讓學生經歷科學探究的過程 * —— “原子的核式結構模型”教學設計

讓學生經歷科學探究的過程*
—— “原子的核式結構模型”教學設計

尹德利

(北京市東方德才學校北京100025)

*北京市物理學會2014-2015教育科研課題“物理學史運用于中學物理課堂教學的案例研究”，項目編號：WLXH1410

摘 要：在分析課標要求、教材內容和當前教學現狀的基礎上，以問題形式引導學生側重對α粒子散射實驗裝置的設計思想和α粒子散射實驗現象進行探究，從中體驗科學探究的樂趣和艱辛，加深學生對科學本質的理解.

關鍵詞：α粒子散射實驗科學探究科學本質

收稿日期：(2015-09-23)

作者簡介：尹德利(1965-)，男，中教高級，北京市朝陽區物理學科帶頭人，北京市骨干教師，主要從事高中物理教學、物理學方法及物理學史在中學物理教學中的應用研究.

從新課程的教學理念審視高中物理選修3-5 “原子結構”一章的教學內容，無論是知識層面還是方法層面，抑或是觀念層面，有許多內容需要深入地挖掘和思考；反思當前“原子的核式結構模型”一節的課堂教學，有許多方面有待改進和提升.

思考1:本節課應該讓學生了解哪些教學內容，教學重點是什么？

思考2:本節課涉及到的研究方法有哪些？應采取什么教學手段對這些研究方法進行顯化？

思考3:本節課涉及到的觀念層面的知識有哪些？如何讓學生感悟這些思想觀念？

1《課程標準》對“原子結構”的教學要求

《普通高中物理課程標準》(實驗)關于選修3-5的內容標準指出,“歷史上，對于電磁波、原子結構的認識，典型地展示了人類認識自然規律的科學方法”，因此，教學中應讓學生“(1)了解人類探索原子結構的歷史以及有關經典實驗；(2)通過對氫原子光譜的分析，了解原子的能級結構.”“體會其中的科學方法、科學思想，感受科學的和諧美.”

2教材分析

以北京市普通高中所使用的人教版和教科版選修3-5為例，兩套教材關于原子結構一章的編寫都是按照歷史發展的邏輯循序展開的：電子的發現→湯姆生的“棗糕模型”→α粒子散射實驗→盧瑟福的“原子核式結構模型”→玻爾的量子化原子結構理論.兩套教材都以問題討論的方式注入了科學探究的元素，通過“科學足跡”或“小資料”的形式補充了相關的物理學史料，對學生了解人類對原子結構的認識發展有一定的意義.然而，兩套教材也都存在著一定的不足.人教版選修3-5第二節“原子的核式結構模型”側重對α粒子散射實驗現象的分析和結論得出的過程分析，這無疑是對的；教科版選修3-5第二節“原子的核式結構模型”關于α粒子散射實驗的裝置、現象和結論都是直接給出.至于盧瑟福及蓋革等物理學家為什么要做α粒子散射實驗，α粒子散射實驗裝置又是如何設計的，體現了怎樣的設計思想和研究方法，兩套教材卻鮮有說明.教材這樣處理，無法消除學生對物理學家研究微觀世界的神秘感(較之實驗結論，學生對物理學家研究看不見的分子、原子的實驗方法和技術手段更感興趣，了解這種方法和技術手段對他們以后從事科學研究更有價值).兩套教材對α粒子散射實驗裝置的輕描淡寫，直接導致了課堂上教師對α粒子散射實驗裝置蜻蜓點水式的介紹，使學生喪失了一次寶貴的模擬科學家設計實驗方案進行科學探究的機會，學生 “體驗不到探索和發現的喜悅,感覺不到思想形成的生動過程,也很難達到清楚地理解全部情況的目的”(愛因斯坦語).

從知識的功能和價值取向分析，“原子結構”一章的內容有助于學生對科學本質的理解.

首先，它讓學生認識到，“科學知識是暫時性的、主觀的、建構性的,它會不斷地被修正和推翻.”“科學認識的對象是客觀的，科學認識的過程是認識主體對客體的作用過程.在這個過程中，認識主體的已有經驗或背景起著重要作用；科學認識活動以事實為基礎，但事實本身并不是科學.”

其次，本章所蘊含的物理學研究方法，能夠啟迪學生智慧，激發學生科學探究的熱情.由于微觀粒子看不見、摸不著，要研究微觀現象，必須發展一些新的實驗探測技術及手段.分析19世紀末至今的粒子物理實驗技術的發展，基本上可分為兩大類：一類是變不可見為可見，如閃爍法——利用電子等微觀粒子打在熒光粉上能夠使熒光粉發出閃光的特性制成顯示屏，通過顯示屏觀察粒子的徑跡或多少；留跡法——借助威爾遜云室和氣泡室，顯示并拍攝粒子運動的徑跡，通過分析云室(或氣泡室)照片研究帶電粒子的相互作用性質.另一類是給粒子加速，為了探明原子(核)的結構或者實現各種人工核反應，卡文迪什實驗室的物理學家們發明了轟擊的辦法(本質上屬于控制論的“黑箱方法”)，試圖打破原子或原子核的“堅硬外殼”，撩開其神秘的面紗，但利用天然放射性元素放出的射線能量太低，需要補充能量，于是各種各樣的粒子加速器應運而生.

