基于科學(xué)史和科學(xué)哲學(xué)構(gòu)建化學(xué)課堂和學(xué)生人生的新格局

陸春梅

摘 要：在分析原子結(jié)構(gòu)演變史的教學(xué)基礎(chǔ)上，依據(jù)原子結(jié)構(gòu)演變史背后的大規(guī)律，將哲學(xué)的經(jīng)典三問——原子，你從哪里來？你是誰？你到哪里去？和科學(xué)史相結(jié)合，同時(shí)結(jié)合教材編寫規(guī)律與科學(xué)發(fā)展史相結(jié)合，教材編寫與學(xué)生認(rèn)知規(guī)律相結(jié)合，從而構(gòu)建化學(xué)課的新高度，給學(xué)生學(xué)習(xí)的新角度，給學(xué)生思考自己人生的支點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：人類科學(xué)史;原子結(jié)構(gòu)演變史;科學(xué)范式;認(rèn)知規(guī)律

一、教學(xué)現(xiàn)狀分析

查閱很多的期刊，發(fā)現(xiàn)對(duì)原子結(jié)構(gòu)的演繹很多是局限于原子結(jié)構(gòu)推動(dòng)的細(xì)節(jié)作為教學(xué)重點(diǎn)，分析每個(gè)模型出現(xiàn)的原因和理由，這樣做的意義在于教會(huì)學(xué)生“證據(jù)推理和模型認(rèn)知”的能力。在這一點(diǎn)上，原子演變史確實(shí)是一個(gè)經(jīng)典的模型。但是本人覺得如此處理對(duì)于原子演變史還是太膚淺了些。對(duì)于“證據(jù)推理和模型認(rèn)知”這樣的教學(xué)目標(biāo)，我們有很多的機(jī)會(huì)去落實(shí)。這樣分析原子結(jié)構(gòu)的發(fā)展細(xì)節(jié)，這些儀器和觀點(diǎn)離學(xué)生太遠(yuǎn)，只能給學(xué)生增加認(rèn)知困難和學(xué)習(xí)化學(xué)的心理負(fù)擔(dān)。

那么如何處理可以給學(xué)生更深層次的意義呢？

二、剖析原子結(jié)構(gòu)演變史

原子結(jié)構(gòu)演變史是一個(gè)非常經(jīng)典的科學(xué)范式。

（一）從時(shí)間維度分析，原子模型可以說經(jīng)過了三個(gè)階段。

第一階段：它從遠(yuǎn)古走來，公元前460年-前370年的哲學(xué)家德謨克利特就提出了原子，經(jīng)過漫長(zhǎng)的時(shí)間的孕育到出現(xiàn)道爾頓的實(shí)心球模型，這是浪漫孕育的過程，是量變引起質(zhì)變的過程。從哲學(xué)意義的原子到科學(xué)意義的原子的過程。

第二階段：湯姆孫的棗糕模型、盧瑟福的行星模型、玻爾的軌道模型。從道爾頓到湯姆孫可以說是質(zhì)的飛躍，就如神話故事中的盤古開天辟地，開啟人們對(duì)原子結(jié)構(gòu)的精確求知過程，這個(gè)階段是在牛頓經(jīng)典力學(xué)系統(tǒng)中生成的，有著明顯的宏觀世界映射微觀世界的局限性?？茖W(xué)家們?cè)诮?jīng)典力學(xué)的思維模式下不斷地對(duì)這一科學(xué)范式進(jìn)行修正的過程。

第三階段：薛定諤的電子云模型是量子力學(xué)的開啟。科學(xué)家們的思想越來越開發(fā)，思維越來越活躍。思想實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型越來越多，越來越多的科學(xué)家圍繞這個(gè)問題在不斷地研究。未來，可能出現(xiàn)的情況更值得我們?nèi)テ诖?/p>

原子演變史分為這樣三階段，更能體現(xiàn)出科學(xué)革命的結(jié)構(gòu)、科學(xué)范式的研究的特點(diǎn)。這樣的三階段，可以體現(xiàn)科學(xué)革命的完整結(jié)構(gòu)，同一個(gè)研究對(duì)象，經(jīng)歷了不同范式的變革即革命。因?yàn)樵咏Y(jié)構(gòu)的追尋經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的過程，穿插于人類的整個(gè)發(fā)展史，所以這個(gè)案例太經(jīng)典、太難得了。

