原子分子論確立的“四階段論”及其對(duì)教學(xué)的啟示

趙存梅 莫尊理

摘要：簡(jiǎn)單梳理了原子分子論確立的四個(gè)基本階段：從古希臘時(shí)期德謨克里特提出的古典原子論，到道爾頓提出的原子論，從阿伏伽德羅提出的分子學(xué)說(shuō)到康尼查羅對(duì)原子分子論地位確立的貢獻(xiàn)，將原子分子論確立的過(guò)程概括總結(jié)為四個(gè)階段，并將其融入到實(shí)際教學(xué)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的微粒觀與系統(tǒng)思維。

關(guān)鍵詞：原子分子論；確立過(guò)程；系統(tǒng)化思維

文章編號(hào)：1008-0546（ 2023）09-0020-04

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2023.09.004＼

一、原子分子論確立的四個(gè)階段

1．德謨克利特原子論

德謨克里特（Democritus，約460B.C．一361B.C．）原子論也被稱為古典原子論，其提出的時(shí)間可以追溯到公元前400年。實(shí)際上，德謨克利特的原子論并非由他獨(dú)自發(fā)現(xiàn)而提出，其繼承于他的導(dǎo)師愛(ài)奧尼亞學(xué)派的留基伯（Leucippus， 500B.C．一440B.C．）所提出的原子論。由于古希臘時(shí)期的科學(xué)技術(shù)水平有限，人們對(duì)于微觀世界的探索更多地源于推測(cè)且伴有一定的神學(xué)色彩，但愛(ài)奧尼亞學(xué)派在這一點(diǎn)上有所突破，他們?cè)噲D用合理的解釋來(lái)代替詩(shī)人的思考，用理性的思考打破神秘的力量。這使得德謨克里特的原子論脫離“神”的范疇，其內(nèi)容濃縮并蘊(yùn)含愛(ài)奧尼亞學(xué)派的思想與理性主義特點(diǎn)。

古典原子論并不是經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的科學(xué)理論，而是哲學(xué)家基于宇宙萬(wàn)物的思考進(jìn)行的“推測(cè)”與“猜想”。德謨克里特就認(rèn)為萬(wàn)物是由原子和虛空構(gòu)成，原子不能白生白滅，它只能在虛空中做永不停息的運(yùn)動(dòng)、進(jìn)而構(gòu)成萬(wàn)物。原子是硬的，有大小和形狀，或許還有重量（這點(diǎn)有爭(zhēng)論）。[1]德謨克里特原子論預(yù)言了原子的存在，提出了極為先進(jìn)的觀點(diǎn)，同時(shí)他肯定了人們的感覺(jué)和思想是客觀世界的反映，體現(xiàn)了其唯物主義哲學(xué)思考。然而，其發(fā)展與傳播并不順利。德謨克里特原子論跟亞里士多德（Aristotle， 384B.C．一322B.C.）主張的連續(xù)學(xué)說(shuō)相悖，[2]連續(xù)學(xué)說(shuō)認(rèn)為萬(wàn)物可以無(wú)限分割，按照這一理論，世間將不存在原子之類的物質(zhì)。因此，德謨克里特原子論在與反對(duì)學(xué)說(shuō)的斗爭(zhēng)中延續(xù)了幾個(gè)世紀(jì)。后來(lái)，羅伯特·波義爾（Rob—ert Boyle，162 7-1691）、艾薩克·牛頓（Isaac Newton，1643-1727）等人通過(guò)努力，嘗試著讓原子論褪去哲學(xué)外衣，盡管他們的理論并沒(méi)有掀起太大的波瀾，但到18世紀(jì)末，“物質(zhì)是由小微粒構(gòu)成”這一觀點(diǎn)風(fēng)靡整個(gè)科學(xué)界。只不過(guò)，由于時(shí)代限制，其理論無(wú)法被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，德謨克里特原子論只停留在哲學(xué)思辨的范疇，始終只是人們對(duì)于微觀世界的臆想。

2．道爾頓原子論

2200年后的18世紀(jì)，道爾頓（John Dalton，1766—1844）的研究使得古老的原子論再現(xiàn)生機(jī)。道爾頓在研究不同氣體在水中的溶解度不同時(shí)不禁思考，是不是由于構(gòu)成氣體微粒大小不同造成的溶解度差異？為了解決這一問(wèn)題，道爾頓開(kāi)始自己的研究。1 808年，道爾頓出版《化學(xué)哲學(xué)新體系》（A New System ofChemical Philosophy）并詳細(xì)闡述了他的原子論，其核心內(nèi)容可參考表1。[1]

