核心素養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”的重點內容，本節不僅給我們展現了一個完美的微觀世界，也呈現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，使得本節內容抽象難懂，加之高考涉及這部分的內容也較少，不少老師在處理這部分內容時，常常是蜻蜒點水，不重視呈現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的良機。如何將核心素養的培育任務分解到教學的各個環節？如何在學習本節知識過程中幫助學生形成物理觀念，領悟科學方法，發展科學思維，培養科學態度和責任？本文試圖從這些方面對“原子核式結構的模型”一節進行深入分析，并提出教學建議。

1 核心素養要素分析

本節課是在上一節“電子的發現”的基礎上，以科學發展的歷史為背景，通過對經典實驗的模擬，呈現科學家的探究過程，引導學生逐步分析、推理、建構，從而得出原子的核式結構。整節內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”“科學態度和責任”等多方面要素，充分體現了物理學科對提高學生核心素養的獨特作用。

1.1 物理觀念

(1) 物質觀

電子的發現打破了原子不可分的經典物質觀，使人們認識到原子也有內部結構；α粒子散射實驗使人們對原子結構的認識由“實心均質”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是粒子間的相互作用使粒子的運動狀態發生變化，體現了自然界中運動與相互作用觀。

(3) 發展觀

人類探究原子結構的歷程體現了科學研究的繼承性、修正性與發展性，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”等科學本質觀。

1.2 科學思維

教材遵循歷史發展的循序，呈現了科學家探索原子結構的過程及相關的經典實驗，將人類認識自然的科學探究過程“實驗現象→提出假設→理論解釋→新的實驗現象→新的假設或對原假設的修正→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，培養了創新思維能力。

1.3 科學探究

從電子的發現→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，體驗科學探究的樂趣。

1.4 科學態度和責任

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，學習科學家堅持真理、敢于突破傳統理論、勇于創新、嚴謹自信和實事求是的科學態度和科學精神，體驗探究過程中的艱辛和喜悅，養成基于證據不懈探尋規律的科學素養和應用科學規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，經歷了多次觀念的演進，蘊含著物質觀、運動與相互作用觀、能量觀等物理觀念的教學內容，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”這一核心概念的發展和演變，演繹科學探究過程，啟發學生在基于證據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的認識。

例如，在回顧上節課內容的基礎上，可先引導學生對湯姆生發現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，引發學生對原子結構認識的又一次轉變；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觀。

2.2 創設原始問題情境，還原真實探究過程

作為一節概念探究課，本節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。筆者認為本節課應將物理學史與科學探究有機結合起來,通過創設原始問題情境，還原真實的歷史背景，讓學生經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，養成科學的態度和精神。

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存在呢？原子中有帶負電的電子，又有帶正電的物質，還可能有不帶電的物質嗎？這些物質是如何分布的？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，內驅力被激發，并以探索者的角色參與到學習活動中。

在勒納德發現高速電子很容易穿透原子這一現象的基礎上，可設置以下問題：根據這個現象你對原子結構有什么新的認識？原子是不是實心的？內部是什么結構？原子太小，無法直接觀測其內部結構，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粒子實驗現象后，設置如下問題：1微米厚的金箔內有3000多個原子層，絕大多數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粒子有沒有可能發生大角度偏轉？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？學生在這些基于實驗現象而設置的問題情境中，經歷了實驗現象的分析推理過程，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容。科學探究作為一根主線，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律，強化科學探究方法的顯性教育，從實驗現象→提出假設→理論解釋→新的實驗現象→新的假設(或對原假設的修正)→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，從發現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，培養創造性思維能力。

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，教學中要重視和發揮邏輯推理在探究學習中的作用，引導學生學會根據實驗現象展開分析、推理、建構、論證，培養推理、分析、綜合能力。

例如，在介紹湯姆生發現電子的基礎上，引導學生展開分析推理，得出原子不是組成物質的最小微粒，原子是可分的，原子內部還有帶正電的物質，由此引入湯姆生的“棗糕模型”；在通過動畫模擬α粒子散射實驗現象后，啟發學生對實驗現象或數據進行分析、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，培養學生的科學態度與責任

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，樹立尊重科學、運用科學、實事求是的科學態度。例如，在建立原子結構的核式模型的過程中，啟發學生討論湯姆孫“棗糕模型”是否合適？培養學生敢于懷疑、敢于實踐，敢于向傳統觀念和理論挑戰的精神；通過“盧瑟福及其助手分析了數十萬張α粒子轟擊金箔發生散射的照片，發現八千分之一的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象，展示盧瑟福探究原子結構的過程和思想方法。