基于科學(xué)要素的化學(xué)史教學(xué)設(shè)計(jì)

楊封友

摘要：科學(xué)史涉及觀察、假說(shuō)、實(shí)驗(yàn)等科學(xué)要素，在科學(xué)方法、科學(xué)論證、科學(xué)精神等方面獨(dú)具教育價(jià)值;文章以“原子結(jié)構(gòu)的模型”教學(xué)為范例，立足科學(xué)要素，探索變講述為探究的化學(xué)史教學(xué)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：科學(xué)要素;原子結(jié)構(gòu);教學(xué)設(shè)計(jì)

文章編號(hào)：1008-0546（2019）12-0066-04 中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.12.020

科學(xué)史能促進(jìn)學(xué)生科學(xué)本質(zhì)觀的發(fā)展，是初中科學(xué)教學(xué)必不可少的一環(huán)。筆者嘗試從科學(xué)要素出發(fā)，設(shè)計(jì)基于體驗(yàn)重歷的化學(xué)史教學(xué)，將“走馬觀花”的講述變?yōu)椤吧砼R其境”的探究，讓學(xué)生親歷科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過(guò)程。

一、科學(xué)史中的科學(xué)要素

科學(xué)要素是科學(xué)發(fā)現(xiàn)過(guò)程中必然涉及的因素，其中包括觀察、假說(shuō)、實(shí)驗(yàn)、理論等?？茖W(xué)理論是觀察、實(shí)驗(yàn)、假說(shuō)等科學(xué)要素相互作用的結(jié)果，各要素間關(guān)系如圖1所示，觀察是建構(gòu)和檢驗(yàn)假說(shuō)的基礎(chǔ);假說(shuō)旨在解釋和預(yù)測(cè)現(xiàn)象，是設(shè)計(jì)及指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的依據(jù);實(shí)驗(yàn)是科學(xué)的“靈魂”，觀察到的“新”現(xiàn)象能夠證實(shí)或證偽假說(shuō);經(jīng)證實(shí)的假說(shuō)系統(tǒng)化后成為理論。

人們對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷經(jīng)修正，涉及各個(gè)科學(xué)要素，如，湯姆生提出的原子內(nèi)正電荷均勻分布是假說(shuō)，盧瑟福通過(guò)散射實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)，觀察到“新”現(xiàn)象又使盧瑟福提出新假說(shuō)。可見(jiàn)，模型的迭代更新是假說(shuō)、實(shí)驗(yàn)、觀察等科學(xué)要素相互作用的結(jié)果，在以下方面獨(dú)具教育價(jià)值：

（1）科學(xué)方法。原子猶如黑箱，欲知其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，需根據(jù)輸入與輸出的信息來(lái)進(jìn)行推測(cè)，或有更先進(jìn)的方法能直接觀測(cè)到內(nèi)部。如，1909年蓋革和馬斯登在盧瑟福指導(dǎo)下進(jìn)行的α粒子散射實(shí)驗(yàn)（如圖2），其中α粒子為“探測(cè)信號(hào)”，很薄的金箔為“神秘黑箱”，用顯微鏡觀察α粒子的出射情況，以期驗(yàn)證湯姆生的觀點(diǎn)?？梢?jiàn)，揭開(kāi)原子結(jié)構(gòu)的面紗，實(shí)現(xiàn)模型的每一次修正，都離不開(kāi)所選科學(xué)方法的得當(dāng)、實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步。

（2）科學(xué)論證。對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，科學(xué)家歷經(jīng)幾個(gè)世紀(jì)的摸索，每一個(gè)認(rèn)識(shí)的推翻與新觀點(diǎn)的建立都需要科學(xué)共同體之間的相互論證得以實(shí)現(xiàn)。新觀點(diǎn)的建立，通常包含研究與立論兩個(gè)階段，研究是尋找證據(jù)的過(guò)程，立論是用證據(jù)分析推理科學(xué)家的觀點(diǎn)。在研究階段，了解科學(xué)家采用了什么技術(shù)、進(jìn)行了怎樣的活動(dòng)、期望獲得怎樣的證據(jù)、獲得了哪些有效證據(jù);在立論階段，需將證據(jù)與觀點(diǎn)建立邏輯聯(lián)系，了解新模型吸收了先前模型的哪些觀點(diǎn)、否定了哪些觀點(diǎn)、提出了哪些新觀點(diǎn)。學(xué)生若置身其中，則既能感受模型修正的過(guò)程，又能體會(huì)科學(xué)論證的意義。

