制作模型并展示科学家探索物质组成与结构的历程

跨学科实践活动案例制作模型并展示科学家探索物质组成与结构的历程内黄县实验中学   王志强 

1. 研究背景

《义务教育化学课程标准（2022年版）》在教学建议中提出：“教师还应重视跨学科内容的选择和组织，加强化学与物理、生物学、地理等学科的联系，引导学生在更宽广的学科背景下综合运用化学和其他学科的知识分析、解决有关的实际问题。” 跨学科主题教学，引导学生开展综合学习活动，是培养学生核心素养的必要途径，是打破学科边界、强化课程协同育人的必要手段，是帮助学生形成深层知识理解的必要环节。

化学是研究物质的科学，世界上的任何物质都由不同种类、不同数量元素的原子按照特定的方式搭接而成的，化学家们通过对各类分子的结构、形成及性质等研究，建立起独特的探究方法和思维方式。

主题“物质的组成与结构”旨在帮助学生用微粒的观念去学习化学，从五彩缤纷的宏观世界步入充满神奇色彩的微观世界，激发学生学习化学的兴趣; 使学生初步形成微粒观也是义务教育阶段化学教育的一个重要教学目标之一。然而，在与观念建构相关的各种课题研究中，我们发现，作为物质世界的最小单元“分子”、“原子”和“离子”，学生始终难在脑海中形成比较清晰的印象，运用起来就更加捉襟见肘。

这就需要我们采取更有效的措施来帮助学生化解难点，本人尝试基于“制作模型并展示科学家探索物质组成与结构的历程”设计跨学科主题实践活动，帮助学生运用跨学科知识，亲身经历创意设计，动手制作微粒模型以解决这一化学难题，在实践过程中，学生通过整个项目的系统规划和实施，体验实践创造价值的过程，感受合作、协同创新解决问题的重要性。

2. 项目的育人价值

“制作模型并展示科学家探索物质组成与结构的历程”项目针对人类对自然物质的不断探索与认识设计的，旨在帮助学生构建正确的科学观念，有助于促进学生科学品质的发展。“历程”注重体现历史发展过程，细思历史关键事件。“模型制作”应考虑特定历史环境下人类对物质的认识而制作相应的模型。

该项目以“物质的组成与结构”为主要研究对象，包含学生必做实验“水的组成及变化的探究”，帮助学生构建微粒观、元素观、变化观等化学观念，促进“系统与模型”、“结构与功能”等跨学科大概念的进一步发展。

该项目使学生置身于历史发展的氛围中，结合特定历史发展阶段，自主调用化学、历史、物理等多个学科的相关知识，应用技术与工程的方法解决问题，通过模型制作，进行自主反思，不断改进，体会并理解科学的探究方法，借以激发学生的探究意识。

3. 项目任务及目标

世界是物质的，物质是变化的，在这千变万化的宏观现象的背后，其本质是什么呢？物质是怎么构成的？为了证明宏观背后的微观粒子存在，在人类历史的长河中，前人们探索了很长时间，并且直至现在，科学家们还在为寻求这些问题的答案进行着坚持不懈的探索。

该项目以物质的组成和结构为核心，综合考虑科学家对物质组成及结构的探索，原子结构模型的发展历程，选择具体的技术与工程方法完成各阶段原子结构模型，通过对构成水的微粒的模型的构建过程，帮助学生正确理解和区分分子、原子，并用适当的方法展示科学家探索物质组成与结构的历程。

“制作模型并展示科学家探索物质组成与结构的历程”项目涉及内容较多，是一个较为综合、复杂且抽象的实践活动。项目任务、活动内容、课时和任务目标见表1，该项目要求学生梳理科学家的探究过程，反思历史关键事件，从宏观与微观相结合的角度认识物质的组成与结构，学生在探究的过程中，不仅要充分理解所涉及的科学知识，还要应用作品制作的方法，在反复试验的基础上优化方案并完善作品。

表1  项目任务、活动内容、课时和任务目标

4. 项目学习的教学过程及方法

项目学习的教学过程以构建水分子模型为例，记录活动中的师生行为和成果展示。本节课的内容是在梳理完原子、分子发展史，开展探究性实践活动，落实教学目标，完成学习任务的基础上重点完成对水分子模型的构建，具体学习流程如图1所示。本节课在2023年春季内黄县实施的送课下乡活动中作为优秀课例进行展示。

图1 水分子模型的构建流程

【设问】在前两个单元的学习中，我们关注了一些物质的变化和性质，我们知道，世界是物质的，物质是变化的，在这千变万化的宏观现象的背后，其本质是什么呢？

设计意图：从能够看到的宏观物质的客观世界出发，引发学生思考其背后我们所看不到的物质构成的奥秘，符合化学学科的研究范畴（从分子原子的层次研究物质），同时也能激发学生的好奇心和探究欲。

