基于科學(xué)與人文融合的化學(xué)教育——蘇教版化學(xué)1《原子結(jié)構(gòu)模型的演變》教學(xué)設(shè)計

蘇建立

（江蘇省前黃高級中學(xué) 江蘇 常州 213161）

一、教學(xué)背景分析

1.教材及教學(xué)現(xiàn)狀分析

本案例屬于蘇教版化學(xué)1 專題一第三單元《人類對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識》的第一課時。 盡管教材在內(nèi)容導(dǎo)向上彰顯了科學(xué)與人文的融合，但由于教材顯性資源的缺乏和教師對本部分內(nèi)容理解高度和深度的不足，導(dǎo)致了絕大多數(shù)教師在教學(xué)時往往和后面的電子排布及原子核教學(xué)內(nèi)容合并為一課時，而對本部分內(nèi)容則是一帶而過、或者是讓學(xué)生自學(xué)、或者是通過PPT 課件簡單介紹、或者是通過MACI 技術(shù)（多媒體計算機輔助模擬）動態(tài)模擬各種不同的原子模型。 實際上，這些教學(xué)方式并沒有體現(xiàn)出新教材編排本部分內(nèi)容的真實意圖：讓學(xué)生在化學(xué)教育中體會科學(xué)與人文的融合，既能領(lǐng)悟科學(xué)探索的軌跡及科學(xué)方法、科學(xué)精神，又能感悟到人文精神的價值引領(lǐng)，這正是新時期化學(xué)教育的目的所在。

2.教學(xué)內(nèi)容的科學(xué)與人文分析

科學(xué)方法是指“人們在認(rèn)識和改造世界中遵循或運用的、符合科學(xué)一般原則的各種途徑和手段”。 本部分內(nèi)容所涉及的科學(xué)方法主要有：觀察法、實驗法、假說法、模型法、類比法、直覺思維法等；科學(xué)精神指的是“從自然科學(xué)活動的特征中抽象、概括、提升出來的一種普遍的精神，它本身代表著一種革命力量，是推動歷史發(fā)展的基本力量。 ”本部分內(nèi)容所涉及的科學(xué)精神主要有：實事求是、理性、不畏權(quán)勢、追求真理、不斷創(chuàng)新等；人文精神是“從人文活動及人文社會科學(xué)的研究中抽象、概括、提升出來”，它是一種普遍的人類自我關(guān)懷，表現(xiàn)為對人的尊嚴(yán)、價值、命運的維護、追求和關(guān)切，關(guān)注的是人類價值和精神表現(xiàn)，從現(xiàn)代觀點來看，其核心內(nèi)容是“價值判斷”。 本部分內(nèi)容所涉及的人文精神主要有：團結(jié)、合作、理想、追求、生命價值等。不過，這些內(nèi)容絕大多數(shù)是一些隱性的資源，需要教師在教學(xué)時深入理解和挖掘并將之顯性化。

3.學(xué)情分析

初中時學(xué)生已經(jīng)有了對原子結(jié)構(gòu)的初步的、零散的了解，如原子的基本構(gòu)成、拉瓦錫發(fā)現(xiàn)氧氣、盧瑟福的α粒子散射實驗、電子掃描隧道顯微鏡控制原子，如果教師對這部分內(nèi)容只是蜻蜓點水似的一帶而過，則遠遠不能滿足學(xué)生對知識探索欲望的需求，更不能體現(xiàn)新課程的課改理念，使學(xué)生具有“愛國主義、集體主義”精神，逐步“形成正確的世界觀、價值觀和人生觀”，初步具有“探究意識、創(chuàng)新精神、科學(xué)和人文精神”。

