基于史料和實(shí)驗(yàn)情境的證據(jù)推理與模型認(rèn)知探究課

李繼良 于守麗 徐梅星

摘要：證據(jù)推理與模型認(rèn)知是化學(xué)課程發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容，也是深刻認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)模型的重要方式。素養(yǎng)本位的課堂教學(xué)旨在教授科學(xué)家思維而不是科學(xué)家結(jié)論。選取代表性史料情境和真實(shí)的陰極射線實(shí)驗(yàn)、紅光實(shí)驗(yàn)、光譜實(shí)驗(yàn)情境，在學(xué)生收集證據(jù)、建構(gòu)模型、應(yīng)用模型、發(fā)展模型的過程中消除學(xué)生的迷思概念并體驗(yàn)證據(jù)+推理獲得觀點(diǎn)的科學(xué)思維方法；在理解質(zhì)量數(shù)、核素及同位素等概念的基礎(chǔ)上，促進(jìn)學(xué)生模型認(rèn)知能力的提升、感受學(xué)科研究?jī)r(jià)值，全面發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：原子結(jié)構(gòu)模型；證據(jù)推理；模型認(rèn)知；光譜實(shí)驗(yàn)

文章編號(hào)：1008-0546（2021）10-0032-05中圖分類號(hào)：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.10.008

*本文系北京市2018年規(guī)劃專項(xiàng)研究課題（CDFB18369）“促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的教科研知識(shí)管理模式探究”研究成果。

雖然原子結(jié)構(gòu)的核式模型和電子分層排布在高一年級(jí)學(xué)生眼中是耳熟能詳?shù)氖虑?，但是讓學(xué)生畫出其心目中模型的時(shí)候，我們看到學(xué)生對(duì)什么是模型和原子核包含什么、原子殼層以及原子核大小等存在許多認(rèn)知誤區(qū)。為充分發(fā)展學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)，我們應(yīng)該“結(jié)合有關(guān)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)事實(shí)認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)”[1]，高中化學(xué)教學(xué)探討中一般做法是融入化學(xué)史或者介紹原子結(jié)構(gòu)模型發(fā)展[2]，基于史料和真實(shí)實(shí)驗(yàn)情境構(gòu)建不同證據(jù)背景下原子結(jié)構(gòu)模型的多學(xué)科融合的研究匱乏。根據(jù)人教版化學(xué)必修“物質(zhì)結(jié)構(gòu)元素周期律”專題的整體編排，設(shè)計(jì)了滲透證據(jù)推理與模型認(rèn)知素養(yǎng)的專題起始課：從微小原子到宏觀宇宙——探索原子結(jié)構(gòu)；意在“利用化學(xué)實(shí)驗(yàn)史實(shí)引導(dǎo)學(xué)生了解化學(xué)概念、化學(xué)原理的形成和發(fā)展，認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)在化學(xué)科學(xué)發(fā)展中的重要作用”[3]。

一、證據(jù)推理與模型認(rèn)知教學(xué)設(shè)計(jì)思想

證據(jù)推理既可看成證據(jù)獲得與邏輯推理的并列，也可以作為偏正結(jié)構(gòu)的詞匯來理解；為強(qiáng)調(diào)證據(jù)獲得與邏輯推理的重要性，本文傾向前者。“推理”是指思維的基本形式之一，“由一個(gè)或幾個(gè)已知的判斷推出新判斷的過程，有直接推理、間接推理等”[4]，盧瑟福行星原子結(jié)構(gòu)模型不能解釋原子線狀光譜就間接證明波爾的電子分層排布模型就是間接推理。人類對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)都是基于當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)條件獲得必要的證據(jù)，然后科學(xué)家基于證據(jù)進(jìn)行邏輯推理后得到相應(yīng)觀點(diǎn)；推理包括定性推理（如湯姆孫推理原子中有帶正電的微粒）和定量推理（如薛定諤二階偏微分方程研究電子運(yùn)動(dòng)方式），把觀點(diǎn)用類比、抽象的方法圖示化表征就形成了不同時(shí)期的原子結(jié)構(gòu)模型。

