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标题 “原子结构发现史”中科学要素剖析及教学反思
范文 张霄+马薇+吴晗清
摘要：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。以“原子结构发现史”为例，原子结构的确立历经理论探讨、实验探究、模型确立三个阶段，体现了观察是建构与检验假说的基础；假说是解释、预测现象以及指导实验的依据；实验是获取现象以及检验假说的手段。教师应当返还属于学生的时间，培养学生的观察能力；关注学生的“错念”，培养学生提出假说的能力；引导学生思考实验的价值，培养学生的实验设计能力。
关键词：原子结构发现史；科学要素；教学反思
文章编号：1005–6629（2016）4–0033–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
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。通过分析科学史可以看出，每一项重要的科学发现过程均涉及科学要素。以“原子结构发现史”为例，关于原子结构的系统性探究始于16世纪的科技革命，原子结构的确立历经理论探讨、实验探究、模型确立三个阶段，发展过程体现了观察、假说、理论、实验等科学要素的交互式作用。本文旨在剖析“原子结构发现史”背后的科学要素，反思教学，以期为完善中学化学教学带来教益。
1 原子结构发现史
1.1 原子结构的理论探讨时期
1897年，电子被发现以后，科学家开始对原子结构进行系统探讨。同年，汤姆生（Jospeh John Thomson，1857～1940）提出“葡萄干蛋糕”模型，即原子是一个带正电的球（蛋糕），带负电的电子（葡萄干）均匀分布在球体之中。1903年，德国物理学家勒纳德（Lenard，1862～1947）“以吸收的实验证明高速的阴极射线能通过数千个原子”。按照当时盛行的半唯物主义者的看法，原子的大部分体积是空无所有的空间。勒纳德设想刚性物质是“散处于原子内部空间里的若干正电和负电的合成体”[1]。1904年，日本物理学家长岗半太郎（1865～ 1950）提出“土星型原子模型”，即原子中心是一个大质量的正电球，电子均匀地分布在环形轨道上。“这一理论形成时，人们把原子看做一个太阳系，把有质量的核比拟为处于中心的太阳，而轻质的电子则类似要和运行的行星”[2]。因此，这一时期的原子结构模型完全囿于经典力学的范畴。
1.2 原子结构的实验探索时期
1911年，卢瑟福（Ernest Rutherford，1871～1937）建议马斯登完成α粒子轰击金箔实验[3]。实验发现，在大约20000个入射的α粒子中，只有1个α粒子在穿过金箔时发生了90°偏转。一束α粒子穿过金箔最可能偏转的角度是0.87°。实验结果表明，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粒子发生了大角度偏转，有极少数α粒子的偏转角度超过90°，甚至几乎达到180°。卢瑟福根据α粒子散射实验获取的现象，提出了“核式原子结构模型”，即原子内部有很大的空间，并且电子的质量很小；原子内全部正电荷集中在原子球体的中心，原子核约占原子总体积的几万分之一；原子的质量几乎全部集中在原子核上；电子在核外空间内，受到核电荷的电磁吸引绕核旋转。卢瑟福成功地以实验证明了原子核与电子的关系，并提出了能够解释所有已知现象的“核式原子结构模型”，为日后电子的运动状态及原子核内部结构的研究打下了坚实的基础。
1.3 原子结构的确立时期
1920年，科学家通过大量实验现象确认原子核是由质子和电子构成的。与此同时，新的矛盾随即产生，亨利·莫塞莱（Henry Gwyn Jeffreys Moseley，1887～1915）发现，“每种元素被阴极射线轰击时，能发射出具有特征频率ν的X射线，ν为原子序数N所决定”[4]。这一结论促使卢瑟福大胆地提出“可能还存在一种电中性的粒子”的新假说[5]。为了检验这一假说，卢瑟福的学生查德威克（James Chadwick，1891～1974）经过多年努力终于在1932年发现关于中子的确凿证据。并于《英国皇家学会通报》上发表题为“中子的存在”一文，详细地报告了实验结果及分析过程。有核模型虽然在实验上取得成功，但按照经典力学理论，电子作圆周运动时会辐射电磁波，损失能量。因此，理论上不存在稳定形态的原子。20世纪初期，随着量子力学的发展，微观粒子的波粒二象性、测不准原理等假说相继提出。玻尔（Niels Bohr，1885～ 1962）、德布罗意（Louis Victorde Broglie，1892～1987）、海森堡（Werner Karl Heisenberg，1901～1976）等著名科学家为揭示电子的运动状态做出了巨大的贡献，“经过80余年实践的考验，证明作为量子力学理论基础的这些基本假设是正确的”[6]。图1为原子结构发展历程。

