“原子的结构”教学设计与案例分析

山西师范大学研究生 教学设计与案例分析 课程考试试题（卷） 2013 2014 学年第 2 学期平时成绩考试成绩课程总成绩院 （所）： 专 业： 年 级： 学 号： 姓 名： -自选知识内容为：“原子的结构”1.简述“原子的结构”相关科学史。2.简述“原子的结构”在化学科学中的地位和作用。3.“原子的结构”相关概念图。4.分析学生学习“原子的结构”这部分内容的意义。5.“原子的结构”的教学设计。1.简述“原子的结构”相关科学史人们对原子结构的认识是不断发展变化的，原子的结构演变是一个历史过程。古希腊的德谟克利特提出朴素原子论，他认为:原子是组成一切物质的基本单位。17世纪，英国科学家牛顿从力学角度发展了物质构造微粒说，他认为原子是物质的最小单位（机械原子论）。英国化学家道尔顿，根据气体实验提出原子是构成物质的微粒，并把原子想象成不可分割的实心球体。1834年，法拉第研究真空放电时，发现了“法拉第暗区”，该研究首创了低压气体放电研究的先河，也引起众多物理学家对阴极射线组成的研究。1891年，赫兹通过实验观察到阴极射线可以像光透过透明物质那样透过某些金属箔。由此，赫兹宣称阴极射线不可能是微粒，只能是一种以太振动，也就是电磁波。1894年，乐纳德在阴极射线管的末端嵌上厚仅仅0.000265cm的薄铝箔F作窗口，发现从窗口会溢出射线，他们认为这是波动说的有利证据。1879年，克鲁克斯进一步改良真空泵，把真空度提高到百万分之一个大气压，对阴极射线进行了更全面的实验。他认为管内作无规则运动的残留气体分子碰撞在阴极上取得负电荷，然后又被推斥开，沿着与阴极表面垂直的方向迅速分离，这就形成了阴极射线。布鲁克斯进一步认为阴极射线是带负电的分子流。受传统观念根深蒂固的影响，以赫兹为代表的“波动说”和以克鲁克斯“负电微粒说”之间的争论一直持续了一、二十年，而且两者互不相让。直到1897年，汤姆生完成了一系列的阴极射线实验之后，解决了阴极射线的组成问题。汤姆生从1881年起开始研究阴极射线，电子的发现是对阴极射线进行深入研究的结果。1897年4月，汤姆生根据阴极射线在电磁场和磁场作用下的实验轨迹在英国皇家学院的一次讨论会上宣布阴极射线是由一种带负电的粒子组成的。1899年，汤姆生正式把这种粒子叫做“电子”。汤姆生又通过实验进一步证明电子是一切化学元素原子的组成部分。1904年，汤姆生提出一个新的原子结构模型：他认为原子是一个均匀、带有正电荷的球体，带负电的电子对称地镶嵌在这个球体内，形成一个中性的球体，并通过静电作用达到稳定状态，就像葡萄干镶嵌在蛋糕上一样，将此模型成为“葡萄干蛋糕模型”。该模型当时能够较好的解释原子的质量和电量分布问题。1909年，卢瑟福和他的学生盖革在抽成真空的容器内，用一铅块R包围着a粒子源，发射的a粒子打到在涂有硫化锌荧光物的荧光屏S上，此时会产生微弱的闪光。通过放大镜M观察闪光就可记下某一时间内在某一时间内在某一方向散射的a 粒子数。放大镜、荧光屏与外壳制成一体，可以转到不同的方向对a粒子进行观察。卢瑟福观察到奇异的实验现象：a粒子受金属箔散射时，绝大多数平均只有2到3度的偏转；1/8000的a粒子偏转大于90度；极少数偏转接近180度。根据汤姆生的原子模型，a 粒子经过一定厚度的金箔后，最多只有1%的a粒子偏转角度超过30度，大角度散射的几率很小很小。但实验发现约有1/8000的a粒子发生了大角度的散射，甚至被撞倒回来。显然，汤姆生原子模型在解释新的科学事实时遇到了不可克服的困难。 卢瑟福由此推想原子中一定存在某种及其坚硬、并与a粒子带有同种电荷的物体。