（3）科學(xué)精神。原子結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)史是人類(lèi)對(duì)真理和真相永無(wú)止境的追求過(guò)程，彰顯了探索、求真、創(chuàng)新、開(kāi)放、協(xié)作、批判等科學(xué)精神，體現(xiàn)了伽利略“一切推理都必須從觀察與實(shí)驗(yàn)中來(lái)”的實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。如，盧瑟福本想證實(shí)恩師湯姆生原子模型的正確性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻成了否定恩師模型的有力證據(jù)，在此基礎(chǔ)上，他提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型，這正是亞里士多德名言“吾愛(ài)吾師，吾更愛(ài)真理”的真實(shí)寫(xiě)照。

二、教學(xué)范例——“原子結(jié)構(gòu)的模型”教學(xué)設(shè)計(jì)

浙教版初中科學(xué)八年級(jí)下《原子結(jié)構(gòu)的模型》教學(xué)實(shí)施過(guò)程如下：

1.探測(cè)筒內(nèi)物體，感受黑箱方法

【師】（出示圖3所示暗筒），為了解暗筒內(nèi)是否有物體，有哪些探測(cè)方法？

【生1】用手搖，若有聲音，則有物體。

【生2】用強(qiáng)光手提燈照射，若另一端觀察到影子，則有物體。

【師】哪種方法更好？

【生】用燈光照射更好，大家都能看見(jiàn)，還能知道物體的形狀。

[活動(dòng)]教師出示強(qiáng)光手電筒，讓學(xué)生照射半透明膜，觀察另一段出現(xiàn)的現(xiàn)象。

【師】依據(jù)輸入紙筒的信息、紙筒輸出的信息，推測(cè)出紙筒內(nèi)部是否有物體，這也是科學(xué)研究常用的方法。

設(shè)計(jì)意圖：類(lèi)比是一種研究方法，當(dāng)代美國(guó)著名數(shù)學(xué)家波利亞把一般化、特殊化和類(lèi)比并列稱(chēng)作“獲得發(fā)現(xiàn)的偉大源泉”。通過(guò)探測(cè)筒內(nèi)物體，了解求解黑箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方法，為理解散射實(shí)驗(yàn)的科學(xué)方法提供支架。

2.理解散射實(shí)驗(yàn)，論證建構(gòu)模型

（1）初識(shí)方法，理解現(xiàn)象

【師】1909年起，盧瑟福和學(xué)生進(jìn)行了類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)，他們用準(zhǔn)直的α射線轟擊厚度為微米的金箔（PPT展示散射實(shí)驗(yàn)裝置及圖4），精心測(cè)量α粒子的出射情況，若與手提強(qiáng)光電燈照射暗筒相類(lèi)比，金箔、α粒子源、α粒子束、出射情況分別類(lèi)似于什么？

【生】金箔類(lèi)似于暗筒、α粒子源類(lèi)似于電燈、α粒子束類(lèi)似于光束、出射情況類(lèi)似于半透明膜上的影子。

【師】他們獲得了如下現(xiàn)象：絕大多數(shù)α粒子穿過(guò)金箔后仍沿原來(lái)的方向前進(jìn)，但有少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)，并有極少數(shù)α粒子的偏轉(zhuǎn)超過(guò)90°，有的甚至幾乎達(dá)到180°而被反彈回來(lái)（PPT展示）。

[活動(dòng)]學(xué)生先獨(dú)立在圖4中畫(huà)出α粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖，再展示交流。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)類(lèi)比，讓學(xué)生初步識(shí)別α粒子散射實(shí)驗(yàn)的探測(cè)對(duì)象、輸入信息、輸出信息;讓學(xué)生將文字描述的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象轉(zhuǎn)換為示意圖，旨在化抽象為形象，檢測(cè)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的理解程度，為猜測(cè)實(shí)驗(yàn)?zāi)康拇蚝没A(chǔ)。

（2）猜測(cè)目的，理解技術(shù)

【師】盧瑟福用α粒子探測(cè)什么呢？實(shí)驗(yàn)的目的是什么呢？

【生1】試試α粒子能否穿過(guò)金箔。

【生2】探測(cè)金箔的結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證某個(gè)觀點(diǎn)。

【生3】驗(yàn)證湯姆生的觀點(diǎn)。

【師】湯姆生發(fā)現(xiàn)原子內(nèi)有帶負(fù)電的電子后，推測(cè)原子內(nèi)有帶正電的物質(zhì)，并提出了一個(gè)原子模型：原子是一個(gè)球體，正電荷均勻分布在整個(gè)球體內(nèi)，電子像面包里的葡萄干那樣鑲嵌其中（PPT展示圖文資料），盧瑟福是為了驗(yàn)證恩師關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)。

