1.2 物质结构研究的范式与方法（教学设计）化学苏教版选择性必修2

该高中化学教学设计聚焦物质结构研究的归纳与演绎范式及科学假说、实验、模型建构等方法。通过播放“研究范式”视频和讲述道尔顿等科学家探索原子结构的化学史故事导入，衔接学生已有物质结构基础，为后续深入学习结构与性质关系搭建支架。 特色在于融合化学史与探究活动，如用道尔顿原子论等故事渗透科学态度与责任，通过有机物通式归纳、元素周期表推测元素位置训练科学思维，借助原子结构模型演变和卢瑟福实验强化科学探究与实践。助力学生建立科学研究思维，为教师提供生动案例与清晰教学环节设计。

第二单元 物质结构研究的范式与方法 一、知识目标 1.认识物质结构研究的归纳范式和演绎范式，理解二者的相互关系。 2.举例说明物质结构的研究方法（科学假说与论证、实验、模型建构等）在物质结构研究中所起的重要作用。 3.描述现代仪器和手段为测定物质结构、建立相关理论作出的重要贡献。 二、核心素养目标 1.宏观辨识与微观探析：从宏观现象出发，探究物质的微观结构，初步学会从宏观和微观相结合的角度解决化学问题。 2.证据推理与模型认知：通过对物质结构研究范式和方法的学习，建立证据意识，能基于证据对物质结构提出假设，通过分析推理加以证实或证伪；能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律。 3.科学探究与创新意识：了解科学家在物质结构探索中的研究过程和方法，体会科学探究的艰辛与乐趣，培养创新意识和实践能力。 一、教学重点 1.物质结构研究的归纳范式和演绎范式及其相互关系 2.物质结构研究的方法（科学假说与论证、实验、模型建构） 二、教学难点 1.归纳范式和演绎范式在物质结构研究中的综合应用 2.理解模型方法在沟通科学现象与其本质认识过程中的桥梁作用 本节教学内容源于苏教版选择性必修2《物质结构与性质》专题1第二单元《物质结构研究的范式与方法》。本单元内容在整个教材体系中起着承上启下的重要作用，它是在学生对物质结构有了一定基础认识的前提下，进一步深入探讨研究物质结构的范式与方法，有助于学生建立科学的研究思维和方法体系，为后续深入学习物质结构与性质的关系奠定坚实基础。按照教材编排，本单元围绕物质结构研究的范式和方法展开。其中，物质结构研究的范式包括归纳范式和演绎范式，通过具体的化学实例，如有机物通式、元素核外电子排布规律等，引导学生理解这两种范式的内涵和应用；物质结构研究的方法则涵盖了科学假说与论证、实验方法和模型方法，结合原子结构的探索历程，让学生体会这些方法在揭示物质微观结构奥秘中的重要作用。教材通过丰富的实例和生动的阐述，旨在培养学生从宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知等角度解决化学问题的能力。 教学对象是高中学生，他们在之前的化学学习中已经积累了一定的化学知识和实验经验，对物质的结构和性质有了初步的认识。然而，对于物质结构研究的范式和方法，学生可能还停留在较为模糊的阶段，缺乏系统的理解和运用。在思维能力方面，高中学生正处于从形象思维向抽象思维过渡的关键时期，他们具备了一定的逻辑推理和分析问题的能力，但在处理复杂的化学问题时，仍需要教师的引导和启发。在学习习惯上，部分学生可能习惯于被动接受知识，缺乏主动探究和思考的意识。因此，在教学过程中，教师应充分考虑学生的实际情况，结合具体的化学实例，引导学生积极参与课堂讨论和探究活动，让学生在实践中体会物质结构研究的范式和方法的重要性。同时，教师要注重培养学生的科学思维和创新能力，鼓励学生大胆提出假设，通过实验和推理进行验证，逐步提高学生解决化学问题的能力。此外，还可以利用多媒体等教学手段，将抽象的化学知识形象化，帮助学生更好地理解和掌握教学内容。 教学环节一 新课导入 【播放视频】同学们，上课之前老师先给大家播放一段视频。