基于科学要素的化学史教学设计

杨封友

摘要：科学史涉及观察、假说、实验等科学要素，在科学方法、科学论证、科学精神等方面独具教育价值;文章以“原子结构的模型”教学为范例，立足科学要素，探索变讲述为探究的化学史教学设计。

关键词：科学要素;原子结构;教学设计

文章编号：1008-0546（2019）12-0066-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.12.020

科学史能促进学生科学本质观的发展，是初中科学教学必不可少的一环。笔者尝试从科学要素出发，设计基于体验重历的化学史教学，将“走马观花”的讲述变为“身临其境”的探究，让学生亲历科学发现的过程。

一、科学史中的科学要素

科学要素是科学发现过程中必然涉及的因素，其中包括观察、假说、实验、理论等。科学理论是观察、实验、假说等科学要素相互作用的结果，各要素间关系如图1所示，观察是建构和检验假说的基础;假说旨在解释和预测现象，是设计及指导实验的依据;实验是科学的“灵魂”，观察到的“新”现象能够证实或证伪假说;经证实的假说系统化后成为理论。

人们对原子结构的认识历经修正，涉及各个科学要素，如，汤姆生提出的原子内正电荷均匀分布是假说，卢瑟福通过散射实验进行检验，观察到“新”现象又使卢瑟福提出新假说。可见，模型的迭代更新是假说、实验、观察等科学要素相互作用的结果，在以下方面独具教育价值：

（1）科学方法。原子犹如黑箱，欲知其内部结构，需根据输入与输出的信息来进行推测，或有更先进的方法能直接观测到内部。如，1909年盖革和马斯登在卢瑟福指导下进行的α粒子散射实验（如图2），其中α粒子为“探测信号”，很薄的金箔为“神秘黑箱”，用显微镜观察α粒子的出射情况，以期验证汤姆生的观点。可见，揭开原子结构的面纱，实现模型的每一次修正，都离不开所选科学方法的得当、实验技术的进步。

（2）科学论证。对原子结构的认识，科学家历经几个世纪的摸索，每一个认识的推翻与新观点的建立都需要科学共同体之间的相互论证得以实现。新观点的建立，通常包含研究与立论两个阶段，研究是寻找证据的过程，立论是用证据分析推理科学家的观点。在研究阶段，了解科学家采用了什么技术、进行了怎样的活动、期望获得怎样的证据、获得了哪些有效证据;在立论阶段，需将证据与观点建立逻辑联系，了解新模型吸收了先前模型的哪些观点、否定了哪些观点、提出了哪些新观点。学生若置身其中，则既能感受模型修正的过程，又能体会科学论证的意义。

（3）科学精神。原子结构的发现史是人类对真理和真相永无止境的追求过程，彰显了探索、求真、创新、开放、协作、批判等科学精神，体现了伽利略“一切推理都必须从观察与实验中来”的实事求是的科学态度。如，卢瑟福本想证实恩师汤姆生原子模型的正确性，实验结果却成了否定恩师模型的有力证据，在此基础上，他提出了原子核式结构模型，这正是亚里士多德名言“吾爱吾师，吾更爱真理”的真实写照。

二、教学范例——“原子结构的模型”教学设计

浙教版初中科学八年级下《原子结构的模型》教学实施过程如下：

1.探测筒内物体，感受黑箱方法

【师】（出示图3所示暗筒），为了解暗筒内是否有物体，有哪些探测方法？

【生1】用手摇，若有声音，则有物体。

【生2】用强光手提灯照射，若另一端观察到影子，则有物体。

【师】哪种方法更好？

【生】用灯光照射更好，大家都能看见，还能知道物体的形状。

[活动]教师出示强光手电筒，让学生照射半透明膜，观察另一段出现的现象。

【师】依据输入纸筒的信息、纸筒输出的信息，推测出纸筒内部是否有物体，这也是科学研究常用的方法。

设计意图：类比是一种研究方法，当代美国著名数学家波利亚把一般化、特殊化和类比并列称作“获得发现的伟大源泉”。通过探测筒内物体，了解求解黑箱内部结构的方法，为理解散射实验的科学方法提供支架。