“建?！?，泛指人類描述和解釋自然現(xiàn)象的一切概念化過程，是對(duì)真實(shí)世界的經(jīng)驗(yàn)與發(fā)展對(duì)經(jīng)驗(yàn)的解釋之間的中心環(huán)節(jié)，使人們的經(jīng)驗(yàn)從混沌無序向邏輯有序發(fā)展[5]。國內(nèi)外專家在模型建構(gòu)和分類上觀點(diǎn)各異，其中科學(xué)教學(xué)中的四種類比映射，即微縮模型、鐫刻模型、句法模型和涌現(xiàn)模型[6]較有影響；原子結(jié)構(gòu)模型應(yīng)屬于鐫刻模型。本文根據(jù)不同時(shí)期科學(xué)家的研究史料和實(shí)驗(yàn)情境的再現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生將證據(jù)和推理生成合理的原子結(jié)構(gòu)模型，利用自己構(gòu)建的模型解釋新問題，在新問題面前評(píng)估和修正原有模型；在建模、用模、修模的螺旋式發(fā)展過程中體驗(yàn)人類認(rèn)識(shí)自然界的基本方法，具體內(nèi)容如圖1。

二、教學(xué)目標(biāo)

見圖2。

三、教學(xué)分析及主要實(shí)驗(yàn)儀器

大部分學(xué)生初步了解原子結(jié)構(gòu)的核式模型，知道質(zhì)子、中子和電子，了解簡(jiǎn)單元素的原子結(jié)構(gòu)示意圖；因?yàn)橐咔楹瓦x考因素，對(duì)原子結(jié)構(gòu)模型發(fā)展歷史知之甚淺，對(duì)原子核外電子排布掌握的不夠準(zhǔn)確，不懂質(zhì)量數(shù)和核素的意義，對(duì)原子核組成和電子分布情況還存在迷思概念。經(jīng)過初中科學(xué)和化學(xué)課程的學(xué)習(xí)，大部分學(xué)生初步理解證據(jù)推理的方法和價(jià)值；但是對(duì)于“證據(jù)、推理和觀點(diǎn)”的邏輯關(guān)系還比較陌生；對(duì)于模型認(rèn)知缺乏理性認(rèn)知和感性體驗(yàn)。學(xué)生能知道普通化學(xué)物質(zhì)的簡(jiǎn)單性質(zhì)（如鐵、鹽酸）及其在生活中的應(yīng)用價(jià)值，但是對(duì)于結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)認(rèn)識(shí)不夠深刻，對(duì)于原子結(jié)構(gòu)的學(xué)科和社會(huì)價(jià)值認(rèn)識(shí)不深刻。為了提高研究情境的代入感，把學(xué)生分成六個(gè)研究小組。每組都有六只寫有先哲、道爾頓、湯姆孫、盧瑟福和薛定諤名字的胸牌，上課每生隨機(jī)戴上一只胸牌，方便課堂上分角色展開項(xiàng)目探究活動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)儀器主要是：陰極射線管與光譜管組（湖北鄂州市教學(xué)儀器廠）、單筒直讀式分光鏡（江蘇靖江市圣飛光儀設(shè)備有限公司）、電子感應(yīng)圈（北京日壇星云科技發(fā)展有限公司）。

四、教學(xué)過程

1.情境創(chuàng)設(shè)：提出驅(qū)動(dòng)性問題

【情境引入】福島核電站核污染冷卻水存量在不斷增加，其中含有放射性銫-134和銫-137，若污染水源容易導(dǎo)致白血病等癌癥。放射性銫為什么容易引起白血病呢？另外有報(bào)刊說：要抑制銫在人體內(nèi)沉積，可以多攝入鉀[7]，這又是為什么呢？帶著這些問題我們一起探索一下原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2.模型構(gòu)建：從證據(jù)、推理到觀點(diǎn)

【材料1】早期原子結(jié)構(gòu)資料[8]

公元前500年，中國墨翟：端，無間也。

公元前500年，古印度庚納德：物質(zhì)由最小的質(zhì)點(diǎn)組成。

公元前400年，古希臘德謨克利特和留基伯：“原子”是構(gòu)成物質(zhì)的最小粒子，不可再分。

【教師】概括當(dāng)時(shí)的原子結(jié)構(gòu)模型并評(píng)價(jià)其科學(xué)性，各小組的先哲主持討論并代表小組發(fā)言。

【學(xué)生】有推理無證據(jù)，屬于直覺。

【材料2】道爾頓原子結(jié)構(gòu)研究資料

（1）1789年，拉瓦錫用精確實(shí)驗(yàn)證明質(zhì)量守恒定律。

（2）1799年，普羅斯特根據(jù)實(shí)驗(yàn)證明：構(gòu)成各種化合物的各種元素都有一個(gè)確定的質(zhì)量比，即定比定律。道爾頓推測(cè)：當(dāng)2種元素所組成的化合物有2種以上時(shí)，在這些化合物中，如果一種元素的量是一定的，那么與它化合的另一種元素的量總是成倍數(shù)地變化的（如CO和CO2），即倍比定律。20年后倍比定律被瑞典化學(xué)家貝采尼烏斯用實(shí)驗(yàn)證明[9]。