二、教學(xué)主要線索及手段

本課以原子結(jié)構(gòu)模型的發(fā)展為主線，以科學(xué)方法、科學(xué)精神、人文精神為輔線，以各種挑戰(zhàn)性和探究性問題為明線，以各學(xué)科交融為暗線。 一方面讓學(xué)生體會“理論”的“歷史性”和“暫時性”，科學(xué)的理論并非與生俱來、萬古不變的永恒真理，科學(xué)始終是在與謬誤、偏見與宗教禁錮作為不懈的乃至殘酷的斗爭中發(fā)展起來的， 科學(xué)每一個重大發(fā)展都對人類的精神文明產(chǎn)生重要的推動作用， 科學(xué)理論不斷進步一般有兩種途徑：證實和證偽，從而將這種思維方式應(yīng)用于自己的學(xué)習(xí)和生活當(dāng)中； 另一方面讓學(xué)生明白科學(xué)不是從一些天才的頭腦中蹦出來， 一旦問世就永駐神圣不可侵犯的地位， 科學(xué)是以求真和務(wù)實為天職和靈魂的， 科學(xué)的繼承并不是消極地前后相繼和兼收并蓄，而是取其精華、去其糟粕，批判地繼承，辯證地揚棄；更重要的是要讓學(xué)生感受到協(xié)作、友愛、寬容、團結(jié)品格是人永恒的魅力， 尤其是現(xiàn)在科學(xué)已發(fā)展到國家規(guī)模乃至國際規(guī)模，科學(xué)研究更需要依靠集體的力量去完成，所以更需要無私協(xié)作、友愛寬容和執(zhí)著拼搏。 難得是，通過各學(xué)科的交融， 可以向?qū)W生揭示科學(xué)與人類其他文化比如哲學(xué)、宗教、政治、文學(xué)等的關(guān)系，以及科學(xué)的文化背景，從而讓人領(lǐng)悟到人類文化的統(tǒng)一性，領(lǐng)悟到科學(xué)是人類其他社會文化背景的支撐下發(fā)展起來的。

本課在教學(xué)手段上采取PPT 輔助教學(xué)， 配以精美的、有視覺沖擊力的畫面。

三、教學(xué)過程（簡要）及意圖說明

【情境引入】2010 年9 月1 日18 時59 分57 秒，嫦娥二號奔月開始，07 年的嫦娥一號，05 和08 年的神六及神七，隨著現(xiàn)代科技的進步，人們已有能力對太空進行探索，但在遠古時期，人們望著藍藍的天空、蒼茫的宇宙，心中一片迷茫。 大約在2500 年前，人們開始思考人類存在的價值及物質(zhì)構(gòu)成的奧秘。

設(shè)計意圖：嫦娥奔月、神六和神七激發(fā)起學(xué)生的自豪感和愛國之情，并讓學(xué)生感受到科技強國之路。

【古代原子論】1.名畫欣賞：意大利畫家拉斐爾名畫《雅典學(xué)院》；2.亞里士多德的“四元素”說——水、空氣、火、土；3.古希臘哲學(xué)家德謨克利特提出的“原子”概念。

設(shè)計意圖：1.從對人生價值的思考到對宇宙奧秘探索，引導(dǎo)學(xué)生對人生意義和至高境界的追求；2.適時介紹亞里士多德的名言“吾愛吾師，但吾更愛真理”，從而感受哲人追求真理的魅力。

【挑戰(zhàn)性問題1】由于亞里士多德在哲學(xué)和科學(xué)界的絕對權(quán)威，所以“四元素”說統(tǒng)治了人們思想兩千多年，以至于當(dāng)人們對 “簡單的”“燃燒”現(xiàn)象不理解時，也試圖從 “火元素” 身上發(fā)掘出“燃素說”并將其解釋。 同學(xué)們，你知道最終是誰打破了這種兩千多年的沉寂嗎？

設(shè)計意圖： 讓學(xué)生感受到權(quán)威也并不都是正確的，崇拜但不迷信權(quán)威。

【挑戰(zhàn)性問題2】你知道是什么實驗讓拉瓦錫發(fā)現(xiàn)了氧氣從而發(fā)現(xiàn)了燃燒原理嗎？ 你知道他實驗的成功得益于哪一種儀器的使用嗎？

【教師】1872 年，拉瓦錫做了白磷在鐘罩中燃燒的實驗，在實驗中他精確使用了天平這種儀器，使得他驗證了質(zhì)量守恒定律，發(fā)現(xiàn)了氧氣等。

當(dāng)時，進行這方面研究的科學(xué)家還有很多，比如法國化學(xué)家普魯斯特，他是一個有心人，在生活中他觀察到不管來自哪里的水， 其質(zhì)量組成總是：H 占11.1%，O占88.9%， 這一現(xiàn)象激發(fā)了他的興趣，“到底是必然還是偶然呢？ ”，1799 年，他通過定量實驗證實了不論碳酸銅的生成方式如何， 亦即不論是天然形成還是人工合成，其組成都固定不變。

設(shè)計意圖： 讓學(xué)生感受到生活中要做個有心人，要善于分析表面現(xiàn)象背后的必然原因。

【挑戰(zhàn)性問題3】同學(xué)們，很顯然拉瓦錫和普魯斯特對化學(xué)的發(fā)展做了較大的貢獻，但你知道他們兩位的不足之處在哪里嗎？

圖1 雅典學(xué)院

圖2 古代“四元素”說

設(shè)計意圖：1.讓學(xué)生體會“理論”之所以成為“理論”的原因：可以合理解釋已知的各種現(xiàn)象；2.讓學(xué)生感受到學(xué)習(xí)中的總結(jié)和提升比單獨的埋頭學(xué)習(xí)更加重要。