它的体积一定很小，密度很大。根据“大宇宙与小宇宙相似”思想，卢瑟福提出了自己的原子结构模型假设。他认为原子内部存在一个带正电荷的核心，它占据很小的空间，原子几乎所有的质量及正电荷都集中在该核上。电子在核外绕核心运动，就像太阳系中的行星围绕着太阳运动一样，因此叫做核行星系模型。（核式模型）按照这种假设，卢瑟福对他的原子模型进行了严密的数字计算，得出了同一a粒子源、同一种材料的散射物体系的散射公式。后来，盖革和马斯登仔细地进行了a粒子散射实验，验证了卢瑟福的散射公式，接着，他们两个发表了全面的实验数据，进一步肯定了卢瑟福的理论。19世纪末，当人们从理论上解释原子光谱现象时，发现卢瑟福的有核原子模型与经典电磁理论不相符合。根据经典电磁理论，绕核高速旋转的电子将以电磁波的形式不断发射出能量，运动的轨道半径也将逐渐缩小，电子很快就会落在原子核上。因此，原子应该是不稳定的体系，但当时发现的各种元素的原子都是稳定的。其次，电子绕核运动过程中能量是逐步减少的，所辐射的电磁波频率也应逐渐变化，因此原子所发射的应是连续光谱。但是氢原子光谱实验发现原子光谱是线状光谱，这两者是卢瑟福原子结构模型所无法解释的。1913年，玻尔巧妙地将原子有核模型与普朗克量子理论以及爱因斯坦光子学说结合起来，将量子化概念引进卢瑟福的原子结构模型，进而形成了玻尔原子结构理论。玻尔认为原子核外电子只能处在有一定半径和确定能量的特定轨道上运动，电子的能量是不连续的，电子在不同能量轨道间“跃迁”时能量变化也是不连续的。玻尔的原子结构模型解释了一些经验公式，他还推出了氢光谱的计算公式成功解释了氢光谱实验定律，为光谱学提供了理论基础。但是，由于玻尔理论存在几个先天缺陷。首先，玻尔理论建立在普朗克量子化概念基础上，属于旧量子论的范畴，缺乏自治的逻辑基础。其次，玻尔理论只能计算氢原子核类氢原子的光谱，对稍微复杂的原子，即使是对氢原子光谱的能级和频率的计算也都无能为力。第三，玻尔理论自始至终把原子、电子作为粒子处理，完全忽视了其波动性。1926年，薛定谔建立了波动方程，提出用波函数及统计方法来描述微观粒子在某一空间范围内出现的几率。这个模型就是建立在量子力学基础上的现代原子结构模型。20世纪60年代科学家经过实验证实提出的“夸克”概念使人们确信，随着科技与社会的发展，人们对物质微观结构的认识是无穷尽的。毋庸置疑，“夸克”也绝不可能是物质微观结构的终极单元，至于“夸克”的内部结构是什么，这些都需要科学家们的进一步研究。2.简述“原子的结构”在化学科学中的地位和作用初中阶段关于原子结构的认识分为两个层次：原子的构成以及原子核外电子的分层排布。初中阶段原子结构的内涵:(1)原子的结构:原子是居于中心的原子核和核外带负电的电子构成的,原子核是由质子和中子构成的。(2)微粒的性质:质子:一个质子带一个单位正电荷,一个质子的质量为1.6731027kg；中子:原子核中不带电的微粒，一个中子的质量为1.6751027kg；电子:原子核外带负电的微粒，一个电子带一个单位负电荷，电子几乎无质量，电子在原子核外做无规则的高速运动；原子核:居于原子中心，几乎集中了原子绝大部分质量的带正电荷的微粒，原子核的体积很小。(3)原子核外电子排布:电子云:一种能够表示电子在一定时间内在核外空间各处出现的模型，电子在原子核外离核最近的区域出现的几率最大(电子云密度最大)；离核越远的区域出现的几率越小(电子云密度越小)。核外电子的排布规律:能量最低的电子总在离核最近的区域运动，能量稍高的电子总在离核稍远的区域运动，能量最高的电子总在离核最远的区域运动。