【師】α粒子轟擊金箔，要探測(cè)出原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)需具備哪些條件？

【生1】α粒子能量足夠大。

【生2】金箔要很薄，才接近于金原子。

【生3】α粒子要能進(jìn)入原子，要易被觀測(cè)。

【師】α粒子是理想的探測(cè)粒子，金箔能被加工的很薄，盧瑟福曾說(shuō)，這好比對(duì)一張紙發(fā)射出一發(fā)炮彈。因此，α粒子轟擊金箔接近于轟擊構(gòu)成金的原子，我們可以把α粒子運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖畫(huà)成如圖5。

設(shè)計(jì)意圖：在了解實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象后，讓學(xué)生猜測(cè)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模a(bǔ)充介紹湯姆生提出的原子結(jié)構(gòu)模型，使學(xué)生感受假說(shuō)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的影響，體會(huì)技術(shù)對(duì)科學(xué)的推動(dòng)，感受散射實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)魅力。

（3）識(shí)別論證，修正模型

【師】若湯姆生的觀點(diǎn)正確，“炮彈”α粒子轟擊“紙張”金箔會(huì)出現(xiàn)怎樣現(xiàn)象？

【生】若正電荷均勻分布，α粒子都會(huì)穿過(guò)金箔。

【師】哪些現(xiàn)象支持湯姆生的觀點(diǎn)？

【生】大多數(shù)α粒子穿過(guò)金箔。

【師】哪些現(xiàn)象否定湯姆生的觀點(diǎn)？

【生】少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)、極少數(shù)α粒子反彈。

【師】盧瑟福也很驚訝，他后來(lái)回憶說(shuō)：“這是我一生中從未有的最難以置信的事，它好比你對(duì)一張紙發(fā)射出一發(fā)炮彈，結(jié)果被反彈回來(lái)而打到自己身上……”

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生先預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，接著識(shí)別實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，獲取支持或反駁的證據(jù)，培養(yǎng)科學(xué)論證能力。

【師】本想驗(yàn)證恩師的觀點(diǎn)，沒(méi)想到卻證明恩師觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的，你估計(jì)盧瑟福當(dāng)時(shí)的心情如何？若是你，將會(huì)怎么辦？

【生1】驚奇，再次實(shí)驗(yàn)。

【生2】興奮，修改湯姆生的觀點(diǎn)。

【師】依據(jù)現(xiàn)象推測(cè)原子內(nèi)部具有怎樣的結(jié)構(gòu)？

【生1】少數(shù)偏轉(zhuǎn)、極少數(shù)反彈，推測(cè)原子內(nèi)部具有帶正電荷、質(zhì)量大、體積小的結(jié)構(gòu)。

【生2】原子內(nèi)部大部分是空的。

[活動(dòng)]學(xué)生根據(jù)推測(cè)畫(huà)出原子結(jié)構(gòu)示意圖，電子有些學(xué)生是運(yùn)動(dòng)的，有些是靜止鑲嵌的。

【師】原子內(nèi)的電子究竟是運(yùn)動(dòng)的還是靜止的呢？

【生1】若靜止，會(huì)被中間帶正電荷的結(jié)構(gòu)所吸引。

【生2】若運(yùn)動(dòng)，可能不會(huì)被吸引。

【師】盧瑟福提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型：在原子的中心有一個(gè)很小的核，原子的全部正電荷和幾乎全部的質(zhì)量都集中在原子核，帶負(fù)電的電子在核外空間繞核運(yùn)動(dòng)（PPT展示文字圖片資料）。

設(shè)計(jì)意圖：換位猜測(cè)盧瑟福的思維活動(dòng)，建立“原子內(nèi)部具有帶正電荷、質(zhì)量大、體積小的結(jié)構(gòu)”的核式結(jié)構(gòu)模型，用以解釋“新的現(xiàn)象”，讓學(xué)生體會(huì)求真、創(chuàng)新的科學(xué)精神，以及科學(xué)的主觀性與建構(gòu)性。

【師】電子繞核運(yùn)動(dòng)不會(huì)與核吸在一起，有類(lèi)似的現(xiàn)象嗎？

【生1】地球繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，兩者相互吸引。

【生2】衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)，兩者相互吸引。

【師】如圖6所示，小鋼球易被磁球吸引，若快速轉(zhuǎn)動(dòng)燒杯，使小鋼球運(yùn)動(dòng)后，又會(huì)怎樣呢？

[活動(dòng)]教師演示，學(xué)生觀察（現(xiàn)象：小鋼球繞磁球運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有被吸引到一起）。

