核心素養(yǎng)理念下的教材分析與教學建議①
——以“原子核式結構模型”為例

(江蘇省南京市雨花臺中學，江蘇 南京 210012)

“原子核式結構的模型”是人教版高中物理選修3-5第十八章“原子結構”的重點內(nèi)容，本節(jié)不僅給我們展現(xiàn)了一個完美的微觀世界，也呈現(xiàn)了科學家在原子領域進行的艱辛探究和耀眼的思想光芒，是培育學生核心素養(yǎng)的絕好素材。

受實驗器材、條件的限制，教材中的實驗無法直接演示，使得本節(jié)內(nèi)容抽象難懂，加之高考涉及這部分的內(nèi)容也較少，不少老師在處理這部分內(nèi)容時，常常是蜻蜒點水，不重視呈現(xiàn)人類探究原子結構的真實歷程，不挖掘其中的教育價值，僅是把原子結構的知識簡單地介紹給學生，教學重點放在實驗現(xiàn)象和結論的記憶與應用上，導致學生機械、被動地接受知識，從而失去一次培育物理核心素養(yǎng)的良機。如何將核心素養(yǎng)的培育任務分解到教學的各個環(huán)節(jié)？如何在學習本節(jié)知識過程中幫助學生形成物理觀念，領悟科學方法，發(fā)展科學思維，培養(yǎng)科學態(tài)度和責任？本文試圖從這些方面對“原子核式結構的模型”一節(jié)進行深入分析，并提出教學建議。

1 核心素養(yǎng)要素分析

本節(jié)課是在上一節(jié)“電子的發(fā)現(xiàn)”的基礎上，以科學發(fā)展的歷史為背景，通過對經(jīng)典實驗的模擬，呈現(xiàn)科學家的探究過程，引導學生逐步分析、推理、建構，從而得出原子的核式結構。整節(jié)內(nèi)容凸顯實驗探究和科學思維，囊括“物理觀念”“科學思維”“實驗探究”“科學態(tài)度和責任”等多方面要素，充分體現(xiàn)了物理學科對提高學生核心素養(yǎng)的獨特作用。

1.1 物理觀念

(1) 物質(zhì)觀

電子的發(fā)現(xiàn)打破了原子不可分的經(jīng)典物質(zhì)觀，使人們認識到原子也有內(nèi)部結構；α粒子散射實驗使人們對原子結構的認識由“實心均質(zhì)”上升到“核式”結構,原子結構模型的建構是一個不斷修正、不斷完善的過程。

(2) 運動與相互作用觀

α粒子散射實驗的本質(zhì)是粒子間的相互作用使粒子的運動狀態(tài)發(fā)生變化，體現(xiàn)了自然界中運動與相互作用觀。

(3) 發(fā)展觀

人類探究原子結構的歷程體現(xiàn)了科學研究的繼承性、修正性與發(fā)展性，由此幫助學生形成“科學研究的對象是客觀的”“科學知識是暫時性的、主觀的、建構性的，會不斷地被修正和推翻”等科學本質(zhì)觀。

1.2 科學思維

教材遵循歷史發(fā)展的循序，呈現(xiàn)了科學家探索原子結構的過程及相關的經(jīng)典實驗，將人類認識自然的科學探究過程“實驗現(xiàn)象→提出假設→理論解釋→新的實驗現(xiàn)象→新的假設或?qū)υ僭O的修正→形成科學理論”隱含于其中?？茖W家在探究中運用了邏輯推理、猜想假說、分析綜合、歸納演繹、模型建構等多種科學方法。這種呈現(xiàn)方式，既讓學生對原子結構有進一步認識，又體驗到了科學的思維過程，培養(yǎng)了創(chuàng)新思維能力。

1.3 科學探究

從電子的發(fā)現(xiàn)→湯姆生的“棗糕模型”→α粒子散射實驗→盧瑟福的“原子核式結構模型”的發(fā)展過程本身就蘊含著豐富的科學探究的教育元素，學生在回顧原子結構探究的過程中，了解人類認識微觀世界的方法和途徑，理解科學探究的本質(zhì)，體驗科學探究的樂趣。

1.4 科學態(tài)度和責任

采用將物理學史與探究學習相結合的方法，可以促進學生對科學的認識，領悟科學本質(zhì)，學習科學家堅持真理、敢于突破傳統(tǒng)理論、勇于創(chuàng)新、嚴謹自信和實事求是的科學態(tài)度和科學精神，體驗探究過程中的艱辛和喜悅，養(yǎng)成基于證據(jù)不懈探尋規(guī)律的科學素養(yǎng)和應用科學規(guī)律解釋自然界的習慣。

