原子结构教学的科学观与历史观

一、概述

原子是构成自然界万物的基本粒子，是化学反应中的最小微粒，是化学这座大楼的基础。原子结构在化学和物理课程的教学中具有极其重要的地位，可以解释物质状态、电离能、化学键和元素周期律等基本概念和原理。国内很多化学教材对原子结构和各种原子模型的介绍比较简略，而美国同类教材使用了很长的篇幅来介绍原子结构的发现过程，如《化学物质与变化》这本教材用25页的篇幅详尽介绍了各种原子模型如何相继提出，科学家们如何通过实验的观察和分析一步步走近微小的原子世界，探索其中的精密结构。这样的教材编排更加有利于学生了解科学研究和发展的真实历程，学习科学研究方法和培养科学合作精神，对知识能力的提升和人文素质的培养会起到积极作用，对我们教材的编写和教学研究也有诸多借鉴之处。

二、美国教材原子结构部分设计特点

1. 引入部分深入浅出，体现了历史观

Glencoe Science出版的《物质本性》教材开篇把读者带回了2500年前的古希腊，在这个古代先哲辈出的国度很多哲学家已经开始热烈讨论一个问题：自然界万物形态各异，它们到底是由什么物质组成的，如果把任何宏观物体无限分割，最后会得到什么。以一串珍珠为例引导学生们思考倘若把珍珠切成两半，每一半再切成两小半，这种分割是否能够一直进行下去。《化学物质与变化》开篇就指出人类对原子结构的认识过程包含了很多思想家和科学家的有趣故事，早期的希腊哲学家认为任何物质由土、水、空气和火四种基本元素组成，物质可以无止境地不断分割下去。虽然这些观点在当时看来很有创造性，但却无法用实验来证明其正确性。古希腊哲学家德谟克里特斯（Democritus）第一个提出物质不可以无限分割，而是由很多基本粒子组成，这些粒子被称为原子（atomos），在希腊语中意思就是无法继续分割。虽然他的很多观点并非完全正确，但他提出的原子观相对于他所处的时代仍旧非常超前。后来亚里士多德对原子论进行了反驳，由于他个人在西方世界的巨大影响力，接下来两千多年人们对于原子的认识仍旧停留于此，并未取得实质性的进展。教材引入部分的介绍使学生感受到在科学研究的道路上有时取得一点进步都是十分艰难的，我们更多了解的是科学爆发期所产生的各种科学成果，但科学的沉寂期往往被人们所忽视，而教材呈现出科学发展进步的真实历程。

2. 科学实验介绍详实，体现了实践观

电子的发现是原子结构研究的重要成果，证明了原子是可以再分的。教材《物质本性》详细介绍了电子发现的实验装置和过程。1870年英国科学家克鲁克斯在一间暗室做实验时无意中观察到从阴极发出的射线，虽然当时对于阴极射线到底是微粒还是电磁波无法做出定论，但足以在科学界引起不小的震动。很多科学家重复了这个实验，其中汤姆生的工作尤其引人注目。他使用了不同材料做成阴极管，通电后发现都会产生阴极射线。为了研究阴极射线的本质，汤姆生用磁铁靠近阴极管，若阴极射线是带电粒子则在磁场中会发生偏转，但电磁波不会，实验结果证明阴极射线是带负电的粒子流（电子）。由于多种阴极材料通电后都会产生电子，从而证明电子是组成物质的基本粒子之一。教材中对阴极射线管的结构以图文并茂的方式进行了详细介绍，帮助学生更好地了解阴极射线的本质和电子的发现过程。教材同样详尽介绍了粒子散射实验的装置，实验前卢瑟福预测的现象，实验实际观察到的现象和卢瑟福如何通过推理分析提出新的原子核模型，论述具体而又精辟。电子和原子核的发现都是科学史上的重要事件，但从教材的叙述可以看出电子和原子核发现过程具有一定偶然性，但一个杰出的科学家不会轻易放过实验过程中的任何细节，能对一些易于忽略的实验现象进行深入研究，从而发现了背后的科学秘密。

3.以近代物理理论研究作铺垫引出量子力学模型，体现了教材的前沿性

《化学物质与变化》在介绍电子排布规律之前首先介绍了很多近代物理学重要研究进展，如电磁波谱、光的波动性和粒子性，并通过光电效应和原子发射光谱来阐述量子效应。在介绍波尔提出的电子能级理论时指出这个理论虽然可以成功解释氢原子的线状光谱，但对其它原子却都不适用，具有很大的局限性。在介绍原子的量子力学模型时，教材首先提到法国著名理论物理学家德布罗意的贡献，他从光波的粒子性受到启发，推测像电子这样的粒子应该也具有波动性，通过研究他提出了德布罗意方程，从方程可以看出宏观物体的德布罗意波长很短，可以忽略其波动性，但像电子这样微粒的德布罗意波长相对于其尺寸则不可以忽略，因此电子具有的波动性可以被观察到。教材还介绍了海森堡的测不准原理，即不可能同时准确测量出粒子的运动速率和所处的位置。通过计算得到高速运动电子位置的不确定性达到10-9米，大于原子直径的10倍，因此不能忽略。教材最后介绍了薛定谔的量子力学模型，这个模型充分考虑了电子的波动性，薛定谔方程赋予电子不同的能量，计算出电子在原子核周围空间出现的概率。这些理论知识本身非常深奥抽象，为了便于高中学生更好理解这些理论知识，教材使用类比举例的方式进行了细致介绍，明显降低了理解的难度。通过对量子力学模型的介绍非常清晰地展示了其与波尔模型的差别。在高中化学教材中介绍很多大学物理学教材的内容似乎增加了学生的理解难度，其实这些并不会成为考试内容，只是为了系统全面展示科学研究的真实历程，更好地解释电子在核外运动方式。这些富有挑战性的理论可以激发学生对科学的探索欲望，特别是那些对科学有浓厚兴趣的学生，引导他们进一步思考这些复杂抽象的科学问题。

三、美国教材设计和编排对原子结构教学的启示

1. 重视科学发展史实

人类对于原子结构的探索和研究经历了几千年时间，经过反复试验、缜密分析和科学推理，对原子的认识才能不断走向深入，不断接近真实。这是一个极其漫长、艰辛而又充满不确定性的探索之路。如果仅仅把原子结构简单地介绍给学生可能会忽略科学探索的真实历程，其中涉及到的很多科学家的研究经历，设计的各种实验，分析推理的过程会被掩盖。在传统的理科教学中教师往往把教学重点放在科学结论本身，而对科学结论产生和发展的过程往往介绍比较简略，这样的处理一方面受到学时的限制，但也反映了一些教师对科学探究过程的重视程度不够。以原子结构教学为例，若学生能够系统了解各种理论模型的发展过程，他们最终形成的原子模型必然更加立体化。原子结构的研究过程体现了人类发现和掌握科学规律的一般过程，也符合学生对科学原理的认知过程。

2. 突出系统的科学研究方法论

西方科学在近代的迅猛发展得益于一套科学研究方法论的支撑，这套方法论体系是西方科学的精髓，在原子结构的发现过程中得到了淋漓尽致的展现。科学方法论示意图如图1所示：首先提出问题，如原子是否是最小的微粒，原子还可以再分么？，然后提出假设，并通过实验来检验其正确性。阴极射线的发现证明了电子的存在，从而否定了道尔顿的原子不可分割论。汤姆生提出的枣糕模型难以解释少量粒子通过金箔时出现大角度偏转的现象，因此模型本身也存在问题，需要新的理论模型来解释，这就催生了卢瑟福的原子核模型。同样这个模型还是不能解释原子质量大约是质子质量两倍的问题，于是又引发了科学家对于其它基本粒子的探索，这个过程不断反复，直到最后电子云模型的提出。原子结构的研究中正因为有了科学方法论的引领才能不断进步，达到新的高度。电子云模型同样要接受各种实验的检验才能证明其正确性。随着科学研究的不断深入，原子结构模型还会不断完善，但科学方法论仍旧是重要的指导原则。虽然高中生对于科学的认识理解还处于初级阶段，但在早期的科学教育中若能注重对学生科学方法和科学思维的培养，必定会使他们将来受益良多。

3. 彰显科学研究的传承性和合作精神

对原子结构发现做出突出贡献的几位科学家曾在一起工作，如汤姆生、卢瑟福、玻尔和查德威克等科学家还有师徒关系。汤姆生因为发现电子而获得1906年诺贝尔物理学奖。卢瑟福曾在英国剑桥的卡文迪什实验室工作，在导师汤姆生的指导下做出很多重要的成绩并于1908年获得诺贝尔化学奖。波尔在英国曼彻斯特攻读博士后时曾得到卢瑟福的指导，并对卢瑟福的模型进行了进一步修正，于1922年获得诺贝尔物理学奖。查德威克由于在物理研究方面崭露的超群才华被卢瑟福留在英国剑桥的卡文迪什实验室工作，他于1932年证明了中子的存在，1935年获得诺贝尔物理学奖。从这些事实可以看出世界上众多著名科学家都参与了原子结构的研究，他们在前人研究的基础上大胆假设并反复实验，终于完成了原子这样一个极其精密的原件的进一步解剖。科学的发展既需要传承，也需要创新，还需要合作。卡文迪什作为世界著名的实验室能够把世界上很多优秀的科学家集中起来开展研究，这些杰出的科学家通过相互帮助、合作和启发才会做出很多划时代的科学成就。笔者曾在原子结构的教学中鼓励学生搜集这些科学家的个人资料，通过课堂讨论交流让学生从多维度认识这些科学家，了解科学研究的真实过程，而不仅仅是记住知识本身，希望对学生科学和人文素质的培养有所帮助。