基于科學與人文融合的化學教育

文章編號：1008-0546（2012）12-0061-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2012.12.029

一、教學背景分析

1.教材及教學現狀分析

本案例屬于蘇教版化學1專題一第三單元《人類對原子結構的認識》的第一課時。盡管教材在內容導向上彰顯了科學與人文的融合，但由于教材顯性資源的缺乏和教師對本部分內容理解高度和深度的不足，導致了絕大多數教師在教學時往往和后面的電子排布及原子核教學內容合并為一課時，而對本部分內容則是一帶而過、或者是讓學生自學、或者是通過PPT課件簡單介紹、或者是通過MACI技術（多媒體計算機輔助模擬）動態模擬各種不同的原子模型。實際上，這些教學方式并沒有體現出新教材編排本部分內容的真實意圖：讓學生在化學教育中體會科學與人文的融合，既能領悟科學探索的軌跡及科學方法、科學精神，又能感悟到人文精神的價值引領，這正是新時期化學教育的目的所在。

2.教學內容的科學與人文分析

科學方法是指“人們在認識和改造世界中遵循或運用的、符合科學一般原則的各種途徑和手段”。本部分內容所涉及的科學方法主要有：觀察法、實驗法、假說法、模型法、類比法、直覺思維法等；科學精神指的是“從自然科學活動的特征中抽象、概括、提升出來的一種普遍的精神，它本身代表著一種革命力量，是推動歷史發展的基本力量。”本部分內容所涉及的科學精神主要有：實事求是、理性、不畏權勢、追求真理、不斷創新等；人文精神是“從人文活動及人文社會科學的研究中抽象、概括、提升出來”，它是一種普遍的人類自我關懷，表現為對人的尊嚴、價值、命運的維護、追求和關切，關注的是人類價值和精神表現，從現代觀點來看，其核心內容是“價值判斷”。本部分內容所涉及的人文精神主要有：團結、合作、理想、追求、生命價值等。不過，這些內容絕大多數是一些隱性的資源，需要教師在教學時深入理解和挖掘并將之顯性化。

3.學情分析

初中時學生已經有了對原子結構的初步的、零散的了解，如原子的基本構成、拉瓦錫發現氧氣、盧瑟福的α粒子散射實驗、電子掃描隧道顯微鏡控制原子，如果教師對這部分內容只是蜻蜓點水似的一帶而過，則遠遠不能滿足學生對知識探索欲望的需求，更不能體現新課程的課改理念，使學生具有“愛國主義、集體主義”精神，逐步“形成正確的世界觀、價值觀和人生觀”，初步具有“探究意識、創新精神、科學和人文精神”。

二、教學主要線索及手段

本課以原子結構模型的發展為主線，以科學方法、科學精神、人文精神為輔線，以各種挑戰性和探究性問題為明線，以各學科交融為暗線。一方面讓學生體會“理論”的“歷史性”和“暫時性”，科學的理論并非與生俱來、萬古不變的永恒真理，科學始終是在與謬誤、偏見與宗教禁錮作為不懈的乃至殘酷的斗爭中發展起來的，科學每一個重大發展都對人類的精神文明產生重要的推動作用，科學理論不斷進步一般有兩種途徑：證實和證偽，從而將這種思維方式應用于自己的學習和生活當中；另一方面讓學生明白科學不是從一些天才的頭腦中蹦出來，一旦問世就永駐神圣不可侵犯的地位，科學是以求真和務實為天職和靈魂的，科學的繼承并不是消極地前后相繼和兼收并蓄，而是取其精華、去其糟粕，批判地繼承，辯證地揚棄；更重要的是要讓學生感受到協作、友愛、寬容、團結品格是人永恒的魅力，尤其是現在科學已發展到國家規模乃至國際規模，科學研究更需要依靠集體的力量去完成，所以更需要無私協作、友愛寬容和執著拼搏。難得是，通過各學科的交融，可以向學生揭示科學與人類其他文化比如哲學、宗教、政治、文學等的關系，以及科學的文化背景，從而讓人領悟到人類文化的統一性，領悟到科學是人類其他社會文化背景的支撐下發展起來的。

本課在教學手段上采取PPT輔助教學，配以精美的、有視覺沖擊力的畫面。

三、教學過程（簡要）及意圖說明

【情境引入】2010年9月1日18時59分57秒，嫦娥二號奔月開始，07年的嫦娥一號，05和08年的神六及神七，隨著現代科技的進步，人們已有能力對太空進行探索，但在遠古時期，人們望著藍藍的天空、蒼茫的宇宙，心中一片迷茫。大約在2500年前，人們開始思考人類存在的價值及物質構成的奧秘。

