《原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識》中的科學(xué)探究

侯紅平

1996聯(lián)合國教科文組織提出：學(xué)會求知、做事、共處、生存、改變，才能成功地融入未來社會，提出了基于核心素養(yǎng)的完整學(xué)習(xí)藍(lán)圖，物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)。主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個方面。

科學(xué)探究是指提出科學(xué)問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計實(shí)驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估、反思的能力。

在中學(xué)物理課程中，學(xué)生可以通過自己的探究活動來學(xué)習(xí)科學(xué)探究，也可以通過前人的探究活動學(xué)習(xí)科學(xué)探究。在科學(xué)研究中，科學(xué)家們通過對實(shí)驗事實(shí)的分析，提出模型或假說，這些模型或假說又在實(shí)驗中接受檢驗，正確的被肯定，經(jīng)不起檢驗的被否定，在新的基礎(chǔ)上再提出新的學(xué)說?？茖W(xué)研究就是這樣不斷向前發(fā)展。人類對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，生動地體現(xiàn)了科學(xué)發(fā)展的這種過程。學(xué)生通過這段歷史可以進(jìn)一步了解科學(xué)探究的過程，了解人類認(rèn)識微觀世界的方法和途徑，有利于培養(yǎng)學(xué)生的探索興趣，發(fā)展他們的思維能力。

第一階段：湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子，認(rèn)識到原子內(nèi)部也有結(jié)構(gòu)。

發(fā)現(xiàn)陰極射線——質(zhì)疑——陰極射線是電磁輻射？還是帶電微粒？——湯姆孫實(shí)驗——電子是原子的組成部分

第二階段：推測原子中電荷的分布，認(rèn)識到原子的核式結(jié)構(gòu)。湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子以后，湯姆孫提出的原子模型能夠解釋一些實(shí)驗事實(shí)，但是對于新的a粒子散射實(shí)驗事實(shí)的分析，使盧瑟福否定了湯姆孫的原子模型，得出存在原子核的結(jié)論。a粒子散射實(shí)驗使人們對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識又深入了一步。

第三階段：在對電子運(yùn)動的研究中，經(jīng)典電磁理論遇到了矛盾（原子的穩(wěn)定性和原子光譜的分立特征），玻爾提出了新的觀念。

盧瑟福提出的原子的核式結(jié)構(gòu)模型可以很好地解釋a粒子散射實(shí)驗，但是無法解釋原子的穩(wěn)定性和原子的分立光譜，玻爾提出了新的觀念。

玻爾的原子模型也是不完善的，它解決了原子的穩(wěn)定性問題，很好地解釋甚至預(yù)言了氫原子的光譜，但是面對更復(fù)雜的原子，玻爾理論也無能為力。在后來發(fā)展的原子量子理論中，玻爾提出的定態(tài)和在定態(tài)之間躍遷的概念都被保留下來，而不正確的經(jīng)典軌道概念就被拋棄了。

人類對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識的科學(xué)探究過程中“猜想”是創(chuàng)新的基礎(chǔ)。對于微觀世界，人們看不見摸不著，如果缺乏豐富的想象力，不能從現(xiàn)有的經(jīng)驗、知識和觀察到的實(shí)驗現(xiàn)象進(jìn)行大膽的、富于想象力的猜想，就不可能設(shè)計出新的有針對性的實(shí)驗和創(chuàng)新理論構(gòu)建，就沒有今天物理學(xué)的輝煌成就。①在探究原子核的組成時：盧瑟福猜想，原子核內(nèi)可能還存在著另一種粒子—中子②在探究“核子間相互作用”時：核物理學(xué)家猜想，原子核里的核子間有第三種相互作用存在，后來的實(shí)驗證實(shí)了科學(xué)家的猜測。

當(dāng)然實(shí)驗仍然是探索微觀世界奧秘的基礎(chǔ)，首先，猜想和假說本身就是在對大量實(shí)驗數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上提出的，而所提出的新的假說或根據(jù)假說提出的一些可檢驗的預(yù)見又必須經(jīng)受實(shí)驗的檢驗。比如質(zhì)子、中子的發(fā)現(xiàn)，原子核結(jié)構(gòu)模型的提出都是如此。又如肉眼看不見射線，但是，射線中的粒子與其他物質(zhì)作用時產(chǎn)生的現(xiàn)象，會顯示射線的存在。盧瑟福a粒子散射實(shí)驗、查德威克發(fā)現(xiàn)中子的實(shí)驗、天然放射現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)歷程中的一系列實(shí)驗、哈恩的裂變實(shí)驗、費(fèi)米建立第一個核反應(yīng)堆等大量探究微觀世界的實(shí)驗。

認(rèn)識原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)，經(jīng)歷了“實(shí)驗事實(shí)→猜想（預(yù)言）→實(shí)驗驗證”的過程，這個過程充分表明了人類對微觀世界的認(rèn)識是不斷擴(kuò)大和加深的，人類認(rèn)識原子核組成的歷史過程和研究方法具有典型性。物理教學(xué)中應(yīng)滲透這種探索微觀世界的科學(xué)方法

光電效應(yīng)實(shí)驗規(guī)律與經(jīng)典電磁理論的矛盾導(dǎo)致愛因斯坦提出光量子假說；基于光量子假說得出的光電效應(yīng)方程圓滿解釋了光電效應(yīng)并得到密立根實(shí)驗的進(jìn)一步支持，這就跨出了真正說明物質(zhì)世界量子性的科學(xué)腳步。物理教學(xué)應(yīng)該培育學(xué)生對新事物敏感的思維品質(zhì)，鼓勵他們敢于解脫傳統(tǒng)觀念，勇于提出新見解。假以時日，也許就可以改變學(xué)生習(xí)慣于墨守成規(guī)，批判與創(chuàng)新意識淡薄的狀況。

培根說過：“學(xué)問并不是把它們本身的用途教給我們，如何運(yùn)用這些學(xué)問乃是學(xué)問以外的、學(xué)問以上的一種智慧?！彼f的“學(xué)問”就是具體的知識，而“智慧”則是對科學(xué)方法的把握。物理學(xué)的重要概念是怎樣形成和演變的？它的理論體系又是如何發(fā)展和完善起來的？這些歷史的追問能使受教育者感悟物理學(xué)的發(fā)展是由一次次重大思想的突破和研究方法的進(jìn)步所結(jié)晶出來的。這其中包含著對傳統(tǒng)觀念的一次次解脫和前輩科學(xué)家的獨(dú)特思考與探索。引領(lǐng)學(xué)生從中接受科學(xué)思維和科學(xué)方法的熏陶，從科學(xué)嬗變的歷史軌跡中，領(lǐng)悟科學(xué)探究的精髓，激發(fā)學(xué)習(xí)科學(xué)、探索未知的勇氣與信心，是物理教學(xué)的“畫龍點(diǎn)睛”之筆。