【挑戰(zhàn)性問題4】1803 年，道爾頓根據(jù)他對原子的認(rèn)識，提出了實心的、不可分的原子結(jié)構(gòu)模型。 自此近100年的時間里，人們都認(rèn)為原子不可分割。 同學(xué)們，你知道后來是誰打破了這種原子論的神話？

【學(xué)生】湯姆生。

【教師】 對，1897 年湯姆生在研究陰極射線的時候，發(fā)現(xiàn)并證實了電子的存在，后來其他科學(xué)家也陸續(xù)證實了電子的存在。

設(shè)計意圖：鑒于學(xué)生對帶電粒子在磁場中的運動規(guī)律還不清楚，所以此處不便對湯姆生如何發(fā)現(xiàn)電子過多討論，只需要讓學(xué)生知道他根據(jù)特殊現(xiàn)象推測并證實了電子的存在。

【資料1】湯姆生的主要成就及貢獻

【資料2】知識鏈接——科學(xué)革命

設(shè)計意圖：使學(xué)生了解科學(xué)革命，感受科學(xué)的進步會促使人類思維方式的變革，而思維方式的變革又能反過來促進人們對科學(xué)的研究。

【探究1】假設(shè)你是湯姆生，發(fā)現(xiàn)了電子之后，你會怎樣重新修正原子的結(jié)構(gòu)？

【學(xué)生】既然電子是帶負電的，那么肯定應(yīng)該有帶正電的東西，所以我覺得原子內(nèi)應(yīng)該帶有正電荷。

【資料3】湯姆生認(rèn)為：原子是一個平均分布著正電荷的粒子，其中鑲嵌著許多電子，中和了電荷，從而形成了中性原子。

設(shè)計意圖：1.讓學(xué)生感覺偉人并不神秘，他們的思想也是建立在一定的土壤之上的，科學(xué)的發(fā)展不是亙古不變的，而是真理與謬誤相交織的過程，科學(xué)理論的演變就像是積木拼圖游戲一樣，先是在黑暗中摸索，繼而漸漸地浮現(xiàn)出來；2.促進學(xué)生的成就感。

【教師】1897 年， 湯姆生根據(jù)自己對原子的理解，將道爾頓的實心原子模型修正為葡萄干面包式的原子結(jié)構(gòu)模型。

【挑戰(zhàn)性問題5】同學(xué)們，湯姆生的這種原子結(jié)構(gòu)模型使人們對原子的認(rèn)識產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，拉開了人類探索原子內(nèi)部奧秘的序幕。 但是你覺得湯姆生的這種模型確實“是正確”的嗎？ 它有什么缺陷嗎？

設(shè)計意圖：使學(xué)生了解到科學(xué)理論不斷進步的兩種途徑：證實和證偽，從而將這種思維方式應(yīng)用于自己的學(xué)習(xí)和生活當(dāng)中。

【挑戰(zhàn)性問題6】無論是證實還是證偽，我們必定都要打入原子的內(nèi)部去獲取情報，才可以知道是否是均勻分布著正電荷，那么，怎么進去呢？ 派誰去呢？ 誰有這么大的本事？

【學(xué)生】盧瑟福α 粒子轟擊金箔的實驗。

【探究2】實驗現(xiàn)象：絕大部分α 粒子直行穿過，很小部分發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，個別反彈回來。 這些現(xiàn)象說明了什么問題？ 你會怎么想？ 接下來你會怎樣重新修正有關(guān)原子構(gòu)成的理論？

【學(xué)生思考、討論、并相互補充】此時學(xué)生比較容易得出原子核的結(jié)構(gòu)模型了，在此基礎(chǔ)上再和盧瑟福的觀點相對比。

【資料4】盧瑟福認(rèn)為：1.原子由原子核和核外電子構(gòu)成；2.原子核帶正電，位于原子的中心，占據(jù)了原子中極小的空間，但幾乎集中了原子所有的質(zhì)量；3.電子在原子核周圍的空間做高速運動，就象行星圍繞太陽一樣。

設(shè)計意圖：1.激發(fā)學(xué)生探究真理的欲望；2.感受所謂理論實際上是一個不斷被修正的過程。 3.引導(dǎo)學(xué)生要像科學(xué)家一樣的思維方式，并不一定要非常精確、高度復(fù)雜、超脫世俗的思維能力。

