原子结构的模型
一、教学目标
（一）知识与技能
1.通过小组合作、问题引导、任务解决了解原子结构模型建立的历史过程及各种模型的局限性及建立的依据。
2.知道α粒子大角度散射实验的实验方法和实验现象，会分析实验现象建构正确的核式结构模型。
（二）过程与方法
1.通过类比的方法模拟各种原子结构的模型，通过对模型的观察进一步培养学生分析、归纳并得出结论修正旧模型得出新模型的逻辑分析能力。
2.通过交流、合作培养学生合作意识，通过对不同模型的发展比较感受科学是不断发展的。
（三）情感、态度与价值观
1.通过对原子结构模型的科学史学习体会和感受人们对物质世界的认识过程是曲折的，人们通过质疑、实证和反思不断的推翻旧观点建立新观点。
2.通过原子结构模型的构建体会过程中不断克服困难朝真理迈进的的创新精神。
二、教学重难点
1.重点：基于科学史的发展理清各种原子结构模型及模型的特点。
2.难点：模拟α粒子大角度散射实验，利用类比法使学生能够深入了解科学本质。
三、教学和学情分析
本节教学内容主要包括了道尔顿的“实心球模型”、汤姆生的“西瓜模型”、卢瑟福的“核式结构模型”、玻尔的“分层结构模型”和电子云模型。对于微观粒子的模型构建是一个不断修正的过程，旧的原子结构模型碰到一些无法解释的现象时就需要修正而使之能够解决现有的问题。由于微观粒子用肉眼是无法观察，因此需要借助模型、视频和一些直观化的器材帮助学生构建抽象思维能力。课堂中需要借助类比法建构模型以帮助学生突破教学重难点。
四、设计思路
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
一、链接旧知，意趣引入
以情境激发旧知，借旧知引入课堂主题。
【展示】出示一个西瓜模型，围绕西瓜模型链接旧知。
【问题1】请观察并思考这西瓜与普通的西瓜有何不同？
【问题2】通过西瓜模型你可以了解有关西瓜的哪些信息？
观察西瓜，发现原来教师出示的是个假西瓜——西瓜模型。
思考回答模型的作用：借助模型可以揭示客观对象的形态、特征和本质。
以西瓜模型引入激发学生旧知借助模型可了解客观对象的形态、特征和本质。
二、道尔顿模型
以捏水分子模型引出分子是由原子构成，再由观察所捏的原子模型引出原子模型的初步概念。
【活动】
1.请用所提供的橡皮泥捏一个水分子模型。
2.请描述所捏的水分子的构成情况。
3.请描述所捏出氧原
子的模型是怎么样的？初步了解道尔顿模型
【讲述】道尔顿模型：
1803年，英国化学家道尔顿提出了原子的概念，他认为原子是坚实的、不可再分的实心球。
他将人类从研究物质的视角从宏观拉向了微观，以后的100年时间内关于原子结构的认识没有新的变化。
【问题1】道尔顿认为的原子特点与你捏的原子模型有哪些相似的地方？
【问题2】请结合这种模型的特点给它命名。
学生思考捏一个水分子模型，思考并回答一个水分子由一个氧原子和两个氢原子构成。
学生思考、观察、回答：圆的、实心的。
学生对比结合模型的特点把这种模型叫做实心球模型。
通过利用橡皮泥捏水分子模型使学生初步具备构建模型的能力。
学生通过比对自己
捏的原子模型与道尔顿提出的原子模型从而更好的理解道尔顿模
型。
三、汤姆生模型
通过电子的发现为主线引导学生思考原子是可分的，构建汤姆生模型。
【提问】道尔顿的原子模型就是最终的原子结构的模型了吗？如果不是，你对他提出的模型有哪些质疑的？你预期会有怎样的现象？
【讲述】
当时汤姆生就像同学们一样对道尔顿的模型提出了质疑。
【观看视频】