电子层:我们可以根据电子能量的高低不同，把能量不同的电子在原子核外出现的不同区域分为能量不同的能层电子层。我们把能量最低、离核最近的区域称为第1层；能量稍高离核稍远的区域称为第2层；依次类推。(4)结构和性质的关系:结构决定性质:最外层电子数是2个(或8个)的惰性元素，其结构最稳定；最外层电子数少于4个的元素，其原子容易失去最外层电子；最外层电子数多于4个的元素，其原子容易得到电子稳定结构；价电子:主族元素原子核外最外层上的电子称为价电子，价电子决定了元素的化学性质。 与九年义务教育阶段相比，高中必修阶段关于原子结构的认识从两个方面进行深化和发展：对电子层含义的深化，强调电子层是能量不同的区域，不同的区域是不连续的。对核外电子排布的认识，认识到核外电子的排布是有规律的。高中选修阶段关于原子结构的认识从三个方面进行深化和发展：关于能层与能级的认识，在此基础上学习原子的构造原理、能量最低原理和元素原子的电子排布式；从量子力学的角度形成关于电子云和原子轨道的认识；认识到电子的自旋运动状态，进一步学习泡利原理、洪特规则、以及原子的电子排布图。由此可见初中阶段原子的结构知识认识是高中必修以及选修阶段学习的基础，对原子结构的知识学习有利于学生认识物质的多样性，元素的化合性和化合价、物质的稳定性、物质的化学式、元素的原子是如何形成分子的、原子的结构是化学键理论的基础、也有利于学生认识元素的金属性和非金属性以及元素性质的周期性变化规律。因而，在教学中要有意识地引导学生运用物质结构理论推导化学反应，解释化学现象，使此理论贯穿于整个化学教学中，从而提高学生的化学逻辑思维能力和基础理解水平，准确掌握化学知识，提高理解力。3.“原子的结构”概念图原子相对原子质量核外电子原子核质子中子不显电性带一个单位正电荷带一个单位负电荷某原子的实际质量以C12原子质量的1/12的比值质子数和中子数之和原子是化学变化中最小的微粒概念质量构成构成构成说明说明计算计算说明核电荷数=质子数=核外电子数=原子序数电量相等说明构成得失电子离子4.分析学生学习“原子的结构”部分内容的意义原子学说是认识化学的基础和开端，不理解原子结构学说就无法进一步学习化学。结构和元素周期律是化学理论的基础，它指导元素化合物和其他理论的学习，其中原子结构理论又是关键和核心，贯穿于中学化学学习的全过程,只有很好地掌握它，才能了解元素化学性质及其变化的原因，不少文献资料对其有所阐述，概括起来有以下几方面的作用：（1）确定化合物中元素的化合价，元素原子的最外层电子数决定着元素的化合价；（2）有助于确定化合物的化学式，化学式的确定与构成物质的元素的化合价有关，而化合价又与原子的结构有关；（3）从本质上理解元素周期律，元素周期表按照原子的电子层数和最外层电子数的不同分为不同的周期和族；（4）有助于从本质上理解化学键，例如共价键或离子键的表示方式、键的参数、键的极性和分子的极性等就与原子的最外层电子数有关；（5）有助于理解氧化还原反应的实质，氧化还原反应的实质是电子的偏移；（5）能帮助学生有效学习与推断元素化合物和有机化合物的化学性质和物理性质，如酸、碱、盐性质的推断；（6）判断元素的金属性和非金属性，元素原子有形成稳定结构的趋向，所以会发生电子的得失，其强烈程度与原子最外层电子数有关，如碱金属和卤族元素性质的判断；（7）有助于理解电化学的实质；（8）加强对化学现象的理解；（9）培养学习辩证思维和空间想象能力,使知识系统化、便于理解。 5.“原子的结构”的教学设计1.