【教師引導(dǎo)】盧瑟福根據(jù)自己對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，在1911 年提出了原子核式的結(jié)構(gòu)模型。 至此，人們對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識看似完美了，一時，盧瑟福的理論及模型也成為了經(jīng)典。 但是盧瑟福并沒有滿足于此，在他發(fā)現(xiàn)原子核以后，反而更激起了他打入原子核內(nèi)部去看個究竟的決心，所以，他繼續(xù)設(shè)計實驗，用α 粒子轟擊原子核，繼而發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子并預(yù)測出中子的存在。

【挑戰(zhàn)性問題7】盡管盧瑟福的原子核式的結(jié)構(gòu)一時被奉為經(jīng)典，但是，你知道它有什么不可避免的、與生俱來的局限性嗎？ 接下來他將面臨怎樣的危機和挑戰(zhàn)？

【學(xué)生思考并討論】電子在核外運動，由于正負電性相吸引，為什么電子不會撞到原子核上去？

【教師講解】是啊，非常好，這其實就是當(dāng)時人們所不解的一個方面。

根據(jù)當(dāng)時以牛頓為代表的經(jīng)典電磁理論可以推測：

但是兩個明顯的事實是：氫原子光譜是不連續(xù)的，原子幾十億年都未毀滅。是盧瑟福錯了？還是經(jīng)典的理論錯了？ 顯然，都沒錯。 那么怎么才能合理解決這個矛盾呢？

設(shè)計意圖：讓學(xué)生感受到“完美”的東西也有其“不完美”的一面，學(xué)會辯證地看問題。 至此，學(xué)生陷入了沉思。

【教師】1913 年，丹麥的物理學(xué)家玻爾，他在盧瑟福模型的基礎(chǔ)上，引入量子論觀點，提出原子核外電子在一系列穩(wěn)定的軌道上運動，每個軌道都具有一個確定的能量值，電子在其軌道上運動時，既不放出能量，也不吸收能量。 玻爾的量子理論完美地解釋了使盧瑟福原子結(jié)構(gòu)模型陷入困境兩個科學(xué)事實：1.氫原子光譜不連續(xù)；2.原子幾十億年未毀滅。 為此，玻爾獲得了1922 年的諾貝爾物理獎。

【挑戰(zhàn)性問題8】 玻爾根據(jù)自己對原子結(jié)構(gòu)的理解，于1913 年將盧瑟福提出的原子結(jié)構(gòu)模型修正為軌道模型。 可以完美地解決盧瑟福模型不能解釋的現(xiàn)象，但是他的模型是否就完美了呢？ 他又面臨著怎樣的新的問題？

【資料5】玻爾原子結(jié)構(gòu)模型的局限性：1.仍保留經(jīng)典粒子和經(jīng)典軌道；2.只能解釋單電子原子的光譜，對多電子原子的光譜無法解釋。 后來在法國物理學(xué)家德布羅意、奧地利物理學(xué)家薛定諤、德國物理學(xué)家海森堡的公同努力下，發(fā)現(xiàn)了電子運動的波粒二象性，并提出了現(xiàn)代的電子云式的原子結(jié)構(gòu)模型。

【挑戰(zhàn)性問題9】 在整個原子結(jié)構(gòu)模型的發(fā)展過程中，許多人都做出了他們杰出的成就，在他們逝世后也被人們所尊重和懷念。 其中有兩位英國的科學(xué)家，一位是發(fā)現(xiàn)電子的湯姆生，另一位是發(fā)現(xiàn)原子核的盧瑟福，死后都被葬在了威斯敏斯特教堂， 但你知道為什么盧瑟福更加靠近牛頓的位置嗎？ 在他身上有什么優(yōu)秀的品格？

設(shè)計意圖：1. 向?qū)W生揭示科學(xué)與人類其他文化比如哲學(xué)、宗教、政治、文學(xué)等的關(guān)系，以及科學(xué)的文化背景，從而讓人領(lǐng)悟到人類文化的統(tǒng)一性， 領(lǐng)悟到科學(xué)其實也是人類文化的有機組成部分；2.引導(dǎo)學(xué)生去體會偉人的人格魅力，從而達到引領(lǐng)學(xué)生正確進行價值判斷的能力。

【總結(jié)】原子結(jié)構(gòu)模型演變的軌跡

【探究3】 你能感受到科學(xué)研究和發(fā)展的一般方法嗎？

【學(xué)生交流、討論、總結(jié)】

科學(xué)研究的一般方法：

圖3 原子結(jié)構(gòu)模型的演變

四、教學(xué)評價

學(xué)生在課結(jié)束后仍沉浸在其中，反醒過來時說：“老師，再來一遍吧”。 聽課老師評價說：“深度、高度、品位，原來化學(xué)課還可以這么上！ ”。