【師】若將原子的核式結(jié)構(gòu)模型與此實(shí)驗(yàn)相類(lèi)比，則原子核、電子分別類(lèi)似于什么？

【生】原子核類(lèi)似于磁球，電子類(lèi)似于小鋼球。

【師】這些現(xiàn)象與原子內(nèi)的電子繞核運(yùn)動(dòng)相似，但不能成為電子繞核運(yùn)動(dòng)的證據(jù)，

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)列舉類(lèi)似現(xiàn)象及小鋼球繞磁球?qū)嶒?yàn)，使學(xué)生對(duì)原子結(jié)構(gòu)核式模型的認(rèn)識(shí)變得形象化，以及感受盧瑟福對(duì)電子繞核運(yùn)動(dòng)推測(cè)的合理性，同時(shí)指明模擬實(shí)驗(yàn)不能成為科學(xué)證據(jù)，利于學(xué)生對(duì)科學(xué)要素的理解。

3.品評(píng)原子模型，聚焦模型修正

【師】盧瑟福本想證實(shí)恩師假說(shuō)是正確的，沒(méi)想到葡萄干模型是錯(cuò)誤的，進(jìn)而提出了自己的觀點(diǎn)，在盧瑟福之后，關(guān)于原子結(jié)構(gòu)，玻爾提出了分層模型;湯姆生之前，道爾頓提出了實(shí)心球模型，人類(lèi)對(duì)事物的認(rèn)識(shí)就在這樣不斷的修正中前進(jìn)。

【師】盧瑟福修正了湯姆生的哪些觀點(diǎn)？

【生】正電荷由“均勻”修正為“集中”，電子由“鑲嵌”修正為“運(yùn)動(dòng)”。

[同步展示圖7相應(yīng)內(nèi)容]

設(shè)計(jì)意圖：初步形成對(duì)原子結(jié)構(gòu)探索歷程的整體認(rèn)識(shí)，明確盧瑟福對(duì)湯姆生原子結(jié)構(gòu)模型的繼承與修正，體會(huì)科學(xué)知識(shí)的暫時(shí)性。

[組織討論]

①在今天看來(lái)，道爾頓的實(shí)心球觀點(diǎn)顯得尤為落后，但表示分子結(jié)構(gòu)模型時(shí)卻仍采用他的觀點(diǎn)，為什么呢？

②不同的原子結(jié)構(gòu)模型出現(xiàn)在不同的年代，各種觀點(diǎn)的誕生可能受到哪些因素影響？

【師】觀點(diǎn)的誕生受實(shí)驗(yàn)技術(shù)、科學(xué)家主觀思想等因素影響。目前，科學(xué)家還是通過(guò)“打靶”“轟擊”來(lái)改變對(duì)象狀態(tài)，再分析改變后的結(jié)果，以了解原子內(nèi)部微觀的結(jié)構(gòu)，原理類(lèi)似于盧瑟福的α粒子散射實(shí)驗(yàn)。當(dāng)然，最好的辦法是打開(kāi)原子、進(jìn)入內(nèi)部觀察，就像用力擊穿暗筒的半透明，取出里面的卷軸，再打開(kāi)卷軸，就能知道卷軸上書(shū)寫(xiě)的文字了。

【生】齊讀暗筒中卷軸上的文字“吾愛(ài)吾師，但吾更愛(ài)真理”。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生能客觀、辯證地看待原子結(jié)構(gòu)模型;了解探索原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方法，以期課堂首尾呼應(yīng)，強(qiáng)化求真探索精神。

總之，科學(xué)史教學(xué)要區(qū)別于社會(huì)史，要變史實(shí)講述為科學(xué)探究，實(shí)施時(shí)可圍繞假說(shuō)、實(shí)驗(yàn)、觀察等科學(xué)要素，讓學(xué)生體驗(yàn)重歷科學(xué)發(fā)現(xiàn)過(guò)程，了解科學(xué)方法，學(xué)會(huì)科學(xué)論證，熏陶科學(xué)精神。教學(xué)順序既可平鋪，也可倒敘，還可從中間展開(kāi)，至于采用何種方式，取決于內(nèi)容特征及學(xué)生認(rèn)知。如，盧瑟福實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是否定湯姆生模型的證據(jù)，也是建立新模型的基礎(chǔ)，本教學(xué)范例由此入手，圍繞各科學(xué)要素，讓學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，論證湯姆生模型，建立核式結(jié)構(gòu)模型，這樣既抓住教學(xué)重點(diǎn)、突破難點(diǎn)，也讓學(xué)生“回到”過(guò)去，“親歷”原子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)的典型過(guò)程，使教學(xué)聚焦科學(xué)本質(zhì)、指向核心素養(yǎng)。