理,小結(jié)提升

學生活動:閱讀教材完成“原子的構成”知識整理．

學習小結(jié):請學生談談這節(jié)課感觸最深的內(nèi)容有哪些?

設計意圖:對學生來說,學習“原子核的構成”這一知識是沒有難度的,教師利用這個時機讓學生帶著“微任務”去閱讀教材,去提升學生的知識整理能力．在課堂小結(jié)中,通過讓學生談最深感觸來落實“情感、態(tài)度、價值觀”這一教學目標．

4 結(jié)語

我們知道,事實性知識、概念性知識、方法性知識和價值性知識構成了一個完整的知識體系,教師的指導意義就在于通過教學活動使學生對知識的理解程度不僅僅停留在“現(xiàn)象水平”或者“概念水平”,還要讓學生關注到“方法水平”與“價值水平”．本節(jié)內(nèi)容主要是介紹性知識,課程標準對本節(jié)知識的要求也較低,但教師可以開發(fā)教材中的閱讀材料來進行探究性教學,本節(jié)課的設計理念就是依“史”重視過程方法,據(jù)“探”促進自主建構,也就是課堂自始圍繞呈現(xiàn)的“科學史”展開,課堂至終按“原子”知識的形成歷史過程來推進的,學生活動也是借“認知沖突”來展開的,這樣的設計讓學生經(jīng)歷知識的生成過程,經(jīng)歷思維形成的過程,使知識和能力在反思、探究中生成、建構、并發(fā)展．

1 中華人民共和國中央人民政府．全民科學素質(zhì)行動計劃綱要(2006—2010—2020年)[EB/OL]．

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

2016-12-27)