原子结构发现史中科学要素剖析及教学反思_分子和原子的教学反思

原子结构发现史中科学要素剖析及教学反思

1 原子结构发现史 1.1 原子结构的理论探讨时期 1897年，电子被发现以后，科学家开始对原子结构进行 系统探讨。同年，汤姆生（Jospeh John Thomson，1857～ 1940）提出“葡萄干蛋糕”模型，即原子是一个带正电的球 （蛋糕），带负电的电子（葡萄干）均匀分布在球体之中。

1903年，德国物理学家勒纳德（Lenard，1862～1947）“以 吸收的实验证明高速的阴极射线能通过数千个原子”。按照 当时盛行的半唯物主义者的看法，原子的大部分体积是空无 所有的空间。勒纳德设想刚性物质是“散处于原子内部空间 里的若干正电和负电的合成体”[1]。1904年，日本物理学 家长岗半太郎（1865～ 1950）提出“土星型原子模型”， 即原子中心是一个大质量的正电球，电子均匀地分布在环形 轨道上。“这一理论形成时，人们把原子看做一个太阳系，把有质量的核比拟为处于中心的太阳，而轻质的电子则类似 要和运行的行星”[2]。因此，这一时期的原子结构模型完 全囿于经典力学的范畴。

1.2 原子结构的实验探索时期 1911年，卢瑟福（Ernest Rutherford，1871～1937） 建议马斯登完成α粒子轰击金箔实验[3]。实验发现，在大 约20000个入射的α粒子中，只有1个α粒子在穿过金箔时发 生了90°偏转。一束α粒子穿过金箔最可能偏转的角度是 0.87°。实验结果表明，绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原 来的方向前进，但有少数α粒子发生了大角度偏转，有极少 数α粒子的偏转角度超过90°，甚至几乎达到180°。卢瑟 福根据α粒子散射实验获取的现象，提出了“核式原子结构 模型”，即原子内部有很大的空间，并且电子的质量很小；

原子内全部正电荷集中在原子球体的中心，原子核约占原子 总体积的几万分之一；
原子的质量几乎全部集中在原子核 上；
电子在核外空间内，受到核电荷的电磁吸引绕核旋转。

卢瑟福成功地以实验证明了原子核与电子的关系，并提出了 能够解释所有已知现象的“核式原子结构模型”，为日后电 子的运动状态及原子核内部结构的研究打下了坚实的基础。

1.3 原子结构的确立时期 1920年，科学家通过大量实验现象确认原子核是由质子 和电子构成的。与此同时，新的矛盾随即产生，亨利·莫塞 莱（Henry Gwyn Jeffreys Moseley，1887～1915）发现，“每种元素被阴极射线轰击时，能发射出具有特征频率ν的 X射线，ν为原子序数N所决定”[4]。这一结论促使卢瑟福 大胆地提出“可能还存在一种电中性的粒子”的新假说[5]。

为了检验这一假说，卢瑟福的学生查德威克（James Chadwick， 1891～1974）经过多年努力终于在1932年发现关于中子的确 凿证据。并于《英国皇家学会通报》上发表题为“中子的存 在”一文，详细地报告了实验结果及分析过程。有核模型虽 然在实验上取得成功，但按照经典力学理论，电子作圆周运 动时会辐射电磁波，损失能量。因此，理论上不存在稳定形 态的原子。20世纪初期，随着量子力学的发展，微观粒子的 波粒二象性、测不准原理等假说相继提出。玻尔（Niels Bohr， 1885～ 1962）、德布罗意（Louis Victorde Broglie，1892 ～1987）、海森堡（Werner Karl Heisenberg，1901～1976） 等著名科学家为揭示电子的运动状态做出了巨大的贡献， “经过80余年实践的考验，证明作为量子力学理论基础的这 些基本假设是正确的”[6]。图1为原子结构发展历程。

