基于科學史和科學哲學構建化學課堂和學生人生的新格局

陸春梅

摘 要：在分析原子結構演變史的教學基礎上，依據原子結構演變史背后的大規律，將哲學的經典三問——原子，你從哪里來？你是誰？你到哪里去？和科學史相結合，同時結合教材編寫規律與科學發展史相結合，教材編寫與學生認知規律相結合，從而構建化學課的新高度，給學生學習的新角度，給學生思考自己人生的支點。

關鍵詞：人類科學史;原子結構演變史;科學范式;認知規律

一、教學現狀分析

查閱很多的期刊，發現對原子結構的演繹很多是局限于原子結構推動的細節作為教學重點，分析每個模型出現的原因和理由，這樣做的意義在于教會學生“證據推理和模型認知”的能力。在這一點上，原子演變史確實是一個經典的模型。但是本人覺得如此處理對于原子演變史還是太膚淺了些。對于“證據推理和模型認知”這樣的教學目標，我們有很多的機會去落實。這樣分析原子結構的發展細節，這些儀器和觀點離學生太遠，只能給學生增加認知困難和學習化學的心理負擔。

那么如何處理可以給學生更深層次的意義呢？

二、剖析原子結構演變史

原子結構演變史是一個非常經典的科學范式。

（一）從時間維度分析，原子模型可以說經過了三個階段。

第一階段：它從遠古走來，公元前460年-前370年的哲學家德謨克利特就提出了原子，經過漫長的時間的孕育到出現道爾頓的實心球模型，這是浪漫孕育的過程，是量變引起質變的過程。從哲學意義的原子到科學意義的原子的過程。

第二階段：湯姆孫的棗糕模型、盧瑟福的行星模型、玻爾的軌道模型。從道爾頓到湯姆孫可以說是質的飛躍，就如神話故事中的盤古開天辟地，開啟人們對原子結構的精確求知過程，這個階段是在牛頓經典力學系統中生成的，有著明顯的宏觀世界映射微觀世界的局限性。科學家們在經典力學的思維模式下不斷地對這一科學范式進行修正的過程。

第三階段：薛定諤的電子云模型是量子力學的開啟。科學家們的思想越來越開發，思維越來越活躍。思想實驗和數學模型越來越多，越來越多的科學家圍繞這個問題在不斷地研究。未來，可能出現的情況更值得我們去期待。

原子演變史分為這樣三階段，更能體現出科學革命的結構、科學范式的研究的特點。這樣的三階段，可以體現科學革命的完整結構，同一個研究對象，經歷了不同范式的變革即革命。因為原子結構的追尋經歷了漫長的過程，穿插于人類的整個發展史，所以這個案例太經典、太難得了。

（二）從人物維度分析：

參與追尋原子的人員來說，有詩人、哲學家、科學家、文學家等等。

原子首先是由哲學家德謨克利特提出的。那是的原子是哲學意義的。

詩人、文學家們對原子也是魂牽夢繞。公元前約99年～公元前約55年盧克萊修在《物性論》中寫道：“那些由原子的小型結合所構成/并且最接近原子的物體/也由著那些不可見的撞擊而騷動起來/之后這些東西又刺激更大些的東西/”“我們都來自同樣的種子/擁有同一個父親/”。莎士比亞在《羅密歐與朱麗葉》說：“統馭她的一對精靈原子，從鼻孔中進入人的夢鄉。”

科學家們更是夜以繼日的研究。

這個牽動無數人的心的原子，學生們是不是也會對此充滿好奇呢？

（三）從原子結構演變過程類比高一學生的學習歷程：

從原子結構經歷的三階段對比分析我們高一學生的學習經歷。原子，經過幾千年的沉淀和演變，現在在科學家的眼中就如一個少男少女，科學家們對它充滿好奇，它的結構究竟如何？它的結構有無限之可能！我們高一的學生，經過了十二年的孕育，剛剛跨入高一的大門，開啟精確學習的旅程，他們也充滿著活力，未來無限可期。