（二）從人物維度分析：

參與追尋原子的人員來說，有詩(shī)人、哲學(xué)家、科學(xué)家、文學(xué)家等等。

原子首先是由哲學(xué)家德謨克利特提出的。那是的原子是哲學(xué)意義的。

詩(shī)人、文學(xué)家們對(duì)原子也是魂?duì)繅?mèng)繞。公元前約99年～公元前約55年盧克萊修在《物性論》中寫道：“那些由原子的小型結(jié)合所構(gòu)成/并且最接近原子的物體/也由著那些不可見的撞擊而騷動(dòng)起來/之后這些東西又刺激更大些的東西/”“我們都來自同樣的種子/擁有同一個(gè)父親/”。莎士比亞在《羅密歐與朱麗葉》說：“統(tǒng)馭她的一對(duì)精靈原子，從鼻孔中進(jìn)入人的夢(mèng)鄉(xiāng)?！?/p>

科學(xué)家們更是夜以繼日的研究。

這個(gè)牽動(dòng)無數(shù)人的心的原子，學(xué)生們是不是也會(huì)對(duì)此充滿好奇呢？

（三）從原子結(jié)構(gòu)演變過程類比高一學(xué)生的學(xué)習(xí)歷程：

從原子結(jié)構(gòu)經(jīng)歷的三階段對(duì)比分析我們高一學(xué)生的學(xué)習(xí)經(jīng)歷。原子，經(jīng)過幾千年的沉淀和演變，現(xiàn)在在科學(xué)家的眼中就如一個(gè)少男少女，科學(xué)家們對(duì)它充滿好奇，它的結(jié)構(gòu)究竟如何？它的結(jié)構(gòu)有無限之可能！我們高一的學(xué)生，經(jīng)過了十二年的孕育，剛剛跨入高一的大門，開啟精確學(xué)習(xí)的旅程，他們也充滿著活力，未來無限可期。

結(jié)合以上三點(diǎn)，構(gòu)建原子結(jié)構(gòu)的教學(xué)我想到了將哲學(xué)的經(jīng)典三問——原子，你從哪里來？你是誰？你到哪里去？和科學(xué)史相結(jié)合，同時(shí)結(jié)合教材編寫規(guī)律與科學(xué)發(fā)展史相結(jié)合，教材編寫與學(xué)生認(rèn)知規(guī)律相結(jié)合，從而構(gòu)建化學(xué)課的新高度，給學(xué)生學(xué)習(xí)的新角度。

三、教學(xué)設(shè)計(jì)的意圖

基于這樣的背景下，對(duì)原子結(jié)構(gòu)的處理，我們可以綜合考慮如下：

（一）線——回顧人類科學(xué)發(fā)展史

提供繪制的科學(xué)史發(fā)展時(shí)間圖，回憶已學(xué)化學(xué)知識(shí)。體會(huì)人的認(rèn)知發(fā)展順序和教材構(gòu)建體系對(duì)知識(shí)邏輯性的重視。以門捷列夫?qū)妬y的元素的排序，教會(huì)學(xué)生認(rèn)知事物的角度和方法，體會(huì)門捷列夫善于發(fā)現(xiàn)問題的思維方式，體會(huì)科學(xué)家和我們思維方式的不同，思考自己學(xué)習(xí)方法提升的可能性。

（二）點(diǎn)——學(xué)習(xí)現(xiàn)行教材中的原子結(jié)構(gòu)

利用書本提供的數(shù)據(jù)，訓(xùn)練學(xué)生處理數(shù)據(jù)的能力，感受數(shù)據(jù)帶來的直觀性和說服力，重視數(shù)學(xué)在化學(xué)中的應(yīng)用。通過數(shù)據(jù)處理體會(huì)宏觀概念與微觀粒子之間的關(guān)系，使隱性知識(shí)顯性化。通過對(duì)稀有氣體核外電子層排布的分析，學(xué)會(huì)圖表的數(shù)據(jù)分析能力，歸納出原子排布的規(guī)律，滿足學(xué)生對(duì)原子結(jié)構(gòu)深入探索的欲望，幫助學(xué)生建立宏觀辨識(shí)與微觀探析之間的關(guān)系，為學(xué)生解決元素性質(zhì)與原子結(jié)構(gòu)、元素周期表中的位置之間的關(guān)系打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（三）線——原子結(jié)構(gòu)演變史

1.將學(xué)生置身于歷史情境中，分析這些模型之來源，補(bǔ)充材料告知學(xué)生模型之間演變的原因。了解原子模型的演變歷程，學(xué)生可以認(rèn)識(shí)到從宏觀到微觀結(jié)合的視角，分析和解決問題的重要性。了解科學(xué)研究過程中常需要依據(jù)物質(zhì)及其變化的信息建構(gòu)模型，提高模型認(rèn)知能力。認(rèn)識(shí)到科學(xué)理論并非亙古不變的永恒真理，科學(xué)始終激勵(lì)著推翻與革新。