观看一个汤姆生做的有关阴极射线的实验视频。
【讨论】
1.请描述观察到的实验现象，由现象可以得出什么结论？
2.请猜测电子来自哪里？由此可以得到什么结论？
3.汤姆生发现电子后怎么修正道尔顿的原子结构模型？
【活动】
请思考并利用提供的电子和原子构建你认为的汤姆生的原子结构的模型。
【展示】教师展示下图模型。
4.汤姆生提出的模型是不是全部否定掉道尔顿的模型？
5.请同学们结合这种模型的特点给这种模型起个名字。
【质疑】
如果不可再分则没有其他的结构。
如果不是实心的，则粒子可以穿过原子等
【实证】
学生观看视频表述实验现象，观察实验结果得出：
1.粒子偏向正极极板一侧。带电粒子带负电。依据：电荷间相互作用规律。
2.电子是原子在高压下激发出来的。电子来自于阴极射线发射源的原子内部。原子是可分的。
原子中还有带正电的粒子，个数和电子一样多。
【反思】
学生思考汤姆生的观点：原子是一个球体，正电荷均匀分布在整个球体内，电子像面包里的葡萄干那样镶嵌其中。利用磁铁构建汤姆生的原子结构的模型。
【建构】
学生思考回答：没有否定，而是在实心球模型的基础上增加了电子的分布。
8.西瓜模型。
通过质疑、实证、反思和建构的步骤使学生对道尔顿模型提出疑问，并依据事实构建汤姆生模型，使学生体验科学发展的历程。
四、卢瑟福模型
以α粒子散射实验为载体揭示汤姆生模型不能揭示的现象，引发思考而提出新的原子结构模型——卢瑟福模型。
卢瑟福为了证实汤姆生模型的正确性，利用带正电的α粒子轰击金属箔。
α粒子的介绍：是一种带正电的粒子，质量大概是电子的七千多倍。
介绍α粒子散射实验装置：主要器材有：放射源、金箔、荧光屏、显微镜。
【问题】
1.请猜测，如果原子模型正如汤姆生模型这样，α粒子轰击金属箔后的现象会是怎么样的？
【观看视频】
2.请同学们描述你看到的实验现象是怎样的？与你猜想的有什么区别？
【活动】
1.请利用实验框内的物品模拟α粒子轰击金箔的实验现象。
2.思考造成α粒子轰击金箔的实验现象与汤姆生模型不符的原因可能是什么？
实验框物品：伸缩球、圆形磁铁、健身球、海洋球。
【讲述】中间这部分带正电的部分我们就称为原子核。
【问题】
1.原子核带正电，电子带负电，他们之间会存在相互吸引，以磁铁和铁珠分别模拟原子核和核外电子，则我们会观察到什么现象？
2.请小组讨论，有什么办法使铁珠不被吸？由小组讨论得出的方法猜测电子在原子核外的运动状态是怎么样的？
【讲述】
结合这些结果，卢瑟福提出了新的原子结构模型。
卢瑟福通过α粒子散射实验发现了原子中央有一个相对而言体积很小，质量很大的原子核，由此他提出：原子是由居于原子中心的带正电荷的原子核和带负电荷的核外电子构成，电子绕着原子核运转。
【活动】
请画出带一个电子的卢瑟福原子
结构模型。
【提问】
请结合这个模型的特点给这个模型命名。
【提问】
卢瑟福模型其实是在汤姆生模型的基础上思考了什么问题？
【质疑】
学生思考，讨论：
如果原子模型是汤姆生（西瓜）模型，则α粒子几乎全部穿过，不会产生偏转或小角度偏转。
【实证】
学生观看视频，思考和对比汤姆生模型对现象描述：
1.绝大多数α粒子不改变原来的运动方向。
2.少数α粒子例子发生了较大角度的偏转。
3.极少数α粒子被弹了回来。
学生小组讨论、实验、并展示。
【反思】
学生思考讨论并解释对应的三种实验现象：
1.原子内部大部分是空的2.原子存在带正电的微粒。
3.原子中间存在质量较大、体积较小的核。
学生观察并回答：铁珠被磁铁吸引
