原子結(jié)構(gòu)教學(xué)的科學(xué)觀與歷史觀

1、原子構(gòu)造教學(xué)的科學(xué)觀與歷史觀原子構(gòu)造教學(xué)的科學(xué)觀與歷史觀一、概述原子是構(gòu)成自然界萬(wàn)物的根本粒子，是化學(xué)反響中的最小微粒，是化學(xué)這座大樓的基矗原子構(gòu)造在化學(xué)和物理課程的教學(xué)中具有極其重要的地位，可以解釋物質(zhì)狀態(tài)、電離能、化學(xué)鍵和元素周期律等根本概念和原理。國(guó)內(nèi)很多化學(xué)教材對(duì)原子構(gòu)造和各種原子模型的介紹比較簡(jiǎn)單，而美國(guó)同類教材使用了很長(zhǎng)的篇幅來(lái)介紹原子構(gòu)造的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，如?化學(xué)物質(zhì)與變化?這本教材用25頁(yè)的篇幅詳盡介紹了各種原子模型如何相繼提出，科學(xué)家們?nèi)绾瓮ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)的觀察和分析一步步走近微小的原子世界，探究其中的精細(xì)構(gòu)造。這樣的教材編排更加有利于學(xué)生理解科學(xué)研究和開(kāi)展的真實(shí)歷程，學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法和培

2、養(yǎng)科學(xué)合作精神，對(duì)知識(shí)才能的提升和人文素質(zhì)的培養(yǎng)會(huì)起到積極作用，對(duì)我們教材的編寫和教學(xué)研究也有諸多借鑒之處。二、美國(guó)教材原子構(gòu)造部分設(shè)計(jì)特點(diǎn)1.引入部分深化淺出，表達(dá)了歷史觀GleneSiene出版的?物質(zhì)本性?教材開(kāi)篇把讀者帶回了2500年前的古希臘，在這個(gè)古代先哲輩出的國(guó)度很多哲學(xué)家已經(jīng)開(kāi)始熱烈討論一個(gè)問(wèn)題：自然界萬(wàn)物形態(tài)各異，它們到底是由什么物質(zhì)組成的，假設(shè)把任何宏觀物體無(wú)限分割，最后會(huì)得到什么。以一串珍珠為例引導(dǎo)學(xué)生們考慮倘假設(shè)把珍珠切成兩半，每一半再切成兩小半，這種分割是否可以一直進(jìn)展下去。?化學(xué)物質(zhì)與變化?開(kāi)篇就指出人類對(duì)原子構(gòu)造的認(rèn)識(shí)過(guò)程包含了很多思想家和科學(xué)家的有趣故事，早期的

3、希臘哲學(xué)家認(rèn)為任何物質(zhì)由土、水、空氣和火四種根本元素組成，物質(zhì)可以無(wú)止境地不斷分割下去。雖然這些觀點(diǎn)在當(dāng)時(shí)看來(lái)很有創(chuàng)造性，但卻無(wú)法用實(shí)驗(yàn)來(lái)證明其正確性。古希臘哲學(xué)家德謨克里特斯Deritus第一個(gè)提出物質(zhì)不可以無(wú)限分割，而是由很多根本粒子組成，這些粒子被稱為原子ats，在希臘語(yǔ)中意思就是無(wú)法繼續(xù)分割。雖然他的很多觀點(diǎn)并非完全正確，但他提出的原子觀相對(duì)于他所處的時(shí)代仍舊非常超前。后來(lái)亞里士多德對(duì)原子論進(jìn)展了反駁，由于他個(gè)本文由論文聯(lián)盟搜集整理人在西方世界的宏大影響力，接下來(lái)兩千多年人們對(duì)于原子的認(rèn)識(shí)仍舊停留于此，并未獲得本質(zhì)性的進(jìn)展。教材引入部分的介紹使學(xué)生感受到在科學(xué)研究的道路上有時(shí)獲得一點(diǎn)進(jìn)

4、步都是非常困難的，我們更多理解的是科學(xué)爆發(fā)期所產(chǎn)生的各種科學(xué)成果，但科學(xué)的寂靜期往往被人們所無(wú)視，而教材呈現(xiàn)出科學(xué)開(kāi)展進(jìn)步的真實(shí)歷程。2.科學(xué)實(shí)驗(yàn)介紹詳實(shí)，表達(dá)了理論觀電子的發(fā)現(xiàn)是原子構(gòu)造研究的重要成果，證明了原子是可以再分的。教材?物質(zhì)本性?詳細(xì)介紹了電子發(fā)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)裝置和過(guò)程。1870年英國(guó)科學(xué)家克魯克斯在一間暗室做實(shí)驗(yàn)時(shí)無(wú)意中觀察到從陰極發(fā)出的射線，雖然當(dāng)時(shí)對(duì)于陰極射線到底是微粒還是電磁波無(wú)法做出定論，但足以在科學(xué)界引起不小的震動(dòng)。很多科學(xué)家重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，其中湯姆生的工作尤其引人注目。他使用了不同材料做成陰極管，通電后發(fā)現(xiàn)都會(huì)產(chǎn)生陰極射線。為了研究陰極射線的本質(zhì)，湯姆生用磁鐵靠近陰極管，