再次，本章內容結合相關史料，有助于培養學生科學探究的毅力，實事求是的科學態度和堅持真理、勇于向權威挑戰的科學精神.

3教學現狀分析

由于實驗條件的限制，現階段中學物理實驗室還無法做α粒子散射實驗，這給本節課的實驗探究教學帶來一定困難.多年來，許多一線教師在本節課的教學中習慣于照本宣科——在引出湯姆生的“棗糕模型”之后，借助圖片或動畫介紹α粒子散射實驗裝置，然后重點分析α粒子散射實驗的現象和結論.有些教師雖然也從過程與方法的維度對教材內容進行了挖掘，但由于教材對本節課的研究方法沒有進行顯化處理，致使一線教師對本節課的研究方法是仁者見仁智者見智，缺乏一致性.鑒于這種情況，筆者認為本節課的教學設計需要考慮這樣幾個問題：本節課要不要探究，哪些地方需要探究？側重點放在哪里更有利于學生對科學本質的理解，更有利于學生科學素養的提升？基于上述思考，筆者確定本節課的教學目標如下.

4教學目標

(1)知識與技能

了解原子結構模型建立的歷史過程及各種模型建立的依據，知道α粒子散射實驗的思想方法、實驗現象及原子核式結構模型的主要內容.

(2)過程與方法

經歷α粒子散射實驗的設計過程；通過對α粒子散射實驗結果的分析、討論，學會對物理現象進行分析、歸納并得出結論；認識“假說→實驗→新假說→實驗→相對正確的理論”這種理論建立和發展的模式，認識理想模型和科學實驗在科學發展過程中的作用.

(3)情感態度與價值觀

體驗探究自然規律的艱辛和喜悅，學習科學家敢于堅持真理、勇于創新和實事求是的科學態度和科學精神，領悟科學的本質.

5設計思路

通過問題引探和學史滲透相結合的方式，讓學生經歷α粒子散射實驗的設計過程，了解實驗探索微觀粒子運動的方法；通過小組討論交流，讓學生經歷α粒子散射實驗現象的分析推理過程，體驗科學探究的樂趣，學習科學探究的方法.

6教學過程

(1)通過問題引導、小組討論，讓學生經歷α粒子散射實驗的設計過程

問題1:湯姆生發現電子后，他根據什么事實斷言原子內部還有正電物質存在，這里他采用了什么思維方法？

問題2:湯姆生提出的原子結構模型是怎樣的，他運用了什么研究方法？

設計意圖:通過問題1和問題2，使學生認識到，科學假說不是主觀臆測，而是建立在一定的科學事實基礎上的；邏輯推理和建立理想化模型是構建科學理論的常用方法.

問題3:湯姆生原子結構的“棗糕模型”作為一種科學假說，正確與否如何檢驗？

問題4:人們若想知道一個西瓜內部的結構是怎樣的，應該怎么辦？

問題5:如果我們想知道原子內部的結構，應該怎么辦？

設計意圖：科學實驗是檢驗科學假說是否正確的唯一標準；類比法是科學研究常用的方法.通過原子結構的“棗糕模型”與西瓜進行類比，尋找實驗設計的突破口.對于西瓜，只需用刀切開，其內部結構一目了然，但對于肉眼看不見的原子，卻無法找到這樣的刀將它切開，必須另辟蹊徑.西瓜還可以用石塊砸開來觀察其內部結構，原子能不能用“石塊”砸開呢？學生或許認為這也是不可能做到的.此時教師指出，這事擱在別人身上，確實做不到，但卻難不倒卡文迪什實驗室的物理學家盧瑟福.接著教師介紹盧瑟福在20世紀頭幾年關于天然放射性的實驗研究(α射線、β射線就是盧瑟福命名的)，盧瑟福所用的這個“石塊”就是α粒子，即氦的原子核，盧瑟福做α粒子散射實驗是歷史的選擇！用α粒子(或質子、中子)轟擊其他元素的原子(核)是盧瑟福發明的現代粒子物理實驗研究常用的實驗方法.

問題6:無論是原子還是α粒子，肉眼都是不可見的，他們的碰撞過程也是不可見的，如何使碰撞結果看得見呢？

設計意圖：變不可見為可見是粒子物理實驗研究采用的重要手段.物理學家們早就發現，高速運動的粒子(射線)打在熒光物質上能使熒光物質發出閃光，涂有熒光粉的熒光屏是探測微觀粒子行蹤的常用設備.