2 教學建議

2.1 圍繞核心概念的構建，促進物理觀念的形成

在人類認識原子結構的歷程中，經(jīng)歷了多次觀念的演進，蘊含著物質(zhì)觀、運動與相互作用觀、能量觀等物理觀念的教學內(nèi)容，是幫助學生形成物理觀念的一次很好機會。筆者認為本節(jié)課教學應當結合人類認識原子結構的歷史，圍繞著“原子結構”這一核心概念的發(fā)展和演變，演繹科學探究過程，啟發(fā)學生在基于證據(jù)進行科學推理的基礎上，運用運動與相互作用觀及分析歸納的方法，自主建構“原子結構”這一核心概念，引導學生深刻地理解“科學研究的對象是客觀的，科學知識是暫時性的、主觀的、建構性的，會不斷地被修正”，讓學生既學到知識，又增進了對科學本質(zhì)的認識。

例如，在回顧上節(jié)課內(nèi)容的基礎上，可先引導學生對湯姆生發(fā)現(xiàn)電子的意義進行分析、討論，幫助學生樹立原子是可分的觀念；在認識到電子是原子組成部分后，讓學生對原子的內(nèi)部結構進行猜想，從而引入湯姆生的“棗糕模型”——原子是“實心均勻”的；“棗糕模型”能夠解釋一些現(xiàn)象，可是勒納德的“高速電子很容易穿透原子”的實驗又表明原子不是實心的，引發(fā)學生對原子結構認識的又一次轉(zhuǎn)變；接著通過對“α粒子散射實驗”的模擬，把學生帶回盧瑟福的時代，體驗盧瑟福的研究過程，讓學生認識到“科學理論是建立在實證、求實的基礎上的”，由此形成正確的物質(zhì)觀。

2.2 創(chuàng)設原始問題情境，還原真實探究過程

作為一節(jié)概念探究課，本節(jié)課的重點是如何落實探究教學，讓學生體驗原子核式結構的建構過程，學會科學探究的方法，體會科學研究的繼承性、修正性與發(fā)展性。但在實際教學中，不少教師常常是機械地按著探究的步驟按部就班、依葫蘆畫瓢地開展，為什么要做α粒子散射實驗？實驗又是如何設計的？體現(xiàn)了怎樣的設計思想和研究方法？他們在上述方面輕描淡寫，鮮有涉及這種處理方法，違背了科學探究最重要的特征——“真實、開放”，學生失去了一次模擬科學家進行科學探究的寶貴機會。筆者認為本節(jié)課應將物理學史與科學探究有機結合起來,通過創(chuàng)設原始問題情境，還原真實的歷史背景，讓學生經(jīng)歷與科學家進行探究的相似過程，學習科學探究的方法，體驗科學探究的樂趣，養(yǎng)成科學的態(tài)度和精神。

例如，引導學生探究原子結構時，可設置以下問題：既然電子是原子的組成部分，電子帶負電，而原子是中性的，那么原子里是否還有其他物質(zhì)存在呢？原子中有帶負電的電子，又有帶正電的物質(zhì)，還可能有不帶電的物質(zhì)嗎？這些物質(zhì)是如何分布的？原子的結構應該是怎樣的?在這一系列問題的引導下，學生的思維被喚起，內(nèi)驅(qū)力被激發(fā)，并以探索者的角色參與到學習活動中。

在勒納德發(fā)現(xiàn)高速電子很容易穿透原子這一現(xiàn)象的基礎上，可設置以下問題：根據(jù)這個現(xiàn)象你對原子結構有什么新的認識？原子是不是實心的？內(nèi)部是什么結構？原子太小，無法直接觀測其內(nèi)部結構，怎么辦？一個圓形物體，如果不能打開它，又想知道里面是什么,有什么辦法?盧瑟福是怎樣做α粒子散射實驗的？學生在上述問題的引領下，既經(jīng)歷了α粒子散射實驗的設計過程，學到了微觀粒子結構的探究方法，又體驗到了科學的思維活動過程。

在用動畫模擬α粒子實驗現(xiàn)象后，設置如下問題：1微米厚的金箔內(nèi)有3000多個原子層，絕大多數(shù)α粒子穿過金箔仍沿原方向前進，這說明什么？按照湯姆生的棗糕模型，α粒子有沒有可能發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)？α粒子的大角度散射是與電子碰撞造成的嗎？你認為原子具有怎樣的結構，才有可能造成α粒子的大角度偏轉(zhuǎn)？學生在這些基于實驗現(xiàn)象而設置的問題情境中，經(jīng)歷了實驗現(xiàn)象的分析推理過程，建構了原子的核式結構模型，既掌握了知識、技能和方法，又很好地培養(yǎng)了科學探究能力。