5、假設(shè)陰極射線是帶電粒子那么在磁場(chǎng)中會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但電磁波不會(huì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明陰極射線是帶負(fù)電的粒子流電子。由于多種陰極材料通電后都會(huì)產(chǎn)生電子，從而證明電子是組成物質(zhì)的根本粒子之一。教材中對(duì)陰極射線管的構(gòu)造以圖文并茂的方式進(jìn)展了詳細(xì)介紹，幫助學(xué)生更好地理解陰極射線的本質(zhì)和電子的發(fā)現(xiàn)過(guò)程。教材同樣詳盡介紹了粒子散射實(shí)驗(yàn)的裝置，實(shí)驗(yàn)前盧瑟福預(yù)測(cè)的現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)實(shí)際觀察到的現(xiàn)象和盧瑟福如何通過(guò)推理分析提出新的原子核模型，闡述詳細(xì)而又精辟。電子和原子核的發(fā)現(xiàn)都是科學(xué)史上的重要事件，但從教材的表達(dá)可以看出電子和原子核發(fā)現(xiàn)過(guò)程具有一定偶然性，但一個(gè)出色的科學(xué)家不會(huì)輕易放過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的任何細(xì)節(jié)，能對(duì)一些易于忽略的實(shí)驗(yàn)

6、現(xiàn)象進(jìn)展深化研究，從而發(fā)現(xiàn)了背后的科學(xué)機(jī)密。3.以近代物理理論研究作鋪墊引出量子力學(xué)模型，表達(dá)了教材的前沿性?化學(xué)物質(zhì)與變化?在介紹電子排布規(guī)律之前首先介紹了很多近代物理學(xué)重要研究進(jìn)展，如電磁波譜、光的波動(dòng)性和粒子性，并通過(guò)光電效應(yīng)和原子發(fā)射光譜來(lái)闡述量子效應(yīng)。在介紹波爾提出的電子能級(jí)理論時(shí)指出這個(gè)理論雖然可以成功解釋氫原子的線狀光譜，但對(duì)其它原子卻都不適用，具有很大的局限性。在介紹原子的量子力學(xué)模型時(shí)，教材首先提到法國(guó)著名理論物理學(xué)家德布羅意的奉獻(xiàn)，他從光波的粒子性受到啟發(fā)，推測(cè)像電子這樣的粒子應(yīng)該也具有波動(dòng)性，通過(guò)研究他提出了德布羅意方程，從方程可以看出宏觀物體的德布羅意波長(zhǎng)很短，可以忽略

7、其波動(dòng)性，但像電子這樣微粒的德布羅意波長(zhǎng)相對(duì)于其尺寸那么不可以忽略，因此電子具有的波動(dòng)性可以被觀察到。教材還介紹了海森堡的測(cè)不準(zhǔn)原理，即不可能同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量出粒子的運(yùn)動(dòng)速率和所處的位置。通過(guò)計(jì)算得到高速運(yùn)動(dòng)電子位置的不確定性到達(dá)10-9米，大于原子直徑的10倍，因此不能忽略。教材最后介紹了薛定諤的量子力學(xué)模型，這個(gè)模型充分考慮了電子的波動(dòng)性，薛定諤方程賦予電子不同的能量，計(jì)算出電子在原子核周圍空間出現(xiàn)的概率。這些理論知識(shí)本身非常深?yuàn)W抽象，為了便于高中學(xué)生更好理解這些理論知識(shí)，教材使用類比舉例的方式進(jìn)展了細(xì)致介紹，明顯降低了理解的難度。通過(guò)對(duì)量子力學(xué)模型的介紹非常明晰地展示了其與波爾模型的差異。在

8、高中化學(xué)教材中介紹很多大學(xué)物理學(xué)教材的內(nèi)容似乎增加了學(xué)生的理解難度，其實(shí)這些并不會(huì)成為考試內(nèi)容，只是為了系統(tǒng)全面展示科學(xué)研究的真實(shí)歷程，更好地解釋電子在核外運(yùn)動(dòng)方式。這些富有挑戰(zhàn)性的理論可以激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)的探究欲望，特別是那些對(duì)科學(xué)有濃重興趣的學(xué)生，引導(dǎo)他們進(jìn)一步考慮這些復(fù)雜抽象的科學(xué)問(wèn)題。三、美國(guó)教材設(shè)計(jì)和編排對(duì)原子構(gòu)造教學(xué)的啟示1.重視科學(xué)開(kāi)展史實(shí)人類對(duì)于原子構(gòu)造的探究和研究經(jīng)歷了幾千年時(shí)間，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)、縝密分析和科學(xué)推理，對(duì)原子的認(rèn)識(shí)才能不斷走向深化，不斷接近真實(shí)。這是一個(gè)極其漫長(zhǎng)、艱辛而又充滿不確定性的探究之路。假設(shè)僅僅把原子構(gòu)造簡(jiǎn)單地介紹給學(xué)生可能會(huì)忽略科學(xué)探究的真實(shí)歷程，其中涉及

