體現科學本質的HPS教學
——以“原子的核式結構模型”教學為例

廖東軍 任鳳竹

（河南大學物理與電子學院，河南 開封 475004）

教育部頒布的《普通高中物理課程標準（2017）年版》將科學本質作為“科學態度與責任”的首要要素納入物理學科核心素養之中，并在學業質量水平中提出了具體的要求.美國在1996年頒發的國家科學教育課程標準（National Science Education Standard，簡稱NSES）中明確地將科學本質的相關理念放進課程標準中.英國的科學教育協會（Association for Science Education，簡稱ASE）在1983年的課程改革草案中也提到：“學生應該對科學原理（principle）及理論（theory）的歷史發展有一些基本的了解”.［1］因此，有必要在我國中學物理教學中，進行科學本質教育，提高學生對科學本質的認識.本文以人教版高中物理選修3 5第18章第2節“原子的核式結構模型”一課為例，結合HPS教育理念進行教學設計，力求顯化科學本質教育，培養學生的物理學科核心素養.

1 科學本質與HPS教育

什么是“科學本質”呢？人們對于科學本質的認識是不斷發展、不斷深化的.劉健智認為在科學教育中，學生對科學本質的學習有3個維度：科學知識的本質、科學探究的本質和科學事業的本質，每個維度又由若干個學習范疇組成.［2］國際科學教育領域對學?？茖W本質教育比較一致認識包括：（1）科學知識方面，主要包括科學知識的確定性和發展性；（2）科學方法方面，主要包括實驗檢驗、數據的分析和解釋、假設與預測、科學思維的多樣性、科學的創造性、科學就是不斷地提出問題等；（3）科學研究群體與社會實踐方面，主要包括科學知識發展過程中的合作與協作、科學與技術的區別和相互作用等.［3］科學教育的重要目標之一就是要培養學生對科學本質問題的認識，讓學生擁有自己的科學本質觀.然而，調查研究顯示，目前高中物理教學中科學本質教育的實施并不理想.［4］由此，在我國中學物理教學中，進行科學本質觀的教育應該引起重視.

如何開展科學本質教育呢？提升學生科學本質的教學有內隱和外顯兩大途徑.國際上關于科學本質教育的研究表明：“科學本質需要通過顯性的教才能實現理解”.［5］20世紀80年代興起的HPS教育成為科學本質顯性化教學的重要途徑之一.HPS是“科學史（History of Science）、科學哲學（Philosophy of Science）和科學社會學（Sociology of Science）”的簡稱.HPS教育正是從歷史、哲學、社會學3個角度向公眾全方面宣傳科學、解讀科學，幫助公眾能夠在人文社會科學的立體語境中重新理解科學本質，提高自身的科學素養.［6］科學史層面，“理解科學”首先就是要理解科學的歷史，物理概念和規律背后含有豐富的史料內容，教學中滲透物理學史，可以讓學生了解物理知識的發展規律和演變進程，有利于學生深度理解物理概念和規律.科學哲學層面，古代物理學就是自然哲學的主要組成部分，從科學哲學視角理解物理知識，有助于增強學生對科學精神的哲學思辨與形而上學思考.科學社會層面，物理學知識的建立和應用過程充分體現了科學與社會的關系，挖掘這些要素可以讓學生充分理解科學與政治、經濟、文化的相互作用，從而增強學生對科學本質的理解，促進科學知識的傳播.

HPS教育融入物理課程的教學方式如何呢？研究顯示，如果教師僅僅給學生展示科學史而不引導學生反思科學的一般性問題，可能只是讓學生知道幾個科學家名字或歷史故事，并不能有效地促進學生對科學本質的理解.即使是讓學生與科學家一起親身體驗科學探究工作，學生的科學本質觀也沒有顯著性變化.［7］鑒于此，在物理教學中，需要設置專門的教學活動來引導學生對科學的一般性問題進行反思.即教師在教學過程中有意識地將課堂教學內容涉及的科學本質通過提問、思考、討論等方式在適當的時候，恰當地傳遞給學生，讓學生反思科學究竟是什么，深化對科學本質的認識.

2 體現科學本質的HPS教學過程設計

2.1 呈現舊觀點：湯姆遜“棗糕模型”

物質通常是不帶電的，即原子是電中性的，由于原子含有帶負電的電子，可推想到原子中還有帶正電的部分.在原子內部，正負電荷如何分布的呢？也就是原子結構如何，下面展開討論.

