重视科学概念的教育价值(二)--以“原子结构”为例_原子结构论文

关注科学概念的教育价值（下）——以“原子结构”为例，本文主要内容关键词为：原子结构论文,为例论文,概念论文,价值论文,科学论文，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。

      高中课程中的各学科都有三个维度的教学目标。不同“知识”维度目标下的教学，在“方法”维度上可能会比较接近，在“价值观”维度上可能会更一致。这也说明了“方法”与“价值观”维度的教学目标是更为稳定持久的，也是更值得关注的。不过，在不同类型的学科中，“方法”与“价值观”的侧重点还是会有差别。“科学教育在培养态度和价值观的三个方面——好奇心、易于接受新思想和怀疑中处于特别重要的地位”[1]，而这三个方面是人们日常生活中就需要的态度和价值观。科学由于自身的特性，在强化“旺盛的好奇心”和“理智的怀疑”上有不可替代的作用。另外，“对科学发展来说，运用逻辑推理和严密地核查证据是必需的”[1]。科学教育当仁不让要负起培养学生理性思维的责任。

      而每一个科学概念要能被大众接受并写进教科书中，背后都蕴含着上述“价值观”和“方法”，这是概念本身的一部分，不可割裂。教学中应当引导学生去发展“理智的怀疑”，并运用逻辑推理，严密地核查证据。

      下面以“原子结构”为例，简述具体的教学过程。

      一、什么问题让我们好奇？

      科学家同儿童一样，好奇心很强。儿童与科学家的不同之处在于，他们没有学会怎样找出问题的答案和怎样检查答案的完美程度。这需要将好奇心与逻辑推理联系在一起，科学教育则具备这一功能。

      好奇心首先驱使我们审视已经知道的结论。

      我们已经对原子分子论有所了解，它是我们理解物质的有力工具。通过思考构成微粒是什么，我们很容易理解单质与化合物之间的区别。单质含有的全部是相同的元素；化合物含有相同的“分子”，这些“分子”又由确定的小数目的原子构成。

      我们知道不同元素的原子有不同的质量，但我们不知道原因是什么。如果把宏观上容易观察与测量的某元素的相对原子质量与其化学性质联系在一起，我们就会感到很疑惑。例如，碳和氮原子质量相近，但是，碳的一种单质金刚石是非常坚硬的不易反应的固体，而它的另一种单质木炭虽然也是固体，却可以在氧气中燃烧；氮的单质却是一种气体，除非在很高的温度下，它一般不与氧气反应。显然，碳原子间的相互作用与氮原子间的相互作用区别很大。

      道尔顿的原子分子论让我们将原子想象成微小而坚硬的实心球体。但是这么想并不能使我们理解它们的化学性质。例如，碳与氢能形成甲烷意味着什么呢？甲烷的分子式为

，但这5个原子是怎样结合形成一个分子？如果想象原子间存在磁性或电性作用，似乎有些道理。然而，氢原子与碳原子肯定是电中性的，因为宏观的氢气与碳都是电中性的，它们也是没有磁性的。那么，电中性的无磁性的原子如何相互结合在一起呢？另一个谜是为何它们会按特定的比例结合：

是一种化合物，没有

这种化合物。

      这些问题其实是自1803年道尔顿提出原子学说以来，在近100年的时间里让整个人类好奇的问题。教学中应引导学生讨论“如果认为原子是实心球体的话，那些问题让人无法理解”。回溯这些历史上困扰人们多年的问题，是激发学生好奇心的大好机会。事实上，我在教学实施过程中发现，学生在讨论的氛围中纷纷提出了类似的疑惑。

      这样，我们自然产生一个假设：原子内部还是有我们所不知道的“结构”的，否则无法理解原子的各种性质。

      二、怎样像科学家那样思考实验？

      人类对原子结构的认识经历了一个漫长的不断深化的过程。“1903年，汤姆逊（J.J.Thomson）在发现电子的基础上提出了原子结构的‘葡萄干布丁’模型，开始涉及原子内部的结构。1911年，英国物理学家卢瑟福（E.Rutherford）根据α粒子散射实验提出了原子结构的核式模型。”[2]现行教材中都不仅关注了原子结构模型的发展，而且关注了提出这些模型的实验证据。在当下的教学中，教师也都会介绍阴极射线实验及α粒子散射实验，这是一大进步。只是，学生在学习这部分内容时常会感叹：这些科学家怎么会想到做这个实验呢？另外，对实验结果的分析也常过于草率，使得这些经典实验变成一个个化学史“知识”附加给学生，没有充分体现它们的教育价值。那么，如何引导学生像科学家那样思考实验？下面以α粒子散射实验为例。