2.可以找到科學(xué)發(fā)展的大規(guī)律，啟發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)和認(rèn)知。

借助教材和科學(xué)史不在細(xì)節(jié)上糾結(jié)，從宏觀層面上總結(jié)出科學(xué)的發(fā)展規(guī)律?？茖W(xué)家的批判思維本質(zhì)，相對(duì)真理的推陳出新的規(guī)律。讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)家的糾錯(cuò)能力，啟發(fā)學(xué)生思維方式的轉(zhuǎn)變。引導(dǎo)我們的學(xué)生跳出教材的局限，像科學(xué)家一樣思考。

（四）面——人類科學(xué)史和原子結(jié)構(gòu)演變史對(duì)比分析。

遠(yuǎn)看人類發(fā)展史，似乎人類的進(jìn)步是靠著點(diǎn)點(diǎn)滴滴的積累攢起來的，教科書就是給我們這樣的感覺。但這是一般規(guī)律，教科書的目的是普及知識(shí)，同時(shí)也是為我們積攢高度，可以讓我們?cè)谝阎氖澜绲幕A(chǔ)上明白未知的世界。走近原子結(jié)構(gòu)演變過程，我們發(fā)現(xiàn)推動(dòng)人類科技發(fā)展的是科學(xué)的革命式的理論的推陳出新。因此，我們?cè)诮邮芙炭茣R(shí)的同時(shí)，不要忘記自己的主觀能動(dòng)性，我們要像科學(xué)家一樣的思考問題。我們要勇于創(chuàng)新、勇于發(fā)現(xiàn)問題。

四、課例展示：

《原子結(jié)構(gòu)》教案

（一）教學(xué)目標(biāo)

1.回顧科學(xué)發(fā)展史、化學(xué)教材編排順序，了解人類認(rèn)知發(fā)展的規(guī)律及教材編寫的邏輯;了解元素周期表和原子結(jié)構(gòu)的地位和重要性。

2.計(jì)算和分析相關(guān)數(shù)據(jù)，知道質(zhì)量數(shù)的概念及構(gòu)成的微粒間的關(guān)系;體會(huì)化學(xué)研究有宏觀到微觀、由表面到本質(zhì)的發(fā)展過程;感受數(shù)據(jù)的直觀性和說服力。

3.找出原子核外電子的排布規(guī)律，能畫出1～20號(hào)元素的原子結(jié)構(gòu)示意圖;體會(huì)圖標(biāo)的分析方法。

4.分析原子結(jié)構(gòu)模型的發(fā)展史，了解原子結(jié)構(gòu)的發(fā)展和完善過程，滲透模型在科學(xué)家研究中的重要作用;體會(huì)科學(xué)范式的演變過程;感悟科學(xué)不斷自我糾錯(cuò)的特性，體會(huì)批判性思維是科學(xué)工作的關(guān)鍵要素。

（二）教學(xué)重點(diǎn)（略）

（三）教學(xué)難點(diǎn)（略）

（四）教學(xué)過程

[引入]詩(shī)歌

“我們都來自同樣的種子，擁有同一個(gè)父親”，這“種子”“父親”就是指原子，

原子，讓我們的哲學(xué)家、詩(shī)人們魂?duì)繅?mèng)繞，因?yàn)樗麄冊(cè)诓粩嗟刈穯柺澜缰驹?

原子，讓科學(xué)家夜以繼日，因?yàn)樵咏Y(jié)構(gòu)的揭秘可以解釋世間萬象。

1.原子，你從哪里來？

[思考與討論]小組合作

（1）沿著化學(xué)發(fā)展史，找一找你所熟悉的科學(xué)家或理論，和同學(xué)聊一聊你是在什么樣的場(chǎng)合與他們相遇的？

（2）回憶你所學(xué)過的化學(xué)知識(shí)，按照教材編寫的順序找一找他們?cè)诎l(fā)展史中的位置。你發(fā)現(xiàn)了什么規(guī)律嗎？如果讓你來編寫化學(xué)教科書，你會(huì)如何編排？

（3）什么是原子？在科學(xué)發(fā)展史中，原子的身影在哪里？出現(xiàn)的頻率如何？為什么？

2.原子，你是誰？

原子的質(zhì)量

[思考與討論]（小組合作）

（1）參照初中所學(xué)的相對(duì)原子質(zhì)量的計(jì)算方法，利用初中教材提供的數(shù)據(jù)，計(jì)算粒子的相對(duì)質(zhì)量（保留5位有效數(shù)字）。

（2）分析計(jì)算得到的數(shù)據(jù)，感受原子核與核外電子質(zhì)量之間的差距。

（3）近似處理計(jì)算得到的數(shù)據(jù)，體會(huì)粒子的相對(duì)質(zhì)量與粒子個(gè)數(shù)之間的關(guān)系。

3.原子核外電子的分層排布

[思考與討論]