教材分析本节内容是九年级化学上册人教版“第三单元物质构成的奥秘”中课题2,是属于化学基本理论部分。是在学习课题1“分子和原子”后的又一微观粒子的知识，该课题的学习不仅可以充分巩固刚接触到的新知识并且为课题3“元素”以及第四单元“自然界的水”中课题4“化学式和化合价”的学习奠定一定的基础。本节内容包括原子的构成、原子核外电子的排布、相对原子质量三个部分。该课时主要讲述原子的构成和相对原子质量两个知识内容。2.学情分析 学生已经学习了分子、原子的概念，初步探索了物质构成的奥秘，知道在化学变化中，分子可以分成原子，原子不能再分，原子是化学变化中的最小粒子。但并不满足学习的求知欲，他们还想知道原子是否可以再分。但在现阶段的教学条件下，原子这种微观粒子既看不见也摸不到，因此，这对于初学化学的学生来说是有一定的困难。因此，充分利用一些教材提供的图片、假说、模型来说明问题，让学生充分想象原子的内部构成，强化他们对知识的理解，把抽象的理论转变生动的联想，增加学生学习该知识的兴趣。并且对测定相对原子质量有着卓越贡献的我国科学院院士张青莲教授进行介绍，增加学生的爱国主义情操。3.教学目标1.知识与技能了解原子是由质子、中子以及电子构成的，能够理清核电荷数、核外电子数和质子数三者的关系。了解相对原子质量的概念,并学会使用相对原子质量表。2.过程与方法利用教材提供的图表,通过阅读分析、比较归纳的方法，学生形成观察能力和分析能力。通过观察、想象、类比、投型化等方式，学生初步理解化学现象的本质。运用多媒体教学的手段以及生动的语言,引发学生的想象力,加强学生对微观粒子的感性认识。3.情感态度和价值观激发学生对微观世界的探究欲和学习化学的兴趣。培养学生世界与物质等辩证唯物主义观点。4.教学的重点与难点教学重点:原子的内部结构、相对原子质量教学难点:对“原子不显电性”的理解5.教学策略情境导入一引导探究一协作学习一展示成果一评价拓展6.教学方法情境教学法、课堂讨论法7.教学模式讲授模式、问题讨论模式8.教学内容1复习物质的构成、分子的构成2原子的构成（1）原子的构成 （2）原子构成的特点 3相对原子质量（1）原子的质量（2）原子的相对原子质量的定义（3）相对原子质量与质子数、中子数的关系9.教学过程教师活动学生活动设计意图【课前准备】一、原子的构成【情境导入】前面我们学习了分子和原子的相关知识，科学家已经证明物质是由分子、原子等微观粒子构成。现在请同学们看动画水分子的分解，回答一下这几个问题。原子是什么？通过观察动画水分子分解我们可否知道化学反应的实质？【教师提问】在化学反应中，分子可以分成原子，那么原子可不可以分成其他粒子，同学们想象一下原子的内部结构是什么样子的？【启迪思维】既然在化学变化中，原子不可再分，那么可不可以通过其他方式使其分裂。【情景引入】大家请看大屏幕，这是原子弹爆炸后的蘑菇云图片，而我告诉大家原子弹是根据原子的裂变可以释放巨大能量这一原理而制造出来，现在大家再想一想如果原子是不可分割的实心球体，它能发生裂变吗？【创设情景】英国科学家道尔顿在1803年提出了近代原子学说：一切物质都是由原子构成的，原子是微小的、不可分割的实心球体。【拓展思维】按照刚刚我们对原子弹的认识，同学们想想道尔顿提出的近代原子学说有哪些不正确的地方？【讲解】直到1897年，英国科学家汤姆生发现了电子，人们开始着手揭开了原子内部的秘密。接着1911年卢瑟福发现了原子核，说明原子内部除了电子还有一个原子核。【教师引导】请同学们阅读P53页的文字，你能得出什么结论？【教师启发】请同学们观察P53页的表3-1，横向信息和纵向信息进行比对能得出哪些信息？