至此，α粒子散射實驗設計的主要問題已經解決，然后教師引導學生閱讀教材并觀察教材上的插圖，看看盧瑟福α粒子散射實驗裝置是由哪幾部分組成的，都起什么作用，接著教師播放模擬α粒子散射實驗的動畫，讓學生了解蓋革和馬斯頓利用該裝置獲取α粒子散射實驗數據的過程.

設計意圖：插入這段史料，旨在讓學生認識到科學理論是建立在實證、求實的基礎上的，科學研究需要具備非凡的毅力和一絲不茍的嚴謹態度.

(2)引導學生分析α粒子散射實驗現象，探究原子內部的結構

問題7:同學們先根據湯姆生的“棗糕模型”預測一下，α粒子打在金原子的哪個部位容易發生大角度偏轉，打在哪個地方偏轉角度較小？ (教師啟發學生從靜電力的角度分析預測.等待片刻，學生匯報預測結果)

師：那么α粒子散射實驗的實際結果究竟是怎樣的呢？教師播放α粒子散射實驗現象模擬動畫，學生觀看動畫.

問題8:實驗結果與理論預測不符，說明了什么？

設計意圖：使學生了解，判明一個科學假說的真偽，就是看其理論預測與實驗事實是否相符.如果相符，說明科學假說是正確的，如果不符，就要分析原因，是假說錯了還是實驗方案的設計存在問題？

問題9:既然α粒子散射實驗的結果否定了湯姆生的 “棗糕模型”，那么真實的原子結構又該是怎樣的呢？同學們能否根據α粒子散射實驗現象推測一下原子內部的結構可能會是怎樣的？(引導學生透過現象探究原子結構的本質)

設計意圖：對實驗現象或數據進行分析、推理，讓學生經歷與前輩物理學家同樣的問題解決過程，培養學生的邏輯推理能力.在此基礎上，教師引導學生閱讀教材，了解盧瑟福原子核式結構模型的主要內容.由于學生剛剛體驗了與盧瑟福相似的思維活動過程， 因而能夠加深對原子核式結構模型的理解.

對于重點學校物理基礎較好的學生，教師還可以提出下列問題讓學生思考.

問題11:盧瑟福及其助手為什么選擇貴金屬金而不選更便宜、更容易找到的鐵或鋁作為α粒子的轟擊對象？為什么要將金做成很薄的金箔？

盧瑟福及其助手在實驗中發現，放射性元素放出的α粒子能量很低，穿透本領很小，一張黑紙就能將其擋住.只有做成很薄的金箔，α粒子才能穿過.為什么選金作為靶目標是因為金的延展性非常好，可以做得特別薄(厚度可達到幾微米).

7教學反思

以往的課堂教學，教師們總是把教學重點放在實驗現象和結論的記憶上，很少關注α粒子散射實驗方案的設計過程.然而，“重要的不是教給學生知識，而是教給學生獲取知識的方法”.全國著名特級教師吳加澍老師認為，物理教學要“重演物理知識的發生過程”， “充分還原稀釋——讓學生體驗物理概念的形成過程；堅持延遲判斷——讓學生探尋物理規律的發現過程；滲透思想方法——讓學生參與物理實驗的設計過程；注重過程分析——讓學生親歷物理問題的解決過程.”受此思想的啟發，筆者通過問題串的啟發誘導，引導學生關注α粒子散射實驗裝置所采用的兩大研究方法——閃爍法和轟擊法，這為后面天然放射性和粒子加速器的教學埋下了伏筆.另外，讓學生利用棗糕模型對α粒子散射實驗現象作出理論預測，然后和實驗現象進行對比，有助于學生認識實踐對理論的檢驗作用，更好地理解科學的本質.

參 考 文 獻

1人民教育出版社課程教材研究所編著.普通高中課程標準實驗教科書 物理·選修3-5(第1版).北京：人民教育出版社，2005

2陳熙謀，吳祖仁主編.普通高中課程標準實驗教科書 物理·選修3-5(第1版).北京：教育科學出版社，2006

3中華人民共和國教育部制訂.普通高中物理課程標準(第1版).北京：人民教育出版社，2003

4梁永平.促進學生科學本質理解的教學設計. 教改實踐與探索，2008(9)：5

5張妙靜.原子物理教學中科學素養目標要素的思考.廣西物理，2009(2)：48～50

6夏桂錢.原子物理課的二次設計與思考.物理教學，2011(3)：21～22

7陳惠娟.“原子核式結構發現”的創新教學設計.物理教師，2002(9)：11～12

8季薛慶. 融入科學史凸顯科學本質的教學探討——以原子結構模型教學為例. 科學教育, 2010(2)：16～17