基于科学研究体验的“原子核的组成”教学设计，本文主要内容关键词为：原子核论文,教学设计论文,科学研究论文，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。
化学新课程标准明确指出化学课程的基本理念要“结合人类探索物质及其变化的历史与化学科学发展的趋势，引导学生进一步学习化学的基本原理和基本方法，形成科学的世界观”。化学课堂教学中如何将化学知识的习得与科学研究的体验紧密结合，让学生感受化学的发展和了解化学家的工作，挖掘化学教学的人文内涵，启迪学生的科学精神与创造意识，是每一个化学教学工作者正在思考并设法加以解决的问题。本文以苏教版必修1专题一“原子核的组成”教学设计为例，与大家交流商榷。
设计理念：本课教材知识方面，涉及原子核的组成及组成粒子的数学关系，以及核素、同位素的概念、质量数的计算。但在知识陈述上较为浅显直接，知识前后联系上较为松散，许多结论已为学生熟谙（如质子、中子、原子核的组成等），而科学史上如何得到这些知识的过程，则是相当曲折艰辛、富有教学内涵的。为此，笔者尝试以原子核组成的研究史为主线索，渗透原子核组成研究的方法，探讨研究过程中的前因后果，让学生在科学史的体验中习得学科知识，用科学研究的艰辛撼动学生的心灵。
过程实录：
一、创设情景，引入课题
师：多媒体展示以下材料，提出原子核组成研究的课题。
材料1：地球上的一切能量来源于太阳内部的核聚变反应，即4个氢原子核聚变为1个氦原子核。聚变过程中释放出巨大的能量以辐射、对流等形式向外传递。
材料2：展示居里夫妇、卢瑟福、查德威克等人的照片。
生：被吸引，期待了解原子核组成和相关科学家。
二、科学史体验，积极思考
1.放射性研究和质子的发现
师：多媒体展示以下材料。
居里夫妇
材料一：说到放射性肯定要谈居里夫妇，1903年，皮埃尔·居里与玛丽·居里由于发现镭而获得诺贝尔物理学奖。让人印象更深刻的是他们的奉献精神。为了研究放射性对人体的影响，皮埃尔·居里把自己作为试验品，让胳膊裸露在放射性射线下数小时，以记录射线对皮肤的渐进烧伤反应，而居里夫人也在长期病痛之后，死于由过度辐射引起的血癌。
材料二：卢瑟福提出了原子的有核模型，并发现了放射性的本质：元素的自发衰变。放射性元素的原子核放出射线后自身衰变成了另一种元素。如：
。
卢瑟福
师：从何角度分析原子核由更小的微粒组成？
生1：不可能用显微镜观察到。（学生大笑。）
生2：一种原子的原子核会衰变成另一种原子的原子核，这说明原子核可以改变，原子核还有它的内部结构。
师：对，原子核的变化应该是其组成的更小的微粒的数目变化，正如化学反应中分子的变化是原子的组合方式或数目的变化一样。
生3：原子核是极小的粒子，要探测其内部组成，就要让原子核发生变化，如高能量使其分解，在这种变化中，看看有什么共同的东西从核中释放出来。
师：这一想法很好，但想分解原子，化学反应的能量是远远不够的！必须借助粒子对撞机！粒子对撞的猛烈作用或极高能量才会分解。基于变化中观察的观点，科学家尝试用高速的粒子去轰击原子核，使原子核发生变化，从而探究原子核的组成。
师：多媒体展示以下材料。
卢瑟福最早致力于这方面的研究。1919年，他在用α粒子（即氦原子）轰击氮原子核时，发现可产生出一种新的、射程很长、质量更小的粒子，并发现它带有一个单位的正电荷，推测其数目应与电子数相同，卢瑟福把他发现的这种粒子命名为“质子”。若用α粒子去轰击其他元素的原子核，也都产生类似的转变，并产生质子，说明质子是各种原子核里都有的成分。
生：学生有所感悟，初步体会到成功的喜悦。
2.中子是怎么被发现的？
师：多媒体展示以下材料：
材料一：质子发现后人们的困惑。一些科学家经过测量，发现氢原子的原子核的质量数约为质子数的2倍，所以原子核内还应有质量与质子差不多的中性粒子。1920年，卢瑟福提出了原子核中可能存在一种中性粒子的预言：“在某些条件下，一个电子有可能更紧密地与氢核（质子）相结合，从而形成一个中性偶极子”。但在较长时间内无法测定其存在。
材料二：1930年，德国科学家玻特和贝克用α粒子轰击铍核的实验时，发现并未发射出质子，而放出了一种新的射线，这种射线几乎不能使气体电离，在电场和磁场中也不发生偏转。1931年，居里夫妇重复了玻特和贝克的实验，并用这种未知射线去轰击石蜡。结果竟从中打出了质子。但令人惋惜的是，由于错误的判断，他们均与“中子”失之交臂！1932年1月底，查德威克获悉居里夫妇的实验，测出射线的速度不到光速的十分之一，排除了是γ射线的可能，然后又作了两件工作，成功证实了这种射线就是中子流。为此，他当之无愧地成为“中子之父”，并因此获得1935年诺贝尔物理奖。
查德威克
师：根据上述材料，你可得出中子质量、电性有何特点？
生1：原子核的质量数约为质子数的2倍，中子质量应与质子差不多。
生2：中子流几乎不能使气体电离，在电场和磁场中也不发生偏转，说明是不带电的。
生3：中子的质量较大，其射线的能量很大。用它去轰击石蜡，能打出质子。
师：请你评价卢瑟福的预言。
生：卢瑟福的预言：“在某些条件下，一个电子有可能更紧密地与氢核（质子）相结合，从而形成一个中性偶极子”的结论是不准确的，中子应是独立的微粒。
师：你认为查德威克除了排除了该射线是γ射线的可能外，还需要做哪两件工作？
生1：测出其质量应与质子的质量差不多。
生2：排除该粒子是由质子和电子组合而成的可能。即证明中子应是独立的微粒。
师：以上同学提出的想法很好，发现中子的实验正是按照这些思路去设计而获得成功的。
到此，学生对中子发现的推测获得了印证，思维空间打开了，求知欲望被充分调动起来。课堂气氛推向了高潮。
师：查德威克是卢瑟福的学生，对导师预言的中子，作过多次探测的尝试。“机遇只偏爱有准备的头脑”，当中子存在的迹象一出现，他就能用正确的方法去认定它。中子的发现，有重大的意义。中子不带电，中子流去轰击原子核，不受带电粒子间力的影响，穿透本领更大，是轰击原子核变的有效“炮弹”。人们用它轰击各种原子核，获得许多人工放射性同位素，如用它轰开铀核，实现了原子能的利用。
3.同位素的发现
师：在天然放射性逐渐被认清的基础上，人们知道有些放射性元素的原子虽然质量、放射性显著不同，但化学性质却完全一样。于是同位素被发现了。
师：同位素化学性质完全一样意味着什么？放射性为何显著不同？
生：同位素的化学性质相同是因它们的核外电子数相同，且具有相同电子层结构。由于质子数：核电荷数：核外电子数，质子数相同。但由于它们的中子数不同，这就造成了各原子质量会有所不同，并导致其某些物理性质（如放射性、形成气体后的密度、扩散速度等）有所不同。
师：把具有一定质子数和一定中子数的一种原子称为核素。人们把质子数相同，质量数（或中子数）不同的核素互称为同位素。常用质量数（将原子核中所有的质子和中子的相对质量取整数，加起来所得到的数值）来表示核素的相对质量的大小。质量数(A)＝质子数(Z)+中子数(N)。
生：阅读拓展视野——同位素的应用
师：美国科学家尤里，因发现氢的同位素氘而获得1934年诺贝尔化学奖。他通过蒸发液氢的方法将氢氘分离，使人们对同位素有了进一步了解，同位素除了拓展视野中的应用外还有：
是作为确定原子量标准的原子；氘和氚是制造氢弹的材料：
是制造原子弹的材料和核反应堆的原料等。
尤里
三、启发引导，总结提高
(1)练习巩固原子核的组成：质子、中子和电子的质量、相对质量和电量、质量数的计算、同位素的判断等知识点。
师：引导学生把握学科知识内容。
(2)阅读教材中的“拓展视野”：夸克的发现。结合原子核组成的研究史，谈一下学习体会。
生1：科学家探索原子核的结构经历了艰难的过程。
生2：实验、假设、模型等科学方法在化学研究中起着极其重要的作用。
生3：人类对原子核结构的认识是一个不断发展的过程。夸克的发现，并不意味着人类对原子结构的认识到了最后阶段。
生4：科学是没有国界的，对原子核的认识，既有个人的突出贡献，又有科学家们集体智慧的结晶。
生5：机遇只偏爱有准备的头脑。
……
师：生活和学习也如科学研究一样，我们在平时要养成用心观察、用情思考、亲手实践的习惯，我相信，你们化学学习的水平一定会提高到一个新的层次。
四、教学反思
(1)“授之以鱼，仅供一饭之需；授之以渔，则一生受用。”本课例在着眼让学生掌握基本的学科知识的同时，更重要的是突出学生的主体地位，让学生模仿科学家研究的方向和思路，运用猜想、模型、对比等研究方法，并对一定时期的科学结论作一些评点。在教学过程中，学生能不断自我激发、在学科知识水平和科学研究素养上获得了有效提升。而科学研究进程中科学家们知难而进及奉献精神，无不都是对学生情感态度与价值观的一次次洗礼。
(2)以科学史为教学主线索串联本节课的教学内容。由于学生知识水平有限，又涉及许多物理知识（如放射性、各种射线等），学生接受有一定难度。可从两方面加以解决：一是适当弱化涉及的物理知识，并在课前准备相关物理知识的阅读材料，二是可要求学生先做一些知识储备，如到图书馆或上网查阅有关资料。