（3）金屬斷裂實(shí)驗(yàn)，金屬絲直徑均為1/10英寸，恰好斷裂的重量是：鉛29.25磅；錫49.25磅；銅299.25磅……[10]。

（4）1803年，道爾頓通過實(shí)驗(yàn)測(cè)算不同元素的相對(duì)重量，并指出：最輕的元素就是氫，把氫的原子重量相對(duì)地定為1是較為合理的。

【教師】為了微觀解釋上述事實(shí)，1803年道爾頓基于上述實(shí)驗(yàn)及結(jié)論提出實(shí)心球體原子結(jié)構(gòu)模型，他運(yùn)用了證據(jù)+推理→觀點(diǎn)的思維模型。

【板書】證據(jù)：相對(duì)質(zhì)量、定比定律、倍比定律、斷裂實(shí)驗(yàn)；推理：不可再分、實(shí)心球體、原子間作用力。

【投影】道爾頓模型概述：①原子是不可再分的實(shí)心球體；②同種元素原子各種性質(zhì)和質(zhì)量都相同；③在化學(xué)反應(yīng)中，原子既不消失也不產(chǎn)生，原子的種類和數(shù)目是守恒的，不同物質(zhì)中原子按照簡(jiǎn)單整數(shù)比結(jié)合；④原子間通過鉤子組成單質(zhì)或化合物。

【教師】原子真的不可分嗎？如果原子可分，湯姆孫預(yù)測(cè)在正負(fù)電極加上高電壓，某一極應(yīng)該向?qū)Ψ桨l(fā)射微粒，讓這些微粒穿過電場(chǎng)，大家預(yù)測(cè)這些粒子會(huì)怎樣？各小組道爾頓主持陰極射線探究實(shí)驗(yàn)。

【學(xué)生】帶著自己的預(yù)測(cè)觀察陰極射線實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)陰極射線發(fā)出的粒子帶負(fù)電。

3.認(rèn)知迭代：模型應(yīng)用與模型發(fā)展

【材料3】湯姆孫原子結(jié)構(gòu)研究資料[11]

1859年，普呂克爾發(fā)現(xiàn)陰極射線在電場(chǎng)和磁場(chǎng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，將風(fēng)車放在陰極射線旁，風(fēng)車會(huì)旋轉(zhuǎn)。

1899年，湯姆孫測(cè)定各種物質(zhì)產(chǎn)生的陰極射線，證明了陰極射線是帶負(fù)電的粒子，并測(cè)定一個(gè)粒子的質(zhì)量是一個(gè)氫原子質(zhì)量的1/1836，隨即命名為電子，而且是原子結(jié)構(gòu)的一部分。

【教師】請(qǐng)結(jié)合材料3和陰極射線實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)原子結(jié)構(gòu)模型解釋上述事實(shí)？各組湯姆孫主持并展示。

【學(xué)生】小組討論并展示，如圖3中T-1、T-2、T-3、

T-4。

【教師】有的同學(xué)畫出模型中只有帶負(fù)電的微粒，卻沒有帶正電的微粒，這可能嗎？……

【板書】證據(jù)：陰極射線實(shí)驗(yàn)（直接）、道爾頓模型解釋不了（間接）；推理：原子可分，正電微粒分布在原子中。

【投影】湯姆孫原子結(jié)構(gòu)模型：原子由密封在帶均勻正電荷的球體和在其中分散的大量帶負(fù)電的電子構(gòu)成的。

【教師】盧瑟福試圖用一個(gè)微小而堅(jiān)硬微粒進(jìn)入原子內(nèi)部一探究竟，于是他選擇了質(zhì)量較大、體積較小帶正電的α粒子轟擊體積較大的金箔。根據(jù)湯姆孫葡萄干布丁原子結(jié)構(gòu)模型預(yù)測(cè)盧瑟福α粒子轟擊金箔的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象？

【學(xué)生】α粒子應(yīng)該全部穿過。

【教師】請(qǐng)觀看α粒子散射實(shí)驗(yàn)視頻。

【材料4】盧瑟福原子結(jié)構(gòu)研究資料

1909年，盧瑟福和助手做了α粒子轟擊金箔散射實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)象是：①大多數(shù)α粒子不偏轉(zhuǎn)；②少數(shù)α粒子大角度偏轉(zhuǎn)；③極少數(shù)（八千分之一）α粒子被反彈。