学生讨论思考得出铁珠要围绕中间磁铁高速运动才会不被吸住。由此推测核外电子也是围绕原子核做高速圆周运动。
学生回答：核式结构模型（行星绕太阳模型）
核外电子是如何运动的。
汤姆生模型在解释一些现象时遇到困难，从而激发学生提出疑问，通过质疑、实证、反思和建构的步骤并依据事实构建使学生体验科学发展的历程而构建新的原子结构模型。
五、玻尔模型
【讲述】
但是经典的电磁学理论认为：核外电子绕核运动会辐射电磁波。
【问题】
1.请同学们猜测电子辐射电磁波后运动会如何变化？
2.根据你的推测，说明原子是稳定的还是不稳定的？
而实际上原子是稳定的，为了解决这一矛盾，玻儿对光谱进行分析后提出：电子在核外空间的一定轨道上分层绕核做高速的圆周运动。这个模型我们称为分层模型。
【活动】
请画出碳原子的分层模型。（提示：第一层带两个电子，第二层带四个电子。）
【提问】玻尔的分层模型在卢瑟福的模型基础上进一步解决了什么问题？
学生聆听，构思。
观看视频，提出构想。
学生思考并回答：电子辐射电磁波后导致电子能力逐渐降低，从而电子轨道半径连续减小，最终与原子相撞，原子湮灭。
原子是不稳定的。
小组讨论，展示。
学生思考回答：核外电子的分布问题。
引入经典电磁学的理论促使学生大胆提出猜想和推测，从而达到大胆预测和构建新模型的能力。
六、电子云模型
以视频为载体了解电子云模型。
【讲述】现代科学家通过实验发现电子它不像宏观物体的运动那样有确定的轨道，因此画不出它的运动轨迹。
【观看视频】播放电子云模型的视频。
我们不能预言它在某一时刻究竟出现在核外空间的哪个地方，只能知道它在某处出现的机会有多少，用小白点的疏密来表示。小白点密处表示电子出现的几率大，小白点疏处几率密度小。
因为看上去好像一片带负电的云状物笼罩在原子核周围，因此叫电子云。
学生聆听，构思。
观看视频，提出构想。
通过视频观看更加
形象的帮助学生构建电子云模型的直观印象。
七、原子核的结构
通过讲述了解原子核的结构。
【问题1】原子核分为质子和中子。
根据所带的电性你可以得到哪些信息？
【问题2】根据电子、质子和中子的质量又可以得到什么信息？
1.原子核带正电，且所带电荷数等于质子数。原子核所带电荷数等于核外电子数。等
2.电子质量忽略不计，原子的质量主要集中在原子核。验证了卢瑟福实验得出的原子中间有一个质量很大且带正电的结构。
八、总结升华
归纳原子结构的模型构建过程中的方法
教师引导学生思考、归纳、总结。
学生归纳：
质疑、实证、反思、建构等。
培养学生批判性思维
教学反思
《原子结构的模型》一课是浙教版《科学》八年级下册第二章第三节内容，本节课从知识的内容上讲主要是让学生了解原子的集中模型：实心球模型、西瓜模型、核式结构模型、玻尔模型和电子云模型。因此通篇以几种模型的发展为主线，但是限于篇幅的关系教材并没有很详细的从各种模型如何形成的细节着手使学生也形成一种原子模型的发现和演变并没有想象中的困难，因此为了能够使学生更好的理解科学本质，知道原子结构的模型形成过程的曲折过程本节课的教学设计以科学史穿插实证的形式开展。而基于科学史具体教学往往会有一定的枯燥性，因此本课在教学设计上融入许多实验，并利用一些玩具增加教学的可视性和趣味性，具体细节反思如下：
一、模型构建曲折，实证反思促构建
