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--2026-2027学年九年级化学人教版上册

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 人教版九年级化学上册 第三单元 物质构成的奥秘 一、课标分析 本活动依据《义务教育化学课程标准（2022年版）》中“物质构成的奥秘”主题要求设计。课标强调引导学生在原子、分子层面认识物质的组成与结构，初步形成科学的物质观。跨学科实践活动要求学生综合运用化学、历史、物理、艺术等多学科知识，通过模型建构与科学史探究，体会人类对物质世界的认识是不断深化、螺旋上升的过程。活动突出“做中学”“创中学”，注重培养学生的实践能力与创新精神，落实核心素养导向的课程理念。 二、四维核心素养目标 化学观念：形成物质由微观粒子构成的基本观念，初步建立宏观与微观相联系的思维方式。科学思维：通过模型建构与科学史分析，发展逻辑推理与批判性思维，理解模型在科学认识中的作用。科学探究：经历提出问题、设计方案、制作模型、展示交流的完整探究过程，提升实践能力。科学态度与责任：体会科学家不懈探索的精神，认识科学本质，增强学习化学的兴趣与责任感。 三、教学重难点 教学重点：了解科学家探索物质组成与结构的主要历程，亲手制作并展示物质结构模型。教学难点：理解模型方法在科学研究中的重要作用，认识科学理论是在不断修正中发展完善的，体会科学认识的相对性与发展性。 四、设计思路 本活动以项目式学习为主要载体，围绕“科学家如何探索物质组成与结构”这一核心问题展开。活动设计遵循“史料研读—模型制作—展示交流—总结反思”的认知逻辑，将化学史教育、模型方法训练与跨学科实践有机融合。学生以小组为单位，通过阅读史料梳理科学发展脉络，动手制作可视化模型，并用展示讲解的方式呈现探究成果。整个过程充分体现学生主体地位，在“做中学”“研中学”“展中学”中发展核心素养，实现化学与历史、物理、美术、语文等学科的自然融合。 五、项目教学过程设计 （一）活动一：项目启动——提出问题，明确任务 教师从学生熟悉的宏观现象入手，引导学生思考：为什么我们能闻到远处的花香？为什么湿衣服晾晒后会变干？为什么物质会有三态变化？这些看似平常的现象背后，隐藏着关于物质构成的根本问题。教师由此引出核心驱动问题：物质到底是由什么构成的？人类是如何一步步揭开物质构成奥秘的？ 教师向学生介绍本次跨学科实践活动的整体任务：以小组为单位，一是梳理科学家探索物质组成与结构的发展历程，二是亲手制作能够反映物质结构特点的模型，三是以展示讲解的形式汇报探究成果。最终每个小组需要完成一份“科学家探索物质构成历程”的展示作品，包括结构模型和配套的讲解说明。 学生根据兴趣自由组建项目小组，每组四至六人。各小组进行内部分工，设置史料研究员、模型设计师、材料采购员、展示讲解员等角色，明确每个人的职责。各小组在教师指导下初步制定本组的活动计划，确定本组重点研究的科学家或重点制作的模型类型。教师为各小组提供活动记录单，引导学生在整个项目过程中及时记录自己的思考、发现和遇到的问题。 本环节的设计意图在于通过真实的生活情境激发学生的探究欲望，让学生在项目启动阶段就明确任务目标和成果要求。小组分工旨在培养学生的合作意识与责任意识，让每个学生都能在项目中找到适合自己的角色，充分参与到实践活动中来。 （二）活动二：史料研读——追寻科学家探索足迹 教师为各小组提供丰富的史料阅读材料，包括不同时期科学家关于物质构成的观点、相关实验的介绍以及科学史小故事。学生以小组为单位，按照历史发展的顺序，系统梳理人类探索物质组成与结构的历程。 首先，学生了解古代朴素的物质观。古希腊哲学家德谟克利特提出，万物是由极小的、不可再分的微粒构成的，他把这种微粒叫做“原子”。这是人类历史上最早的原子思想萌芽。