讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過程 * —— “原子的核式結(jié)構(gòu)模型”教學(xué)設(shè)計(jì)

讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過程*
—— “原子的核式結(jié)構(gòu)模型”教學(xué)設(shè)計(jì)

尹德利

(北京市東方德才學(xué)校北京100025)

*北京市物理學(xué)會2014-2015教育科研課題“物理學(xué)史運(yùn)用于中學(xué)物理課堂教學(xué)的案例研究”，項(xiàng)目編號：WLXH1410

摘 要：在分析課標(biāo)要求、教材內(nèi)容和當(dāng)前教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以問題形式引導(dǎo)學(xué)生側(cè)重對α粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)思想和α粒子散射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行探究，從中體驗(yàn)科學(xué)探究的樂趣和艱辛，加深學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解.

關(guān)鍵詞：α粒子散射實(shí)驗(yàn)科學(xué)探究科學(xué)本質(zhì)

收稿日期：(2015-09-23)

作者簡介：尹德利(1965-)，男，中教高級，北京市朝陽區(qū)物理學(xué)科帶頭人，北京市骨干教師，主要從事高中物理教學(xué)、物理學(xué)方法及物理學(xué)史在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用研究.

從新課程的教學(xué)理念審視高中物理選修3-5 “原子結(jié)構(gòu)”一章的教學(xué)內(nèi)容，無論是知識層面還是方法層面，抑或是觀念層面，有許多內(nèi)容需要深入地挖掘和思考；反思當(dāng)前“原子的核式結(jié)構(gòu)模型”一節(jié)的課堂教學(xué)，有許多方面有待改進(jìn)和提升.

思考1:本節(jié)課應(yīng)該讓學(xué)生了解哪些教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)重點(diǎn)是什么？

思考2:本節(jié)課涉及到的研究方法有哪些？應(yīng)采取什么教學(xué)手段對這些研究方法進(jìn)行顯化？

思考3:本節(jié)課涉及到的觀念層面的知識有哪些？如何讓學(xué)生感悟這些思想觀念？

1《課程標(biāo)準(zhǔn)》對“原子結(jié)構(gòu)”的教學(xué)要求

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(實(shí)驗(yàn))關(guān)于選修3-5的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)指出,“歷史上，對于電磁波、原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，典型地展示了人類認(rèn)識自然規(guī)律的科學(xué)方法”，因此，教學(xué)中應(yīng)讓學(xué)生“(1)了解人類探索原子結(jié)構(gòu)的歷史以及有關(guān)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)；(2)通過對氫原子光譜的分析，了解原子的能級結(jié)構(gòu).”“體會其中的科學(xué)方法、科學(xué)思想，感受科學(xué)的和諧美.”

2教材分析

以北京市普通高中所使用的人教版和教科版選修3-5為例，兩套教材關(guān)于原子結(jié)構(gòu)一章的編寫都是按照歷史發(fā)展的邏輯循序展開的：電子的發(fā)現(xiàn)→湯姆生的“棗糕模型”→α粒子散射實(shí)驗(yàn)→盧瑟福的“原子核式結(jié)構(gòu)模型”→玻爾的量子化原子結(jié)構(gòu)理論.兩套教材都以問題討論的方式注入了科學(xué)探究的元素，通過“科學(xué)足跡”或“小資料”的形式補(bǔ)充了相關(guān)的物理學(xué)史料，對學(xué)生了解人類對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識發(fā)展有一定的意義.然而，兩套教材也都存在著一定的不足.人教版選修3-5第二節(jié)“原子的核式結(jié)構(gòu)模型”側(cè)重對α粒子散射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析和結(jié)論得出的過程分析，這無疑是對的；教科版選修3-5第二節(jié)“原子的核式結(jié)構(gòu)模型”關(guān)于α粒子散射實(shí)驗(yàn)的裝置、現(xiàn)象和結(jié)論都是直接給出.至于盧瑟福及蓋革等物理學(xué)家為什么要做α粒子散射實(shí)驗(yàn)，α粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置又是如何設(shè)計(jì)的，體現(xiàn)了怎樣的設(shè)計(jì)思想和研究方法，兩套教材卻鮮有說明.教材這樣處理，無法消除學(xué)生對物理學(xué)家研究微觀世界的神秘感(較之實(shí)驗(yàn)結(jié)論，學(xué)生對物理學(xué)家研究看不見的分子、原子的實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)手段更感興趣，了解這種方法和技術(shù)手段對他們以后從事科學(xué)研究更有價(jià)值).兩套教材對α粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置的輕描淡寫，直接導(dǎo)致了課堂上教師對α粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置蜻蜓點(diǎn)水式的介紹，使學(xué)生喪失了一次寶貴的模擬科學(xué)家設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行科學(xué)探究的機(jī)會，學(xué)生 “體驗(yàn)不到探索和發(fā)現(xiàn)的喜悅,感覺不到思想形成的生動過程,也很難達(dá)到清楚地理解全部情況的目的”(愛因斯坦語).

