原子結構教學的科學觀與歷史觀

1、原子構造教學的科學觀與歷史觀原子構造教學的科學觀與歷史觀一、概述原子是構成自然界萬物的根本粒子，是化學反響中的最小微粒，是化學這座大樓的基矗原子構造在化學和物理課程的教學中具有極其重要的地位，可以解釋物質狀態(tài)、電離能、化學鍵和元素周期律等根本概念和原理。國內很多化學教材對原子構造和各種原子模型的介紹比較簡單，而美國同類教材使用了很長的篇幅來介紹原子構造的發(fā)現(xiàn)過程，如?化學物質與變化?這本教材用25頁的篇幅詳盡介紹了各種原子模型如何相繼提出，科學家們如何通過實驗的觀察和分析一步步走近微小的原子世界，探究其中的精細構造。這樣的教材編排更加有利于學生理解科學研究和開展的真實歷程，學習科學研究方法和培

2、養(yǎng)科學合作精神，對知識才能的提升和人文素質的培養(yǎng)會起到積極作用，對我們教材的編寫和教學研究也有諸多借鑒之處。二、美國教材原子構造部分設計特點1.引入部分深化淺出，表達了歷史觀GleneSiene出版的?物質本性?教材開篇把讀者帶回了2500年前的古希臘，在這個古代先哲輩出的國度很多哲學家已經(jīng)開始熱烈討論一個問題：自然界萬物形態(tài)各異，它們到底是由什么物質組成的，假設把任何宏觀物體無限分割，最后會得到什么。以一串珍珠為例引導學生們考慮倘假設把珍珠切成兩半，每一半再切成兩小半，這種分割是否可以一直進展下去。?化學物質與變化?開篇就指出人類對原子構造的認識過程包含了很多思想家和科學家的有趣故事，早期的

3、希臘哲學家認為任何物質由土、水、空氣和火四種根本元素組成，物質可以無止境地不斷分割下去。雖然這些觀點在當時看來很有創(chuàng)造性，但卻無法用實驗來證明其正確性。古希臘哲學家德謨克里特斯Deritus第一個提出物質不可以無限分割，而是由很多根本粒子組成，這些粒子被稱為原子ats，在希臘語中意思就是無法繼續(xù)分割。雖然他的很多觀點并非完全正確，但他提出的原子觀相對于他所處的時代仍舊非常超前。后來亞里士多德對原子論進展了反駁，由于他個本文由論文聯(lián)盟搜集整理人在西方世界的宏大影響力，接下來兩千多年人們對于原子的認識仍舊停留于此，并未獲得本質性的進展。教材引入部分的介紹使學生感受到在科學研究的道路上有時獲得一點進

4、步都是非常困難的，我們更多理解的是科學爆發(fā)期所產(chǎn)生的各種科學成果，但科學的寂靜期往往被人們所無視，而教材呈現(xiàn)出科學開展進步的真實歷程。2.科學實驗介紹詳實，表達了理論觀電子的發(fā)現(xiàn)是原子構造研究的重要成果，證明了原子是可以再分的。教材?物質本性?詳細介紹了電子發(fā)現(xiàn)的實驗裝置和過程。1870年英國科學家克魯克斯在一間暗室做實驗時無意中觀察到從陰極發(fā)出的射線，雖然當時對于陰極射線到底是微粒還是電磁波無法做出定論，但足以在科學界引起不小的震動。很多科學家重復了這個實驗，其中湯姆生的工作尤其引人注目。他使用了不同材料做成陰極管，通電后發(fā)現(xiàn)都會產(chǎn)生陰極射線。為了研究陰極射線的本質，湯姆生用磁鐵靠近陰極管，

5、假設陰極射線是帶電粒子那么在磁場中會發(fā)生偏轉，但電磁波不會，實驗結果證明陰極射線是帶負電的粒子流電子。由于多種陰極材料通電后都會產(chǎn)生電子，從而證明電子是組成物質的根本粒子之一。教材中對陰極射線管的構造以圖文并茂的方式進展了詳細介紹，幫助學生更好地理解陰極射線的本質和電子的發(fā)現(xiàn)過程。教材同樣詳盡介紹了粒子散射實驗的裝置，實驗前盧瑟福預測的現(xiàn)象，實驗實際觀察到的現(xiàn)象和盧瑟福如何通過推理分析提出新的原子核模型，闡述詳細而又精辟。電子和原子核的發(fā)現(xiàn)都是科學史上的重要事件，但從教材的表達可以看出電子和原子核發(fā)現(xiàn)過程具有一定偶然性，但一個出色的科學家不會輕易放過實驗過程中的任何細節(jié)，能對一些易于忽略的實驗

6、現(xiàn)象進展深化研究，從而發(fā)現(xiàn)了背后的科學機密。3.以近代物理理論研究作鋪墊引出量子力學模型，表達了教材的前沿性?化學物質與變化?在介紹電子排布規(guī)律之前首先介紹了很多近代物理學重要研究進展，如電磁波譜、光的波動性和粒子性，并通過光電效應和原子發(fā)射光譜來闡述量子效應。在介紹波爾提出的電子能級理論時指出這個理論雖然可以成功解釋氫原子的線狀光譜，但對其它原子卻都不適用，具有很大的局限性。在介紹原子的量子力學模型時，教材首先提到法國著名理論物理學家德布羅意的奉獻，他從光波的粒子性受到啟發(fā)，推測像電子這樣的粒子應該也具有波動性，通過研究他提出了德布羅意方程，從方程可以看出宏觀物體的德布羅意波長很短，可以忽略

