让学生经历科学探究的过程 * —— “原子的核式结构模型”教学设计

让学生经历科学探究的过程*
—— “原子的核式结构模型”教学设计

尹德利

(北京市东方德才学校北京100025)

*北京市物理学会2014-2015教育科研课题“物理学史运用于中学物理课堂教学的案例研究”，项目编号：WLXH1410

摘 要：在分析课标要求、教材内容和当前教学现状的基础上，以问题形式引导学生侧重对α粒子散射实验装置的设计思想和α粒子散射实验现象进行探究，从中体验科学探究的乐趣和艰辛，加深学生对科学本质的理解.

关键词：α粒子散射实验科学探究科学本质

收稿日期：(2015-09-23)

作者简介：尹德利(1965-)，男，中教高级，北京市朝阳区物理学科带头人，北京市骨干教师，主要从事高中物理教学、物理学方法及物理学史在中学物理教学中的应用研究.

从新课程的教学理念审视高中物理选修3-5 “原子结构”一章的教学内容，无论是知识层面还是方法层面，抑或是观念层面，有许多内容需要深入地挖掘和思考；反思当前“原子的核式结构模型”一节的课堂教学，有许多方面有待改进和提升.

思考1:本节课应该让学生了解哪些教学内容，教学重点是什么？

思考2:本节课涉及到的研究方法有哪些？应采取什么教学手段对这些研究方法进行显化？

思考3:本节课涉及到的观念层面的知识有哪些？如何让学生感悟这些思想观念？

1《课程标准》对“原子结构”的教学要求

《普通高中物理课程标准》(实验)关于选修3-5的内容标准指出,“历史上，对于电磁波、原子结构的认识，典型地展示了人类认识自然规律的科学方法”，因此，教学中应让学生“(1)了解人类探索原子结构的历史以及有关经典实验；(2)通过对氢原子光谱的分析，了解原子的能级结构.”“体会其中的科学方法、科学思想，感受科学的和谐美.”

2教材分析

以北京市普通高中所使用的人教版和教科版选修3-5为例，两套教材关于原子结构一章的编写都是按照历史发展的逻辑循序展开的：电子的发现→汤姆生的“枣糕模型”→α粒子散射实验→卢瑟福的“原子核式结构模型”→玻尔的量子化原子结构理论.两套教材都以问题讨论的方式注入了科学探究的元素，通过“科学足迹”或“小资料”的形式补充了相关的物理学史料，对学生了解人类对原子结构的认识发展有一定的意义.然而，两套教材也都存在着一定的不足.人教版选修3-5第二节“原子的核式结构模型”侧重对α粒子散射实验现象的分析和结论得出的过程分析，这无疑是对的；教科版选修3-5第二节“原子的核式结构模型”关于α粒子散射实验的装置、现象和结论都是直接给出.至于卢瑟福及盖革等物理学家为什么要做α粒子散射实验，α粒子散射实验装置又是如何设计的，体现了怎样的设计思想和研究方法，两套教材却鲜有说明.教材这样处理，无法消除学生对物理学家研究微观世界的神秘感(较之实验结论，学生对物理学家研究看不见的分子、原子的实验方法和技术手段更感兴趣，了解这种方法和技术手段对他们以后从事科学研究更有价值).两套教材对α粒子散射实验装置的轻描淡写，直接导致了课堂上教师对α粒子散射实验装置蜻蜓点水式的介绍，使学生丧失了一次宝贵的模拟科学家设计实验方案进行科学探究的机会，学生 “体验不到探索和发现的喜悦,感觉不到思想形成的生动过程,也很难达到清楚地理解全部情况的目的”(爱因斯坦语).

从知识的功能和价值取向分析，“原子结构”一章的内容有助于学生对科学本质的理解.

首先，它让学生认识到，“科学知识是暂时性的、主观的、建构性的,它会不断地被修正和推翻.”“科学认识的对象是客观的，科学认识的过程是认识主体对客体的作用过程.在这个过程中，认识主体的已有经验或背景起着重要作用；科学认识活动以事实为基础，但事实本身并不是科学.”

其次，本章所蕴含的物理学研究方法，能够启迪学生智慧，激发学生科学探究的热情.由于微观粒子看不见、摸不着，要研究微观现象，必须发展一些新的实验探测技术及手段.分析19世纪末至今的粒子物理实验技术的发展，基本上可分为两大类：一类是变不可见为可见，如闪烁法——利用电子等微观粒子打在荧光粉上能够使荧光粉发出闪光的特性制成显示屏，通过显示屏观察粒子的径迹或多少；留迹法——借助威尔逊云室和气泡室，显示并拍摄粒子运动的径迹，通过分析云室(或气泡室)照片研究带电粒子的相互作用性质.另一类是给粒子加速，为了探明原子(核)的结构或者实现各种人工核反应，卡文迪什实验室的物理学家们发明了轰击的办法(本质上属于控制论的“黑箱方法”)，试图打破原子或原子核的“坚硬外壳”，撩开其神秘的面纱，但利用天然放射性元素放出的射线能量太低，需要补充能量，于是各种各样的粒子加速器应运而生.