      汤姆逊的研究已经让我们知道，原子中含有带负电的微粒——电子，而原子是电中性的，因此每种原子也一定有电量相同的带正电荷的部分。但是，我们不知道电荷在原子中是如何分布的。汤姆逊提出的是“葡萄干布丁”模型的假设，我们的思考要从这里开始。

      “葡萄干布丁”模型只是假设，如果我们要验证这一假设正确与否，即了解电荷在原子中如何分布，该做些什么呢？“用一个东西砸它，看看会发生什么。”这是孩子们喜欢玩的游戏，而卢瑟福也准备这样去做。

      但是有几个问题需要想一想：第一个问题是用什么去砸。当然是微粒，而且需要带电荷，并且是有一定的质量，这样才会有一定的动量（即不能用电子这样的微粒去轰击）。这在卢瑟福那里容易解决，他本来就在研究放射性，因此找到α粒子作为“炮弹”并不难。

      第二个问题是砸什么。目的是研究原子内部的结构，当然要砸向某种原子。但因为原子十分微小看不见，所以要轰击单个原子几乎不可能。有一种解决的方法就是找一个金属的薄片，要非常非常薄，让它的厚度里没有太多原子。金是个很好的选择，因为金有很好的延展性而且不易发生化学反应，因此可以很纯。在这个实验中，金箔的厚度只有

cm，即1μm。这只有头发直径的二十分之一，因此真的很薄。

      第三个问题是怎么砸。最好要向金箔发射一束α粒子，我们要观察α粒子与金箔的原子发生作用后会怎么运动。它们也许会径直穿过金箔，也许会发生某种偏转，也许会以各种角度反弹回来。因此，要做“散射”实验。

      α粒子散射实验的数据显示了三个主要结果。第一，也是最让人惊奇的，绝大多数α粒子直接穿过，没有发生任何偏转。第二，有少量α粒子发生小角度的偏转。第三，有非常少的α粒子（大约为1/50000）沿着来的方向被弹回。

      α粒子散射实验结果是卢瑟福得出原子核式模型的重要依据。教学中我们若想要引导学生像科学家那样思考问题，就需要对这三个主要结果进行认真分析。分析之前，我们要向学生再强调α粒子本身的特性——具有一定质量的带正电荷的微粒，高速轰击金箔。

      现在，我们首先关注第一和第三个结果。这非常让人吃惊，大量α粒子穿过金箔仿佛金箔根本不存在似的。事实上，只有金箔内部几乎是空的，α粒子才会这样。这显得非常奇怪，因为金箔是确确实实的固体，看上去并不是空的。第三个结果显然与这个结果正好相反。α粒子如果被反弹回来，一定是遇到了质量比自身大得多的微粒（根据动量定律）。在这里，只有金原子比α粒子重很多，但还需和第一个结果保持一致，金原子里面大多数地方必须是空的。

      结合这两条实验结果，我们可以给出一种简单的原子结构模型。金原子里绝大多数地方是空的，金原子的大多数质量都集中在原子中一块很小的区域里。我们把这个质量集中的地方叫“原子核”。经过仔细计算α粒子偏转和折射的角度，可以得出原子核的直径大约是原子本身直径的1/100000。这是个令人吃惊的结果！原子已经非常小，原子核还要小得多！

      这个有趣的核式模型，指出了原子核与原子的质量关系、体积关系，可以解释三个实验结果中的两个。但如何理解第二个实验结果呢？如果α粒子只发生小角度偏转的话，它们一定没有正撞上质量较大的原子核，但是如何解释“偏转”呢？只能从电荷角度考虑。α粒子带有正电荷，它们一定靠近但并没有碰上原子中的正电荷。这意味着它们靠近了原子核，且原子核一定带有正电荷。如果原子核集中了原子中的正电荷，那么带负电荷的电子只能在核外了。这样，一个原子核式结构模型呈现在我们面前：原子由居于中心的体积很小且带正电荷的原子核和核外带负电荷的电子构成，原子的质量主要集中在原子核上。

      三、在对数据的处理中体现逻辑推理的魅力

      了解到原子的核式结构是十分有趣的，特别是我们现在知道了原子中正负电荷分布在原子的不同部分。这些正负电荷间的相互影响一定在某种程度上决定了原子的不同类型。我们可以假设不同元素的原子中这些数据是不相同的，但是没有更多证据，因此我们并不能确定这一点。

      我们知道原子含有电子，它们是一个整数值。我们也知道每个原子中含有数目相等的正电荷，且集中在原子核中。可以这样理解，由于正电荷是个整数，在原子核中一定存在带正电荷的微粒，我们把这些微粒叫作“质子”。这并不会有助于理解，但可能表达得更简洁些。

      现在我们的问题归结到不同的原子中到底有多少个质子和多少个电子。因为原子呈电中性，所以这两者的数目肯定是相同的。要找到这些整数看上去非常困难，将要揭示这一数字的实验对我们来说十分陌生，看上去与这个问题根本不相关。

      在量子力学的发展历史里，亨利·莫塞莱建立的莫塞莱定律（Moseley's law）占有很重要的角色。莫塞莱定律是一个描述从原子发射出来的X射线性质的经验定律。对中学生来说，要弄清“X射线”“原子光谱”“标识频率”等概念有一定的困难。不过，我们可以深入浅出地向学生介绍一些原子的特征X射线的原理，然后将重点放在对数据的分析上。

      我们要关注的是原子结构，因此我们来看看每种元素发出的特征X射线频率，见附表[3]。附表中元素按X射线频率由小到大排序。

      

      我们注意到附表中有“原子序数”这一栏，从名称看，这一数值仅仅是给元素排序的序号，如锂是元素发出的特征X射线频率居于第三位的元素，因此排序号为3，其他依次类推。于是“原子序数”是我们给每种元素起的除元素名称外的另一个名字（类似于班级中每位学生的学号）。

      我们可以做出X射线频率对相对原子质量的曲线图来寻找规律，但看不出什么规律。但如果我们做出X射线频率对原子序数的图，就会有令人吃惊的清晰的规律，见图1。

      

      X射线频率不仅随着原子序数增大而增长，而且它的增长呈现平滑曲线。这个图看上去似曾相识，它非常像

的图像，即抛物线。图1是一条抛物线吗？为了弄清这点，我们需要弄清X射线频率是否是原子序数的平方。一种方法是做出X射线频率的平方根对原子序数的图，就像做出y的平方根对x的图像来看是否有

。新的图像如图2所示。

      

      图2清晰地表明每种原子发射出的X射线频率与原子序数之间存在一种简单的关系。在教学中，如果只是简单呈现至此，其实学生是不能理解历史上莫塞莱的伟大的。教师需要引导学生运用逻辑推理发现这里的问题。

      这个结果奇怪吗？奇怪在哪里？X射线频率是原子的物理性质，而原子序数只是我们按相对原子质量大小排序用来计数的整数。这太让人吃惊了！为什么物理性质能与仅仅作为序号的非物理性质如此匹配呢？只有一种可能性：原子序数一定也是原子的物理性质。这并不是一个随意的数字，不是我们起初认为的那样，而是原子的特性。

      原子序数也是原子一项特殊的性质。因为它是整数，整数的用途是计数物体的个数。这就意味着原子序数一定在计数着每个原子中某种微粒的个数，并且那个数目对每个原子来说是唯一的。而我们知道每种原子中存在一个整数：质子和电子的个数。

      因此，我们的结论是：原子序数是原子的一种特征性质。它等于每个原子中的质子数，也等于每个原子中的电子数。我们发现了一种计数每个原子中电荷数目的方法！

      在上述对原子结构的讨论中，结论是简单的，甚至是学生早已知道的。要得到这些看上去简单的结论，是需要大智慧的。人类历史上一批杰出的科学家对此的贡献，不仅仅在于结论本身，更在于得到这些结论的过程。

      当然，对原子结构了解至此，我们也许自然会想象：原子若有相似（不是相等）数目的带电微粒，将具有相似的物理和化学性质。事实上，比较原子序数接近的两种元素，如氖和钠，会发现它们的化学性质完全不同。显然，仅仅知道原子中有多少个电子不足以让我们预测原子可能的行为。我们需要更多的证据来发展原子结构模型，后续的学习可以继续沿着这一思路进行下去。

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