2 原子结构发现史的科学要素剖析 2.1 观察：建构与检验假说的基础 观察是建构科学假说的重要基础之一，“如果一个观察 命题所构成的事实可以直接用感官来检验，并且经得起检验， 那么，它足以构成科学的基础”[7]。观察包含两种途径：
直接观察和间接观察。直接观察，即观察者通过感官或感官 的“延长”，如借助显微镜、望远镜等仪器，对现象进行直接观测。间接观察，即观察者以实验为基础，通过分析数据、 谱图等，间接获取观察结果。“科学观察要求提出任务、做 出假设并且导出能与观察结果相比较的各种推论；
还要组织 观察的实施，选择和充实仪器装置，记录观察结果等”[8]。

例如，勒纳德提出的“星系模型”旨在解释“阴极射线能穿 透几千个原子厚度”这一观察结果。值得注意的是，观察事 实是客观的，同时也是可错的。观察活动与观察者的前期假 设有着密切的关系，换言之，观察者的前期经验决定着观察 的内容与对象。因此，观察既是建构假说的基础，同时也受 假说的影响。

2.2 假说：解释和预测现象及指导实验的 依据 假说旨在有效地解释和预测现象。假说的提出既是建立 在现象的基础之上，又是对现象的解释与预测。有学者将假 说比做“筐”，当获取的现象能够装入“筐”中时，则假说 被进一步证实，如果新获取的现象无法装入“筐”中，则需 要以新现象作为基础，进一步对其进行修正。假说的证实与 修正往往需要实验的介入，假说能够指导实验的设计与实施。

“没有理论，就无法设想出任何实验来，所以科学家在危机 时总是尝试去提出某些思辨性理论，如果成功了，就能找出 通往新范式的道路；
如果不成功，也能相对容易地将它们舍 弃”[9]。例如，1897年汤姆生提出“葡萄干蛋糕”原子模 型。随后进行的α粒子从金属表面直接反射的实验，有效地 获取了“α射线大角度散射”现象。实际上，假说对于实验的指导作用，可以视作“刻意”获取现象的过程。当原有假 说能够解释实验现象时，则假说被进一步证实。当原有假说 不能够解释实验现象时，则假说被进一步修正。

2.3 实验：获得现象及检验假说的手段 实验是化学的“灵魂”，广而言之，实验是自然科学的 “灵魂”。实验所以能够成为自然科学的核心方法之一，是 因为实验能够有效地证实或证伪科学假说。通过实验获取的 现象是沟通实验与假说的桥梁。对于同一现象，不同假说能 够给出不同合理的解释。“实验结果是由世界的作用决定的， 而不是由关于世界的理论观点决定的，正是这一点使得参照 世界来检验理论成为可能……尝试参照实验结果去检验科 学理论正确与否，是一种很有意义的探索”[10]。因此，理 论系统的建构需要大量实验作为基础。例如，当代原子结构 模型的形成，历经赫兹的实验、电子通过物质的吸收实验、 α粒子散射实验、闪烁镜观测空气中射线射程实验、辐射铍 实验……直到2015年科学家才通过实验的方式获取粒子波 粒二象性的谱图。通过实验结果获取的现象对假说具有高效 的检验作用，在检验与修正假说的过程中，假说逐渐上升为 系统的、具有高度解释力和预测力的理论规范。

上述科学要素间的交互式作用如图2所示。

3 对“原子结构”教学反思 3.1 返还属于学生的时间与空间，培养学生的观察能力 在中学化学教学中，观察能力是学生的基本素养之一。反思教学可以发现，多数教师在指导学生观察现象时往往带 有强烈的倾向性，即要求观察结果尽量与教材中呈现的结果 相吻合。如此一来，学生仅能够凭借感官完成机械的观察与 记录，既不能逾越教材中的既定现象，又不能自主提出假说。

在真实教学情景中，教师习惯于让学生总结实验现象，在学 生对现象进行完整描述后，教师会加以完善并要求学生记录。

在这一过程中，教师针对某些复杂现象还会为学生编制简单 的“顺口溜”或打油诗，辅助学生记忆。实际上，对现象的 记忆不应该脱离现象本身，当学生思考某一实验内容时，应 当能够反映出相对真实的、动态的实验情境，而不仅仅是抽 象的文字。

