核心素养理念下的教材分析与教学建议①——以“原子核式结构模型”为例

(江苏省南京市雨花台中学，江苏 南京 210012)

“原子核式结构的模型”是人教版高中物理选修3-5第十八章“原子结构”的重点内容，本节不仅给我们展现了一个完美的微观世界，也呈现了科学家在原子领域进行的艰辛探究和耀眼的思想光芒，是培育学生核心素养的绝好素材。

受实验器材、条件的限制，教材中的实验无法直接演示，使得本节内容抽象难懂，加之高考涉及这部分的内容也较少，不少老师在处理这部分内容时，常常是蜻蜒点水，不重视呈现人类探究原子结构的真实历程，不挖掘其中的教育价值，仅是把原子结构的知识简单地介绍给学生，教学重点放在实验现象和结论的记忆与应用上，导致学生机械、被动地接受知识，从而失去一次培育物理核心素养的良机。如何将核心素养的培育任务分解到教学的各个环节？如何在学习本节知识过程中帮助学生形成物理观念，领悟科学方法，发展科学思维，培养科学态度和责任？本文试图从这些方面对“原子核式结构的模型”一节进行深入分析，并提出教学建议。

1 核心素养要素分析

本节课是在上一节“电子的发现”的基础上，以科学发展的历史为背景，通过对经典实验的模拟，呈现科学家的探究过程，引导学生逐步分析、推理、建构，从而得出原子的核式结构。整节内容凸显实验探究和科学思维，囊括“物理观念”“科学思维”“实验探究”“科学态度和责任”等多方面要素，充分体现了物理学科对提高学生核心素养的独特作用。

1.1 物理观念

(1) 物质观

电子的发现打破了原子不可分的经典物质观，使人们认识到原子也有内部结构；α粒子散射实验使人们对原子结构的认识由“实心均质”上升到“核式”结构,原子结构模型的建构是一个不断修正、不断完善的过程。

(2) 运动与相互作用观

α粒子散射实验的本质是粒子间的相互作用使粒子的运动状态发生变化，体现了自然界中运动与相互作用观。

(3) 发展观

人类探究原子结构的历程体现了科学研究的继承性、修正性与发展性，由此帮助学生形成“科学研究的对象是客观的”“科学知识是暂时性的、主观的、建构性的，会不断地被修正和推翻”等科学本质观。

1.2 科学思维

教材遵循历史发展的循序，呈现了科学家探索原子结构的过程及相关的经典实验，将人类认识自然的科学探究过程“实验现象→提出假设→理论解释→新的实验现象→新的假设或对原假设的修正→形成科学理论”隐含于其中。科学家在探究中运用了逻辑推理、猜想假说、分析综合、归纳演绎、模型建构等多种科学方法。这种呈现方式，既让学生对原子结构有进一步认识，又体验到了科学的思维过程，培养了创新思维能力。

1.3 科学探究

从电子的发现→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”的发展过程本身就蕴含着丰富的科学探究的教育元素，学生在回顾原子结构探究的过程中，了解人类认识微观世界的方法和途径，理解科学探究的本质，体验科学探究的乐趣。

1.4 科学态度和责任

采用将物理学史与探究学习相结合的方法，可以促进学生对科学的认识，领悟科学本质，学习科学家坚持真理、敢于突破传统理论、勇于创新、严谨自信和实事求是的科学态度和科学精神，体验探究过程中的艰辛和喜悦，养成基于证据不懈探寻规律的科学素养和应用科学规律解释自然界的习惯。

2 教学建议

2.1 围绕核心概念的构建，促进物理观念的形成

在人类认识原子结构的历程中，经历了多次观念的演进，蕴含着物质观、运动与相互作用观、能量观等物理观念的教学内容，是帮助学生形成物理观念的一次很好机会。笔者认为本节课教学应当结合人类认识原子结构的历史，围绕着“原子结构”这一核心概念的发展和演变，演绎科学探究过程，启发学生在基于证据进行科学推理的基础上，运用运动与相互作用观及分析归纳的方法，自主建构“原子结构”这一核心概念，引导学生深刻地理解“科学研究的对象是客观的，科学知识是暂时性的、主观的、建构性的，会不断地被修正”，让学生既学到知识，又增进了对科学本质的认识。

例如，在回顾上节课内容的基础上，可先引导学生对汤姆生发现电子的意义进行分析、讨论，帮助学生树立原子是可分的观念；在认识到电子是原子组成部分后，让学生对原子的内部结构进行猜想，从而引入汤姆生的“枣糕模型”——原子是“实心均匀”的；“枣糕模型”能够解释一些现象，可是勒纳德的“高速电子很容易穿透原子”的实验又表明原子不是实心的，引发学生对原子结构认识的又一次转变；接着通过对“α粒子散射实验”的模拟，把学生带回卢瑟福的时代，体验卢瑟福的研究过程，让学生认识到“科学理论是建立在实证、求实的基础上的”，由此形成正确的物质观。

2.2 创设原始问题情境，还原真实探究过程

作为一节概念探究课，本节课的重点是如何落实探究教学，让学生体验原子核式结构的建构过程，学会科学探究的方法，体会科学研究的继承性、修正性与发展性。但在实际教学中，不少教师常常是机械地按着探究的步骤按部就班、依葫芦画瓢地开展，为什么要做α粒子散射实验？实验又是如何设计的？体现了怎样的设计思想和研究方法？他们在上述方面轻描淡写，鲜有涉及这种处理方法，违背了科学探究最重要的特征——“真实、开放”，学生失去了一次模拟科学家进行科学探究的宝贵机会。笔者认为本节课应将物理学史与科学探究有机结合起来,通过创设原始问题情境，还原真实的历史背景，让学生经历与科学家进行探究的相似过程，学习科学探究的方法，体验科学探究的乐趣，养成科学的态度和精神。