（播放一段关于解释与应用“研究范式”的视频，展示化学知识与生活、和其他学科的关联）（播放视频后，给学生一些时间讨论） 任务1：请大家思考一下，那么物质结构的研究范式又包含哪些呢？ 【讲述化学史故事】其实，在化学发展的历史长河中，有许多伟大的科学家为了探索物质结构付出了艰辛的努力。就像道尔顿，在1803年他提出原子为不可分割的实心小球，奠定了科学原子论基础；后来汤姆生在1897年发现电子后提出“葡萄干蛋糕模型”，揭示了原子存在亚原子结构；再到卢瑟福在1911年通过α粒子散射实验建立原子核式模型。他们一步步地让我们对原子结构有了更深入的认识。那么他们在研究过程中运用了哪些方法和思路呢？这就是我们今天要学习的内容——物质结构研究的范式与方法。 【设计意图】 1.激发学生兴趣：通过播放趣味讲解视频，能迅速抓住学生的眼球，激发他们对微观世界的好奇心和探索欲望，使学生以积极的状态投入到课堂学习中。 2.联系化学史：讲述化学史上科学家探索原子结构的故事，让学生了解科学知识的发展是一个不断演进的过程，感受科学家们勇于探索、追求真理的精神，同时也让抽象的物质结构研究变得具体可感，增加了学习的趣味性。 3.引发思考，导入新课：从视频和化学史故事中提出关于物质结构研究方法的问题，自然地引出本节课的主题，让学生明确学习目标，带着问题去学习物质结构研究的范式与方法，提高学习的主动性和针对性。 教学环节二 物质结构研究的范式 学习任务1 归纳范式 【引入】同学们，在化学的世界里，我们常常需要探寻物质结构的奥秘。那大家有没有想过，科学家是如何总结出有机物的特点和规律的呢？下面我们通过一段动画来看看有机物有哪些特点。 【问题】根据动画内容，总结有机物的元素组成以及饱和烷烃的通式。 【学生思考】 1.回答有机物都含有碳元素。 2.观察并总结出饱和烷烃的通式为CnH2n+2 【教师讲解】评价、强调：非常好，我们通过对这些具体的饱和烷烃的分析，归纳出了它们的通式，这就是归纳范式的一种体现。归纳范式就是根据事实进行概括归纳，抽象出共同点，上升为本质规律，从个别到一般的过程。 【问题】思考在我们学习化学的过程中，还有哪些知识是通过归纳法得到的？ 【学生回答】可能提到元素核外电子排布规律，如元素原子最外层电子排布的周期性，同一周期最外层电子数呈现的递变规律，同一主族最外层电子数相同等。 【教师总结】评价、强调：大家说得很对，归纳法在化学学习中非常重要。像有机物通式，除了饱和烷烃的通式，单烯烃的通式，单炔烃的通式等都是通过归纳法得到的。还有有机物的通性，通过大量实验发现含有不饱和键的物质容易发生加成反应和氧化反应，分析出不饱和键具有不稳定的性质，以及元素核外电子的排布规律，这也是归纳法的应用。 【设计意图】 通过动画展示和问题引导，让学生直观地感受归纳范式在化学研究中的应用，培养学生的归纳总结能力。通过思考和回答问题，加深学生对归纳范式的理解和认识。 学习任务2 演绎范式 【引入】我们已经了解了归纳范式，那如果我们已经有了一个一般的结论，能不能用它来推测一些具体的情况呢？下面我们来看一个任务：结合元素周期表编排原则及规律推测第85号元素的位置和性质。 【问题】请同学们思考，如何运用已有的元素周期表知识来推测第85号元素的位置和性质？ 【学生思考】 1.回忆元素周期表的编排规律，如周期和族的划分依据。 2.尝试根据原子序数确定第85号元素在周期表中的位置。 3.推测该元素可能具有的性质，如金属性或非金属性等。 【教师讲解】评价、强调：大家的思路是正确的。演绎范式就是从某一个一般结论出发，向从属于这一结论的多个要素进行推理的过程，是从一般到个别的过程。就像我们根据元素周期表的一般规律来推测具体元素的位置和性质。 【问题】思考在我们学习化学的过程中，还有哪些知识是通过演绎法得到的？ 【学生回答】可能提到利用元素理论发现新元素，如在元素理论的指导下，人们于年发现了“类铝”（镓），年发现了“类硼”（铊），年发现了“类硅”（锗）；还可能提到根据钠原子的核外电子排布特点和性质，推测与钠同主族的元素钾、铷、铯应具有更强的还原性等。 