9、到的很多科學(xué)家的研究經(jīng)歷，設(shè)計(jì)的各種實(shí)驗(yàn)，分析推理的過(guò)程會(huì)被掩蓋。在傳統(tǒng)的理科教學(xué)中教師往往把教學(xué)重點(diǎn)放在科學(xué)結(jié)論本身，而對(duì)科學(xué)結(jié)論產(chǎn)生和開(kāi)展的過(guò)程往往介紹比較簡(jiǎn)單，這樣的處理一方面受到學(xué)時(shí)的限制，但也反映了一些教師對(duì)科學(xué)探究過(guò)程的重視程度不夠。以原子構(gòu)造教學(xué)為例，假設(shè)學(xué)生可以系統(tǒng)理解各種理論模型的開(kāi)展過(guò)程，他們最終形成的原子模型必然更加立體化。原子構(gòu)造的研究過(guò)程表達(dá)了人類發(fā)現(xiàn)和掌握科學(xué)規(guī)律的一般過(guò)程，也符合學(xué)生對(duì)科學(xué)原理的認(rèn)知過(guò)程。2.突出系統(tǒng)的科學(xué)研究方法論西方科學(xué)在近代的迅猛開(kāi)展得益于一套科學(xué)研究方法論的支撐，這套方法論體系是西方科學(xué)的精華，在原子構(gòu)造的發(fā)現(xiàn)過(guò)程中得到了淋漓盡致的展現(xiàn)?？?/p>

10、學(xué)方法論示意圖如圖1所示：首先提出問(wèn)題，如原子是否是最小的微粒，原子還可以再分么？，然后提出假設(shè)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)其正確性。陰極射線的發(fā)現(xiàn)證明了電子的存在，從而否認(rèn)了道爾頓的原子不可分割論。湯姆生提出的棗糕模型難以解釋少量粒子通過(guò)金箔時(shí)出現(xiàn)大角度偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，因此模型本身也存在問(wèn)題，需要新的理論模型來(lái)解釋，這就催生了盧瑟福的原子核模型。同樣這個(gè)模型還是不能解釋原子質(zhì)量大約是質(zhì)子質(zhì)量?jī)杀兜膯?wèn)題，于是又引發(fā)了科學(xué)家對(duì)于其它根本粒子的探究，這個(gè)過(guò)程不斷反復(fù)，直到最后電子云模型的提出。原子構(gòu)造的研究中正因?yàn)橛辛丝茖W(xué)方法論的引領(lǐng)才能不斷進(jìn)步，到達(dá)新的高度。電子云模型同樣要承受各種實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)才能證明其正確性

11、。隨著科學(xué)研究的不斷深化，原子構(gòu)造模型還會(huì)不斷完善，但科學(xué)方法論仍舊是重要的指導(dǎo)原那么。雖然高中生對(duì)于科學(xué)的認(rèn)識(shí)理解還處于初級(jí)階段，但在早期的科學(xué)教育中假設(shè)能注重對(duì)學(xué)生科學(xué)方法和科學(xué)思維的培養(yǎng)，必定會(huì)使他們將來(lái)受益良多。3.彰顯科學(xué)研究的傳承性和合作精神對(duì)原子構(gòu)造發(fā)現(xiàn)做出突出奉獻(xiàn)的幾位科學(xué)家曾在一起工作，如湯姆生、盧瑟福、玻爾和查德威克等科學(xué)家還有師徒關(guān)系。湯姆生因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)電子而獲得1906年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。盧瑟福曾在英國(guó)劍橋的卡文迪什實(shí)驗(yàn)室工作，在導(dǎo)師湯姆生的指導(dǎo)下做出很多重要的成績(jī)并于1908年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。波爾在英國(guó)曼徹斯特攻讀博士后時(shí)曾得到盧瑟福的指導(dǎo)，并對(duì)盧瑟福的模型進(jìn)展了進(jìn)一步修正，于1922年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。查德威克由于在物理研究方面嶄露的超群才華被盧瑟福留在英國(guó)劍橋的卡文迪什實(shí)驗(yàn)室工作，他于1932年證明了中子的存在，1935年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。從這些事實(shí)可以看出世界上眾多著名科學(xué)家都參與了原子構(gòu)造的研究，他們?cè)谇叭搜芯康母咨洗竽懠僭O(shè)并反復(fù)實(shí)驗(yàn)，終于完成了原子這樣一個(gè)極其精細(xì)的原件的進(jìn)一步解剖?？茖W(xué)的開(kāi)展既需要傳