從知識的功能和價(jià)值取向分析，“原子結(jié)構(gòu)”一章的內(nèi)容有助于學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解.

首先，它讓學(xué)生認(rèn)識到，“科學(xué)知識是暫時(shí)性的、主觀的、建構(gòu)性的,它會不斷地被修正和推翻.”“科學(xué)認(rèn)識的對象是客觀的，科學(xué)認(rèn)識的過程是認(rèn)識主體對客體的作用過程.在這個(gè)過程中，認(rèn)識主體的已有經(jīng)驗(yàn)或背景起著重要作用；科學(xué)認(rèn)識活動以事實(shí)為基礎(chǔ)，但事實(shí)本身并不是科學(xué).”

其次，本章所蘊(yùn)含的物理學(xué)研究方法，能夠啟迪學(xué)生智慧，激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究的熱情.由于微觀粒子看不見、摸不著，要研究微觀現(xiàn)象，必須發(fā)展一些新的實(shí)驗(yàn)探測技術(shù)及手段.分析19世紀(jì)末至今的粒子物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，基本上可分為兩大類：一類是變不可見為可見，如閃爍法——利用電子等微觀粒子打在熒光粉上能夠使熒光粉發(fā)出閃光的特性制成顯示屏，通過顯示屏觀察粒子的徑跡或多少；留跡法——借助威爾遜云室和氣泡室，顯示并拍攝粒子運(yùn)動的徑跡，通過分析云室(或氣泡室)照片研究帶電粒子的相互作用性質(zhì).另一類是給粒子加速，為了探明原子(核)的結(jié)構(gòu)或者實(shí)現(xiàn)各種人工核反應(yīng)，卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家們發(fā)明了轟擊的辦法(本質(zhì)上屬于控制論的“黑箱方法”)，試圖打破原子或原子核的“堅(jiān)硬外殼”，撩開其神秘的面紗，但利用天然放射性元素放出的射線能量太低，需要補(bǔ)充能量，于是各種各樣的粒子加速器應(yīng)運(yùn)而生.

再次，本章內(nèi)容結(jié)合相關(guān)史料，有助于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的毅力，實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和堅(jiān)持真理、勇于向權(quán)威挑戰(zhàn)的科學(xué)精神.

3教學(xué)現(xiàn)狀分析

由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，現(xiàn)階段中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室還無法做α粒子散射實(shí)驗(yàn)，這給本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)帶來一定困難.多年來，許多一線教師在本節(jié)課的教學(xué)中習(xí)慣于照本宣科——在引出湯姆生的“棗糕模型”之后，借助圖片或動畫介紹α粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置，然后重點(diǎn)分析α粒子散射實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象和結(jié)論.有些教師雖然也從過程與方法的維度對教材內(nèi)容進(jìn)行了挖掘，但由于教材對本節(jié)課的研究方法沒有進(jìn)行顯化處理，致使一線教師對本節(jié)課的研究方法是仁者見仁智者見智，缺乏一致性.鑒于這種情況，筆者認(rèn)為本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)需要考慮這樣幾個(gè)問題：本節(jié)課要不要探究，哪些地方需要探究？側(cè)重點(diǎn)放在哪里更有利于學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解，更有利于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提升？基于上述思考，筆者確定本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)如下.

4教學(xué)目標(biāo)

(1)知識與技能

了解原子結(jié)構(gòu)模型建立的歷史過程及各種模型建立的依據(jù)，知道α粒子散射實(shí)驗(yàn)的思想方法、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及原子核式結(jié)構(gòu)模型的主要內(nèi)容.

(2)過程與方法

經(jīng)歷α粒子散射實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過程；通過對α粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析、討論，學(xué)會對物理現(xiàn)象進(jìn)行分析、歸納并得出結(jié)論；認(rèn)識“假說→實(shí)驗(yàn)→新假說→實(shí)驗(yàn)→相對正確的理論”這種理論建立和發(fā)展的模式，認(rèn)識理想模型和科學(xué)實(shí)驗(yàn)在科學(xué)發(fā)展過程中的作用.

(3)情感態(tài)度與價(jià)值觀

體驗(yàn)探究自然規(guī)律的艱辛和喜悅，學(xué)習(xí)科學(xué)家敢于堅(jiān)持真理、勇于創(chuàng)新和實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神，領(lǐng)悟科學(xué)的本質(zhì).