設計意圖：嫦娥奔月、神六和神七激發起學生的自豪感和愛國之情，并讓學生感受到科技強國之路。

【古代原子論】1.名畫欣賞：意大利畫家拉斐爾名畫《雅典學院》；2.亞里士多德的“四元素”說——水、空氣、火、土；3.古希臘哲學家德謨克利特提出的“原子”概念。

設計意圖：1.從對人生價值的思考到對宇宙奧秘探索，引導學生對人生意義和至高境界的追求；2.適時介紹亞里士多德的名言“吾愛吾師，但吾更愛真理”，從而感受哲人追求真理的魅力。

【挑戰性問題1】由于亞里士多德在哲學和科學界的絕對權威，所以“四元素”說統治了人們思想兩千多年，以至于當人們對“簡單的”“燃燒”現象不理解時，也試圖從“火元素”身上發掘出“燃素說”并將其解釋。同學們，你知道最終是誰打破了這種兩千多年的沉寂嗎？

設計意圖：讓學生感受到權威也并不都是正確的，崇拜但不迷信權威。

【挑戰性問題2】你知道是什么實驗讓拉瓦錫發現了氧氣從而發現了燃燒原理嗎？你知道他實驗的成功得益于哪一種儀器的使用嗎？

【教師】1872年，拉瓦錫做了白磷在鐘罩中燃燒的實驗，在實驗中他精確使用了天平這種儀器，使得他驗證了質量守恒定律，發現了氧氣等。

當時，進行這方面研究的科學家還有很多，比如法國化學家普魯斯特，他是一個有心人，在生活中他觀察到不管來自哪里的水，其質量組成總是：H占11.1%，O占88.9%，這一現象激發了他的興趣，“到底是必然還是偶然呢？”，1799年，他通過定量實驗證實了不論碳酸銅的生成方式如何，亦即不論是天然形成還是人工合成，其組成都固定不變。

設計意圖：讓學生感受到生活中要做個有心人，要善于分析表面現象背后的必然原因。

【挑戰性問題3】同學們，很顯然拉瓦錫和普魯斯特對化學的發展做了較大的貢獻，但你知道他們兩位的不足之處在哪里嗎？

設計意圖：1.讓學生體會“理論”之所以成為“理論”的原因：可以合理解釋已知的各種現象；2.讓學生感受到學習中的總結和提升比單獨的埋頭學習更加重要。

【挑戰性問題4】1803年，道爾頓根據他對原子的認識，提出了實心的、不可分的原子結構模型。自此近100年的時間里，人們都認為原子不可分割。同學們，你知道后來是誰打破了這種原子論的神話？

【學生】湯姆生。

【教師】對，1897年湯姆生在研究陰極射線的時候，發現并證實了電子的存在，后來其他科學家也陸續證實了電子的存在。

設計意圖：鑒于學生對帶電粒子在磁場中的運動規律還不清楚，所以此處不便對湯姆生如何發現電子過多討論，只需要讓學生知道他根據特殊現象推測并證實了電子的存在。

【資料1】湯姆生的主要成就及貢獻

【資料2】知識鏈接——科學革命

設計意圖：使學生了解科學革命，感受科學的進步會促使人類思維方式的變革，而思維方式的變革又能反過來促進人們對科學的研究。

【探究1】假設你是湯姆生，發現了電子之后，你會怎樣重新修正原子的結構？

【學生】既然電子是帶負電的，那么肯定應該有帶正電的東西，所以我覺得原子內應該帶有正電荷。

【資料3】湯姆生認為：原子是一個平均分布著正電荷的粒子，其中鑲嵌著許多電子，中和了電荷，從而形成了中性原子。

設計意圖：1.讓學生感覺偉人并不神秘，他們的思想也是建立在一定的土壤之上的，科學的發展不是亙古不變的，而是真理與謬誤相交織的過程，科學理論的演變就像是積木拼圖游戲一樣，先是在黑暗中摸索，繼而漸漸地浮現出來；2.促進學生的成就感。

【教師】1897年，湯姆生根據自己對原子的理解，將道爾頓的實心原子模型修正為葡萄干面包式的原子結構模型。

【挑戰性問題5】同學們，湯姆生的這種原子結構模型使人們對原子的認識產生了質的飛躍，拉開了人類探索原子內部奧秘的序幕。但是你覺得湯姆生的這種模型確實“是正確”的嗎？它有什么缺陷嗎？