2.理解散射实验，论证建构模型

（1）初识方法，理解现象

【师】1909年起，卢瑟福和学生进行了类似的实验，他们用准直的α射线轰击厚度为微米的金箔（PPT展示散射实验装置及图4），精心测量α粒子的出射情况，若与手提强光电灯照射暗筒相类比，金箔、α粒子源、α粒子束、出射情况分别类似于什么？

【生】金箔类似于暗筒、α粒子源类似于电灯、α粒子束类似于光束、出射情况类似于半透明膜上的影子。

【师】他们获得了如下现象：绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了较大的偏转，并有极少数α粒子的偏转超过90°，有的甚至几乎达到180°而被反弹回来（PPT展示）。

[活动]学生先独立在图4中画出α粒子的运动轨迹示意图，再展示交流。

设计意图：通过类比，让学生初步识别α粒子散射实验的探测对象、输入信息、输出信息;讓学生将文字描述的实验现象转换为示意图，旨在化抽象为形象，检测对实验现象的理解程度，为猜测实验目的打好基础。

（2）猜测目的，理解技术

【师】卢瑟福用α粒子探测什么呢？实验的目的是什么呢？

【生1】试试α粒子能否穿过金箔。

【生2】探测金箔的结构，验证某个观点。

【生3】验证汤姆生的观点。

【师】汤姆生发现原子内有带负电的电子后，推测原子内有带正电的物质，并提出了一个原子模型：原子是一个球体，正电荷均匀分布在整个球体内，电子像面包里的葡萄干那样镶嵌其中（PPT展示图文资料），卢瑟福是为了验证恩师关于原子结构的观点。

【师】α粒子轰击金箔，要探测出原子内部结构需具备哪些条件？

【生1】α粒子能量足够大。

【生2】金箔要很薄，才接近于金原子。

【生3】α粒子要能进入原子，要易被观测。

【师】α粒子是理想的探测粒子，金箔能被加工的很薄，卢瑟福曾说，这好比对一张纸发射出一发炮弹。因此，α粒子轰击金箔接近于轰击构成金的原子，我们可以把α粒子运动轨迹示意图画成如图5。

设计意图：在了解实验设计及实验现象后，让学生猜测实验目的，补充介绍汤姆生提出的原子结构模型，使学生感受假说对实验设计的影响，体会技术对科学的推动，感受散射实验的设计魅力。

（3）识别论证，修正模型

【师】若汤姆生的观点正确，“炮弹”α粒子轰击“纸张”金箔会出现怎样现象？

【生】若正电荷均匀分布，α粒子都会穿过金箔。

【师】哪些现象支持汤姆生的观点？

【生】大多数α粒子穿过金箔。

【师】哪些现象否定汤姆生的观点？

【生】少数α粒子偏转、极少数α粒子反弹。

【师】卢瑟福也很惊讶，他后来回忆说：“这是我一生中从未有的最难以置信的事，它好比你对一张纸发射出一发炮弹，结果被反弹回来而打到自己身上……”

设计意图：让学生先预测实验现象，接着识别实验现象，获取支持或反驳的证据，培养科学论证能力。

【师】本想验证恩师的观点，没想到却证明恩师观点是错误的，你估计卢瑟福当时的心情如何？若是你，将会怎么办？

【生1】惊奇，再次实验。

【生2】兴奋，修改汤姆生的观点。

【师】依据现象推测原子内部具有怎样的结构？

【生1】少数偏转、极少数反弹，推测原子内部具有带正电荷、质量大、体积小的结构。

【生2】原子内部大部分是空的。

[活动]学生根据推测画出原子结构示意图，电子有些学生是运动的，有些是静止镶嵌的。

【师】原子内的电子究竟是运动的还是静止的呢？

【生1】若静止，会被中间带正电荷的结构所吸引。

【生2】若运动，可能不会被吸引。

【师】卢瑟福提出了原子的核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核，原子的全部正电荷和几乎全部的质量都集中在原子核，带负电的电子在核外空间绕核运动（PPT展示文字图片资料）。