7、其波動性，但像電子這樣微粒的德布羅意波長相對于其尺寸那么不可以忽略，因此電子具有的波動性可以被觀察到。教材還介紹了海森堡的測不準原理，即不可能同時準確測量出粒子的運動速率和所處的位置。通過計算得到高速運動電子位置的不確定性到達10-9米，大于原子直徑的10倍，因此不能忽略。教材最后介紹了薛定諤的量子力學模型，這個模型充分考慮了電子的波動性，薛定諤方程賦予電子不同的能量，計算出電子在原子核周圍空間出現(xiàn)的概率。這些理論知識本身非常深奧抽象，為了便于高中學生更好理解這些理論知識，教材使用類比舉例的方式進展了細致介紹，明顯降低了理解的難度。通過對量子力學模型的介紹非常明晰地展示了其與波爾模型的差異。在

8、高中化學教材中介紹很多大學物理學教材的內容似乎增加了學生的理解難度，其實這些并不會成為考試內容，只是為了系統(tǒng)全面展示科學研究的真實歷程，更好地解釋電子在核外運動方式。這些富有挑戰(zhàn)性的理論可以激發(fā)學生對科學的探究欲望，特別是那些對科學有濃重興趣的學生，引導他們進一步考慮這些復雜抽象的科學問題。三、美國教材設計和編排對原子構造教學的啟示1.重視科學開展史實人類對于原子構造的探究和研究經(jīng)歷了幾千年時間，經(jīng)過反復試驗、縝密分析和科學推理，對原子的認識才能不斷走向深化，不斷接近真實。這是一個極其漫長、艱辛而又充滿不確定性的探究之路。假設僅僅把原子構造簡單地介紹給學生可能會忽略科學探究的真實歷程，其中涉及

9、到的很多科學家的研究經(jīng)歷，設計的各種實驗，分析推理的過程會被掩蓋。在傳統(tǒng)的理科教學中教師往往把教學重點放在科學結論本身，而對科學結論產(chǎn)生和開展的過程往往介紹比較簡單，這樣的處理一方面受到學時的限制，但也反映了一些教師對科學探究過程的重視程度不夠。以原子構造教學為例，假設學生可以系統(tǒng)理解各種理論模型的開展過程，他們最終形成的原子模型必然更加立體化。原子構造的研究過程表達了人類發(fā)現(xiàn)和掌握科學規(guī)律的一般過程，也符合學生對科學原理的認知過程。2.突出系統(tǒng)的科學研究方法論西方科學在近代的迅猛開展得益于一套科學研究方法論的支撐，這套方法論體系是西方科學的精華，在原子構造的發(fā)現(xiàn)過程中得到了淋漓盡致的展現(xiàn)?？?/p>

10、學方法論示意圖如圖1所示：首先提出問題，如原子是否是最小的微粒，原子還可以再分么？，然后提出假設，并通過實驗來檢驗其正確性。陰極射線的發(fā)現(xiàn)證明了電子的存在，從而否認了道爾頓的原子不可分割論。湯姆生提出的棗糕模型難以解釋少量粒子通過金箔時出現(xiàn)大角度偏轉的現(xiàn)象，因此模型本身也存在問題，需要新的理論模型來解釋，這就催生了盧瑟福的原子核模型。同樣這個模型還是不能解釋原子質量大約是質子質量兩倍的問題，于是又引發(fā)了科學家對于其它根本粒子的探究，這個過程不斷反復，直到最后電子云模型的提出。原子構造的研究中正因為有了科學方法論的引領才能不斷進步，到達新的高度。電子云模型同樣要承受各種實驗的檢驗才能證明其正確性

11、。隨著科學研究的不斷深化，原子構造模型還會不斷完善，但科學方法論仍舊是重要的指導原那么。雖然高中生對于科學的認識理解還處于初級階段，但在早期的科學教育中假設能注重對學生科學方法和科學思維的培養(yǎng)，必定會使他們將來受益良多。3.彰顯科學研究的傳承性和合作精神對原子構造發(fā)現(xiàn)做出突出奉獻的幾位科學家曾在一起工作，如湯姆生、盧瑟福、玻爾和查德威克等科學家還有師徒關系。湯姆生因為發(fā)現(xiàn)電子而獲得1906年諾貝爾物理學獎。盧瑟福曾在英國劍橋的卡文迪什實驗室工作，在導師湯姆生的指導下做出很多重要的成績并于1908年獲得諾貝爾化學獎。波爾在英國曼徹斯特攻讀博士后時曾得到盧瑟福的指導，并對盧瑟福的模型進展了進一步修正，于1922年獲得諾貝爾物理學獎。查德威克由于在物理研究方面嶄露的超群才華被盧瑟福留在英國劍橋的卡文迪什實驗室工作，他于1932年證明了中子的存在，1935年獲得諾貝爾物理學獎。從這些事實可以看出世界上眾多著名科學家都參與了原子構造的研究，他們在前人研究的根底上大膽假設并反復實驗，終于完成了原子這樣一個極其精細的原件的進一步解剖?？茖W的開展既需要傳