1.首先在不同的原子之间有哪些区别？2.是不是所有的原子都是由质子、中子、电子三者构成的？3.在数量上质子、中子、电子存在什么关系？4.原子本身带电吗？为什么?【归纳小结】原子是由居于原子中心的原子核和核外电子构成的。原子核是由质子和中子构成的。每个质子带一个单位的正电荷，每个电子带一个单位的负电荷，中子不带电。由于原子核内质子所带电荷与核外电子的电荷数量相等，电性相反，因此，原子不显电性。【板书概念图】二、相对原子质量【教师展示】图表：氢、氧、碳、铁四种原子的相对原子质量从表中我们知道原子的质量数值太小，书写和使用很不方便，为了解决这种问题，我们要采用相对原子质量。【指导阅读】同学们阅读P56页的相关文字，回答一下问题：相对原子质量的概念和符号是什么？观察图表3-2，你能得出什么结论?【教师讲解】从定义可知相对原子质量是一个比值，其单位为一可以不写。【阅读资料卡片】【归纳总结】【学生回答】1.原子是化学变化中的最小粒子，在化学变化中不能再分。2.化学反应的实质是分子分裂成原子，原子重新组合成新的分子【学生交流】1.原子像一个实心球，是牢固的不可分割的。2.原子像一个乒乓球，里面是空的。3.原子像一颗葡萄，里面有籽，又有果肉。【学生交流】1.不会，既然原子能够发生裂变，说明原子内部有复杂的结构而不是实心的2.构成物质的粒子，除了原子还有分子和粒子，所以一切物质都是由原子构成的这种说法是错误的。【提出问题】原子内部结构有哪些？【学生讨论】【学生归纳】1.氢原子和其他原子相比较，原子核内只有一个质子，没有中子。2.碳原子和氧原子的质子数、中子数、核外电子数都是相等的。3.有些原子的质子数和中子数相等，有些原子的质子数和中子数不相等。4.原子是不显电性的，因为所有原子的核内质子数和核外电子数电量相反但电性相反，而中子不显电性。5.不同的原子质子数和核外电子数不同。【学生回答】以一种碳原子质量的1/12为标准，其他原子的质量与它相比较所得到的比，即作为这种原子的相对原子质量，符号为Ar.构成原子的质子和中子的相对质量都约等于1，与质子、中子相比，电子的质量很小，整个原子的质量主要集中在原子核上。从同学们的已有知识入手，可以让学生迅速进入学习氛围中，利用新旧知识间形成有意义的联系。利用已有的科学实例进行问题情景创设，使学生了解科学，激发学生的科学探知欲。用化学史来创设情景进行教学，敢于质疑问难，不仅可以帮助学生突破重难点，而且培养学生的辩证唯物主义观点。观察图表，培养学生的类比归纳能力。通过概念图把原子的结构表现出来，以及综合归纳知识点引导学生在感知情景中激发兴趣、聚焦问题，培养学生的实践能力，在归纳练习中锻炼学习方法，积极探究。10.教学反思教学设计从学生已经掌握的分子和原子的概念入手，从分子可以分裂成原子，原子不可以再分成其他粒子，而引导出原子的微观构成。然后鼓励学生自主想象原子的内部结构，自身参与可以加强学生的学习动机，再利用科学史实进行逐层展开。教学设计科学有序，符合学生的认知规律，概念图的展示是本节课的亮点，引发学生的发散性思维，加强他们对知识的理解，增强了学生学习这部分知识的兴趣。在整个教学过程中以概念图为载体,立足于让学生全面“动”起来,培养学生的科学意识和实践能力，引导学生在感知情景中激发兴趣、聚焦问题，在归纳练习中激活知识生长点和学习方法,在民主平等的氛围中积极探究,在质疑解惑中自主生成新知,在名人寧迹中,增强爱国主义情感。教学设计中的不同模块之间的过渡与衔接,有学生活动,有学生小组讨论,有学生归纳,有科学史实,动画视频等丰富充足着整个教学课堂。