【教师总结】评价、强调：演绎范式在化学研究中也非常重要。 它可以帮助我们预测物质的性质，发现新元素等。再比如相似相溶原理，水是极性较强的分子，水分子之间存在较强的氢键，水分子既可为生成氢键提供H，又有孤电子对接受H。因此，从分子的结构可以推知，凡能为生成氢键提供H和接受H的溶质分子，极性与水相似，如ROH、RCOOH等，均可通过氢键和水结合，在水中溶解度较大；碳氢化合物极性较小，也难以和水形成氢键，在水中溶解度很小，这就是运用演绎范式进行推理的结果。 【设计意图】 通过任务驱动，让学生运用演绎范式进行推理，培养学生的逻辑推理能力。通过思考和回答问题，加深学生对演绎范式的理解和应用。 学习任务3 归纳范式与演绎范式的关系 【引入】我们分别学习了归纳范式和演绎范式，那它们之间有什么关系呢？是不是独立使用的呢？ 【问题】请同学们阅读教材相关内容，思考归纳范式和演绎范式在实际研究中是如何相互作用的？ 【学生思考】 1.阅读教材，理解“实验——假说——理论——新实验”的本质就是从个别到一般，再到个别的过程。 2.思考归纳和演绎是如何相互联系、互为前提的。 【讲解】评价、强调：两者不是孤立使用的，在实际研究中常常融合在一起。一般先归纳后演绎，在演绎的指导下归纳，在归纳的基础上演绎。归纳需要演绎作指导，以解决归纳研究的目的性、方向性和结果的正确性问题；演绎需要归纳提供前提。 【设计意图】 通过问题引导和学生的阅读思考，让学生深入理解归纳范式和演绎范式的关系。 析·典型范例 【学生任务】判断下列说法是否正确： ①由元素周期表发现新的元素属于归纳范式。 ②由硅是半导体材料推断锡也是半导体材料。 ③归纳范式和演绎范式均为独立的研究方法，不能融合。 【学生回答】 ①错误，由元素周期表发现新元素是根据元素周期表的一般规律进行推测，属于演绎范式。 ②错误，硅在金属与非金属分界线上，而锡是典型的金属材料，不能简单地根据硅的性质推断锡的性质。 ③错误，研究物质结构需要各种范式结合。 教学环节三 物质结构研究的方法 学习任务1 科学假设和论证 【引入】在探索物质结构的过程中，科学家们常常会提出一些假设，然后通过实验来验证。下面我们来分享一下你知道的下列人物在原子结构探索中做出的贡献：道尔顿、汤姆生、卢瑟福、玻尔。 【问题】请同学们分别介绍一下道尔顿、汤姆生、卢瑟福、玻尔在原子结构探索中的贡献。 【学生回答】 1.道尔顿在年提出原子为不可分割的实心小球，奠定科学原子论基础。 2.汤姆生在年发现电子后提出“葡萄干蛋糕模型”，揭示原子存在亚原子结构。 3.卢瑟福在年通过粒子散射实验建立原子核式模型。 4.玻尔在年引入量子化轨道理论解释氢原子光谱；现代量子力学模型通过电子云概率分布描述电子运动状态。 【教师讲解】评价、强调：非常好，从这些科学家的研究过程中我们可以看到，科学假设和论证是物质结构研究的重要方法。科学假设和论证的研究过程一般是：观察、假设、实验、理论，如果实验不支持假设，还需要对假设进行修改，形成修正后的理论。 【问题】思考在物质结构的探索中，科学家们运用科学假设和论证方法起到了什么样的作用？ 【学生回答】可以帮助科学家从宏观现象推测微观结构，逐步揭示物质结构的奥秘等。 【教师总结】评价、强调：科学假设和论证为我们的研究提供了方向和思路，通过不断的假设和验证，我们对物质结构的认识越来越深入。 再比如1825年，英国科学家法拉第首先发现了苯，但如何确定其结构成为化学家的难题。 德国化学家凯库勒经过大量猜想假设，于1865年提出了苯的六元环结构。 经过后人的验证，最终形成了大家所熟悉的凯库勒式。 【设计意图】 通过分享科学家的贡献，让学生了解科学假设和论证方法在原子结构探索中的应用。问题引导和学生的回答可以培养学生的信息收集和表达能力。 学习任务2 实验方法 【引入】我们知道化学是一门以实验为基础的学科，在物质结构研究中，实验方法也起着至关重要的作用。下面我们来看看实验方法在原子结构探索中的应用。 【问题】请同学们思考，卢瑟福的粒子散射实验对研究物质结构有什么重要意义？ 