原子结构模型的构建一课可以很好的渗透建构主线教育思想，可以很好的教育学生任务事物的基本方式方法。教材中所涉及的原子结构模型：实心球模型、西瓜模型、核式结构模型、玻尔模型和电子云模型（图1)。从模型建构的规律上看可以理解为先看整体，比如原子一开始建构的模型认为是实心球，然后再挖掘实心的结构里面有什么的时候就需要寻求证据，而阴极射线管的实验发现了电子后便为原子里面到底有什么提供了直接的证据。基于提供的证据进行反思原子力的结构，于是构建出了新的原子模型（葡萄干蛋糕模型）。
基于上述这样建构的思想后面模型的认识和学习边会有一定的规律可循。因此教学设计便以这样的思想为指导设计了学习的流程（图2）。学生通过这样的思路学习后面的几个模型也相对较为容易，比如西瓜模型不能够解决α粒子轰击金箔的实验现象，如果原子结构犹如西瓜模型则α粒子轰击金箔后将几乎不改变传播路径射出，但是实际现象却大大不同，其结果却为：1.绝大多数α粒子不改变原来的运动方向。2.少数α粒子例子发生了较大角度的偏转。3.极少数α粒子被弹了回来。而核式结构模型又不能解决经典电磁学理论的一些问题等，于是就对前一种模型提出质疑再寻求新证据。基于实证不断反思重新构建和修正原来的模型促进对原子内部结构的新认识。从了解一个大的结构开始到发现电子、再认识到电子是如何运动的、电子是如何分布的和最后电子的不确定性不断的完善对原子结构的认识。
二、注重能力立意，批判性思维的培养
核心素养的提出对于学生能力的培养更是注重，本节课的知识内容相对较为容易，而能力立意与渗透便成了主要的教学任务，本课在教学设计时充分考虑学生思维发展应该是阶梯式或螺旋式上升的，于是问题的设置由浅及深，认识结构基本都是先从现象出发，对现象进行描述，再对现象进行解释最后提出新的模型结构。同时在建构新的模型结构时要对前一种模型提出质疑，发现前一种模型的问题所在，这就是所谓的批判性思维。但是模型的构建不是一步到位的，通常需要随着模型在应用过程中遇到新的问题，再对此时的模型提出质疑，由此人们对模型一步一步的从表面认识到本质。
对于批判新思维不仅是对模型的提出产生质疑，对其中课堂中的实验设计、实验结果产生质疑也都是我们所倡导的。本节课所涉及的模拟实验比较多，到底所有的实验是否都能很好的支持学生的观点也是需要提出质疑的。基于任务和活动的完成逐步提升学生解决问题的能力，比如新课开始时要求学生构建水分子模型，从水分子模型引出思考所捏的原子的模型是怎么样，从而引发学生思考原子结构的模型。而每次修正了前一个模型之后都会对学生提出一个反思性的问题：这一模型解决了上一个模型的什么问题？学生便会顺着这样的问题去思考，同样类型的问题反复出现可以刺激学生养成对其他模型产生新的认识，摆脱了死记硬背的方式记模型结构。
三、关注实验探究，创新实验意趣引导
科学探究始终是科学教学中一个重要的环节，利用小组合作完成某项探究活动可以培养学生之间的交流与合作，同样可以借助小组的力量克服学生之间的差异。关注课堂的实验教学和探究活动目的是为了提升教学效果，达到解决教学难点的目的。因此本节课在设计过程中格外注重模型的应用及模拟实验的开展与课堂教学的有机结合，比如：本节课的开始便利用了西瓜模型点出主题。通过观察西瓜模型可以了解习惯的性质、特征等因此通过原子模型也可以了解原子的性质和特征。比如用图4的哈哈球替代了原来的汤姆生图片模型，这样的模型拿出来学生会更加感兴趣，而且较为直观。用模型的引入使学生耳目一新，课堂上充满了对模型进一步了解的兴趣，激发了求知欲。
为了能够使学生更好的理解α粒子轰击金箔的实验，设计了三组模拟小组实验，利用小组合作的形式使学生参与讨论和分析，分别利用图5中的实验器材来完成模拟α粒子轰击金箔的实验现象，再进一步通过模拟实验的思考分析出原子内部可能的结构。
