《原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)》中的科學(xué)探究

侯紅平

1996聯(lián)合國(guó)教科文組織提出：學(xué)會(huì)求知、做事、共處、生存、改變，才能成功地融入未來(lái)社會(huì)，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(guò)程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過(guò)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(gè)方面。

科學(xué)探究是指提出科學(xué)問(wèn)題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(duì)科學(xué)探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力。

在中學(xué)物理課程中，學(xué)生可以通過(guò)自己的探究活動(dòng)來(lái)學(xué)習(xí)科學(xué)探究，也可以通過(guò)前人的探究活動(dòng)學(xué)習(xí)科學(xué)探究。在科學(xué)研究中，科學(xué)家們通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)事實(shí)的分析，提出模型或假說(shuō)，這些模型或假說(shuō)又在實(shí)驗(yàn)中接受檢驗(yàn)，正確的被肯定，經(jīng)不起檢驗(yàn)的被否定，在新的基礎(chǔ)上再提出新的學(xué)說(shuō)?？茖W(xué)研究就是這樣不斷向前發(fā)展。人類對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，生動(dòng)地體現(xiàn)了科學(xué)發(fā)展的這種過(guò)程。學(xué)生通過(guò)這段歷史可以進(jìn)一步了解科學(xué)探究的過(guò)程，了解人類認(rèn)識(shí)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(shí)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(yàn)——電子是原子的組成部分

第二階段：推測(cè)原子中電荷的分布，認(rèn)識(shí)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(yàn)事實(shí)，但是對(duì)于新的a粒子散射實(shí)驗(yàn)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(yàn)使人們對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)又深入了一步。

第三階段：在對(duì)電子運(yùn)動(dòng)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(yàn)，但是無(wú)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(wèn)題，很好地解釋甚至預(yù)言了氫原子的光譜，但是面對(duì)更復(fù)雜的原子，玻爾理論也無(wú)能為力。在后來(lái)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(lái)，而不正確的經(jīng)典軌道概念就被拋棄了。

人類對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)的科學(xué)探究過(guò)程中“猜想”是創(chuàng)新的基礎(chǔ)。對(duì)于微觀世界，人們看不見(jiàn)摸不著，如果缺乏豐富的想象力，不能從現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)和觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行大膽的、富于想象力的猜想，就不可能設(shè)計(jì)出新的有針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新理論構(gòu)建，就沒(méi)有今天物理學(xué)的輝煌成就。①在探究原子核的組成時(shí)：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(shí)：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(lái)的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了科學(xué)家的猜測(cè)。

當(dāng)然實(shí)驗(yàn)仍然是探索微觀世界奧秘的基礎(chǔ)，首先，猜想和假說(shuō)本身就是在對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上提出的，而所提出的新的假說(shuō)或根據(jù)假說(shuō)提出的一些可檢驗(yàn)的預(yù)見(jiàn)又必須經(jīng)受實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。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(jiàn)射線，但是，射線中的粒子與其他物質(zhì)作用時(shí)產(chǎn)生的現(xiàn)象，會(huì)顯示射線的存在。盧瑟福a粒子散射實(shí)驗(yàn)、查德威克發(fā)現(xiàn)中子的實(shí)驗(yàn)、天然放射現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)歷程中的一系列實(shí)驗(yàn)、哈恩的裂變實(shí)驗(yàn)、費(fèi)米建立第一個(gè)核反應(yīng)堆等大量探究微觀世界的實(shí)驗(yàn)。

認(rèn)識(shí)原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)，經(jīng)歷了“實(shí)驗(yàn)事實(shí)→猜想（預(yù)言）→實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程充分表明了人類對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)是不斷擴(kuò)大和加深的，人類認(rèn)識(shí)原子核組成的歷史過(guò)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(yàn)規(guī)律與經(jīng)典電磁理論的矛盾導(dǎo)致愛(ài)因斯坦提出光量子假說(shuō)；基于光量子假說(shuō)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(yàn)的進(jìn)一步支持，這就跨出了真正說(shuō)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(duì)新事物敏感的思維品質(zhì)，鼓勵(lì)他們敢于解脫傳統(tǒng)觀念，勇于提出新見(jiàn)解。假以時(shí)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(shí)淡薄的狀況。

培根說(shuō)過(guò)：“學(xué)問(wèn)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(wèn)乃是學(xué)問(wèn)以外的、學(xué)問(wèn)以上的一種智慧?！彼f(shuō)的“學(xué)問(wèn)”就是具體的知識(shí)，而“智慧”則是對(duì)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(lái)的？這些歷史的追問(wèn)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(lái)的。這其中包含著對(duì)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(huà)龍點(diǎn)睛”之筆。