【回顾】公元前5世纪，我过著名哲学家墨子也说“非半不斱(zhuó)则不动，……说在端，……，端，是无间也。”意思是说，物质到了没有一半的时候，就不能拆开他了，物质如果没有可分的条件，那就不能分了。墨子的“端”即物质的最小单位，有现代“原子”的意义；同时期，希腊哲学家德谟克利特认为世界万物是由大量极微小的、硬的、不可穿透的、不可分割的粒子所构成的；1803年，道尔顿，提出原子论；1811年，阿伏伽德罗，提出分子学说；1827年，布朗发现布朗运动。

由此可见，为了证明宏观背后的微观粒子存在，在人类历史的长河中，前人们探索了很长时间。

设计意图: 历史学是在一定的历史观指导下叙述和阐释人类历史进程的学科。义务教育阶段要求学生能够根据真实可靠的史料进行解读，客观、正确地认识历史。教师通过引导学生对早期人类探究构成物质的微粒作合理认识: 一方面，人类对物质世界的认识受限于当时的社会生产力; 另一方面，通过工具的变革，科技的进步，帮助学生建立“劳动在推动人类社会发展中的重要作用”的唯物史观。

【情境创设】在很早的时候，科技不发达，人们只能借助宏观现象推理出微观情况，比如：糖块放到水里会逐渐消失，而水却有了甜味。

【探究1】将冰糖投入到盛有水的烧杯中，充分搅拌，观察现象并思考。

师：你们观察到了什么现象？

生１：块状冰糖逐渐溶解，直至消失。

师：冰糖是不是真的消失了，不然它去了哪里？

生１：冰糖不是真的消失，它是溶到水里去了。虽然看不到，但水变甜了，可见它存在于烧杯水中。

师：的确，冰糖没有消失，只是进入到了水中，那么你们认为，冰糖是以什么方式与水共存的？

生２：冰糖变小了。既然整杯水都变甜，就说明冰糖均匀分散到每滴水中，即冰糖块变成了很多“小冰糖”与水混在了一起。

生３：严格来说，不是冰糖变小，而是“分解”了，是变成了无数更小的冰糖。

师：是的，大块冰糖在水中分解成了“小冰糖”，换句话说，大块冰糖是由“小冰糖”构成的，而小冰糖就是本节课要学习的分子。

【小结】在生活中很多物质，其实都是由分子构成的，如一杯水是由无数水分子聚集而成；氧气是由无数氧气分子构成；二氧化碳气体则由无数二氧化碳分子构成。

设计意图: 创设客观历史情景，再现古人思考过程，引导学生对构成物质的微观粒子的感性认识。

【设问】小冰糖即分子，很小，小到什么程度呢？

现代科技可以来回答这个问题。一滴水，10亿人数，每人每分钟数100个，需要30000年日夜不停的数。

设计意图: 对分子“小”这一特性的描述，受限于当时落后的生产力和科技水平，前人只能做定性描述：看不见，不可分，而借助于现代科技，当今我们可以进行定量的数字描述，使学生感受到随着生产力的发展人们对物质的认知越发深入。

【讲述】古代借助宏观现象进行推理，到了近代，我们不仅可以借助宏观现象推理微观情况，还可以借助现代科技直接观测到分子原子

图片展示1.苯分子和酒精分子图像，认真观察，找出他们的共同特征。

【学生回答】分子之间有间隔。

【追问】那我们把时间倒回到以前，没有现代科技，你该借助于哪些宏观现象来推测分子的这个特性呢？

【学生回答】100mL的水与100mL酒精混合，总体积小于200mL；矿泉水瓶易捏扁，而装满水后不宜捏扁等。

设计意图:避免重复物理学科（沪科版物理第十一章小粒子与大宇宙）实验，学科能容整合，以提问回顾的方式引出学生前概念知识。

图片展示2.硅原子和《男孩和原子》（观看微电影），在电影中，我们可以通过科技手段操纵微粒移动，那构成物质的微粒是否也在不停地运动呢？请同学们借助宏观生活现象进行推理证明。

【学生回答】花香；饭香；墨水入水等

【讲述】我们知道化学是一门以实验为基础的科学，所以，今天，在我们的化学课堂上，我们还可以借助实验的手段来进行验证。

【探究2】（演示并分组）教材中氨水和酚酞的演示实验，学生自主探究酚酞变红的原因。

【提问】实验中我们并没有人为的让两者接触，那为什么蘸有酚酞一端的棉签变红了呢？

【解释】构成氨水的微粒在不断运动，且酚酞分子的运动速率没有氨分子运动的快。

设计意图：充分运用微粒运动的物理前概念知识，引导学生观察并自主设计实验，在运用中深化对微粒运动这一特性的认识。

【课堂小结】分子（原子）特性：小；动；隙。

【追问】综上所述，原子分子这么小，肉眼看不见，手摸不着，如何方便的分析它和宏观物质变化之间的关系呢？

【讲述】我们可以借助简要图示的方法进行表述和解释。类似地理中的地图，图示不仅可以表示微观粒子的主要结构和特点，而且还可以应用它分析、解释宏观变化，所以我们把它视为构成物质的一种微观粒子模型。