2 原子结构发现史的科学要素剖析
2.1 观察：建构与检验假说的基础
观察是建构科学假说的重要基础之一，“如果一个观察命题所构成的事实可以直接用感官来检验，并且经得起检验，那么，它足以构成科学的基础”[7]。观察包含两种途径：直接观察和间接观察。直接观察，即观察者通过感官或感官的“延长”，如借助显微镜、望远镜等仪器，对现象进行直接观测。间接观察，即观察者以实验为基础，通过分析数据、谱图等，间接获取观察结果。“科学观察要求提出任务、做出假设并且导出能与观察结果相比较的各种推论；还要组织观察的实施，选择和充实仪器装置，记录观察结果等”[8]。例如，勒纳德提出的“星系模型”旨在解释“阴极射线能穿透几千个原子厚度”这一观察结果。值得注意的是，观察事实是客观的，同时也是可错的。观察活动与观察者的前期假设有着密切的关系，换言之，观察者的前期经验决定着观察的内容与对象。因此，观察既是建构假说的基础，同时也受假说的影响。
2.2 假说：解释和预测现象及指导实验的依据
假说旨在有效地解释和预测现象。假说的提出既是建立在现象的基础之上，又是对现象的解释与预测。有学者将假说比做“筐”，当获取的现象能够装入“筐”中时，则假说被进一步证实，如果新获取的现象无法装入“筐”中，则需要以新现象作为基础，进一步对其进行修正。假说的证实与修正往往需要实验的介入，假说能够指导实验的设计与实施。“没有理论，就无法设想出任何实验来，所以科学家在危机时总是尝试去提出某些思辨性理论，如果成功了，就能找出通往新范式的道路；如果不成功，也能相对容易地将它们舍弃”[9]。例如，1897年汤姆生提出“葡萄干蛋糕”原子模型。随后进行的α粒子从金属表面直接反射的实验，有效地获取了“α射线大角度散射”现象。实际上，假说对于实验的指导作用，可以视作“刻意”获取现象的过程。当原有假说能够解释实验现象时，则假说被进一步证实。当原有假说不能够解释实验现象时，则假说被进一步修正。
2.3 实验：获得现象及检验假说的手段
实验是化学的“灵魂”，广而言之，实验是自然科学的“灵魂”。实验所以能够成为自然科学的核心方法之一，是因为实验能够有效地证实或证伪科学假说。通过实验获取的现象是沟通实验与假说的桥梁。对于同一现象，不同假说能够给出不同合理的解释。“实验结果是由世界的作用决定的，而不是由关于世界的理论观点决定的，正是这一点使得参照世界来检验理论成为可能……尝试参照实验结果去检验科学理论正确与否，是一种很有意义的探索”[10]。因此，理论系统的建构需要大量实验作为基础。例如，当代原子结构模型的形成，历经赫兹的实验、电子通过物质的吸收实验、α粒子散射实验、闪烁镜观测空气中射线射程实验、辐射铍实验……直到2015年科学家才通过实验的方式获取粒子波粒二象性的谱图。通过实验结果获取的现象对假说具有高效的检验作用，在检验与修正假说的过程中，假说逐渐上升为系统的、具有高度解释力和预测力的理论规范。
上述科学要素间的交互式作用如图2所示。

3 对“原子结构”教学反思
3.1 返还属于学生的时间与空间，培养学生的观察能力
在中学化学教学中，观察能力是学生的基本素养之一。反思教学可以发现，多数教师在指导学生观察现象时往往带有强烈的倾向性，即要求观察结果尽量与教材中呈现的结果相吻合。如此一来，学生仅能够凭借感官完成机械的观察与记录，既不能逾越教材中的既定现象，又不能自主提出假说。在真实教学情景中，教师习惯于让学生总结实验现象，在学生对现象进行完整描述后，教师会加以完善并要求学生记录。在这一过程中，教师针对某些复杂现象还会为学生编制简单的“顺口溜”或打油诗，辅助学生记忆。实际上，对现象的记忆不应该脱离现象本身，当学生思考某一实验内容时，应当能够反映出相对真实的、动态的实验情境，而不仅仅是抽象的文字。
培养学生良好的观察能力，需要教师返还原本属于学生的时间。部分教师在完成实验后，急于要求学生记录现象，如此一来，直观的、鲜活的现象则会变为抽象、冰冷的文字。培养学生良好的记录能力，需要教师返还原本属于学生的时间和空间。在“原子结构”一课的教学过程中，教师通常让学生观看“α粒子轰击金箔实验”的动画，进而由教师总结动画中出现的现象，最后以相关的知识解释所有现象，推导出原子结构。在这一过程中，学生处于被动接受的地位，观察的现象以及解释现象的理论完全由教师直接给出，学生的观察与记录能力无法得到有效的训练。教师应当返还原本属于学生的时间与空间，由学生自主完成观察与记录。