他在總結(jié)了前人的觀點(diǎn)后，認(rèn)為使得原子論科學(xué)化的關(guān)鍵，是要將原子的認(rèn)識(shí)從定性轉(zhuǎn)向定量——測(cè)定原子量。道爾頓首先測(cè)量出了最輕的原子——?dú)?，并以氫原子量作為基?zhǔn)，利用化學(xué)家對(duì)一些物質(zhì)的分析結(jié)果，換算出一批原子的相對(duì)質(zhì)量。世界上第一張?jiān)酉鄬?duì)質(zhì)量表，就記載在道爾頓1803年9月6日的日記本中，之后道爾頓通過(guò)氫元素測(cè)算出多種元素以及化合物的相對(duì)原子質(zhì)量，如圖1所示[3]。

由于符合近代實(shí)證主義科學(xué)觀與方法論，因此，道爾頓原子論也被稱為科學(xué)原子論。正如道爾頓本人所說(shuō)“有些人總把我的原子學(xué)說(shuō)叫做假設(shè)，不過(guò)請(qǐng)相信我，我的原子學(xué)說(shuō)是真理，我所得到的全部實(shí)驗(yàn)結(jié)果使我對(duì)這一點(diǎn)深信不疑?！盵1]科學(xué)原子論最大的特點(diǎn)就是具有實(shí)證性的證據(jù)做支持，這讓原子論從“天上的星星”變?yōu)椤奥涞氐姆N子”。雖然原子論的提出成為了化學(xué)界的一個(gè)重大的發(fā)現(xiàn)和進(jìn)步，但是隨著人們對(duì)于原子論更加深入的認(rèn)識(shí)，原子論中的部分觀點(diǎn)仍然存在爭(zhēng)議。

3．阿伏伽德羅分子假說(shuō)

阿伏伽德羅（ AmedeoAvogadro，1776-1856）的分子假說(shuō)剛問(wèn)世時(shí)并沒(méi)有被世人所普遍接納。在道爾頓提出原子論不久后，阿伏加德羅不僅發(fā)現(xiàn)了道爾頓原子論存在的問(wèn)題，還提出解決的辦法即引入分子概念。阿伏伽德羅的分子假說(shuō)認(rèn)為，原子與物質(zhì)之間還存在著一個(gè)中間體，這個(gè)中間體就是分子。原子會(huì)成比例組合成分子，分子可以再分為原子，且分子是保持這個(gè)物質(zhì)性質(zhì)的微粒。

然而，阿伏伽德羅分子假說(shuō)在當(dāng)時(shí)并未引起重視，主要原兇可以總結(jié)為三點(diǎn)：一是由于權(quán)威者的反對(duì)與阻礙。相比分子論，原子論更早面世，并且南于其得出結(jié)論的過(guò)程更具有科學(xué)規(guī)范性，因此，在極短的時(shí)間內(nèi)道爾頓原子論擁有大批擁護(hù)者，而道爾頓本人也對(duì)自己的原子論深信不疑，這使得他不愿接受其他理論觀點(diǎn)。二是分子論與當(dāng)時(shí)另一位權(quán)威化學(xué)家貝采利烏斯（Berzelius Jons Jakob， 1728-1799）提出的電化二元論的觀點(diǎn)相悖。在兩位權(quán)威科學(xué)家都不支持分子論的情況下，即使阿伏伽德羅連續(xù)發(fā)表三篇文章來(lái)闡述分子論，都未被引起關(guān)注。三是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的技術(shù)限制，分子論本身無(wú)法被證實(shí)。盡管分子論具備了一定的意義與價(jià)值，但是從當(dāng)時(shí)科學(xué)家的視角來(lái)看，它更多是一種假說(shuō)，沒(méi)有實(shí)際的證據(jù)可以證明分子的存在。也就是說(shuō)在科學(xué)家眼中，阿伏加德羅提出的分子論只是對(duì)微觀粒子的猜想，如果接受分子論，就代表著讓已經(jīng)逐漸清晰的微觀世界再次變得模糊，而這也是許多科學(xué)家無(wú)法接受的。就在這樣內(nèi)外兇的雙重作用下，分子論并沒(méi)有登上歷史舞臺(tái)，甚至到阿伏加德羅去世之后多年，他提出的分子論依然被埋沒(méi)在歷史巾。