1914年，盧瑟福用陰極射線轟擊氫，發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子。

1919年，盧瑟福用粒子轟擊氮核，猜想原子核內(nèi)存在不帶電的中子。

1935年查德威克根據(jù)對(duì)原子核轟擊實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)從原子核里發(fā)出的γ射線可以把質(zhì)子從原子中撞出來，確認(rèn)γ射線中的微粒是中子，中子不帶電，質(zhì)量與質(zhì)子相近[12]。

【教師】請(qǐng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)視頻和材料4創(chuàng)設(shè)原子結(jié)構(gòu)模型解釋上述事實(shí)？各組盧瑟福主持并展示。

【學(xué)生】小組討論并展示，如圖3中L-1、L-2、L-3、 L-4。

【教師】絕大部分α粒子穿過金箔說明原子內(nèi)部很空，有的同學(xué)畫出的原子核非常大，大家想想符合實(shí)驗(yàn)事實(shí)嗎？還有同學(xué)將質(zhì)子、中子、電子全塞到原子核里面有依據(jù)嗎？……

【板書】證據(jù)：α粒子散射實(shí)驗(yàn)、γ射線撞擊質(zhì)子（直接）、湯姆孫模型不能解釋散射實(shí)驗(yàn)（間接）；推理：質(zhì)子和中子組成微小的原子核，電子繞核圓周運(yùn)動(dòng)。

【投影】盧瑟福原子結(jié)構(gòu)模型：原子核集中了幾乎原子的總質(zhì)量和全部正電荷，原子核很小，電子繞核高速運(yùn)動(dòng)。

【資料5】原子中微粒質(zhì)量

見表1。

【教師】根據(jù)資料5不難推出，決定原子質(zhì)量的微粒是質(zhì)子和中子，因此質(zhì)子數(shù)加中子數(shù)稱為質(zhì)量數(shù)。有中子才能有強(qiáng)大的核力將多個(gè)質(zhì)子共存于原子核中。過多的中子會(huì)發(fā)出γ射線，這就是134Cs和137Cs有放射性的原因。

【板書】質(zhì)量數(shù)=質(zhì)子數(shù)+中子數(shù)。134Cs和137Cs互為同位素。

【教師】將氯氣通入過氧化氫濃溶液與氫氧化鈉固體組成的混合物，我們看到水溶液里有紅光閃爍，請(qǐng)用盧瑟福原子結(jié)構(gòu)模型解釋紅光實(shí)驗(yàn)原因？請(qǐng)大家用單筒直讀式分光鏡觀察窗外，看到的是連續(xù)光譜吧，各種能量的光有序排列在你的眼前，現(xiàn)在關(guān)燈，繼續(xù)用單筒直讀式分光鏡觀察純凈氫氣、汞蒸氣和氬氣的光譜，大家看到了什么？

【學(xué)生】?jī)H有一兩條線狀光帶。

【教師】對(duì)，就是線狀光譜，大家思考：電子繞核旋轉(zhuǎn)應(yīng)該逐漸耗能而發(fā)射連續(xù)光譜。為什么電子沒有湮滅在原子核里，而且還發(fā)射線狀光譜？請(qǐng)大家依據(jù)材料6分析，創(chuàng)設(shè)新的原子結(jié)構(gòu)模型解釋光譜問題，各組波爾主持并發(fā)言。

【材料6】波爾原子結(jié)構(gòu)研究資料[14]

1900年，普朗克依據(jù)實(shí)驗(yàn)提出：振動(dòng)的電子輻射光的能量是不連續(xù)的，一份一份的。

1905年，愛因斯坦針對(duì)特定頻率的光照射金屬飛出電子（光電效應(yīng)），提出光子運(yùn)動(dòng)具有波（電磁波）粒（彈性粒子）二象性。

【學(xué)生】畫出電子分層排布的核式原子結(jié)構(gòu)模型，如圖3中B-1。

【教師】很好，大家都想到了電子分層排布，紅光實(shí)驗(yàn)中就是新生成的氧氣中有外層電子跳躍到內(nèi)層變成穩(wěn)定的氧氣時(shí)釋放出的能量恰好以紅色可見光的形式發(fā)出來。

【板書】證據(jù)：原子的線狀光譜（直接）、電子沒有進(jìn)入原子核湮滅（間接）；推理：電子在不同能量層間跳躍時(shí)發(fā)出不同能量的光。

【投影】波爾原子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型：能量輻射不是連續(xù)的，而是電子在不同電子層間轉(zhuǎn)換時(shí)才發(fā)射或吸收的；電子在不同電子層繞核圓周運(yùn)動(dòng)；電子在兩個(gè)電子層之間轉(zhuǎn)換（電子躍遷）時(shí)發(fā)射的輻射被記錄后就是線狀光譜。

4.歸納總結(jié)：核外電子排布規(guī)律

【教師】表2是堿金屬和部分稀有氣體元素的電子層排布，從中你能發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律？

【學(xué)生活動(dòng)】各組薛定諤組織討論并展示。

【投影】歸納總結(jié)：（1）電子總是優(yōu)先排布在能量較低離核較近的電子層；

（2）每個(gè)電子層最多容納2n2個(gè)電子；

（3）最外層不超過8個(gè)電子，K層作最外層不超過2個(gè)電子；

（4）次外層不超過18個(gè)電子；

（5）倒數(shù)第三層不超過32個(gè)電子。

【教師】請(qǐng)同學(xué)們寫出鉀元素的原子結(jié)構(gòu)示意圖，并與投影中銫原子的原子結(jié)構(gòu)示意圖比較有什么異同？

【學(xué)生】鉀與銫最外層電子數(shù)都是1，這種結(jié)構(gòu)上的相似性決定其化學(xué)性質(zhì)很相似；以致于我們身體易把銫當(dāng)成鉀攝入，如果身體所需鉀元素基本飽和，就不用再吸收鉀了，也就抑制了銫的攝入。

5.展望：人類對(duì)原子模型的探索仍然在路上

【教師】波爾原子結(jié)構(gòu)模型也有處理不了的問題，后來薛定諤用數(shù)學(xué)的方法來描述電子等微粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，提出了現(xiàn)代量子化原子結(jié)構(gòu)模型。戴維森和革末利用電子衍射實(shí)驗(yàn)證明了電子運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)性，證明了量子化模型的科學(xué)性，但是真正原子結(jié)構(gòu)是什么樣子，研究還在持續(xù)。

【教師】2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的一半給了羅杰·彭羅斯，他創(chuàng)立了扭量理論，進(jìn)而計(jì)算出了黑洞存在。另一半給了萊因哈德·根澤爾和安德里亞·格茲，他們利用射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)銀河系中存黑洞。所以從微小原子到宏觀宇宙，科學(xué)觀點(diǎn)的獲得既要有合理的邏輯推理，又要有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)實(shí)驗(yàn)證據(jù)。這就是人類研究自然的基本論證方法。

五、反思與討論

素養(yǎng)本位的課堂教學(xué)旨在教授科學(xué)家思維而不是科學(xué)家結(jié)論。本課將史料和實(shí)驗(yàn)作證據(jù)推理的載體，重點(diǎn)是在湯姆孫、盧瑟福和波爾三個(gè)探究階段充分展開探究、合作與生成活動(dòng)；通過模型構(gòu)建、模型應(yīng)用和模型修正有助于學(xué)生對(duì)學(xué)科本質(zhì)的理解，學(xué)生更能夠深刻理解原子結(jié)構(gòu)研究需要實(shí)驗(yàn)法、模型法、類比法、猜想法等多種思想方法。呈現(xiàn)湯姆孫和盧瑟福的研究過程，使學(xué)生加深對(duì)原子組成的理解，介紹波爾的研究可使學(xué)生對(duì)原子結(jié)構(gòu)示意圖理解升級(jí)，尤其是學(xué)生親身進(jìn)行光譜實(shí)驗(yàn)探究，有助于學(xué)生對(duì)原子結(jié)構(gòu)理論發(fā)展的理解，懂得科學(xué)理論是在不斷改進(jìn)中前進(jìn)的，最終形成能夠相對(duì)完美解釋自然世界的理論。

利用化學(xué)史料與真實(shí)實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)進(jìn)行論證式教學(xué)，有助于學(xué)生的核心概念轉(zhuǎn)變。原子結(jié)構(gòu)是抽象的、不可見的，勢(shì)必在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生迷思概念，經(jīng)過證據(jù)收集、推理論證修正原有原子結(jié)構(gòu)模型，在體驗(yàn)科學(xué)研究過程中能糾正偏差認(rèn)知，正確理解科學(xué)模型的內(nèi)涵，從而滲透證據(jù)推理與模型認(rèn)知化學(xué)核心素養(yǎng)。

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