3.2 关注学生的“错念”，培养学生提出假说的能力
在中学化学教学中，学生自主建立假说的过程往往被教师所忽略。一方面，受教学时间所限，教师往往直接告知学生陈述性知识，而不为学生提供自主提出假说的机会。另一方面，受教学内容所限，教师往往有意识地引导学生将观察的现象纳入到已有假说之中，进而排斥“预设外现象”的出现。通过访谈学生笔者了解到，相当一部分学生认为电子在原子核外做圆周运动，说明学生对于电子运动的理解大多囿于经典力学的范畴。教师应当以学生的这一错念作为基础，引导学生思考“如果电子在原子核外做圆周运动，则会辐射能量，电子即会坠毁在原子核上，这一事实是否与原子稳定存在的事实相违背呢？”，进而鼓励学生大胆提出假说，解释这一经验现象。
提出假说是科学研究中最为重要的能力之一。假说是对经验现象的解读，是形成系统理论的前期准备。当代科学哲学指出，科学知识是人类建构起来的用以解释和预测经验现象的研究“范式”，假说的提出是沟通现象与理论的必由之路。“正是个体的主观经验构成了个体提出问题、观察问题和分析问题的视界”[11]。因此，对于学生提出的假说教师应当予以充分的尊重。学生自主提出的假说是学生基于自身经验，通过理性思考建构起来的具有一定解释能力的“范式”，其解释和预测能力可能较之教材中的知识相去甚远，但其源于学生的自主思考，教师应当予以充分的尊重与肯定。
3.3 引导学生思考实验的价值，培养学生的实验设计能力
在中学化学教学中，学生通过实验获取现象的过程往往限于被动地接受和机械地重复。当“预设外现象”出现时，学生或教师的第一反应往往是努力探寻实验中出现的“错误”，并加以改正，而不是就出现的现象进行深入、系统化的反思与探讨。实验的本质是探究，一味强调实验的既定过程和结果会忽略科学实验的价值所在。“原子结构”一课的内容较为抽象，教师可以利用模拟组装与模拟实验两种方式引导学生分析原子结构，例如教师可以为学生准备塑料球、木棍等实验工具，由学生自主组装原子结构。教师以学生们制作的“原子结构模型”作为基础，进一步引导学生“如何利用实验的方式检验你组装好的原子结构模型呢？”，通过模拟实验的方式检验学生的假说。例如有学生将原子结构组装为“葡萄干蛋糕”模型，教师即可以引导学生“如果用一束有规律的α粒子轰击你组装的原子模型，会出现什么情况呢？”，进而修正学生提出的原子结构模型。
在实验过程中，教师往往聚焦于“实验能否顺利完成”，“学生是否记录实验现象”，“学生能否顺利完成实验”等内容，缺乏对“为什么要做这一实验”，“为什么这一实验的装置要如此设计”等问题的深入探讨。“教学本质上就是一种探究”[12]。在完成实验前，教师首先应当引导学生分析实验所承载的价值，即通过实验能够解决何种问题，换言之，如若不进行该实验探究活动为何无法顺利进行。学生明确实验价值与目标后，教师进一步引导学生，若想顺利完成实验，应当选择何种装置，进行何种操作。实验的设计、装置的选择、步骤的确定应该是在学生理解实验价值的基础上自主完成的内容。
综上所述，原子结构发现史背后蕴含着丰富的科学要素。教师应当充分把握原子模型建构过程中涉及的观察、假说、实验等内容，培养学生的科学方法与科学精神。因此，对于科学要素的相关内容教师应当予以高度重视。
参考文献：
[1][2] W. C.丹皮尔.李珩译.科学史[M].北京：中国人民大学出版社，2010：391.
[3][4] J. R.柏廷顿.胡作玄译.化学简史[M].北京：中国人民大学出版社，2010：286.
[5]吴国盛.科学的历程[M].北京：北京大学出版社，2011：463.
[6]周公度.结构化学基础[M].北京：北京大学出版社，2008：8.
[7][10] A. F. 查尔莫斯.鲁旭东译.科学究竟是什么[M].北京：商务印书馆，2013：39，55.
[8]刘大椿.科学哲学[M].北京：中国人民大学出版社，2011：98.
[9]托马斯·库恩.金吾伦，胡新和译.科学革命的结构[M].北京：北京大学出版社，2012：74.
[11]石中英.教育哲学[M].北京：北京师范大学出版社，2007：128.
[12]施良方，崔允漷.教学理论[M].上海：华东师范大学出版社，1999：13.
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更新时间：2024/12/23 2:08:20