同时，中国古代思想家也提出了关于物质构成的类似猜想。学生通过对比中西方古代的物质观，体会人类对微观世界的好奇与思考自古有之，但古代的猜想更多是基于哲学思辨，缺乏实验依据。 接着，学生学习近代化学之父道尔顿的贡献。道尔顿在前人研究的基础上，结合大量实验事实，提出了近代原子论。他认为物质是由原子构成的，原子是坚实的、不可再分的实心球体，同种原子的性质和质量都相同。道尔顿的原子论第一次将微观的原子与宏观的化学实验事实联系起来，标志着近代化学的开端。学生思考：道尔顿的观点与古代原子猜想最大的不同是什么？引导学生认识到，科学理论需要实验证据的支撑，这是科学与哲学思辨的本质区别。 随后，学生了解阿伏加德罗的分子学说。在道尔顿之后，科学家们发现了很多仅凭原子论无法解释的现象。阿伏加德罗提出，构成物质的微粒不仅仅有原子，还有分子。分子是由原子构成的，分子是保持物质化学性质的最小粒子。这一学说完善了人们对物质构成的认识，让人们明白：有的物质由原子直接构成，有的物质由分子构成，而分子又是由原子结合而成的。学生通过这一段历史，体会科学理论是在不断解决新问题的过程中发展完善的。 再往后，学生重点学习原子结构模型的演变历程。十九世纪末，汤姆孙发现了电子，这一发现震惊了科学界——原来原子并不是不可再分的实心球体！电子是带负电的，而原子整体是电中性的，说明原子内部一定还有带正电的部分。汤姆孙据此提出了新的原子结构模型，他认为原子就像一个均匀分布着正电荷的球体，带负电的电子像葡萄干镶嵌在面包里一样镶嵌在原子中。这一模型打破了原子不可再分的传统观念，开启了人类探索原子内部结构的新纪元。 之后，学生学习卢瑟福的核式结构模型。卢瑟福通过著名的α粒子散射实验发现，绝大多数粒子能够直接穿过原子，但有极少数粒子发生了大角度偏转，甚至被弹了回来。这个实验结果用汤姆孙的模型完全无法解释。卢瑟福经过深入思考，提出了新的核式结构模型：原子中心有一个很小的原子核，它带正电，几乎集中了原子的全部质量；电子在原子核外的空间里绕着原子核运动。学生通过对比两种模型的差异，理解科学实验对理论发展的推动作用，体会科学家基于实验事实大胆质疑、勇于创新的精神。 最后，学生了解现代原子结构模型的发展。在卢瑟福之后，玻尔又提出了电子分层排布的模型，进一步完善了人们对原子结构的认识。到了现代，科学家们认识到电子在原子核外的运动并没有固定的轨道，而是形成了电子云，电子在原子核外空间各处出现的概率不同。学生通过梳理这一完整的发展脉络，清晰地看到人类对原子结构的认识是一步步深入、不断修正的过程。 在史料研读的基础上，各小组共同绘制一张“科学家探索物质构成历程”的时间线草图，将不同时期的代表人物、核心观点、模型特点标注在时间线上。教师引导学生思考：从古代猜想→道尔顿实心球模型→汤姆孙枣糕模型→卢瑟福核式模型→现代电子云模型，这一发展过程说明了什么？学生通过讨论逐步认识到：科学认识不是一蹴而就的，而是在实验与理论的相互作用中不断发展的；任何科学理论都不是绝对真理，都会随着新的实验证据而不断修正完善；科学家们敢于质疑、勇于创新、实事求是的科学精神，是推动科学进步的重要动力。 （三）活动三：模型制作——将微观世界可视化 在充分了解科学史的基础上，各小组进入模型制作环节。首先，各小组根据自己的兴趣和特长，确定本组要制作的模型类型。有的小组选择制作原子结构模型，展示从实心球到核式结构再到电子云的演变；有的小组选择制作分子结构模型，展示不同分子的空间构成；还有的小组选择制作一个综合展示模型，将科学史发展脉络与典型结构模型结合起来。 确定模型主题后，各小组进行方案设计。小组讨论：我们的模型要体现哪些核心科学知识？用什么材料来制作？如何通过模型直观地展示微观结构的特点？模型的尺寸大概多大比较合适？讲解员如何配合模型进行讲解？每个小组都要画出设计草图，写出材料清单，预估制作过程中可能遇到的困难以及解决办法。 