小組討論：同學們大膽猜想，提出可能的原子模型，并進行相互討論.

教師介紹湯姆遜的原子模型：湯姆遜認為，原子是一個球體，正電荷彌漫性地均勻分布在整個球體內，電子鑲嵌其中（圖1）.有人形象地把他的這個模型稱為“西瓜模型”或“棗糕模型”.

圖1 湯姆遜的原子模型

引導式提問：同學們和湯姆遜都提出了自己的原子結構，用什么方法可以確保提出的模型是正確的？

反思：科學知識的正確性取決于觀察和實驗的檢驗，科學必須建立在真實的證據上.物理學是一門以實驗為基礎的科學，所有的物理知識都是在實驗的基礎上建立起來的，只有經得起實踐檢驗的理論，才能成為正確的科學知識.

2.2 發現新現象：電子束射擊金屬膜實驗

德國物理學家勒納德1903年做了一個實驗，使電子束射到金屬膜上，發現較高速度的電子很容易穿透原子.這說明原子不是一個實心球體，湯姆遜的模型可能不正確.之后不久，α粒子散射實驗則完全否定了湯姆遜的原子模型.

引導式提問：新現象的發現否定了湯姆遜的原子模型，我們對科學家的形象有什么認識？

反思：盡管湯姆遜發現了電子，對物理學具有重要的貢獻，但是他提出的原子模型卻被證明是錯誤的，說明科學必須建立在真實的證據上，根據證據可以推翻權威.同時啟發我們不要迷信權威，科學家得出的結論也可能是不正確的，我們需要有一定的質疑和批判精神.

2.3 提出新觀點：原子的核式結構模型

新的現象否定了湯姆遜的假說，接下來需要提出新的假設，當然新的假說也可能被新的現象所證偽.其實物理學就是在不斷提出假說和不斷被證偽（證實）過程中慢慢發展起來的.同學們要敢于大膽猜想，但是必須小心求證，我們繼續展開對原子結構的探索.

教學片段1：創設真實情景，理解實驗思想.

實物演示并提問：如圖2所示，裝有一物體的黑色紙箱，要想知道紙箱內的物體是什么，可以怎么辦？

圖2 實驗演示用的黑色紙箱

學生們異口同聲回答：把箱子拆開直接觀看.

教師追問：如果不能直接拆開它，但又想知道這里面是什么，有什么辦法呢？

學生討論，提出實驗方案：搖晃、稱重等.

繼續追問：利用上面同學們提出的實驗方案，可以大致知道內部物體的重量，我們如何判斷它的形狀呢？

學生：沉默中……

教師引導：可以用竹簽去扎紙箱，通過多次實驗，就可以確定里面物體的形狀.類似的，原子的結構非常緊密，用一般的方法無法探測它內部的結構，需要用到間接的實驗方法來研究.在物理學中，為了認識原子的結構，要用高速粒子對它進行轟擊.盧瑟福就是采用α粒子轟擊金屬薄片的方法來研究原子的結構.

教學片段2：師生共討α粒子散射實驗.

課件演示α粒子散射實驗裝置，如圖3，重點說明這個實驗如何能探測到原子的結構.（α粒子是氦的原子核，帶兩個單位的正電，當α粒子高速轟擊金箔時，可以接近金原子的中心，由于金原子中的帶正電粒子對α粒子有庫侖斥力的作用，一些α粒子的運動方向改變，統計散射到各個方向的α粒子所占的比例，可以推知原子中電荷的分布情況.）

圖3 α粒子散射的實驗裝置示意圖

小組討論1：根據湯姆遜的原子模型，理論上α粒子的偏轉情況如何？

問題分析：按照湯姆遜的原子模型，正電荷在原子內部均勻地分布，α粒子穿過原子時，受到正電荷各方向的庫侖力平衡，因此正電荷對α粒子偏轉的力會很小.由于α粒子的質量約為電子質量的7300倍，根據動量守恒定律，在α粒子跟電子碰撞后，質量大的α粒子速度幾乎不變，那么電子對α粒子的速度大小和方向的影響就像灰塵對炮彈的影響，完全可以忽略，α粒子直接會穿過去，如圖4.