其中伸缩球的展开和收缩可以分别模拟空心的原子和实心的原子，学生便可直观发现只有空心的原子结构大多数α粒子才能够穿过。进一步利用两块磁铁模拟多数α粒子发生较大的偏转，利用磁铁中同名磁极相互排斥模拟同种电荷相互排斥的现象，结合α粒子本身带有正电荷后便容易得出原子中有带正电的物质。最后利用较轻的海洋球撞击较重的铁球模拟极少数α粒子被弹回便很容易得出原子中间有部分质量较大、体积较小的原子核。
为了解决核外电子是如何运动的便设计进一步的模拟实验（图6），如图上所示中间圆柱形的磁铁模拟原子核，铁珠模拟核外电子，启发学生思考如何操作铁珠才不会被中间的磁铁吸引。学生通过讨论、实践操作和交流租后利用图7的方法实现了铁珠不被吸引。
图6
图7
利用这些模拟实验便很好的模拟了α粒子散射实验，学生共同这些实验也能够很好的理解了这个实验现象及实验结论。通过对宏观事物的观察之后结合模拟与类比的手段将微观不可见的原子直观显现。因此在科学教学过程中实验的创新和引入教会使教学质量得到有效提升。
四、科学史载体化，经历过程启迪精神
本节课的主线依然是科学的发展历程，科学史素材是窜起各种模型的直接载体。但是教材中有关这几种模型的素材还是相对较少，比如初中教材避开了汤姆生阴极射线的实验，教材编写者认为初中学生的知识储备不具备理解这样的实验，而本节课在环节的设置上恰恰利用了这个实验的讲解突破了电子的发现过程，从而为汤姆生模型的提出提供了直接证据。但是电子所带电荷的电性通过学生对带电粒子在电场中的运动情况而判断，由于初中阶段学生仅仅掌握电荷间相互作用的规律，因此课堂中学生答到同种电荷相互排斥便给予充分肯定。
同样玻尔模型的提出教材中仅仅用了简单的几句话就带过，而作为初中学生其实也是能够理解经典电磁学理论认为电子绕核运动会辐射电磁波带来的结果是电子半径不断减小，最后撞上原子核。而如果这样的情况发生就说明原子是不稳定的，事实上原子又是稳定的，于是玻尔对原子光谱的进一步分析便得出玻尔模型。虽然教材简短，我们仍可以进行适当扩展，使学生能够更加清晰的明白科学进步的历程，明白科学的进步是不断的推翻或者修正前人取得成果的基础上进行。
五、竭力深思不足，追求细节展望未来
课堂实际教学中学生的表现会与预设的有一定差别，比如学生在模拟α粒子散射实验时利用伸缩球模拟的原子的结构，许多学生只想到做一组伸缩球展开的实验，而合上大多数学生都没有做伸缩球合起来时模拟实心的结构。再比如录课过程中个别有几个关键的问题的问法要引发学生主动参与思考和修正模型的时候学生的思考时间较短，没能保证学生的思考时间充分等。因此在细节的把握及今后的教学方向必须做到要重视，力求在细节上有所百变。在知识教学的过程中问题的设置具备了一定的梯度，但是追问及学生之间相互补充解决问题在本节课上落实稍微有点欠缺，可能学生第一次面对摄像机镜头有所紧张，导致气氛开始不能很活跃，但是随着活动的开展和教学的推进学生逐渐融入课堂，是本节课的教学目标能够很好的达成。
课虽然结束了，但是对于本节课的思考还在继续，比如：如何更好的使融入科学史的教学能够真正培养学生的科学精神、如何利用问题引导培养学生的批判性思维、如何利用模拟实验更加直观的显示微观实验的现象等都是接下来需要进一步思考和改进的。因此一堂课不能仅仅局限于眼前，更要注重未来。学生的思维发展是可持续的，我们的目标要培养会思考、会创造的学生，所以课要更多的还给学生。
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