介绍示例原子分子模型。

【探究3】画出你认为的水分子结构模型并解释下列现象：

1.为什么水沸腾后体积变大了？

模型一   （不能分割），

【学生解释】分子间间隔变大。

2.为什么水通电后分解为了氢气和氧气？

修正模型一，得到模型二（可以分割）。

【教师解释】间隔变大；微粒分解。

3.为什么水通电后分解为了氢气和氧气？且体积比为2:1。（引入知识储备）

修正模型二，得到模型三，（可以分割）。

【教师解释】间隔变大，微粒分解且符合实际体积比。

第三种模型不仅可以解释宏观的物理变化现象，也可以解释宏观的化学变化，还可以揭示化学变化中的粒子变化情况。

【小结】像这样，在化学变化中，还可以拆分的是分子，不能再拆分的是原子，水分子由氢原子和氧原子构成，一个水分子由两个氢原子和一个氧原子构成。

引出分子和原子的概念：

分子：由分子构成的物质，分子是保持其化学性质的最小粒子。

原子：原子是化学变化中的最小粒子。

设计意图：通过再现前人对构成物质的微观粒子的探究历程，使学生能明确区分分子和原子的不同，理解有些物质是由分子构成的，有些物质是由原子构成的这一观点。

图片：水分子内部结构图像（背景：我国科学家于2014年拍摄，属世界首次）

设计意图：人类社会的进步推动科学技术的革新，科学技术的发展同时也对人类社会的发展提供更大的推力。通过古今对构成水的微粒的推理猜想到借助现代科技的证实这一过程的史实发展对比，从而增强学生的时代责任感、历史使命感与民族自豪感。

课堂总结。

课后作业：制作水分子的模型并从微观视角画一杯水。

5. 评价建议

在实施的过程中，教师要给学生提供对模型制作作品不断改进和完善、展示和交流的机会。模型的制作与学生的认识发展相辅相成，教师要关注学生在梳理科学历史发展的过程中所形成的科学品质，及时给予肯定。

建议师生共同制订评价量表，用于学生自我诊断、组间评价，以及教师的评价反馈。评价量表建议从作品模型、协同合作、表达交流三个维度进行评价，将等级分为合格、良好、优秀。作品公开展示，进行解说，小组之间形成对比，以此形成最终评价。

6. 实践反思与启示

通过跨学科主题实践活动“制作模型并展示科学家探索物质组成与结构的历程”这一学科难题在课堂中落地，培养学生的化学学科核心素养和跨学科能力，并促进学生综合能力的提升。

1.跨学科实践活动促进学生科学探究能力的提升。学习原子、分子发展史，针对性讨论有关科学研究问题，弄清楚各阶段原子模型及其局限性，分析问题、解决问题，建构核心知识，培养了学生的学科能力和素养。如借助卢瑟福用“α 粒子轰击金箔实验”，引导学生开展猜想假设，收集证据，论证推理和解释结论，建构原子结构，培养学生科学探究能力素养。

2.模型制作改变学生的思维方式。因为每个人对微观世界的理解是不一样的，共同制作，意味着学生经过了思考、想象、讨论、交流、分析及归纳的过程，在这样“多感官环境”中完成的作品必然是趋向完美的，它们既是抽象概念学习中的直观素材，也是宏观与微观之间的连接桥梁，用微观的眼光看物质、看变化、看世界逐渐变成了学生的习惯。

3.跨学科实践活动促进师生共同成长。开展激发了学生学习化学的热情，使学生亲近化学、喜欢化学，也让学生的主体性得到了充分发挥。各层次的学生都能拓宽知识面、乐于自发创设生动的问题情境，且根据已有经验，来满足探究欲望。敩学相长，教师也跟着逐步转变教学观念，长期的实践使他们意识到，教学不仅仅是帮助学生对化学知识进行记忆和再现，更在于培养学生深层次的理解能力和科学思维能力。

对比常规课堂教学，跨学科主题教学实践活动更能有效激发学生的学习兴趣，提高学生的课堂参与度和学习效果，但是，跨学科内容只有在理性分析后，融合教学才能避免资源重复浪费、激发学生深度思维，回归学科知识本源，才能更好地体现新课标教学的理念和价值。

转自：“内黄教研”微信公众号

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