5設(shè)計(jì)思路

通過問題引探和學(xué)史滲透相結(jié)合的方式，讓學(xué)生經(jīng)歷α粒子散射實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過程，了解實(shí)驗(yàn)探索微觀粒子運(yùn)動的方法；通過小組討論交流，讓學(xué)生經(jīng)歷α粒子散射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析推理過程，體驗(yàn)科學(xué)探究的樂趣，學(xué)習(xí)科學(xué)探究的方法.

6教學(xué)過程

(1)通過問題引導(dǎo)、小組討論，讓學(xué)生經(jīng)歷α粒子散射實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過程

問題1:湯姆生發(fā)現(xiàn)電子后，他根據(jù)什么事實(shí)斷言原子內(nèi)部還有正電物質(zhì)存在，這里他采用了什么思維方法？

問題2:湯姆生提出的原子結(jié)構(gòu)模型是怎樣的，他運(yùn)用了什么研究方法？

設(shè)計(jì)意圖:通過問題1和問題2，使學(xué)生認(rèn)識到，科學(xué)假說不是主觀臆測，而是建立在一定的科學(xué)事實(shí)基礎(chǔ)上的；邏輯推理和建立理想化模型是構(gòu)建科學(xué)理論的常用方法.

問題3:湯姆生原子結(jié)構(gòu)的“棗糕模型”作為一種科學(xué)假說，正確與否如何檢驗(yàn)？

問題4:人們?nèi)粝胫酪粋€(gè)西瓜內(nèi)部的結(jié)構(gòu)是怎樣的，應(yīng)該怎么辦？

問題5:如果我們想知道原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，應(yīng)該怎么辦？

設(shè)計(jì)意圖：科學(xué)實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)科學(xué)假說是否正確的唯一標(biāo)準(zhǔn)；類比法是科學(xué)研究常用的方法.通過原子結(jié)構(gòu)的“棗糕模型”與西瓜進(jìn)行類比，尋找實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的突破口.對于西瓜，只需用刀切開，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一目了然，但對于肉眼看不見的原子，卻無法找到這樣的刀將它切開，必須另辟蹊徑.西瓜還可以用石塊砸開來觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，原子能不能用“石塊”砸開呢？學(xué)生或許認(rèn)為這也是不可能做到的.此時(shí)教師指出，這事擱在別人身上，確實(shí)做不到，但卻難不倒卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家盧瑟福.接著教師介紹盧瑟福在20世紀(jì)頭幾年關(guān)于天然放射性的實(shí)驗(yàn)研究(α射線、β射線就是盧瑟福命名的)，盧瑟福所用的這個(gè)“石塊”就是α粒子，即氦的原子核，盧瑟福做α粒子散射實(shí)驗(yàn)是歷史的選擇！用α粒子(或質(zhì)子、中子)轟擊其他元素的原子(核)是盧瑟福發(fā)明的現(xiàn)代粒子物理實(shí)驗(yàn)研究常用的實(shí)驗(yàn)方法.

問題6:無論是原子還是α粒子，肉眼都是不可見的，他們的碰撞過程也是不可見的，如何使碰撞結(jié)果看得見呢？

設(shè)計(jì)意圖：變不可見為可見是粒子物理實(shí)驗(yàn)研究采用的重要手段.物理學(xué)家們早就發(fā)現(xiàn)，高速運(yùn)動的粒子(射線)打在熒光物質(zhì)上能使熒光物質(zhì)發(fā)出閃光，涂有熒光粉的熒光屏是探測微觀粒子行蹤的常用設(shè)備.

至此，α粒子散射實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的主要問題已經(jīng)解決，然后教師引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材并觀察教材上的插圖，看看盧瑟福α粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置是由哪幾部分組成的，都起什么作用，接著教師播放模擬α粒子散射實(shí)驗(yàn)的動畫，讓學(xué)生了解蓋革和馬斯頓利用該裝置獲取α粒子散射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的過程.

設(shè)計(jì)意圖：插入這段史料，旨在讓學(xué)生認(rèn)識到科學(xué)理論是建立在實(shí)證、求實(shí)的基礎(chǔ)上的，科學(xué)研究需要具備非凡的毅力和一絲不茍的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度.