結合以上三點，構建原子結構的教學我想到了將哲學的經典三問——原子，你從哪里來？你是誰？你到哪里去？和科學史相結合，同時結合教材編寫規律與科學發展史相結合，教材編寫與學生認知規律相結合，從而構建化學課的新高度，給學生學習的新角度。

三、教學設計的意圖

基于這樣的背景下，對原子結構的處理，我們可以綜合考慮如下：

（一）線——回顧人類科學發展史

提供繪制的科學史發展時間圖，回憶已學化學知識。體會人的認知發展順序和教材構建體系對知識邏輯性的重視。以門捷列夫對紛亂的元素的排序，教會學生認知事物的角度和方法，體會門捷列夫善于發現問題的思維方式，體會科學家和我們思維方式的不同，思考自己學習方法提升的可能性。

（二）點——學習現行教材中的原子結構

利用書本提供的數據，訓練學生處理數據的能力，感受數據帶來的直觀性和說服力，重視數學在化學中的應用。通過數據處理體會宏觀概念與微觀粒子之間的關系，使隱性知識顯性化。通過對稀有氣體核外電子層排布的分析，學會圖表的數據分析能力，歸納出原子排布的規律，滿足學生對原子結構深入探索的欲望，幫助學生建立宏觀辨識與微觀探析之間的關系，為學生解決元素性質與原子結構、元素周期表中的位置之間的關系打下堅實的基礎。

（三）線——原子結構演變史

1.將學生置身于歷史情境中，分析這些模型之來源，補充材料告知學生模型之間演變的原因。了解原子模型的演變歷程，學生可以認識到從宏觀到微觀結合的視角，分析和解決問題的重要性。了解科學研究過程中常需要依據物質及其變化的信息建構模型，提高模型認知能力。認識到科學理論并非亙古不變的永恒真理，科學始終激勵著推翻與革新。

2.可以找到科學發展的大規律，啟發學生的學習和認知。

借助教材和科學史不在細節上糾結，從宏觀層面上總結出科學的發展規律。科學家的批判思維本質，相對真理的推陳出新的規律。讓學生體會科學家的糾錯能力，啟發學生思維方式的轉變。引導我們的學生跳出教材的局限，像科學家一樣思考。

（四）面——人類科學史和原子結構演變史對比分析。

遠看人類發展史，似乎人類的進步是靠著點點滴滴的積累攢起來的，教科書就是給我們這樣的感覺。但這是一般規律，教科書的目的是普及知識，同時也是為我們積攢高度，可以讓我們在已知的世界的基礎上明白未知的世界。走近原子結構演變過程，我們發現推動人類科技發展的是科學的革命式的理論的推陳出新。因此，我們在接受教科書知識的同時，不要忘記自己的主觀能動性，我們要像科學家一樣的思考問題。我們要勇于創新、勇于發現問題。

四、課例展示：

《原子結構》教案

（一）教學目標

1.回顧科學發展史、化學教材編排順序，了解人類認知發展的規律及教材編寫的邏輯;了解元素周期表和原子結構的地位和重要性。

2.計算和分析相關數據，知道質量數的概念及構成的微粒間的關系;體會化學研究有宏觀到微觀、由表面到本質的發展過程;感受數據的直觀性和說服力。

3.找出原子核外電子的排布規律，能畫出1～20號元素的原子結構示意圖;體會圖標的分析方法。

4.分析原子結構模型的發展史，了解原子結構的發展和完善過程，滲透模型在科學家研究中的重要作用;體會科學范式的演變過程;感悟科學不斷自我糾錯的特性，體會批判性思維是科學工作的關鍵要素。

（二）教學重點（略）

（三）教學難點（略）

（四）教學過程

[引入]詩歌

“我們都來自同樣的種子，擁有同一個父親”，這“種子”“父親”就是指原子，

原子，讓我們的哲學家、詩人們魂牽夢繞，因為他們在不斷地追問世界之本源;