培养学生良好的观察能力，需要教师返还原本属于学生 的时间。部分教师在完成实验后，急于要求学生记录现象， 如此一来，直观的、鲜活的现象则会变为抽象、冰冷的文字。

培养学生良好的记录能力，需要教师返还原本属于学生的时 间和空间。在“原子结构”一课的教学过程中，教师通常让 学生观看“α粒子轰击金箔实验”的动画，进而由教师总结 动画中出现的现象，最后以相关的知识解释所有现象，推导 出原子结构。在这一过程中，学生处于被动接受的地位，观 察的现象以及解释现象的理论完全由教师直接给出，学生的 观察与记录能力无法得到有效的训练。教师应当返还原本属 于学生的时间与空间，由学生自主完成观察与记录。

3.2 关注学生的“错念”，培养学生提出假说的能力在中学化学教学中，学生自主建立假说的过程往往被教 师所忽略。一方面，受教学时间所限，教师往往直接告知学 生陈述性知识，而不为学生提供自主提出假说的机会。另一 方面，受教学内容所限，教师往往有意识地引导学生将观察 的现象纳入到已有假说之中，进而排斥“预设外现象”的出 现。通过访谈学生笔者了解到，相当一部分学生认为电子在 原子核外做圆周运动，说明学生对于电子运动的理解大多囿 于经典力学的范畴。教师应当以学生的这一错念作为基础， 引导学生思考“如果电子在原子核外做圆周运动，则会辐射 能量，电子即会坠毁在原子核上，这一事实是否与原子稳定 存在的事实相违背呢？”，进而鼓励学生大胆提出假说，解 释这一经验现象。

提出假说是科学研究中最为重要的能力之一。假说是对 经验现象的解读，是形成系统理论的前期准备。当代科学哲 学指出，科学知识是人类建构起来的用以解释和预测经验现 象的研究“范式”，假说的提出是沟通现象与理论的必由之 路。“正是个体的主观经验构成了个体提出问题、观察问题 和分析问题的视界”[11]。因此，对于学生提出的假说教师 应当予以充分的尊重。学生自主提出的假说是学生基于自身 经验，通过理性思考建构起来的具有一定解释能力的“范式”， 其解释和预测能力可能较之教材中的知识相去甚远，但其源 于学生的自主思考，教师应当予以充分的尊重与肯定。

3.3 引导学生思考实验的价值，培养学生的实验设计能力 在中学化学教学中，学生通过实验获取现象的过程往往 限于被动地接受和机械地重复。当“预设外现象”出现时， 学生或教师的第一反应往往是努力探寻实验中出现的“错 误”，并加以改正，而不是就出现的现象进行深入、系统化 的反思与探讨。实验的本质是探究，一味强调实验的既定过 程和结果会忽略科学实验的价值所在。“原子结构”一课的 内容较为抽象，教师可以利用模拟组装与模拟实验两种方式 引导学生分析原子结构，例如教师可以为学生准备塑料球、 木棍等实验工具，由学生自主组装原子结构。教师以学生们 制作的“原子结构模型”作为基础，进一步引导学生“如何 利用实验的方式检验你组装好的原子结构模型呢？”，通过 模拟实验的方式检验学生的假说。例如有学生将原子结构组 装为“葡萄干蛋糕”模型，教师即可以引导学生“如果用一 束有规律的α粒子轰击你组装的原子模型，会出现什么情况 呢？”，进而修正学生提出的原子结构模型。

在实验过程中，教师往往聚焦于“实验能否顺利完成”， “学生是否记录实验现象”，“学生能否顺利完成实验”等 内容，缺乏对“为什么要做这一实验”，“为什么这一实验 的装置要如此设计”等问题的深入探讨。“教学本质上就是 一种探究”[12]。在完成实验前，教师首先应当引导学生分 析实验所承载的价值，即通过实验能够解决何种问题，换言 之，如若不进行该实验探究活动为何无法顺利进行。学生明确实验价值与目标后，教师进一步引导学生，若想顺利完成 实验，应当选择何种装置，进行何种操作。实验的设计、装 置的选择、步骤的确定应该是在学生理解实验价值的基础上 自主完成的内容。

综上所述，原子结构发现史背后蕴含着丰富的科学要素。

教师应当充分把握原子模型建构过程中涉及的观察、假说、 实验等内容，培养学生的科学方法与科学精神。因此，对于 科学要素的相关内容教师应当予以高度重视。

参考文献：
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