設計意圖：使學生了解到科學理論不斷進步的兩種途徑：證實和證偽，從而將這種思維方式應用于自己的學習和生活當中。

【挑戰性問題6】無論是證實還是證偽，我們必定都要打入原子的內部去獲取情報，才可以知道是否是均勻分布著正電荷，那么，怎么進去呢？派誰去呢？誰有這么大的本事？

【學生】盧瑟福α粒子轟擊金箔的實驗。

【探究2】實驗現象：絕大部分α粒子直行穿過，很小部分發生大角度偏轉，個別反彈回來。這些現象說明了什么問題？你會怎么想？接下來你會怎樣重新修正有關原子構成的理論？

【學生思考、討論、并相互補充】此時學生比較容易得出原子核的結構模型了，在此基礎上再和盧瑟福的觀點相對比。

【資料4】盧瑟福認為：1.原子由原子核和核外電子構成；2.原子核帶正電，位于原子的中心，占據了原子中極小的空間，但幾乎集中了原子所有的質量；3.電子在原子核周圍的空間做高速運動，就象行星圍繞太陽一樣。

設計意圖：1.激發學生探究真理的欲望；2.感受所謂理論實際上是一個不斷被修正的過程。3.引導學生要像科學家一樣的思維方式，并不一定要非常精確、高度復雜、超脫世俗的思維能力。

【教師引導】盧瑟福根據自己對原子結構的認識，在1911年提出了原子核式的結構模型。至此，人們對原子結構的認識看似完美了，一時，盧瑟福的理論及模型也成為了經典。但是盧瑟福并沒有滿足于此，在他發現原子核以后，反而更激起了他打入原子核內部去看個究竟的決心，所以，他繼續設計實驗，用α粒子轟擊原子核，繼而發現了質子并預測出中子的存在。

【挑戰性問題7】盡管盧瑟福的原子核式的結構一時被奉為經典，但是，你知道它有什么不可避免的、與生俱來的局限性嗎？接下來他將面臨怎樣的危機和挑戰？

【學生思考并討論】電子在核外運動，由于正負電性相吸引，為什么電子不會撞到原子核上去？

【教師講解】是啊，非常好，這其實就是當時人們所不解的一個方面。

根據當時以牛頓為代表的經典電磁理論可以推測：

但是兩個明顯的事實是：氫原子光譜是不連續的，原子幾十億年都未毀滅。是盧瑟福錯了？還是經典的理論錯了？顯然，都沒錯。那么怎么才能合理解決這個矛盾呢？

設計意圖：讓學生感受到“完美”的東西也有其“不完美”的一面，學會辯證地看問題。至此，學生陷入了沉思。

【教師】1913年，丹麥的物理學家玻爾，他在盧瑟福模型的基礎上，引入量子論觀點，提出原子核外電子在一系列穩定的軌道上運動，每個軌道都具有一個確定的能量值，電子在其軌道上運動時，既不放出能量，也不吸收能量。玻爾的量子理論完美地解釋了使盧瑟福原子結構模型陷入困境兩個科學事實：1.氫原子光譜不連續；2.原子幾十億年未毀滅。為此，玻爾獲得了1922年的諾貝爾物理獎。

【挑戰性問題8】玻爾根據自己對原子結構的理解，于1913年將盧瑟福提出的原子結構模型修正為軌道模型。可以完美地解決盧瑟福模型不能解釋的現象，但是他的模型是否就完美了呢？他又面臨著怎樣的新的問題？

【資料5】玻爾原子結構模型的局限性：1.仍保留經典粒子和經典軌道；2.只能解釋單電子原子的光譜，對多電子原子的光譜無法解釋。后來在法國物理學家德布羅意、奧地利物理學家薛定諤、德國物理學家海森堡的公同努力下，發現了電子運動的波粒二象性，并提出了現代的電子云式的原子結構模型。

【挑戰性問題9】在整個原子結構模型的發展過程中，許多人都做出了他們杰出的成就，在他們逝世后也被人們所尊重和懷念。其中有兩位英國的科學家，一位是發現電子的湯姆生，另一位是發現原子核的盧瑟福，死后都被葬在了威斯敏斯特教堂，但你知道為什么盧瑟福更加靠近牛頓的位置嗎？在他身上有什么優秀的品格？

設計意圖：1.向學生揭示科學與人類其他文化比如哲學、宗教、政治、文學等的關系，以及科學的文化背景，從而讓人領悟到人類文化的統一性，領悟到科學其實也是人類文化的有機組成部分；2.引導學生去體會偉人的人格魅力，從而達到引領學生正確進行價值判斷的能力。

【總結】原子結構模型演變的軌跡

【探究3】你能感受到科學研究和發展的一般方法嗎？

【學生交流、討論、總結】

科學研究的一般方法：

四、教學評價

學生在課結束后仍沉浸在其中，反醒過來時說：“老師，再來一遍吧”。聽課老師評價說：“深度、高度、品位，原來化學課還可以這么上！”。