原子，讓科學家夜以繼日，因為原子結構的揭秘可以解釋世間萬象。

1.原子，你從哪里來？

[思考與討論]小組合作

（1）沿著化學發展史，找一找你所熟悉的科學家或理論，和同學聊一聊你是在什么樣的場合與他們相遇的？

（2）回憶你所學過的化學知識，按照教材編寫的順序找一找他們在發展史中的位置。你發現了什么規律嗎？如果讓你來編寫化學教科書，你會如何編排？

（3）什么是原子？在科學發展史中，原子的身影在哪里？出現的頻率如何？為什么？

2.原子，你是誰？

原子的質量

[思考與討論]（小組合作）

（1）參照初中所學的相對原子質量的計算方法，利用初中教材提供的數據，計算粒子的相對質量（保留5位有效數字）。

（2）分析計算得到的數據，感受原子核與核外電子質量之間的差距。

（3）近似處理計算得到的數據，體會粒子的相對質量與粒子個數之間的關系。

3.原子核外電子的分層排布

[思考與討論]

下表是稀有氣體元素原子的電子層排布，從中你能發現什么規律？請思考并討論下列問題。

（1）當K成為最外層時，最多能容納的電子數是多少？除了K層，其他各層為最外層時，最多能容納的電子數是多少？

（2）次外層最多容納的電子數是多少？（學生對次外層的意思不是很清楚，需要解釋）

（3）你能歸納出第n層最多能容納的電子數嗎？

（4）請你根據所歸納的規律，用原子結構示意圖表示核電荷數為1-20號元素原子的核外電子排布。

4.原子，你到哪里去？

[思考與討論]閱讀教材中P88的科學史話和補充材料：

（1）科學家們是怎樣一步一步探究原子結構的？

（2）科學家們研究的問題是從哪里來的？他們如何解決問題？

（3）從他們的研究中你發現了哪些方法可以借鑒？

[總結]今天，我們借著小小的又舉足輕重的原子，站在上帝的視角：從時間上，跨越千古，知道了原子的前世今生——知道了我們現在所學的原子結構模型——質量數、核外電子排布的規律;展望未來，我們知道未來已來——量子力學已經拉開帷幕。

五、教學反思

在常規教學實踐中，大多數老師對此部分的內容并不重視，而且意識不到這部分內容的重要性。很少老師會意識到門捷列夫當時掌握的知識相當于我們學生現在所掌握的知識量，門捷列夫想到將混亂的知識找到順序和規律，而學生在混亂中卻沒想到進行歸納整理。學生在接受知識時的隨遇而安狀態使他們不能像科學家一樣的思考，也就不能使他們成為科學家，所以要提醒學生轉變自己的學習方式。

通常很多老師會將原子模型的推動細節作為教學的重點，但是這樣的研究細節離學生太遠，即便仔細分析對學生也意義不大，只能給學生增加心理負擔。在本節課中，借助教材和科學史，不在細節上糾結，而是從宏觀層面上總結出科學的發展規律，科學家的批判思維本質，相對真理的推陳出新的規律。讓學生體會科學家的糾錯能力，啟發學生思維方式的轉變。引導我們的學生跳出教材的局限，像科學家一樣思考。

通過對原子結構的三個問題“你是誰？你從哪里來？你到哪里去？”的追問，從“點、線、面”三個角度的分析，構建學生學習的角度和格局，讓學生明白自己的思維特點，意識到自己的局限性，就可以跳出自己的“胡桃殼”，像科學家一樣的思考，構建自己的詩和遠方。

參考文獻

[1]楊封友.基于科學要素的化學史教學設計——以“原子結構的模型”教學為例[J].化學教與學，2019（12）

[2]王小芳.淺談初中科學中的科學史教學——以《原子結構的模型》為例[J].都市家教：上半月，2013（6）：17-17.

[3]周萬偉.基于化學史的教學設計——認識原子的結構[J].新課程，2019，000（032）：P.100-101.