设计意图：换位猜测卢瑟福的思维活动，建立“原子内部具有带正电荷、质量大、体积小的结构”的核式结构模型，用以解释“新的现象”，让学生体会求真、创新的科学精神，以及科学的主观性与建构性。

【师】电子绕核运动不会与核吸在一起，有类似的现象吗？

【生1】地球绕太阳运动，两者相互吸引。

【生2】卫星绕地球运动，两者相互吸引。

【师】如图6所示，小钢球易被磁球吸引，若快速轉动烧杯，使小钢球运动后，又会怎样呢？

[活动]教师演示，学生观察（现象：小钢球绕磁球运动，没有被吸引到一起）。

【师】若将原子的核式结构模型与此实验相类比，则原子核、电子分别类似于什么？

【生】原子核类似于磁球，电子类似于小钢球。

【师】这些现象与原子内的电子绕核运动相似，但不能成为电子绕核运动的证据，

设计意图：通过列举类似现象及小钢球绕磁球实验，使学生对原子结构核式模型的认识变得形象化，以及感受卢瑟福对电子绕核运动推测的合理性，同时指明模拟实验不能成为科学证据，利于学生对科学要素的理解。

3.品评原子模型，聚焦模型修正

【师】卢瑟福本想证实恩师假说是正确的，没想到葡萄干模型是错误的，进而提出了自己的观点，在卢瑟福之后，关于原子结构，玻尔提出了分层模型;汤姆生之前，道尔顿提出了实心球模型，人类对事物的认识就在这样不断的修正中前进。

【师】卢瑟福修正了汤姆生的哪些观点？

【生】正电荷由“均匀”修正为“集中”，电子由“镶嵌”修正为“运动”。

[同步展示图7相应内容]

设计意图：初步形成对原子结构探索历程的整体认识，明确卢瑟福对汤姆生原子结构模型的继承与修正，体会科学知识的暂时性。

[组织讨论]

①在今天看来，道尔顿的实心球观点显得尤为落后，但表示分子结构模型时却仍采用他的观点，为什么呢？

②不同的原子结构模型出现在不同的年代，各种观点的诞生可能受到哪些因素影响？

【师】观点的诞生受实验技术、科学家主观思想等因素影响。目前，科学家还是通过“打靶”“轰击”来改变对象状态，再分析改变后的结果，以了解原子内部微观的结构，原理类似于卢瑟福的α粒子散射实验。当然，最好的办法是打开原子、进入内部观察，就像用力击穿暗筒的半透明，取出里面的卷轴，再打开卷轴，就能知道卷轴上书写的文字了。

【生】齐读暗筒中卷轴上的文字“吾爱吾师，但吾更爱真理”。

设计意图：让学生能客观、辩证地看待原子结构模型;了解探索原子内部结构的方法，以期课堂首尾呼应，强化求真探索精神。

总之，科学史教学要区别于社会史，要变史实讲述为科学探究，实施时可围绕假说、实验、观察等科学要素，让学生体验重历科学发现过程，了解科学方法，学会科学论证，熏陶科学精神。教学顺序既可平铺，也可倒叙，还可从中间展开，至于采用何种方式，取决于内容特征及学生认知。如，卢瑟福实验现象是否定汤姆生模型的证据，也是建立新模型的基础，本教学范例由此入手，围绕各科学要素，让学生理解实验设计，论证汤姆生模型，建立核式结构模型，这样既抓住教学重点、突破难点，也让学生“回到”过去，“亲历”原子结构发现的典型过程，使教学聚焦科学本质、指向核心素养。