解读“模型法”“类比法”“科学推理法”“转换法”等科学方法——从“原子结构的模型”一课谈起，本文主要内容关键词为：转换法论文,模型论文,科学论文,原子结构论文,一课论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、引言
有关科学方法已有诸多文章发表，理论性强、综合性强，深受启发。笔者在看文章的同时有过一个想法：若有更具体一些的实例加以说明这些很富有理性的科学方法，则实用性更强，读者受益更多。上学期末浙江省教研室举行了一次全省优质课比赛，笔者有幸参加了这次活动并作为执教者的辅导教师一起设计了比赛课题“原子结构的模型”。此课难上之处是“科学方法教学”，精彩之处也是“科学方法教学”。我们的执教教师正是在这一点上上出了精彩，获得浙江省第一名。这是一堂无处不充满着科学方法的好课，笔者兴奋之余欣然动笔，想与同行分享快乐！
二、方法介绍
模型法：所谓模型，是人们为了研究问题的方便和探讨事物的本身而对研究对象所作的一种简化描述，是以观察和实验为基础，采用理想化的办法所创造的，能再现事物本质和内在特性的一种简化。模型法就是从模型出发，把某些问题与模型对应起来，从而寻找思路的一种思维方法。理想化的模型既是各学科赖以建立的基本思想方法，也是各学科在应用中解决实际问题的重要途径和方法。这种方法的思维过程要求学生在分析实际问题中对研究对象的条件、过程的特征建立与之相适应的模型，通过模型思维进行推理。模型法有较大的灵活性，每种模型有限定的运用条件和运用范围。例如“液柱”模型，在求液体对竖直的容器底的压强的时候，我们就选了一个液柱作为研究的对象简化，简化后的模型依然保留原来的特点和知识。又如“光线”模型，光线是一束束的，而且是看不见的，我们使用一条看得见的实线来表示就是将问题简化，利用了理想化模型。还例如“匀速直线运动”模型。生活中很少有物体真正做匀速直线运动，在我们研究问题的时候，匀速直线运动只是一个模型。再例如“磁感线”模型。磁感线是不存在的，但是为了便于研究磁场人为地引入了磁感线，将研究的问题简化。
类比法：在我们学习一些十分抽象的，看不见、摸不着的物理量时，由于不易理解，我们就拿出一个大家能看见的与之很相似的量来进行对照学习。这种方法在科学上叫做“类比法”。例如，电流的形成、电压的作用通过已熟悉的水流的形成，水压迫使水管中形成了水流进行类比，从而得出电压是形成电流的原因的结论。学生在教师的引导下，联想到水压迫使水沿着一定的方向流动，使水管中形成了水流；类似的，电压迫使自由电荷做定向移动使电路中形成了电流。抽水机是提供水压的装置，电源则是提供电压的装置。水流通过涡轮时，消耗水能转化为涡轮的动能，电流通过电灯时，消耗的电能则转化为内能。
科学推理法：当你在对观察到的现象进行解释的时候就是在进行推理，或说是在做出推论，例如当你家的狗在叫时，你可能会推想有人在你家的门外，要做出这一推论，你就需要把现象（狗的叫声）与以往的知识经验，即有陌生人来时狗会叫结合起来。这样才能得出符合逻辑的答案。例如，在进行牛顿第一定律的实验时，当我们把物体在越光滑的平面上运动得就越远的知识结合起来就推理出，如果平面绝对光滑，物体将永远做匀速直线运动。再如，在做真空不能传声的实验时，当我们发现空气越少，传出的声音就越小时，我们就推理出，真空是不能传声的。
转换法：一些比较抽象的看不见、摸不着的物质的微观现象，要研究它们的运动等规律，使之转化为学生熟知的看得见、摸得着的宏观现象来认识它们。这种方法在科学上叫做“转换法”。例如，空气看不见、摸不到，可以根据空气流动（风）所产生的作用来认识它；分子看不见、摸不到，不好研究，可以通过研究墨水的扩散现象去认识它：电流看不见、摸不到，判断电路中是否有电流时，可以根据电流产生的效应来认识它；磁场看不见、摸不到，可以根据它产生的作用来认识它。
三、解读方法
我们来看看“原子结构的模型”一课中“模型法”“类比法”“转换法”“科学推理法”等的解读。
1.创设情景，引入主题
由欣赏PPT课件“逐步缩小的人体尺度”将学生思维过渡到陌生的微观世界，在学生原有的知识——“分子是由原子构成的”基础上提问：“你看到过原子吗？”，“原子是怎样的？可以再分吗？”，“我们对一些比较抽象的看不见、摸不着、难以认识、观察、描述的事物如何进行研究，所选用的方法是什么？”。我们可以用类比法、转换法、模型法，今天我们用模型法学习本节内容。以对联“观微观世界精彩，探原子结构模型”的形式引出课堂主题。
设计说明1：从人体的逐步缩小，进入一个大家都具有但同时又十分陌生的微观环境，这样的导入，让学生体会到科学来源于身边，学习原子结构模型是为了解自身组成的需要，而不是为学习原子模型而学习。
设计说明2：学习第1章第1节“模型、符号”时先介绍科学方法，一则补充了科学方法，丰富了这节内容，同时为本节课作好铺垫。
2.探究发现原子结构模型的建立过程
(1)介绍知识整理方法
学生自主学习，阅读书本整理出原子结构模型发展过程（为讲解原子结构模型不断完善的过程作铺垫）。
具体知识整理方法：
①条目式
a、…………；b、…………；c、…………
②表格式
③树枝式（图1所示）
图1
图2
图3
④中心辐射式（图2所示）。
⑤包容式（图3所示）。
⑥推进式（图4所示）。
图4
⑦图像式
⑧坐标式
通过阅读课本，根据自己的理解，独立整理出原子结构模型建立过程（时间、人物、内容），并请一位学生上台板书总结（10分钟左右）。
介绍学生和教师所提供的总结材料，进行评价，如为什么年份和国家可以省去等；学生修改，大大提高学生自学水平。
设计说明1：从教学要求上看，原子结构模型的内容并不是本课时的重点，并且相关内容在教材中的呈现方式较为直接，学生通过阅读也能读懂。此时通过教师介绍方法→学生实践→反馈修改，培养学生归纳总结能力，进行目的明确地有效自主学习，培养学生良好的学习习惯。
设计说明2：对总结做出评价后，要给予每位学生修正的时间，同时也要防止个别学生抄黑板的现象，要让学生明白自学整理追求的是内容的把握，而不是整理形式的趋同。
(2)探究汤姆生对道尔顿原子模型的修正过程
①问题探究。汤姆生为什么要修正道尔顿的实心球模型？请简要说明理由。
汤姆生的发现：原子内有带负电的电子（证据），说明原子可分。
问题：汤姆生有没有发现带正电的物质？
根据原子是电中性，推测原子中有带正电的物质。（类比数学中的正负数）
问题：正电荷在哪里？
原子是一个平均分布着正电荷的球体，其中镶嵌着许多电子（西瓜模型）。
②总结归纳得到模型建构的科学研究方法。通过汤姆生的发现否定道尔顿实心球模型，经过分析推理提出新的原子结构模型，既渗透科学探究的因素教学，又进行了模型法的教学，在学生总结的基础上教师概括成3个环节：证据→推理、假设→模型。
比较两模型的共同点，教师需要特别指出：这是模型的修正过程。
设计说明1：学生通过前面的自学整理，已对各种原子模型内容有所熟悉，为让学生亲历整个模型修正的过程，先从科学史上电子的发现入手，然后给出原子呈电中性的事实，通过类比学生已知的正负数基本性质，让学生尝试推理出原子中有带正电物质（也可能有不带电的物质）。通过探究“汤姆生的发现”如何转换变成“汤姆生的模型”，让学生像科学家一样思考，学生在这个过程中会体验到探索科学知识的方法和乐趣。
设计说明2：从教学方法上看，考虑到自学整理占用了一定的时间，如何快速呈现模型修正过程、加深学生对自学知识的理解是个挑战。对学生基础好，并已经有过一定训练的较高水平的学生可以设计为小组抢答竞赛形式，用时短，课堂也活跃。反之可调整为思维连贯性更好的一问一答形式展开。
(3)通过类比法，科学推理法演绎卢瑟福模型的构建过程
①投影仪显示标题“汤姆生模型的修正”。
②问题1：卢瑟福为什么要修正汤姆生模型？请简要说明理由。
③实验证据：卢瑟福的α粒子散射实验。
动画展示α粒子散射实验装置，观看通过显微镜观察到的现象：入射的α粒子分为3部分。大部分沿原来的方向前进，少数发生了较大偏转，极少数发生大角度偏转。
④问题2：有些α粒子为什么会反弹回来？
生答：受到力的作用。
⑤类比法：铅球、泡沫、胶木球。学生探究，比较胶木球撞击铅球和泡沫的不同结果；科学推理法：胶木球遇到质量大的铅球会反弹，而撞击泡沫路径不变。类比α粒子反弹，推理得到α粒子遇到质量大的物质。
⑥问题3：α粒子散射实验中只有
的粒子反弹回来，说明什么？
推理得到α粒子遇到体积很小的物质。（实验：将铅球放在教室中间，再用胶木球去撞击，则反弹概率减少）。
⑦问题4：如果用α粒子去轰击汤姆生模型，结果如何？
生答：不可能出现反弹的现象，推理得到汤姆生模型需要修正。
由教师和学生一起总结建构卢瑟福模型：原子是由居于原子中心的带正电荷的原子核和带负电荷的核外电子构成；电子绕着原子核运转。
教师特别指出：α粒子带正电，靠近带正电原子核时会受力偏转。
设计说明1：此处教学设计未将重点放在α粒子散射实验理解上，着重于学生对现象的推理训练，对实验细节进行了简单化处理。类比汤姆生的原子结构模型到卢瑟福的原子的核式结构模型的建立，“证据→推理、假设→模型”这一思想得到进一步强化。
设计说明2：α粒子散射实验学生感觉非常抽象，通过胶木球撞击铅球和泡沫的模拟类比实验，将抽象的撞击具体化，以学生所熟悉的事实作为推断原子结构的依据，从而突破难点。
(4)卢瑟福模型的改进及原子模型发展小结
教师快速讲解：玻尔用新的事实改进卢瑟福原子核式结构模型，认为电子在原子核外空间的一定轨道上分层绕核做高速的圆周运动。板书展示氢原子及碳原子的模型。
学生活动：类比氢原子及碳原子的模型，氦原子核外有2个电子，建立一个氦原子的模型（作图）。
投影仪显示“原子结构模型的建立图”（图5）。
学生发现并归纳得出：通过“证据→推理、假设→模型”，可发现建立模型往往需要一个不断完善和不断修正的过程，以使模型更接近事物的本质。
图5
学生讨论：真理的发现总有个不断完善，不断修正的过程，你还能举出其他例子吗？
设计说明：通过对前面3次模型修正过程进行总结，既深化学生对课本的理解，也使学生自然地体会到真理发现的过程，通过总结和讨论交流，感受科学家们细致、敏锐的科学态度和不畏权威、尊重事实、尊重科学的科学精神。
回到课堂主题：观微观世界精彩，探原子结构
教师指出，如果“观微观世界精彩，探原子结构模型”是一副对联，根据你对今天所学知识的理解，请创作横批。
设计说明1：用学到的知识解决引入中提出的问题，首尾呼应，对知识、方法、情感有更深入的理解和体会，增加学生学习兴趣。
设计说明2：学生课堂灵机小结的横批有“小中有小”“世界真奇妙”“科学有味”……