再次，本章内容结合相关史料，有助于培养学生科学探究的毅力，实事求是的科学态度和坚持真理、勇于向权威挑战的科学精神.

3教学现状分析

由于实验条件的限制，现阶段中学物理实验室还无法做α粒子散射实验，这给本节课的实验探究教学带来一定困难.多年来，许多一线教师在本节课的教学中习惯于照本宣科——在引出汤姆生的“枣糕模型”之后，借助图片或动画介绍α粒子散射实验装置，然后重点分析α粒子散射实验的现象和结论.有些教师虽然也从过程与方法的维度对教材内容进行了挖掘，但由于教材对本节课的研究方法没有进行显化处理，致使一线教师对本节课的研究方法是仁者见仁智者见智，缺乏一致性.鉴于这种情况，笔者认为本节课的教学设计需要考虑这样几个问题：本节课要不要探究，哪些地方需要探究？侧重点放在哪里更有利于学生对科学本质的理解，更有利于学生科学素养的提升？基于上述思考，笔者确定本节课的教学目标如下.

4教学目标

(1)知识与技能

了解原子结构模型建立的历史过程及各种模型建立的依据，知道α粒子散射实验的思想方法、实验现象及原子核式结构模型的主要内容.

(2)过程与方法

经历α粒子散射实验的设计过程；通过对α粒子散射实验结果的分析、讨论，学会对物理现象进行分析、归纳并得出结论；认识“假说→实验→新假说→实验→相对正确的理论”这种理论建立和发展的模式，认识理想模型和科学实验在科学发展过程中的作用.

(3)情感态度与价值观

体验探究自然规律的艰辛和喜悦，学习科学家敢于坚持真理、勇于创新和实事求是的科学态度和科学精神，领悟科学的本质.

5设计思路

通过问题引探和学史渗透相结合的方式，让学生经历α粒子散射实验的设计过程，了解实验探索微观粒子运动的方法；通过小组讨论交流，让学生经历α粒子散射实验现象的分析推理过程，体验科学探究的乐趣，学习科学探究的方法.

6教学过程

(1)通过问题引导、小组讨论，让学生经历α粒子散射实验的设计过程

问题1:汤姆生发现电子后，他根据什么事实断言原子内部还有正电物质存在，这里他采用了什么思维方法？

问题2:汤姆生提出的原子结构模型是怎样的，他运用了什么研究方法？

设计意图:通过问题1和问题2，使学生认识到，科学假说不是主观臆测，而是建立在一定的科学事实基础上的；逻辑推理和建立理想化模型是构建科学理论的常用方法.

问题3:汤姆生原子结构的“枣糕模型”作为一种科学假说，正确与否如何检验？

问题4:人们若想知道一个西瓜内部的结构是怎样的，应该怎么办？

问题5:如果我们想知道原子内部的结构，应该怎么办？

设计意图：科学实验是检验科学假说是否正确的唯一标准；类比法是科学研究常用的方法.通过原子结构的“枣糕模型”与西瓜进行类比，寻找实验设计的突破口.对于西瓜，只需用刀切开，其内部结构一目了然，但对于肉眼看不见的原子，却无法找到这样的刀将它切开，必须另辟蹊径.西瓜还可以用石块砸开来观察其内部结构，原子能不能用“石块”砸开呢？学生或许认为这也是不可能做到的.此时教师指出，这事搁在别人身上，确实做不到，但却难不倒卡文迪什实验室的物理学家卢瑟福.接着教师介绍卢瑟福在20世纪头几年关于天然放射性的实验研究(α射线、β射线就是卢瑟福命名的)，卢瑟福所用的这个“石块”就是α粒子，即氦的原子核，卢瑟福做α粒子散射实验是历史的选择！用α粒子(或质子、中子)轰击其他元素的原子(核)是卢瑟福发明的现代粒子物理实验研究常用的实验方法.

问题6:无论是原子还是α粒子，肉眼都是不可见的，他们的碰撞过程也是不可见的，如何使碰撞结果看得见呢？

设计意图：变不可见为可见是粒子物理实验研究采用的重要手段.物理学家们早就发现，高速运动的粒子(射线)打在荧光物质上能使荧光物质发出闪光，涂有荧光粉的荧光屏是探测微观粒子行踪的常用设备.