例如，引导学生探究原子结构时，可设置以下问题：既然电子是原子的组成部分，电子带负电，而原子是中性的，那么原子里是否还有其他物质存在呢？原子中有带负电的电子，又有带正电的物质，还可能有不带电的物质吗？这些物质是如何分布的？原子的结构应该是怎样的?在这一系列问题的引导下，学生的思维被唤起，内驱力被激发，并以探索者的角色参与到学习活动中。

在勒纳德发现高速电子很容易穿透原子这一现象的基础上，可设置以下问题：根据这个现象你对原子结构有什么新的认识？原子是不是实心的？内部是什么结构？原子太小，无法直接观测其内部结构，怎么办？一个圆形物体，如果不能打开它，又想知道里面是什么,有什么办法?卢瑟福是怎样做α粒子散射实验的？学生在上述问题的引领下，既经历了α粒子散射实验的设计过程，学到了微观粒子结构的探究方法，又体验到了科学的思维活动过程。

在用动画模拟α粒子实验现象后，设置如下问题：1微米厚的金箔内有3000多个原子层，绝大多数α粒子穿过金箔仍沿原方向前进，这说明什么？按照汤姆生的枣糕模型，α粒子有没有可能发生大角度偏转？α粒子的大角度散射是与电子碰撞造成的吗？你认为原子具有怎样的结构，才有可能造成α粒子的大角度偏转？学生在这些基于实验现象而设置的问题情境中，经历了实验现象的分析推理过程，建构了原子的核式结构模型，既掌握了知识、技能和方法，又很好地培养了科学探究能力。

2.3 注重科学方法教育

无论是原子结构的探究历程，还是α粒子散射实验本身，都蕴含着丰富的科学方法教育内容。科学探究作为一根主线，贯穿在整个教学过程中，教学中要注意尊重学生的心理特征和认知规律，强化科学探究方法的显性教育，从实验现象→提出假设→理论解释→新的实验现象→新的假设(或对原假设的修正)→形成科学理论，领会科学探究的方法。

科学假说是人类探究原子结构中重要的方法，从发现电子到提出原子核式结构的每个阶段，科学假说总是处于先导地位，发挥了桥梁作用。因此，教学中应注重结合物理学史，深入挖掘原子结构理论的形成过程，把科学假说方法融入探究教学中，讲清这些科学假说如何被提出、验证，并上升到物理理论的过程，让学生领会科学假说在物理学研究中的重要作用，培养创造性思维能力。

微观粒子的不可见性导致研究和认识原子结构困难重重，突破这一难点的方法就是“类比法”。教学中可利用“枣糕模型”来类比汤姆生的原子结构，利用“太阳系模型”类比卢瑟福的原子核式结构，让学生对原子结构的认识趋于直观。利用类比，还可以引导学生寻找实验研究的突破口：未知物体可以用石块砸开来观察其内部结构，原子能否用“石块”砸开呢？以此帮助学生理解研究微观粒子的实验方法——“α粒子轰击法”。在认识原子核的大小时，可利用“设想原子放大成一个半径为10m的球体，原子核比一个小米粒还小”这样的类比，帮助学生认识“原子的内部大部分是空的”。

无论是“枣糕模型”还是“核式结构模型”，都是在观察实验的基础上，通过分析推理而建立起来的，教学中要重视和发挥逻辑推理在探究学习中的作用，引导学生学会根据实验现象展开分析、推理、建构、论证，培养推理、分析、综合能力。

例如，在介绍汤姆生发现电子的基础上，引导学生展开分析推理，得出原子不是组成物质的最小微粒，原子是可分的，原子内部还有带正电的物质，由此引入汤姆生的“枣糕模型”；在通过动画模拟α粒子散射实验现象后，启发学生对实验现象或数据进行分析、推理，由此构建出“原子的核式结构”模型。

2.4 重视利用多种课程资源，培养学生的科学态度与责任

人类对原子结构的认识是一个由浅入深、由不全面到比较全面的不断深化、不断完善的过程，闪烁着科学家的智慧光芒，也见证了科学家的艰辛探究，这些都是对学生进行科学态度教育的良好素材和生动实例，教学中教师要重视将教材、网络、多媒体等多种课程资源进行整合，了解汤姆生、卢瑟福、道尔顿等人的生平事迹和科学成就，与学生共同体会科学精神的实质，树立尊重科学、运用科学、实事求是的科学态度。例如，在建立原子结构的核式模型的过程中，启发学生讨论汤姆孙“枣糕模型”是否合适？培养学生敢于怀疑、敢于实践，敢于向传统观念和理论挑战的精神；通过“卢瑟福及其助手分析了数十万张α粒子轰击金箔发生散射的照片，发现八千分之一的α粒子被反射回来的实验结果”的介绍，引导学生学习卢瑟福追求真知的理性精神和批判精神，感受科学探究的艰辛与曲折及科学家高尚的人格魅力。

3 结语

微观世界看不见、摸不着，单纯靠讲解，学生理解起来会比较困难，教学中要注重利用直观性教具、多媒体等教学手段，化抽象为具体，变平面为立体，拉近微观世界与学生的距离。例如，利用多媒体的动画将原子结构的各种模型立体地、动态地模拟出来，帮助学生认识原子结构；α粒子散射实验在中学阶段难以演示，教学中可利用Flash动画模拟实验装置及现象，展示卢瑟福探究原子结构的过程和思想方法。