下表是稀有氣體元素原子的電子層排布，從中你能發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律？請(qǐng)思考并討論下列問題。

（1）當(dāng)K成為最外層時(shí)，最多能容納的電子數(shù)是多少？除了K層，其他各層為最外層時(shí)，最多能容納的電子數(shù)是多少？

（2）次外層最多容納的電子數(shù)是多少？（學(xué)生對(duì)次外層的意思不是很清楚，需要解釋）

（3）你能歸納出第n層最多能容納的電子數(shù)嗎？

（4）請(qǐng)你根據(jù)所歸納的規(guī)律，用原子結(jié)構(gòu)示意圖表示核電荷數(shù)為1-20號(hào)元素原子的核外電子排布。

4.原子，你到哪里去？

[思考與討論]閱讀教材中P88的科學(xué)史話和補(bǔ)充材料：

（1）科學(xué)家們是怎樣一步一步探究原子結(jié)構(gòu)的？

（2）科學(xué)家們研究的問題是從哪里來的？他們?nèi)绾谓鉀Q問題？

（3）從他們的研究中你發(fā)現(xiàn)了哪些方法可以借鑒？

[總結(jié)]今天，我們借著小小的又舉足輕重的原子，站在上帝的視角：從時(shí)間上，跨越千古，知道了原子的前世今生——知道了我們現(xiàn)在所學(xué)的原子結(jié)構(gòu)模型——質(zhì)量數(shù)、核外電子排布的規(guī)律;展望未來，我們知道未來已來——量子力學(xué)已經(jīng)拉開帷幕。

五、教學(xué)反思

在常規(guī)教學(xué)實(shí)踐中，大多數(shù)老師對(duì)此部分的內(nèi)容并不重視，而且意識(shí)不到這部分內(nèi)容的重要性。很少老師會(huì)意識(shí)到門捷列夫當(dāng)時(shí)掌握的知識(shí)相當(dāng)于我們學(xué)生現(xiàn)在所掌握的知識(shí)量，門捷列夫想到將混亂的知識(shí)找到順序和規(guī)律，而學(xué)生在混亂中卻沒想到進(jìn)行歸納整理。學(xué)生在接受知識(shí)時(shí)的隨遇而安狀態(tài)使他們不能像科學(xué)家一樣的思考，也就不能使他們成為科學(xué)家，所以要提醒學(xué)生轉(zhuǎn)變自己的學(xué)習(xí)方式。

通常很多老師會(huì)將原子模型的推動(dòng)細(xì)節(jié)作為教學(xué)的重點(diǎn)，但是這樣的研究細(xì)節(jié)離學(xué)生太遠(yuǎn)，即便仔細(xì)分析對(duì)學(xué)生也意義不大，只能給學(xué)生增加心理負(fù)擔(dān)。在本節(jié)課中，借助教材和科學(xué)史，不在細(xì)節(jié)上糾結(jié)，而是從宏觀層面上總結(jié)出科學(xué)的發(fā)展規(guī)律，科學(xué)家的批判思維本質(zhì)，相對(duì)真理的推陳出新的規(guī)律。讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)家的糾錯(cuò)能力，啟發(fā)學(xué)生思維方式的轉(zhuǎn)變。引導(dǎo)我們的學(xué)生跳出教材的局限，像科學(xué)家一樣思考。

通過對(duì)原子結(jié)構(gòu)的三個(gè)問題“你是誰？你從哪里來？你到哪里去？”的追問，從“點(diǎn)、線、面”三個(gè)角度的分析，構(gòu)建學(xué)生學(xué)習(xí)的角度和格局，讓學(xué)生明白自己的思維特點(diǎn)，意識(shí)到自己的局限性，就可以跳出自己的“胡桃殼”，像科學(xué)家一樣的思考，構(gòu)建自己的詩(shī)和遠(yuǎn)方。

參考文獻(xiàn)

[1]楊封友.基于科學(xué)要素的化學(xué)史教學(xué)設(shè)計(jì)——以“原子結(jié)構(gòu)的模型”教學(xué)為例[J].化學(xué)教與學(xué)，2019（12）

[2]王小芳.淺談初中科學(xué)中的科學(xué)史教學(xué)——以《原子結(jié)構(gòu)的模型》為例[J].都市家教：上半月，2013（6）：17-17.

[3]周萬偉.基于化學(xué)史的教學(xué)設(shè)計(jì)——認(rèn)識(shí)原子的結(jié)構(gòu)[J].新課程，2019，000（032）：P.100-101.