教师对各小组的设计方案进行审阅和指导，重点关注模型是否科学准确、材料是否安全易得、方案是否具有可操作性。教师提醒学生：模型不是对微观粒子的真实复刻，而是一种科学表达方式。好的模型既要在关键结构上科学准确，又要直观易懂，能够帮助观看者快速理解微观世界的特点。同时，模型还应该具有一定的美观性和创意性。 方案确定后，各小组利用准备好的材料开始动手制作。学生可以使用的材料非常丰富，比如不同颜色和大小的小球代表不同的粒子，用铁丝或连接杆表示粒子之间的结合关系，用纸板或泡沫板制作底座和展板，用彩笔书写标注和说明文字。在制作过程中，小组成员分工协作，有的负责裁剪材料，有的负责拼接组装，有的负责设计标注和装饰。 教师在巡视过程中及时给予指导和帮助。当学生遇到技术困难时，教师引导他们想办法解决，而不是直接代替学生操作。比如，有的小组发现小球之间连接不牢固，教师就提示他们可以试试不同的连接方式；有的小组觉得模型的层次感不够，教师就启发他们如何通过颜色和大小的对比来突出不同部分的特点。在整个制作过程中，教师特别关注每个学生的参与度，鼓励动手能力较弱的学生也积极参与到适合自己的工作中来，确保人人都有收获。 模型初步完成后，各小组进行自检和修改。小组内部先进行试展示，看看模型是否能够清晰地传达想要表达的科学知识，有没有科学性错误，标注是否清楚明了。根据试展示中发现的问题，各小组对模型进行进一步的调整和完善。有的小组补充了缺失的标注，有的小组调整了模型各部分的比例，还有的小组增加了一些互动设计，让观看者可以动手操作模型来理解结构特点。 在模型制作的整个过程中，学生不仅加深了对物质微观结构的理解，还锻炼了动手实践能力、空间想象能力和团队协作能力。他们将抽象的微观知识转化为看得见、摸得着的实物模型，这个“从抽象到具体”的过程，本身就是一次重要的科学思维训练。学生在制作中不断思考：这个结构为什么是这样的？这样设计能不能让人更容易理解？这种思考，正是模型方法的精髓所在。 （四）活动四：展示交流——讲述科学探索故事 各小组依次上台展示本组的模型和探究成果。每位讲解员围绕“科学家探索物质组成与结构的历程”这一主题，结合本组制作的模型进行生动讲解。讲解员需要讲清楚：人类对物质构成的认识经历了哪几个主要阶段？每个阶段的代表人物是谁？他们提出了什么样的观点或模型？这些观点是基于什么实验或事实提出的？后来为什么又被新的理论所修正或发展？ 有的小组按照时间顺序，从古代的朴素原子猜想讲起，一路讲到现代的电子云模型，用一组不同时期的原子模型展示科学认识的发展过程。他们的讲解员生动地讲述了科学家们的故事：道尔顿如何通过大量实验归纳出原子论，汤姆孙如何在研究阴极射线时意外发现了电子，卢瑟福如何从意料之外的实验结果中发现了原子核。一个个鲜活的科学故事，让抽象的科学史变得生动有趣。 有的小组重点展示分子模型，他们制作了多种不同物质的分子结构模型，通过对比不同分子的形状和大小，让观看者直观地感受到不同物质为什么有不同的性质。讲解员解释道：正是因为构成物质的分子在结构上各不相同，所以物质才会呈现出千差万别的性质。观看的同学通过观察模型，一下子就明白了“结构决定性质”的道理。 还有的小组设计了互动式展示，他们制作的模型可以拆卸和组装，邀请台下的同学上台动手操作，亲手把一个个原子组装成分子。在动手操作的过程中，台下的同学亲身感受到了分子是由原子构成的这一基本观念。这种互动式的展示方式，让观看者不再是被动的听众，而是主动的参与者，大大提升了展示的效果。 每个小组展示结束后，都留出时间进行互动问答。台下的同学可以提出自己的疑问，也可以分享自己的看法。比如，有同学问：既然模型都是在不断发展变化的，那我们现在学的这些模型以后会不会也被推翻？讲解员结合科学史的发展过程进行了回答：科学理论确实在不断发展，但这种发展不是简单的否定，而是在原有基础上的深化和完善。