至此，α粒子散射实验设计的主要问题已经解决，然后教师引导学生阅读教材并观察教材上的插图，看看卢瑟福α粒子散射实验装置是由哪几部分组成的，都起什么作用，接着教师播放模拟α粒子散射实验的动画，让学生了解盖革和马斯顿利用该装置获取α粒子散射实验数据的过程.

设计意图：插入这段史料，旨在让学生认识到科学理论是建立在实证、求实的基础上的，科学研究需要具备非凡的毅力和一丝不苟的严谨态度.

(2)引导学生分析α粒子散射实验现象，探究原子内部的结构

问题7:同学们先根据汤姆生的“枣糕模型”预测一下，α粒子打在金原子的哪个部位容易发生大角度偏转，打在哪个地方偏转角度较小？ (教师启发学生从静电力的角度分析预测.等待片刻，学生汇报预测结果)

师：那么α粒子散射实验的实际结果究竟是怎样的呢？教师播放α粒子散射实验现象模拟动画，学生观看动画.

问题8:实验结果与理论预测不符，说明了什么？

设计意图：使学生了解，判明一个科学假说的真伪，就是看其理论预测与实验事实是否相符.如果相符，说明科学假说是正确的，如果不符，就要分析原因，是假说错了还是实验方案的设计存在问题？

问题9:既然α粒子散射实验的结果否定了汤姆生的 “枣糕模型”，那么真实的原子结构又该是怎样的呢？同学们能否根据α粒子散射实验现象推测一下原子内部的结构可能会是怎样的？(引导学生透过现象探究原子结构的本质)

设计意图：对实验现象或数据进行分析、推理，让学生经历与前辈物理学家同样的问题解决过程，培养学生的逻辑推理能力.在此基础上，教师引导学生阅读教材，了解卢瑟福原子核式结构模型的主要内容.由于学生刚刚体验了与卢瑟福相似的思维活动过程， 因而能够加深对原子核式结构模型的理解.

对于重点学校物理基础较好的学生，教师还可以提出下列问题让学生思考.

问题11:卢瑟福及其助手为什么选择贵金属金而不选更便宜、更容易找到的铁或铝作为α粒子的轰击对象？为什么要将金做成很薄的金箔？

卢瑟福及其助手在实验中发现，放射性元素放出的α粒子能量很低，穿透本领很小，一张黑纸就能将其挡住.只有做成很薄的金箔，α粒子才能穿过.为什么选金作为靶目标是因为金的延展性非常好，可以做得特别薄(厚度可达到几微米).

7教学反思

以往的课堂教学，教师们总是把教学重点放在实验现象和结论的记忆上，很少关注α粒子散射实验方案的设计过程.然而，“重要的不是教给学生知识，而是教给学生获取知识的方法”.全国著名特级教师吴加澍老师认为，物理教学要“重演物理知识的发生过程”， “充分还原稀释——让学生体验物理概念的形成过程；坚持延迟判断——让学生探寻物理规律的发现过程；渗透思想方法——让学生参与物理实验的设计过程；注重过程分析——让学生亲历物理问题的解决过程.”受此思想的启发，笔者通过问题串的启发诱导，引导学生关注α粒子散射实验装置所采用的两大研究方法——闪烁法和轰击法，这为后面天然放射性和粒子加速器的教学埋下了伏笔.另外，让学生利用枣糕模型对α粒子散射实验现象作出理论预测，然后和实验现象进行对比，有助于学生认识实践对理论的检验作用，更好地理解科学的本质.

参 考 文 献

1人民教育出版社课程教材研究所编著.普通高中课程标准实验教科书 物理·选修3-5(第1版).北京：人民教育出版社，2005

2陈熙谋，吴祖仁主编.普通高中课程标准实验教科书 物理·选修3-5(第1版).北京：教育科学出版社，2006

3中华人民共和国教育部制订.普通高中物理课程标准(第1版).北京：人民教育出版社，2003

4梁永平.促进学生科学本质理解的教学设计. 教改实践与探索，2008(9)：5

5张妙静.原子物理教学中科学素养目标要素的思考.广西物理，2009(2)：48～50

6夏桂钱.原子物理课的二次设计与思考.物理教学，2011(3)：21～22

7陈惠娟.“原子核式结构发现”的创新教学设计.物理教师，2002(9)：11～12

8季薛庆. 融入科学史凸显科学本质的教学探讨——以原子结构模型教学为例. 科学教育, 2010(2)：16～17