圖4 湯姆遜散射模擬示意圖

動畫模擬演示α粒子散射實驗：教師結合動畫展示α粒子散射的實驗現象（見圖5），并引導學生進行歸納得出實驗結論.在此指出當年盧瑟福得到實驗結果后很詫異，盧瑟福和他的學生驚呼“這件事情是如此的不可能，就好像你用炮彈射向一層薄紙，但炮彈卻被紙彈了回來”.

圖5 α粒子散射示意圖

小組討論2：為什么會出現極少數α粒子偏轉角超過90°，有的甚至被彈回，偏轉角幾乎達到180°？

小組討論3：為什么少數α粒子卻發生了較大的偏轉？

小組討論4：為什么會出現絕大部分α粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進？

教師引導學生分析交流與討論2-4 3個問題，并得出結論：① 極少數α粒子（大約為1／8000）偏轉角度超過90°，有的甚至被彈回，一般觀測中可能會被忽略掉，但是盧瑟福恰恰抓住了這個“極少數”，因為它對揭示原子結構具有重要的意義.他認為α粒子是在同金原子的碰撞中改變其方向的，因而靜電斥力必須集中在一個極小的范圍內，即原子中有一個體積很小、質量很大，對正電荷有很強偏轉能力的核；② 少數粒子發生較大的偏轉，說明正電荷集中在很小的一個區域（形成原子核），α粒子非常接近它時，才有可能因庫侖斥力而發生大角度的偏轉；③ “絕大部分α粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進”說明原子內部絕大部分是空的.

α粒子散射實驗背景補充：1910年前后，當時人們已經充分證明了放射性元素α、β和γ射線的存在，這恰好為探索原子內部奧秘提供所需要的工具.另外，在進行α粒子散射實驗時，需要詳細統計α粒子散射情況，這種觀察是十分艱苦細致的工作，所用的時間也是相當長的.

引導式提問：通過閱讀以上材料，同學們有哪些啟發？

反思：科學的發展也會受制于社會的物質發展水平，只有社會發展到一定的水準，實驗設備才能同等級地提升，才能為發現新的物理規律創造條件，物理規律才能被進一步揭示.同時，科學研究需要嚴謹的工作態度和吃苦耐勞的精神品質，科學家追究真理的科學態度值得我們學習.

教學片段3：介紹盧瑟福的原子核式結構.

如圖6，在原子的中心有一個很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部的質量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外空間里繞著核旋轉.它看起來就像行星繞太陽的運動.

圖6 盧瑟福的核式結構模型

2.4 總結拓展：提煉發展歷程，顯化科學本質

盧瑟福的原子核式結構模型提出后，很好地解釋了α粒子的散射實驗，但是人們發現盧瑟福的核式結構模型卻無法解釋原子的穩定性與氫原子光譜現象，原子結構問題又陷入困境.玻爾在盧瑟福模型的基礎上，結合普朗克的量子概念，提出了自己的原子分層模型，成功地解釋了氫原子光譜的實驗現象.然而，對于較復雜原子的光譜現象，它仍舊無法解釋.這是由于盧瑟福和玻爾深受經典物理學的影響，認為電子繞原子核運動具有確定的軌道，這導致他們的模型總是無法解釋一些新的實驗現象，出現理論危機.只有舊的理論基礎和科學家的思維方式發生革命性改變，這樣才能消解危機，克服困難.后來借助量子力學的理論才徹底解決原子結構問題，即電子繞原子核的運動沒有固定軌道，只是在某處出現的概率不同，這才真正揭示了微觀粒子運動的本質規律.我們會發現，物理學發展有時候不是線性積累的，而是革命性的.動畫展示原子結構的發展歷程（圖7）.

圖7 原子的核式結構模型發展總結

引導式提問：結合原子結構的科學發展歷程，談談科學知識是否是永恒不變的，是絕對的真理？

反思：原子結構經歷了道爾頓的實心球模型—湯姆遜的棗糕模型—盧瑟福的核式結構模型—玻爾的原子分層模型—電子云模型的歷程.這表明：科學知識不是絕對真理，是暫時性與持久性的統一；科學的規律并不是一成不變的，再多人相信的“事實”，也會隨著科學的發展而改變.即使是被實驗證實的結論，也可能因為科學的進步被證明只能在某一領域成立；但同時科學知識又是持久可靠的，除非有新的證據或理論等證明原來的科學知識有缺陷，才會被修正或更改.