4．、尼查羅與原子分子論

康尼查羅（Connie Charo， 1826-1910）被視為終結(jié)原子分子論“混戰(zhàn)時(shí)代”的人，當(dāng)時(shí)的西方化學(xué)界從原子量到化學(xué)命名等諸多內(nèi)容方面都存在眾多的體系，這造成了化學(xué)理論的研究變得臃腫且復(fù)雜。為此，德國(guó)化學(xué)家凱庫(kù)勒（FriedrichA．Kekule， 1829—1896）等人提議召開(kāi)一場(chǎng)會(huì)議，并通過(guò)會(huì)議統(tǒng)一化學(xué)的諸多紛爭(zhēng)，這就是歷史上的第一次國(guó)際化學(xué)科學(xué)會(huì)議——卡爾斯魯厄會(huì)議。在會(huì)議快要結(jié)束時(shí)，會(huì)場(chǎng)散發(fā)了一本名為《化學(xué)哲學(xué)教程提要》（Summary of thePhilosophy of Chemistry Tutorial）的冊(cè)子，其作者正是康尼查羅。在這本小冊(cè)子中，他提出確立原子量的方法：化合物里原子的數(shù)目是成整數(shù)的，則化合物中各元素的質(zhì)量是其原子量的整數(shù)倍?？的岵榱_的這一方法完全靠反映物質(zhì)本質(zhì)的原子分子論，所以測(cè)出來(lái)的原子量基本都是正確的。[4]在這基礎(chǔ)上，康尼查羅進(jìn)一步指出阿伏伽德羅分子假說(shuō)是目前唯一可以解決原子論中爭(zhēng)議與矛盾的理論，這樣的觀點(diǎn)得到了化學(xué)家們的廣泛支持，分子假說(shuō)也因此在阿伏伽德羅本人去世后50年終于被主流觀點(diǎn)所肯定。

康尼查羅對(duì)于原子分子論的確立看似沒(méi)有內(nèi)容上的突破貢獻(xiàn)，但他力主阿伏加德羅的分子假說(shuō)，并為其確立統(tǒng)一分歧，掃清障礙。盡管后來(lái)諸多科學(xué)家包括獲得諾貝爾獎(jiǎng)的德國(guó)化學(xué)家?jiàn)W斯特瓦爾德（F.W．Ostwald， 1853-1932）、奧地利物理學(xué)家馬赫（E.Mach，1838-1916）等在當(dāng)時(shí)都對(duì)原子和分子的存在持懷疑態(tài)度。后來(lái)，由于愛(ài)因斯坦、佩蘭等人從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面證實(shí)了原子和分子的客觀存在，原子分子論才被科學(xué)界廣泛接受。原子分子論地位的確立無(wú)疑是近代化學(xué)史上的一大進(jìn)步，其成為近代化學(xué)的理論基礎(chǔ)。

二、對(duì)實(shí)際教學(xué)的啟示

1．將原子分子論確立過(guò)程融入教學(xué)，建立新型的教學(xué)思路模型

義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)制定了學(xué)生掌握原子、分子、離子這些構(gòu)成物質(zhì)的微粒的標(biāo)準(zhǔn)，例如：“認(rèn)識(shí)物質(zhì)的微粒性，知道分子、原子、離子等都是構(gòu)成物質(zhì)的微?！薄澳苡梦⒘５挠^點(diǎn)解釋某些常見(jiàn)的現(xiàn)象”“知道原子是由原子核和核外電子構(gòu)成的”“知道原子可以結(jié)合成分子，同一元素的原子和離子可以互相轉(zhuǎn)化?！盵5]然而，實(shí)際的教學(xué)效果卻不盡人意。通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，教師采用傳統(tǒng)教學(xué)思路上本節(jié)課，盡管學(xué)生已學(xué)過(guò)元素、原子、分子的概念，但班級(jí)中仍然有80%以上的同學(xué)不理解原子與分子究竟是什么。[6]

造成這種結(jié)果的主要原因是學(xué)生無(wú)法從更為深刻的角度理解原子與分子的存在意義。更多時(shí)候，學(xué)生只是理解原子與分子的概念內(nèi)容，但對(duì)其來(lái)龍去脈的認(rèn)識(shí)并不完整，這樣的情況造成了學(xué)生僅能做到認(rèn)識(shí)微觀世界中存在分子與原子，但無(wú)法理解原子分子理論的歷史意義與學(xué)科價(jià)值。

因此，建立清晰的原子分子發(fā)展脈絡(luò)十分必要。教師展示原子分子理論確立的“開(kāi)始一突破一修正一總結(jié)”四個(gè)具有時(shí)代意義的時(shí)期，學(xué)生可將原子分子的發(fā)展看做一個(gè)動(dòng)態(tài)并且聯(lián)系緊密的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程不僅蘊(yùn)含著科學(xué)知識(shí)，其背后更是滲透著科學(xué)思維、科學(xué)精神與科學(xué)態(tài)度?；谠撍悸?，可以構(gòu)建原子分子論確立過(guò)程與原子分子教學(xué)相融合的新型原子分子教學(xué)思路模型，如圖5所示。

學(xué)生通過(guò)對(duì)每一時(shí)期化學(xué)史素材的認(rèn)知，不僅能理解原子分子為何存在，更能意識(shí)到原子分子理論對(duì)化學(xué)科學(xué)的影響與重要性。