2.3 注重科學方法教育

無論是原子結構的探究歷程，還是α粒子散射實驗本身，都蘊含著豐富的科學方法教育內(nèi)容?？茖W探究作為一根主線，貫穿在整個教學過程中，教學中要注意尊重學生的心理特征和認知規(guī)律，強化科學探究方法的顯性教育，從實驗現(xiàn)象→提出假設→理論解釋→新的實驗現(xiàn)象→新的假設(或?qū)υ僭O的修正)→形成科學理論，領會科學探究的方法。

科學假說是人類探究原子結構中重要的方法，從發(fā)現(xiàn)電子到提出原子核式結構的每個階段，科學假說總是處于先導地位，發(fā)揮了橋梁作用。因此，教學中應注重結合物理學史，深入挖掘原子結構理論的形成過程，把科學假說方法融入探究教學中，講清這些科學假說如何被提出、驗證，并上升到物理理論的過程，讓學生領會科學假說在物理學研究中的重要作用，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維能力。

微觀粒子的不可見性導致研究和認識原子結構困難重重，突破這一難點的方法就是“類比法”。教學中可利用“棗糕模型”來類比湯姆生的原子結構，利用“太陽系模型”類比盧瑟福的原子核式結構，讓學生對原子結構的認識趨于直觀。利用類比，還可以引導學生尋找實驗研究的突破口：未知物體可以用石塊砸開來觀察其內(nèi)部結構，原子能否用“石塊”砸開呢？以此幫助學生理解研究微觀粒子的實驗方法——“α粒子轟擊法”。在認識原子核的大小時，可利用“設想原子放大成一個半徑為10m的球體，原子核比一個小米粒還小”這樣的類比，幫助學生認識“原子的內(nèi)部大部分是空的”。

無論是“棗糕模型”還是“核式結構模型”，都是在觀察實驗的基礎上，通過分析推理而建立起來的，教學中要重視和發(fā)揮邏輯推理在探究學習中的作用，引導學生學會根據(jù)實驗現(xiàn)象展開分析、推理、建構、論證，培養(yǎng)推理、分析、綜合能力。

例如，在介紹湯姆生發(fā)現(xiàn)電子的基礎上，引導學生展開分析推理，得出原子不是組成物質(zhì)的最小微粒，原子是可分的，原子內(nèi)部還有帶正電的物質(zhì)，由此引入湯姆生的“棗糕模型”；在通過動畫模擬α粒子散射實驗現(xiàn)象后，啟發(fā)學生對實驗現(xiàn)象或數(shù)據(jù)進行分析、推理，由此構建出“原子的核式結構”模型。

2.4 重視利用多種課程資源，培養(yǎng)學生的科學態(tài)度與責任

人類對原子結構的認識是一個由淺入深、由不全面到比較全面的不斷深化、不斷完善的過程，閃爍著科學家的智慧光芒，也見證了科學家的艱辛探究，這些都是對學生進行科學態(tài)度教育的良好素材和生動實例，教學中教師要重視將教材、網(wǎng)絡、多媒體等多種課程資源進行整合，了解湯姆生、盧瑟福、道爾頓等人的生平事跡和科學成就，與學生共同體會科學精神的實質(zhì)，樹立尊重科學、運用科學、實事求是的科學態(tài)度。例如，在建立原子結構的核式模型的過程中，啟發(fā)學生討論湯姆孫“棗糕模型”是否合適？培養(yǎng)學生敢于懷疑、敢于實踐，敢于向傳統(tǒng)觀念和理論挑戰(zhàn)的精神；通過“盧瑟福及其助手分析了數(shù)十萬張α粒子轟擊金箔發(fā)生散射的照片，發(fā)現(xiàn)八千分之一的α粒子被反射回來的實驗結果”的介紹，引導學生學習盧瑟福追求真知的理性精神和批判精神，感受科學探究的艱辛與曲折及科學家高尚的人格魅力。

3 結語

微觀世界看不見、摸不著，單純靠講解，學生理解起來會比較困難，教學中要注重利用直觀性教具、多媒體等教學手段，化抽象為具體，變平面為立體，拉近微觀世界與學生的距離。例如，利用多媒體的動畫將原子結構的各種模型立體地、動態(tài)地模擬出來，幫助學生認識原子結構；α粒子散射實驗在中學階段難以演示，教學中可利用Flash動畫模擬實驗裝置及現(xiàn)象，展示盧瑟福探究原子結構的過程和思想方法。