就像卢瑟福的核式模型并没有完全否定汤姆孙的模型，而是更加深入地揭示了原子的内部结构一样。好的提问和精彩的回答，让整个交流过程充满了思维的碰撞。 全部小组展示完毕后，进行互评环节。每个同学都拿到一张评价表，从科学性、创意性、展示效果、团队协作等几个维度对各个小组的作品进行评价。评价表上不仅有打分的栏目，还有写下优点和建议的地方。学生在评价别人作品的同时，也在反思自己小组的作品有哪些可以改进的地方。互评的过程，本身就是一次深度学习的过程。 教师在学生互评的基础上进行总结点评。教师肯定各小组的努力和创意，表扬那些模型科学准确、讲解生动清晰、团队配合默契的小组。同时，教师也指出一些普遍存在的问题，比如有的模型在比例上不够准确，有的讲解过于侧重于故事而忽略了科学本质的分析。教师特别强调：我们制作模型的最终目的，是为了更好地理解微观世界，因此模型的科学性始终是第一位的，创意和美观要建立在科学准确的基础之上。 （五）活动五：总结反思——感悟科学本质 展示交流结束后，教师引导全体同学进行总结和反思。教师抛出几个核心问题，组织学生进行全班讨论：通过这次活动，你对“科学家是如何探索物质构成的”有了哪些新的认识？你觉得模型在科学研究中起到了什么样的作用？从科学家们的探索历程中，你学到了哪些宝贵的精神品质？ 学生们纷纷分享自己的收获。有的同学说，以前总觉得科学知识就是书本上写的那些固定结论，这次活动才知道，原来这些知识是经过了那么多科学家几百年的探索、争论、修正才慢慢形成的。有的同学说，原来模型不是随便做的，好的模型能够把看不见的微观世界变得看得见，这对科学研究太重要了。还有的同学说，最让自己感动的是科学家们那种敢于质疑权威、不怕失败的精神，卢瑟福本来是想用实验来验证汤姆孙模型的，结果却发现了新的东西，这种实事求是的态度值得学习。 教师在学生发言的基础上进行提升和总结。教师指出，通过这次跨学科实践活动，我们不仅了解了关于物质构成的具体知识，更重要的是体会到了科学的本质：科学是一个不断探究、不断修正的过程；科学理论需要实验证据的支撑；科学发展不是一帆风顺的，而是充满了曲折和争论；科学家的好奇心、质疑精神和实证意识，是推动科学进步的重要动力。 教师进一步引导学生思考模型方法的价值。模型是人们为了认识微观世界而创造的一种工具，它既来源于客观事实，又包含了人的想象和创造。模型能够帮助我们把抽象的、看不见的东西变得具体、可感知，从而让我们更好地理解和研究微观世界。但是，模型不等于真实的微观粒子本身，模型有它的局限性，随着认识的深入，模型也会不断更新和完善。学生通过理解模型的这种特点，初步形成了对科学方法的辩证认识。 最后，教师布置课后拓展任务：请同学们以“我眼中的科学探索”为题，写一篇短文，谈谈参加这次跨学科实践活动的收获和感悟。可以写自己最喜欢的一位科学家，也可以写制作模型过程中的一个小故事，还可以写自己对科学本质的新认识。优秀的作品将在班级学习园地展示。 整个项目活动从问题出发，经过史料研读、模型制作、展示交流，最后回到对科学本质的思考，形成了一个完整的学习闭环。学生在这个过程中，不仅掌握了关于物质构成的基本知识，更在实践中锻炼了多种能力，受到了科学精神的熏陶，真正实现了核心素养的全面发展。 六、板书设计 【板书设计】 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 一、探索历程 古代猜想 → 道尔顿原子论 → 阿伏加德罗分子学说 → 汤姆孙发现电子 → 卢瑟福核式模型 → 现代电子云模型 二、模型特点 · 将微观世界可视化 · 是科学研究的重要方法 · 随认识发展而不断完善 三、科学本质 · 科学是不断发展的 · 实验是检验真理的标准 · 敢于质疑 勇于创新 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