体验科学家的思维历程——《人类对原子结构的认识历史》的教学设计和实践

发布时间：2008-11-22 17:02:00
发布者：吾爱
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然而学生解决问题的能力与科学家毕竟有很大的不同, 首先, 无论是知识的深度还是广度, 学生与科学家有差异; 其次是对问题的洞察力和解决问题的经验和能力存在差异; 再次科学研究总是要经历曲折、困惑, 甚至痛苦, 往往需要通过科学家顽强的拼搏和不懈努力才能达到, 但课堂教学时间的有限性及教学本身追求的最大效益性却不允许学生经历同样的历程。因此, 完全从学生的知识背景、思维水平出发让学生“体验科学家的思维历程”在现实中是很难实现的, 从教学效益的角度考虑也是不合算的。教学设计的目的就是要求教师能创设合适的教学情境, 通过恰当的设计和引导, 在解决目前所遇到的问题中拉近学生与科学家的距离, 从而使得学生能尝试沿着科学家发现的足迹去体验发现的过程。

3、案例教学设计的过程

科学, 一个重要的观念是“自然界是可理解的”, 因此“科学家总是利用观察、实验、理论以及数学的方法来形成和验证他们对自然现象所提出的解释”, 从而形成科学知识。然而一旦发现新的证据与已有解释不相符合, 就需要修改已有的解释或建立新的解释, 科学知识就此改变、发展。人类对原子结构的认识过程就是科学家对不断观察到的

实验现象进行不同解释的过程, 也是原子结构知识不断深入发展的过程。苏教版高中化学选修课程《物质结构与性质》专题2第一单元的《人类对原子结构的认识历史》一节内容向我们展现了这个发展过程。其中最有代表性的是这样两个过程: 当卢瑟福发现α粒子散射实验, 而用汤姆生的枣粒原子模型无法解释实验现象时, 问题出现, 于是他就根据新的实验现象建立核式原子模型; 可是不久后人们又发现核式原子模型与经典的物理学理论有矛盾,问题又出现, 玻尔在系统研究光谱学的基础上, 把量子化概念引进卢瑟福的原子结构模型, 提出了原子结构中量子化的轨道理论。通过实验获取相关信息, 进行研究发现原有理论存在问题, 根据实验所得的信息重新推理、猜测, 形成新的假说, 然后将假说用于解释问题和实验的结果, 最终建立自己的新理论, 是科学家构建原子模型的主要思维方法。表示如下:

根据科学家的发现历程, 教学设计的具体思路是: 创设一定的情境让学生了解研究的历史背景,对要研究的问题产生兴趣。给学生展示历史上科学家做过的实验, 让学生获得与当年研究同一问题的科学家获得相同的材料和信息, 引导发现和思考同样的问题, 让学生尝试问题的解决, 体验科学家的思路历程。通过讨论, 作出推测或结论。然后向学生展示当年研究同一问题的科学家的思维历程和研究结果, 分析对比, 使其产生强烈的情感体验。在此过程中, 学生体验了科学家的思维活动, 在获得相应的知识的同时, 对于科学、科学家会有更深刻的认识, 这对他们理解科学本质, 提高科学素养,有重要意义。设计思路如下:

4、案例教学的课堂纪实

在教学中, 我们选择了成绩无显著差异的两个班级进行试验。随机选择一个班为试验班, 按照体验科学家的思维的教学设计进行教学; 另一班为对照班, 由教师按照教材内容介绍人类对原子结构的认识历史。并采用了课堂记录和课后测试等方式作为教学效果分析的依据。以下是按照设计思路的不同阶段整理的课堂纪实及学生对问题的反应记录。

4.1 卢瑟福原子模型的提出

4.1.1 创设情境,了解背景

这一阶段的设计旨在通过展示道尔顿的实心球原子模型向汤姆生枣糕原子模型的转变, 让学生回顾人类对原子结构的早期认识, 了解当时研究的历史背景, 了解科学家的研究方法, 激发学生研究学习动机和兴趣。

教师活动

学生活动记录

[引入话题]

随着人类对物质结构与性能关系认识的不断深入, 发现物质的性质与物质结构的关系密切。为了更好地了解这种关系, 人们锲而不舍地探究着物质结构的奥秘 ,认识不断提高。

[投影讲授]

人类对原子结构的认识历史就是人类对物质结构认识不断深入的过程。

在初中我们已经知道, 道尔顿根据气体实验提出原子是构成物质的微粒 ,当时他把原子想象成是不可分的实心球(展示图片)。

1897 年 ,汤姆生通过对阴极射线的研究,发现了带负电的电子, 而且通过实验进一步证明电子是一切化学元素原子的组成部分。由于当时已知道原子是中性的 ,1904 年 ,汤姆生提出一个新的原子结构模型, 认为原子是一个均匀的带有正电的球体 ,电子对称地嵌在这个球中 ,形成一个中性的球体。后人称之为“枣糕式原子模型”(展示图片)。