【学生思考】 1.回忆粒子散射实验的过程和现象。 2.思考该实验如何启迪人们研究物质的内部结构。 【教师讲解】评价、强调：卢瑟福的粒子散射实验，启迪人们开始用轰击和对撞的实验来研究物质的内部结构，为我们提供了一种研究物质微观结构的思想方法。随着科技的发展，各种研究分子结构的仪器问世，如扫描隧道显微镜、原子力显微镜等，以及各种光谱和晶体射线衍射实验方法应用于研究原子、分子和晶体结构，使得原子和分子的微观世界不断被揭示。 【学生任务】举例说明现代仪器和手段在物质结构研究中的重要作用。 【学生回答】如通过光谱分析可以确定物质中元素的种类和含量；通过晶体射线衍射实验可以确定晶体的结构等。 【教师总结】评价、强调：实验方法为我们提供了研究物质结构的重要手段，现代仪器和手段的发展极大地推进了物质结构的研究。 【设计意图】 通过问题引导，让学生深入理解实验方法在物质结构研究中的重要意义。学生举例可以培养学生的知识迁移和应用能力。 学习任务3 模型方法 【引入】在研究物质结构时，我们常常需要借助模型来帮助我们理解抽象的微观世界。下面我们来学习模型方法。 【问题】请同学们阅读教材，回答模型方法的含义、方法和分类分别是什么？ 【学生阅读】教材内容，总结回答： 1.含义：科学家运用一定逻辑推理与模型思维对实验结果进行处理。 2.方法：模型既可以是对原型的简化和纯化、抽象和近似，也可以是结合某种理论形态下建立的思维模型。 3.分类：实物模型和微观结构模型。实物模型是可观察到的物体的宏观模型，有利于人们对事物作出整体认识，如汽车模型、飞机模型和建筑模型等；微观结构模型是物质的微观层次结构，难以直接观察到，需要通过思维加工使抽象的微观世界以可视化的形式展现出来。 【教师讲解】评价、强调：非常好，模型方法在物质结构研究中非常重要。比如原子结构模型的演变，从实心球模型、葡萄干面包模型、原子核式结构模型到轨道模型，这些模型的不断演变反映了我们对原子结构认识的不断深入。 【学生任务】思考模型方法在研究物质结构中有哪些作用？ 【学生回答】可以沟通科学现象与其本质的认识过程，起到重要的桥梁作用；可以利用模型深刻地认识物质的微观结构特点，揭示结构与性质的关系等。 【教师总结】评价、强调：模型方法为我们认识物质结构提供了直观的工具，帮助我们更好地理解和研究物质的微观世界。 【设计意图】 通过问题引导，让学生深入理解模型方法在物质结构研究中的重要意义。学生举例可以培养学生的知识迁移和应用能力。 析·典型范例 【学生任务】判断下列说法是否正确： ①理论都是正确的，不需要修改。 ②模型就是对物质真实形状的加工。 ③实验法只能通过化学实验才能实现。 【学生回答】 ①错误，当反常现象大量出现，而原有理论又不能很好地做出解释时，就需要对原有理论加以修改。 ②错误，微观结构模型是通过思维加工使抽象的微观世界以可视化的形式展现出来，不能说是对物质真实形状的加工。 ③错误，物理实验、通过仪器研究也是实验法。 物质结构研究的范式与方法 一、物质结构研究的范式 （一）归纳范式 1.过程：个别→一般 2.应用：有机物通式；有机物通性；元素核外电子排布规律 （二）演绎范式 1.过程：一般→个别 2.应用：发现新元素；预测物质性质；相似相溶原理 （三）两者关系 相互联系、互为前提，先归纳后演绎 二、物质结构研究的方法 （一）科学假设和论证 1.过程：观察→假设→实验→理论→修正 2.实例：苯结构的确定 （二）实验方法 1.旧方法：光学显微镜 2.新方法：扫描隧道显微镜等 （三）模型方法 1.分类：实物模型、微观结构模型 2.作用：沟通现象与本质；揭示结构与性质关系 1.在探索微观世界的过程中，科学家们常通过提出假说来把握物质的结构及特点，不断拓展认识的新领域。关于假说，下列表述中正确的是（ ） A．假说是对现实中已知事物或现象的一种简化处理 B．假说是根据已知的科学事实和原理对未知领域的事物或现象的本质提出的一种推测 C．