2.5 深化研究：原子核的電荷與尺度

介紹原子、原子核的半徑：原子核半徑的數量級為10-15m，原子半徑的數量級是10-10m，原子核的半徑約為原子半徑的1／100000.可見原子內部是十分“空曠”的.

舉例說明：如果原子的大小跟學校田徑體育場一樣大，那么對應的原子核該有多大？是相當于籃球、網球、雞蛋？還是彈珠、螺釘？

教師給出數據并引導學生進行計算，得出原子核的尺寸相當于大田徑場正中央放上一顆小螺釘（橫截面尺寸）.此處結合實物及其大小，讓學生通過對比，感知原子核是多么的小，原子是多么的空曠.

介紹物理學研究對象尺寸：通過介紹宏觀、微觀物質的尺寸，拓展學生對物理學研究對象的尺度認識.如圖8，物理學研究的對象大到浩瀚的宇宙，目前人類所能探測到最遠的類星體距離大約是1026m，稱為哈勃半徑，小到基本粒子的尺寸，夸克的半徑約為10-20m.當今物理學的研究領域里有兩個尖端，一個是高能物理或稱粒子物理，另一個是天體物理，前者在最小尺度上探索物質更深層次的結構，后者在最大尺度上追尋宇宙的演化和起源.

圖8 物理學研究對象的尺度

引導式提問：通過對物理研究對象尺度的了解，同學們對人類與自然界的關系有什么認識？

反思：我們的世界很大，而人類卻及其渺小，人類在自然界的位置仿佛就是滄海之一粟.然而就是這樣渺小的人類卻始終堅持追求真理，勇于探索自然的規律，拓展我們對世界的認知，并在此基礎上改造自然，創造出舉世矚目的文明.同時，我們也應該意識到，人類只是自然界的一部分，應該與自然和諧相處，我們在應用科學發明的時候，一定要記得保護自然，愛護我們賴以生存的地球.

2.6 課后寫作：深化科學本質的理解

結合原子結構發展歷程，談一談科學知識的發展規律對你的啟示，寫一篇500字左右的科技作文，下節課學生間討論交流.

3 HPS教學建議與策略

3.1 利用物理學史創設合理問題情境

教師要通過創設學科歷史教學情境，幫助學生更好地理解知識的動態生成性，加深對科學本質的認識.（1）教師可以用史料故事的形式進行課程引入，激發學生的學習興趣.通過故事的形式來呈現物理學史上的重大發現和發明過程，可以讓學生置身于科學研究的氛圍中，感受科學的魅力，激發學習物理的欲望.（2）實驗探究過程引入物理學史，體驗科學家的探究歷程.根據教學內容，可以直接介紹物理學家的科學探究過程，或者在學生完成自己設計的探究實驗之后，教師再為其展示物理學家的探究實驗，使兩者形成對比，加深學生對重要概念或規律的理解.

3.2 利用科學哲學提高學生的批判思維

科學哲學是科學在概念或話語上的哲學思辨，在科學教育中對科學進行哲學的思考能夠有效促進學生理性思維的發展.（1）對現有物理知識的形成歷程進行追溯，使學生認識到其發展的動態性和暫時性.那么學生在學習過程中，就會敢于大膽提出自己的猜想，并且對現有的知識提出質疑，學生的批判思維和質疑精神就會慢慢發展和提高.（2）問題是物理教學中的核心，教師可以通過問題引導并啟發學生對物理現象進行觀察、推理、反思和歸納，從而促進學生邏輯思維能力的提升.

3.3 利用科學社會學培養學生的社會責任感

HPS的社會教育強調，讓學生在大的社會背景中去認識科學與社會的關系，理解科學的本質，從而培養學生的社會責任意識和使命感.（1）科學發展與時俱進：介紹物理學家科學發現的背景，理解古人并不是因為愚蠢才產生錯誤的觀念，而是人們對事物的認知水平受當時社會生產條件限制，科學發現與科學家的時代背景有著一定的必然聯系.（2）科學無捷徑，百折不撓、大膽探索：讓學生感悟科學家身上追求真理，勇于探索的科學精神.（3）科學推動人類社會物質文明進步：介紹物理學家的某項研究成果對社會發展和實際生活帶來的影響，讓學生在評價、討論中增強學生的社會責任與擔當.