2．清晰完整的原子分子論確立過(guò)程有利于發(fā)展學(xué)生的系統(tǒng)思維

系統(tǒng)，顧名思義就是連續(xù)的、全面的要素組成的一個(gè)有機(jī)整體。系統(tǒng)思維來(lái)源于系統(tǒng)論，是一種運(yùn)用系統(tǒng)觀點(diǎn)來(lái)分析綜合、考察認(rèn)知事物的思維方法。[7]系統(tǒng)思維把認(rèn)識(shí)對(duì)象當(dāng)成一個(gè)有機(jī)整體，從整體與要素、要素之間、要素與環(huán)境之間的相互作用、相互影響中達(dá)到對(duì)事物的綜合、全面的認(rèn)識(shí)。把原子分子論的確立過(guò)程當(dāng)成一個(gè)系統(tǒng)，可從德謨克里特、道爾頓、阿伏伽德羅、康尼查羅這四個(gè)“要素”出發(fā)，將其研究?jī)?nèi)容的核心概念作為更小的系統(tǒng)。德謨克里特原子論可細(xì)分為更小的系統(tǒng)（原子很小、永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)）；道爾頓原子論可細(xì)分為更小的系統(tǒng)（簡(jiǎn)單原子、復(fù)雜原子、原子量）；阿伏伽德羅原子論可細(xì)分為更小的系統(tǒng)（分子論、分子可分），最后康尼查羅做了綜合統(tǒng)一的工作。原子分子論確立的過(guò)程存在于更大的系統(tǒng)（科學(xué)史發(fā)展的過(guò)程），受到這個(gè)更大系統(tǒng)的引領(lǐng)與制約。原子分子論的確立過(guò)程中要素、系統(tǒng)、更大系統(tǒng)之間的關(guān)系如圖4所示。

用整體、綜合、系統(tǒng)的視角認(rèn)識(shí)原子分子確立過(guò)程，能幫助學(xué)生建立原子分子知識(shí)之間的聯(lián)系，加深學(xué)生對(duì)每個(gè)階段史實(shí)的感受，體會(huì)其中蘊(yùn)含的科學(xué)價(jià)值與思想，促進(jìn)學(xué)生系統(tǒng)思維的發(fā)展。兇此，在實(shí)際的教學(xué)中，教師務(wù)必要梳理原子分子論確立的歷史脈絡(luò)，帶領(lǐng)學(xué)生挖掘其中的學(xué)科價(jià)值，絕不能簡(jiǎn)單地對(duì)化學(xué)史“一引了事”。

原子分子理論貫穿在整個(gè)初中及之后的化學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程中，它不僅要求學(xué)生對(duì)具體知識(shí)學(xué)習(xí)與掌握，也是學(xué)生對(duì)于化學(xué)學(xué)科整體認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)。這使得原子分子論不僅承擔(dān)著引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)微觀世界的橋梁作用，也承擔(dān)著啟蒙學(xué)生科學(xué)思想、科學(xué)態(tài)度等作用。這些內(nèi)容不僅需要教師通過(guò)語(yǔ)言傳達(dá)，也需要依托素材運(yùn)用與情境的創(chuàng)設(shè)，讓學(xué)生產(chǎn)生反思與感悟。原子分子論的確立過(guò)程蘊(yùn)含著豐富的學(xué)科思維，滲透著科學(xué)本質(zhì)觀思想，其結(jié)合了科學(xué)的思考與規(guī)范的實(shí)驗(yàn)，詮釋了科學(xué)家鍥而不舍的科學(xué)精神，尤其是科學(xué)家們大膽的質(zhì)疑與批判精神，在很大程度上推動(dòng)了科學(xué)理論的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 張德生，徐汪華．化學(xué)史簡(jiǎn)明教程（第二版）[M]．合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2017：56-68.

[2] 山岡望．化學(xué)史傳（第一版）[M].北京：商務(wù)印書(shū)館，1995：90-94．

[3] 任同祥，周濤，王軍，宋盼淑，等．元素原予量測(cè)量及其演進(jìn)[J].化學(xué)通報(bào)，2020，83（04）：377-383.

[4] 張玉春，“原子一分子”論的創(chuàng)立及其對(duì)我們的啟迪[J]．化學(xué) 育，2009，30（12）：81-84.

[5] 中華人民共和國(guó)教育部，義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）[S]．北京：北京師范大學(xué)出版社2012：24.

[6] 朱雪琴，龔穎潮．建構(gòu)新知，形成概念——九年級(jí)化學(xué)“分子和原子”教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐反思[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參，201 5，（5）：16-19．

[7] 張順清．基于系統(tǒng)思維的化學(xué)教學(xué)——以“元素化合物、化工生產(chǎn)、化學(xué)實(shí)驗(yàn)”為例[J]．中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2020（23）：5-8.