(2)引導(dǎo)學(xué)生分析α粒子散射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，探究原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)

問題7:同學(xué)們先根據(jù)湯姆生的“棗糕模型”預(yù)測一下，α粒子打在金原子的哪個(gè)部位容易發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，打在哪個(gè)地方偏轉(zhuǎn)角度較??？ (教師啟發(fā)學(xué)生從靜電力的角度分析預(yù)測.等待片刻，學(xué)生匯報(bào)預(yù)測結(jié)果)

師：那么α粒子散射實(shí)驗(yàn)的實(shí)際結(jié)果究竟是怎樣的呢？教師播放α粒子散射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象模擬動畫，學(xué)生觀看動畫.

問題8:實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測不符，說明了什么？

設(shè)計(jì)意圖：使學(xué)生了解，判明一個(gè)科學(xué)假說的真?zhèn)危褪强雌淅碚擃A(yù)測與實(shí)驗(yàn)事實(shí)是否相符.如果相符，說明科學(xué)假說是正確的，如果不符，就要分析原因，是假說錯(cuò)了還是實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)存在問題？

問題9:既然α粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果否定了湯姆生的 “棗糕模型”，那么真實(shí)的原子結(jié)構(gòu)又該是怎樣的呢？同學(xué)們能否根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象推測一下原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)可能會是怎樣的？(引導(dǎo)學(xué)生透過現(xiàn)象探究原子結(jié)構(gòu)的本質(zhì))

設(shè)計(jì)意圖：對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、推理，讓學(xué)生經(jīng)歷與前輩物理學(xué)家同樣的問題解決過程，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯推理能力.在此基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材，了解盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)模型的主要內(nèi)容.由于學(xué)生剛剛體驗(yàn)了與盧瑟福相似的思維活動過程， 因而能夠加深對原子核式結(jié)構(gòu)模型的理解.

對于重點(diǎn)學(xué)校物理基礎(chǔ)較好的學(xué)生，教師還可以提出下列問題讓學(xué)生思考.

問題11:盧瑟福及其助手為什么選擇貴金屬金而不選更便宜、更容易找到的鐵或鋁作為α粒子的轟擊對象？為什么要將金做成很薄的金箔？

盧瑟福及其助手在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，放射性元素放出的α粒子能量很低，穿透本領(lǐng)很小，一張黑紙就能將其擋住.只有做成很薄的金箔，α粒子才能穿過.為什么選金作為靶目標(biāo)是因?yàn)榻鸬难诱剐苑浅：茫梢宰龅锰貏e薄(厚度可達(dá)到幾微米).

7教學(xué)反思

以往的課堂教學(xué)，教師們總是把教學(xué)重點(diǎn)放在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)論的記憶上，很少關(guān)注α粒子散射實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)過程.然而，“重要的不是教給學(xué)生知識，而是教給學(xué)生獲取知識的方法”.全國著名特級教師吳加澍老師認(rèn)為，物理教學(xué)要“重演物理知識的發(fā)生過程”， “充分還原稀釋——讓學(xué)生體驗(yàn)物理概念的形成過程；堅(jiān)持延遲判斷——讓學(xué)生探尋物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程；滲透思想方法——讓學(xué)生參與物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過程；注重過程分析——讓學(xué)生親歷物理問題的解決過程.”受此思想的啟發(fā)，筆者通過問題串的啟發(fā)誘導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注α粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置所采用的兩大研究方法——閃爍法和轟擊法，這為后面天然放射性和粒子加速器的教學(xué)埋下了伏筆.另外，讓學(xué)生利用棗糕模型對α粒子散射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象作出理論預(yù)測，然后和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行對比，有助于學(xué)生認(rèn)識實(shí)踐對理論的檢驗(yàn)作用，更好地理解科學(xué)的本質(zhì).

參 考 文 獻(xiàn)

1人民教育出版社課程教材研究所編著.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書 物理·選修3-5(第1版).北京：人民教育出版社，2005

2陳熙謀，吳祖仁主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書 物理·選修3-5(第1版).北京：教育科學(xué)出版社，2006

3中華人民共和國教育部制訂.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(第1版).北京：人民教育出版社，2003

4梁永平.促進(jìn)學(xué)生科學(xué)本質(zhì)理解的教學(xué)設(shè)計(jì). 教改實(shí)踐與探索，2008(9)：5

5張妙靜.原子物理教學(xué)中科學(xué)素養(yǎng)目標(biāo)要素的思考.廣西物理，2009(2)：48～50

6夏桂錢.原子物理課的二次設(shè)計(jì)與思考.物理教學(xué)，2011(3)：21～22

7陳惠娟.“原子核式結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)”的創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì).物理教師，2002(9)：11～12

8季薛慶. 融入科學(xué)史凸顯科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)探討——以原子結(jié)構(gòu)模型教學(xué)為例. 科學(xué)教育, 2010(2)：16～17