假说是对一个问题的所有幻想和假定 D．假说最终都可以变成科学理论 【答案】B 【解析】A选项，假说是对未知事物或现象的一种推测，并非对已知事物或现象的简化处理，A错误；B选项，假说是依据已知的科学事实和原理，对未知领域的事物或现象本质提出的推测，B正确；C选项，假说不是毫无根据的幻想和假定，而是有一定科学依据的推测，C错误；D选项，假说需要经过大量实验验证等过程，不一定最终都能变成科学理论，D错误。 2．原子结构模型经历了五个主要阶段：1803年实心球模型→1904年“葡萄干面包” 模型→1911年原子核式结构模型→1913年轨道模型→20世纪初量子力学的原子结构模型。对轨道模型贡献最大的科学家是（ ） A．玻尔 B．汤姆生 C．卢瑟福 D．道尔顿 【答案】A 【解析】A选项，1913年玻尔引入量子化轨道理论解释氢原子光谱，对轨道模型贡献最大，A正确；B选项，汤姆生在1897年发现电子后提出“葡萄干蛋糕模型”，B错误；C选项，卢瑟福在1911年通过α粒子散射实验建立原子核式模型，C错误；D选项，道尔顿在1803年提出原子为不可分割的实心小球，奠定科学原子论基础，D错误。 3．化学中的模型有助于我们形成化学学科的思想和方法，其中，实物模型是依靠物质的基本形态所做的模仿。下列属于实物模型的是（ ） A．卢瑟福原子结构模型 B．CH₄分子的结构模型 C．氧化汞受热分解示意图 D．接触法制硫酸示意图 【答案】D 【解析】A选项，卢瑟福原子结构模型是微观结构模型，是对原子微观结构的一种抽象和近似，不是实物模型，A错误；B选项，CH₄分子的结构模型也是微观结构模型，用于展示分子的微观结构，B错误；C选项，氧化汞受热分解示意图是对化学反应过程的一种示意，不属于实物模型，C错误；D选项，接触法制硫酸示意图是基于实际的工业生产流程所做的示意，属于实物模型，D正确。 4.类推的思维方式在化学学习与研究中经常采用。以下类推的结论正确的是( ) A. Al与氢氧化钠溶液反应，故Mg也可以 B. 金刚石的硬度大，则C₆₀的硬度也大 C. CO₂与SiO₂化学式相似，则CO₂与SiO₂的物理性质也相似 D. Na常温下与水剧烈反应，故K常温下也能与水剧烈反应 【答案】D 【解析】A选项，Al具有两性能与氢氧化钠溶液反应，但Mg不具有两性，不能与氢氧化钠溶液反应，A错误；B选项，金刚石是原子晶体，硬度大，而C₆₀是分子晶体，硬度小，B错误；C选项，CO₂是分子晶体，SiO₂是原子晶体，二者物理性质差异很大，C错误；D选项，K和Na同主族，且K的金属性比Na强，Na常温下与水剧烈反应，所以K常温下也能与水剧烈反应，D正确。 5.某同学想利用所学的知识去探究SO₂的性质，设计了如下研究程序，合理的是( ) A. 观察→分类→实验→比较并得出结论，对于异常现象再预测，再实验，再验证 B. 分类→观察→实验→比较并得出结论 C. 观察→实验→分类→比较并得出结论 D. 实验→分类→观察→比较并得出结论 【答案】A 【解析】探究物质性质的合理程序通常是先通过观察得出物质的物理性质，然后根据物质的类别等预测其化学性质，接着进行实验来验证预测，观察实验现象，最后比较并得出结论，对于异常现象再进行预测，再次实验验证。A选项符合该合理程序，B、C、D选项顺序不合理。 在本次教学中，通过多种方式引导学生理解物质结构研究的范式与方法。课堂上学生对归纳范式和演绎范式的理解有一定的积极性，但在实际应用中，部分学生仍存在困难，尤其是判断一些具体事例属于哪种范式时容易出错。对于研究方法部分，学生对科学家的贡献和相关实验表现出浓厚兴趣，但对模型方法的理解不够深入，特别是微观结构模型的抽象性让部分学生感到困惑。 在今后的教学中，应增加更多具体案例的分析，强化学生对范式和方法的应用能力。同时，利用多媒体等手段，更加直观地展示微观结构模型，帮助学生突破理解障碍，提高教学效果。 / 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $