跨学科实践活动2 制作模型并展示科学家探索物质组成与结构的历程（教学设计） 化学新教材人教版九年级上册

跨学科实验活动2 制作模型并展示科学家探索物质组成与结构的历程 年级 初三 学科 化学 课型 新授课 教材 人教版 第三单元 跨学科实验活动2 教学目标 1.能准确说出物质是由分子、原子、离子等微观粒子构成，能正确判断常见物质的构成微粒，明确物理、化学学科研究微观粒子的思路差异与联系。 2.了解原子结构模型的发展历程，知晓不同学科结构模型的特点，能梳理元素、分子、原子（含原子核、核外电子）、离子与物质的层级关系。 3.能从宏观元素、微观粒子两个角度规范描述物质的组成与构成，了解原子-分子学说的发展过程。 4.宏观辨识与微观探析：建立“宏观物质组成-微观粒子构成”的关联思维，能从宏微两个视角分析常见物质的组成与构成。 5.证据推理与模型认知：认识科学模型在物质结构研究中的价值，能通过花香、扩散等宏观现象推理微观粒子的性质，能动手制作原子结构、水分子的简易模型。 6.科学探究与跨学科实践：通过对比不同学科的微观研究案例，体会跨学科探究的思路差异与共通点，提升综合分析能力。 7.科学态度与社会责任：通过了解科学家探索物质结构的历程，认识科学发展是不断修正、完善的过程，体会实验技术进步对科学研究的推动作用。 教学重点 1.常见物质组成与构成的规范描述，宏微结合的认知思路； 2.科学模型在物质结构研究中的作用； 3.以水为例的物质组成与结构的认识逻辑。 教学难点 1.不同学科研究微观粒子的思路差异辨析； 2.元素、分子、原子、离子与物质的层级关系梳理。 教材分析 本节内容选自人教版九年级上册第三单元《物质构成的奥秘》配套跨学科实践活动2，是单元核心知识的整合提升板块，承担着将零散的微观概念、元素知识系统化，落实新课标跨学科实践要求的作用，在学生建立“宏观-微观-符号”三重表征思维的过程中具有关键的支撑价值。 教材围绕3个核心任务搭建内容框架：一是结合物理学科的分子热运动实验、化学的品红扩散等实验，对比理化探究微观粒子的思路差异，梳理原子、分子、离子等构成物质的粒子类型，同步引入前沿微观探测技术拓展学生视野；二是串联化学分子模型、物理原子结构模型、生物结构模型的不同特点，结合原子结构认识史，明确模型法在科学探究中的作用；三是以水的组成研究科学史为线索，梳理从元素、分子、原子层级认识物质组成与结构的通用思路，配套模型制作、成果交流等实践活动，兼顾知识巩固、方法落实和素养发展。 学情分析 教学对象为九年级学生，已经完成第三单元分子、原子、离子、元素等基础知识点的学习，初步掌握了常见物质的组成与构成表述，但仍存在宏观、微观概念混淆，不同类型物质的构成粒子判断不清的问题，对认识物质的通用思路尚未形成体系。 知识储备上，学生已在物理学科学习过扩散现象、分子热运动相关内容，在生物学科接触过细胞结构等生物模型，具备跨学科知识基础，但对不同学科研究微观结构的思路差异、科学模型的建构逻辑缺乏清晰认知。思维发展上，九年级学生正处于经验思维向抽象思维过渡的阶段，对科学史、前沿微观探测技术、动手制作类活动兴趣较高，但对抽象的微观层级关系理解存在难度，需要借助具象案例、实践操作降低认知门槛。本节跨学科实践内容刚好契合学生的现有基础与认知特点，能够帮助学生整合多学科知识，构建完整的物质构成认知体系。 教学过程 教学内容 设计意图 课堂导入 【演示互动】老师课前准备一瓶冰镇气泡水，上课当场拧开瓶盖，引导学生观察冒出的大量气泡、听开盖的“呲”声，提问：“同学们，夏天大家都爱喝这种清爽的气泡水，有没有同学知道拧开瓶盖冒出来的气泡是什么物质呀？没错，就是二氧化碳。那大家回忆一下之前第三单元学过的知识，能不能从宏观和微观两个角度，说一说二氧化碳是由什么组成、什么构成的？” 待学生发言后，老师对应课件内容肯定学生的回答，再进一步提问引导：“咱们现在能很轻松说出这些结论，是站在了科学家的肩膀上。但几百年前的研究者既没有电子显微镜能直接看到微观的分子、原子，也没有先进的元素检测设备，他们是怎么把咱们能看得见、摸得到的宏观物质，和肉眼根本看不到的微观粒子联系起来的？而且不光是化学，咱们物理课学过的分子热运动、生物课学过的细胞分子结构，不同学科研究微观世界的思路有什么区别和联系？咱们今天能不能自己动手做模型，还原科学家探索物质结构的过程？今天这节跨学科实践活动课，我们就一起解锁这些问题。” 1.激发学生参与兴趣：用学生日常生活中非常熟悉的气泡水做引入，现场演示开盖冒气泡的直观现象，拉近抽象的物质构成知识和生活的距离，瞬间吸引学生注意力，调动学生的表达欲和好奇心，主动参与到课堂讨论中。 2.衔接旧知铺垫新课：通过提问二氧化碳的宏观组成、微观构成，先复习第三单元已学的核心知识点，符合课件预设的复习回顾要求；再抛出“科学家如何搭建宏观-微观桥梁”的问题，自然引出本节课三个核心学习任务：探究构成物质的微观粒子、认识模型的作用、以水为例梳理物质组成结构的认识思路，让学生清晰明确学习方向。 3.凸显跨学科实践属性：提前点明本节课会融合物理、生物的相关知识，还有动手制作微观粒子模型的实践环节，贴合跨学科实践活动的定位，激发学生的动手探究欲望，提前对接课标要求的素养目标。 环节一 探究构成物质的微观粒子 任务一 哪些证据可以证明物质由微观粒子构成？ 【情景引入】我们已经知道分子、原子、离子是构成物质的三类微观粒子，这些粒子直径只有纳米甚至皮米级，肉眼无法直接观测，我们可以通过哪些现象或证据证明它们真实存在？ 【教师提问】结合生活经验和已学实验，列举能证明微观粒子存在的实例？ 【学生思考】小组讨论后分享：闻到花香、湿衣服变干、蔗糖溶解在水中后消失、品红在水中扩散等。 【讲解】大家列举的都是宏观的扩散现象，这些现象本质上都是微观粒子不断运动的宏观体现。随着科学技术的发展，现在科学家已经可以通过扫描隧道显微镜直接观测到原子、分子的排布，还有课件中提到的探测精度达10皮米的“皮米尺”、散裂中子源等先进仪器，都为微观粒子的存在提供了直接证据 任务二 不同学科对微观粒子运动的研究有什么异同？ 【引入】扩散现象在物理、化学课中都有对应的探究实验，两个学科对微观粒子运动的研究视角既有区别也有联系。 【教师提问】回忆物理课的气体/液体扩散实验、化学课的品红扩散和浓氨水使酚酞变红实验，思考两个学科的研究思路有什么区别？又有什么共性？ 【学生思考】分组讨论后派代表回答：物理课重点讲分子热运动和温度的关系，化学课重点用分子运动解释物质的变化；两个学科都是通过看得见的实验现象推测看不见的微观粒子的性质。 【讲解】大家总结得非常准确： 1.区别：物理学科更关注微观粒子的运动规律和相互作用，通过物体的形态、颜色、位置变化作为验证线索；化学学科更关注微观粒子的组成、结构和性质，通过物质种类的改变作为探究线索。 联系：两个学科都采用实验探究法，都是通过可直接感知的宏观现象，推测无法直接感知的微观本质，逻辑思路是一致的。 知识总结 1.构成物质的微观粒子有分子、原子、离子三类； 2.微观粒子总在不断做无规则运动； 3.物理和化学对微观粒子的研究线索不同，但都遵循“宏观现象推理微观本质”的核心逻辑，科学技术的进步是微观研究的重要支撑。 【对应训练1】下列关于物质的组成与构成的说法正确的是 A．水是由氢原子和氧原子构成的 B．汞是由汞分子构成的 C．氯化钠是由氯化钠分子构成的 D．二氧化碳是由碳、氧两种元素组成的 【答案】D 【详解】A、水是由水分子构成的，故说法错误； B、汞是由汞原子构成的，故说法错误； C、氯化钠是含有金属元素和非金属元素的化合物，氯化钠是由钠离子和氯离子构成的，故说法错误； D、物质由元素组成，二氧化碳是由碳、氧两种元素组成的，故说法正确。 故选D。 【对应训练2】下列物质的构成微粒与C60的构成微粒类型相同的一组是 A． 氮气、氖气 B．干冰、甲烷 C．铁、氯化钠 D．硫酸铜、金刚石 【答案】B 【分析】C60是由C60分子构成的。 【详解】A、氮气属于气态非金属单质，是由氮分子构成的；氖气属于稀有气体，是由氖原子直接构成的，故选项错误； B、干冰是固态二氧化碳，二氧化碳是由非金属元素组成的化合物，是由二氧化碳分子构成的；甲烷是由非金属元素组成的化合物，是由甲烷分子构成的，故选项正确； C、铁属于金属单质，是由铁原子直接构成的；氯化钠是含有金属元素和非金属元素的化合物，是由钠离子和氯离子构成的，故选项错误； D、硫酸铜是含有金属元素和非金属元素的化合物，是由铜离子和硫酸根离子构成的；金刚石属于固态非金属单质，是由碳原子直接构成的，故选项错误； 故选：B。 环节二 认识模型在探索物质组成与结构中的作用 任务一 不同学科的结构模型有什么学科特点？ 【情景引入】由于微观粒子无法直接观测，科学家常用模型来表示微观结构，模型法是科学研究的重要方法，物理、化学、生物学科都有大量结构模型，不同学科的模型有不同的设计侧重点。 【教师提问】回忆化学的分子结构模型、物理的原子结构模型、生物的细胞/DNA结构模型，思考这些模型分别体现了什么学科特点？ 【学生思考】讨论后回答：化学的分子模型能看出原子的连接方式，和物质的化学性质有关；物理的原子模型重点展示原子核和电子的分布规律；生物的模型和生命活动的功能对应。 【讲解】梳理各学科模型的特点： 1.化学学科的分子模型：主要将抽象的物质性质、功能和具象的结构特征相关联，体现“结构决定性质”的化学核心思想； 2.物理学科的原子结构模型：重点关注微观粒子的特性，比如原子核与电子的电荷、质量分布和运动规律； 生物学科的结构模型：围绕生命现象和生命活动构建，分层次展示生物结构和功能的对应关系。 任务二 原子结构模型的发展历程给我们什么启示？ 【情景引入】人类对原子结构的认识不是一蹴而就的，经历了多次模型的推翻和修正，每一次更新都离不开实验证据的支撑。 【教师提问】请大家梳理原子结构模型的发展历程，思考每一次模型更新的依据是什么？我们能从这个历程中得到什么启示？ 【学生思考】回答：道尔顿最早提出“实心球”原子模型，认为原子不可再分；汤姆森发现电子后提出“葡萄干面包”模型；卢瑟福通过αα粒子轰击金箔实验提出核式结构模型；之后玻尔提出分层模型，现在我们普遍认可的是电子云模型。科学理论是不断完善的，实验是检验理论的标准。 【讲解】大家梳理的非常准确，科学模型的建立是一个不断完善、不断修正的过程，人类借助实验技术的进步，对原子的认识会越来越接近本质。大家课后可以用橡皮泥、绿豆、小米等材料制作原子结构模型，加深对原子结构的理解。 知识总结 1.模型法是科学研究的重要方法，不同学科的结构模型分别服务于本学科的研究目标； 2.原子结构模型的发展是一个不断基于实验证据修正、完善的过程，人类对微观世界的认知是逐步深入的。 【对应训练1】人类不同阶段认识原子的模型示意图如图。结合所学知识判断下列说法不正确的是 A．汤姆森发现了电子，推翻了道尔顿原子不可再分的认识 B．科学模型的建立是一个不断完善、不断修正的过程 C．“α粒子轰击金箔”实验中极少数α粒子发生反弹，说明原子的质量很小 D．人类借助模型的建立，对原子的认识逐渐接近本质 【答案】C 【详解】A、汤姆森发现原子中存在电子，说明原子可分，推翻了道尔顿原子不可再分的认识，该选项说法正确； B、从道尔顿的实心小球，到卢瑟福的行星模型，再到电子云模型，说明科学模型的建立是一个不断完善、不断修正的过程，该选项说法正确； C、“ɑ粒子轰击金箔”实验中极少数ɑ粒子发生反弹，说明原子核的体积很小，质量很大，而不是原子的质量很小，该选项说法不正确； D、人类借助模型的建立，可以形象的看到原子的结构，对原子的认识逐渐接近本质，该选项说法正确。 故选C。 【对应训练2】人类不同阶段认识原子的模型示意图如下，其中卢瑟福的“a粒子轰击金箔”实验对认识原子起到了关键作用。结合你所学的知识判断，下列有关说法中，不正确的是 A．汤姆孙发现了电子，推翻了道尔顿原子不可再分的认识 B．“a粒子轰击金箔”实验证实相对于整个原子而言，原子核的质量和体积都很小 C．“a粒子轰击金箔”实验证实原子内的正电荷集中在居于原子中心的原子核上 D．电子云模型形象说明电子在原子核外作无规则的高速运动 【答案】B 【详解】A、汤姆森通过实验发现了电子，提出“葡萄干布丁”模型，推翻了道尔顿原子不可再分的认识，故选项正确； B、“a粒子轰击金箔”实验中有极少数a粒子被反弹了回来，证实了原子内的正电荷集中在居于原子中心的原子核上，相对于整个原子而言，原子核的质量大，但体积小，故选项错误； C、“a粒子轰击金箔”实验中有极少数a粒子被反弹了回来，证实了原子内的正电荷集中在居于原子中心的原子核上，故选项正确； D、现代科学家们在实验中发现电子在原子核周围像“云雾”一样，并没有固定的运动轨迹，即电子云模型形象说明电子在原子核外作无规则的高速运动，故选项正确； 故选：B。 环节三 以水为例梳理物质组成与结构的认识思路 任务一 科学家对水的组成的认识经历了什么历程？ 【引入】水是我们生活中最常见的物质，人类对水的组成的认知经历了近百年的争论，道尔顿、盖·吕萨克、阿伏加德罗三位科学家都对这个问题提出了自己的观点。 【教师提问】三位科学家对氢气和氧气反应生成水的微观过程分别有什么观点？你更支持哪位的说法？为什么？ 【学生思考】阅读材料后讨论回答：道尔顿认为水是“复杂原子”，由氢原子和氧原子直接结合而成；盖·吕萨克通过实验发现2体积氢气和1体积氧气反应生成2体积水蒸气，和道尔顿的观点矛盾；阿伏加德罗提出分子学说，认为氢气、氧气都是双原子分子，2个氢分子和1个氧分子反应生成2个水分子，刚好符合体积比，所以阿伏加德罗的观点是正确的。 【讲解】大家的判断非常准确，阿伏加德罗的分子学说解决了道尔顿和盖·吕萨克的理论矛盾，到19世纪60年代分子学说被广泛接受后，水的化学式才被统一确定为 。大家可以课后用纸板、橡皮泥等材料制作水分子模型，或者水电解的微观过程模型，直观感受反应的微观本质。 任务二 如何规范描述物质的组成与构成？ 【引入】通过对水的组成的认识，我们可以总结出描述物质组成和构成的通用思路，避免出现表述错误。 【教师提问】以水为例，分别从宏观、微观两个角度规范描述它的组成和构成？ 【学生思考】回答：宏观上，水由氢元素和氧元素组成；微观上，水由水分子构成，每个水分子由2个氢原子和1个氧原子构成。 【讲解】总结通用表述规范： 1.宏观层面：描述物质的元素组成，用“XX由XX元素组成”表述； 2.微观层面：描述物质的构成微粒，用“XX由XX分子/原子/离子构成”，描述分子构成时用“每个XX分子由XX个XX原子和XX个XX原子构成”；注意宏观和微观表述不能混淆，不能出现“水由氢分子和氧原子组成”这类错误表述。 知识总结 1.描述物质的组成与结构要从宏观元素、微观粒子两个维度展开，注意表述规范； 2.科学理论的发展需要实验证据的支撑，在质疑、验证、修正的过程中逐步完善。 【对应训练1】下列比例模型中，代表水分子的 （  ） A．    B．   C．   D．   【答案】B 【详解】有水分子的化学式H2O可知，一个水分子中含有3个原子，所以水分子模型为  ； 故选B。 【对应训练2】我国北京大学科研组首次在世界上拍摄水分子内部结构如图。如图2是水分子分解示意图。某同学从水分子分解示意图获得的一些信息，其中有错误的是（     ） A．水分子中含有氢分子和氧分子 B．每个水分子中由2个氢原子和1个氧原子构成 C．水分子在化学变化中可以再分，而氢、氧原子不能再分 D．水是由氢元素和氧元素组成的 【答案】A 【分析】由水分子分解示意图可知，水分解生成氢气和氧气。 【详解】A、由水分子的构成可知，每个水分子中由2个氢原子和1个氧原子构成，不含氢分子和氧分子，故A不正确； B、每个水分子中由2个氢原子和1个氧原子构成，故B正确； C、由微粒的变化可知，水分子在化学变化中可以再分，而氢、氧原子不能再分，故C正确； D、水是由氢元素和氧元素组成的化合物，故D正确。故选A。 1.联系生活实际，建立“宏观现象→微观本质”的推理逻辑，培养宏观辨识与微观探析的化学核心素养。 2.落实跨学科实践要求，引导学生体会不同学科的研究视角差异，培养对比归纳的思维能力。 3.跨学科对比模型的应用场景，深化对模型法的理解，培养证据推理与模型认知的核心素养。 4.通过科学史梳理，培养学生的科学探究与创新意识，体会科学发展的曲折性和严谨性。 5. 通过科学史探究，培养学生的批判性思维，体会科学理论在争论和验证中发展的规律。 6. 梳理认知思路，强化“宏-微-符”三重表征的化学思维，规范化学用语表述。 课堂小结 本节课我们循着道尔顿、汤姆孙、卢瑟福、玻尔等科学家的足迹，走完了人类探索物质微观结构的百年历程，大家通过梳理史料、动手建模，直观理解了每一次原子模型更新背后的实验证据，打破了“微观粒子看不见摸不着”的认知壁垒，也真切体会到科学探索从来不是一蹴而就的，而是在不断质疑、验证、修正中逐步接近真相的过程。后续我们可以带着今天建立的模型认知，继续深入学习物质构成的相关知识点。 七、板书设计 第三单元 物质构成的奥秘 跨学科实践活动2 1、 探究构成物质的微观粒子 1. 构成微粒：分子、原子、离子 2. 跨学科探究特点 区别：物理侧重微观粒子运动规律；化学侧重粒子组成、结构与性质 共性：以实验为基础，通过宏观现象推理微观本质 2、 认识模型在物质结构探究中的作用 1. 不同学科模型特点：化学（分子模型）、物理（原子结构模型）、生物（生命结构模型） 2. 原子结构探究历程：道尔顿原子论→汤姆森葡萄干面包模型→卢瑟福原子核式模型→电子云模型 3、 以水为例梳理认识思路 1. 水的组成探究史：道尔顿原子学说→盖·吕萨克气体化合体积定律→阿伏加德罗分子学说 2. 水的组成与构成： 宏观：由氢、氧两种元素组成 微观：由水分子构成，1个水分子由2个氢原子和1个氧原子构成 随堂练习 1．某兴趣小组进行以“制作模型并展示科学家探索物质组成与结构的历程”为主题的跨学科实践活动。 【任务一】探究构成物质的微观粒子 （1）我国通过先进的科学仪器移走硅原子形成的文字如图-1所示。你从中获得的信息有________(填字母)。 a.原子可以直接构成物质 b.原子的体积很小 c.固体中原子静止不动 d.原子核由质子和中子构成 （2）图-2是某反应的示意图。 ①写出该反应的化学方程式________。 ②该反应中发生变化的粒子是________(填具体的粒子名称，下同)，没有发生变化的粒子是____。 【任务二】分析史料，构建原子模型 材料1：公元前5世纪，有哲学家猜想：万物是由极其微小的、不可分割的“原子”构成。 材料2：1808年，道尔顿在《化学哲学的新体系》一书中论述了原子论的观点：物质是由看不见的原子构成的，原子是不可分割的。 材料3：19世纪末，汤姆孙通过一系列实验发现了电子，否定了“原子不可再分”的观点。他认为正电荷均匀分布在整个原子内，带负电荷的电子镶嵌其中。 材料4：1909年，卢瑟福进行了α粒子散射实验，提出了原子的“核式结构模型”。 （3）哲学家猜想：万物是由极其微小的、不可分割的“原子”构成。这属于__________(填字母)。 a.观察现象      b.提出问题      c.建立假说      d.实验验证 （4）图-3分别是道尔顿、汤姆孙和卢瑟福提出的原子结构模型，请根据材料确定模型建立的先后顺序_______(填字母)。 【答案】（1）ab （2） 氢分子、氯分子 氢原子、氯原子 （3）c （4）CBA 【解析】（1）a、通过先进的科学仪器移走硅原子形成文字，这表明原子可以直接构成物质，故该选项符合题意； b、从图中能看到硅原子的尺寸非常小，由此可知原子的体积很小，故该选项符合题意； c、原子始终处于不断运动的状态，并非静止不动，故该选项不符合题意； d、该实验仅仅是移走硅原子，无法得出原子核由质子和中子构成的结论，故该选项不符合题意。 故选ab。 （2）①由图可知，该反应是氢气和氯气在点燃条件下反应生成氯化氢，该反应的化学方程式为H2+Cl22HCl。 ②在化学变化中，分子可再分，原子不可再分。所以该反应中发生变化的粒子是氢分子和氯分子，没有发生变化的粒子是氢原子和氯原子。 （3）哲学家猜想：万物是由极其微小的、不可分割的“原子”构成，这属于建立假说，故选c。 （4）道尔顿提出原子是一个实心球体；汤姆孙发现电子后，认为正电荷均匀分布在整个原子内，带负电荷的电子镶嵌其中；卢瑟福通过α粒子散射实验，提出了原子的“核式结构模型”。所以模型建立的先后顺序是道尔顿模型、汤姆孙模型、卢瑟福模型，即CBA。 教学反思 本次跨学科实践活动融合了化学、物理、生物的相关知识点，通过科学史梳理、模型制作、典例分析等环节，有效帮助学生建立了宏观物质与微观粒子的关联，落实了“宏观辨识与微观探析”的化学核心素养，学生的跨学科思维和动手实践能力得到了锻炼。但活动中也存在不足：部分基础薄弱的学生对不同类物质的构成微粒区分仍有混淆，模型制作环节的分层引导不够充分。后续可增设前置知识巩固小任务，优化实践活动的分层设计，兼顾不同学情学生的学习需求，进一步提升活动效果。 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $