——以探索原子模型结构为例

  摘 要：对于原子结构的研究，物理学家经历了很长时间的不懈努力。通过重温物理学家们探索原子结构模型的过程，探究怎样在教学中体现的高考评价体系立德树人的核心目标，探究怎样在教学中培养学生的科学思维、科学探究能力、科学态度与责任。
　　关键词：立德树人；科学思维；模型；原子
　　教育部考试中心发布的《中国高考评价体系》体系的基本内涵由“一核”“四层”“四翼”组成。核心功能中强调了立德树人，“四层”中强调了学科素养，而物理的学科素养中主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”。这对学生的学科素养提出了更高的要求，也给我们老师提出了更大的挑战。
　　物理学的发展经历了漫长的历史过程，物理学家们在探索物质世界的的过程中，以严谨认真的、实事求是和持之以恒的科学态度，展现了他们的科学思维能力与科学探究能力。我们现在学习的内容正是他们智慧的结晶，前辈们是我们学习的楷模，我们为何不踏着他们的脚步，去感受，去学习他们的科学思维与科学精神。
　　学生现在可塑性较强，有很大的发展空间，本文旨在探究物理学家的科学思维，科学探究能力，科学态度与责任，让学生从中吸取营养，激发学生的求知欲，落实立德树人核心目标。
　　与科学家们一起探索原子内部的奥秘
　　英国化学家和物理学家道尔顿（J．John？Dalton，1766～1844）创立原子学说后，很长时间内人们都认为原子就像一个小得不能再小的实心球，不可再分。1869年德国科学家希托夫发现阴极射线后，克鲁克斯、赫兹、勒纳德、汤姆生等科学家研究了阴极射线，历时二十余年．最终，汤姆生（Joseph John Thomson）发现了电子的存在。打破了原子不可分的神话，敲开了原子的大门。原子内部有带负电的电子，但原子是中性的，所以必定还有带正电的部分，这些正电荷具有什么性质？是怎样分布的？正、负电荷之间如何相互作用？原子内究竟有多少电子？电子的数目如何确定？怎样才能保持原子的稳定状态？等等。面对这些问题，物理学家们开启探索之旅。
　　科学家们提出了许多模型，比较有影响的是汤姆生（Joseph？John？Thomson，1856-1940）1898年提出的“西瓜模型”或“枣糕模型”。1901年法国的物理学家佩兰（Jean Baptiste Perrin，1870——1942）提出行星结构模型，1902年德国物理学家勒纳德提出了中心微粒动力子模型，1903年，日本东京大学教授长岗半太郎根据麦克斯韦的土星卫环理论提出了土星原子模型。这些都是对原子结构的推测，没有实验验证支撑，这些理论只能解释当时一些实验现象，但是不能解释后来出现的一些新的实验结果，所以没有什么进展。后来汤姆孙的学生卢瑟福在做放射性实验时发现了α射线，卢瑟福指导学生汉斯盖革和马斯登用α粒子轰击金箔，并用荧光屏记录那些穿过金箔的α粒子。按照他老师汤姆孙的理论，电子很难挡住α粒子的轰击，α粒子几乎是沿直线穿过，不受任何影响。卢瑟福和盖革做过多次，实验结果与老师的理论吻合的很好。后来马革和盖革又多次重复实验，结果出现了奇迹，他们不仅观察到了散射α粒子，观察到了被金箔反射回来的α，这个实验结果是他老师汤姆孙的理论没有办法解释的，于是，以α散射实验为基础，卢瑟福提出了核式结构：原子中带正电的物质集中在一个核心上，原子质量的绝大部分也集中在这个核，电子就围绕这个核做圆周运动，很好的解释了α散射现象，并且确定的核半径的数量级为〖10〗^（-15） m，但是，他的理论不能很好的解释原子的稳定性。他自己说道：“在现阶段，不必考虑所提原子的稳定性，因为显然这将取决于原子细微结构各带电组成部分的运动”。后来，卢瑟福的学生尼尔斯玻尔在老师的启发下提出了玻尔模型——轨道量子化，解释了原子结构的稳定性问题和氢原子光谱规律。描绘出了完整而令人信服的原子结构学说。从此，打开了量子力学的大门。但是玻尔的理论却无法计算光谱强度，对其他元素的更为复杂的光谱，包括氦原子光谱在内，往往理论与实验分歧很大。这就促使普朗克，索末菲等物理学家改进玻尔的理论，建立起了量子理论。
　　重温历史，学习物理学家的科学态度与责任
　　回顾历史，我们发现汤姆孙是卢瑟福的老师，卢瑟福是玻尔、汉斯盖革和马斯登的老师，相当于他们都是在他们的老师的理论基础上，有的新的理论突破。可以看出，他们首先很尊重自己的老师，都是在他们老师的指导下，认真完成实验，不断提升自己的理论认识与思维认识，同时，他们又没有忘记质疑，没有完全受老师的影响，勇于向权威挑战，能大胆的猜想，并想办法去验证。很好的推动了科学的发展，加速了社会的进步。这类人才正是我们中国特色社会主义社会所需要的，也和立德树人的目标相一致。
　　现在学生的科学质疑，创新能力方面是比较欠缺的，绝大部分只是简单的模仿，这样只能站在巨人的肩膀上，不能实现超越。学生需要这方面能力的培养。而科学家构建原子模型的过程，正好是这方面的体现，可以很好给学生以熏陶。去激发学生内心的质疑动力。在物理学的发展中，还有很多这样的事例，在我们教学的过程中，我们教师可以穿插在我们的教学中，让学生能不断的强化自己的科学质疑能力，提升科学思维能力。当学生了解了历史后，学生能加深对所学知识的理解，更加感受到科学的奥秘，激发学生学习的兴趣。在教学中，我采用这个方法后，我发现学生能够很好的理清知识框架，学习的兴趣有了很大的提高，事实证明是可行的。
　　模仿过程与方法，培养科学思维
　　在早期的模型猜想中，特别是卢瑟福的核式结构之前，实际都没有很大的进展，不能得到大家的认可，原因是这些模型结构没有实验数据支撑，只是物理学家的个人想法面已。但是卢瑟福的核式结构，是在准确的实验的基础上提出的。关于α散射实验，卢瑟福和他的学生做了很多次，结果都和他老师的模型结构很吻合，但他们没有放弃继续做实验，在一次的偶然的机会中，他们检测到了被反弹回来的α粒子。卢瑟福在一次演讲中，这样说道：“这是我一生中最不可思议的事情，就像你对卷烟纸射出一颗15英寸的炮弹，却被反射回来的炮弹击中一样地不可思议。经过思考之后，我认识到这种反向散射只能是单次碰撞的结果。经过计算我看到，如果不考虑原子质量绝大部分都集中在一个很小的核中，那是不可能得到这个数量级的。”卢瑟福所说的“经过思考以后”，不是思考一天、二天，而是思考了整整一、二年.在做了大量实验和理论计算与深思熟虑后，他才大胆地提出了有核原子模型，推翻了他的老师汤姆生的实心带电球原子模型。
　　我们现在学习的知识，完成的实验，很多都是在重复先辈们的努力的成果。学生很容易懈怠，觉得没有做的必要，不认真完成，更别说去思考。历史上很多理论知识的突破都是在重复中产生的，我们可以把这样的事例贯穿在教学中，让学生感受到探索知识的神奇与快乐，端正学习的态度与责任，百米赛跑没有前面99米的努力，就没有最后一米冲刺的快乐。在学习的知识的道路上我们可以有自己的想法与想象，但我们更要有实事求是的态度，尤其是对自然科学，要有实验和理论支撑。立德树人，这才是教育的根本的任务。
　　参考文献：
　　[1]吴兴龙.原子结构的探索过程及启示[J]，《中学物理教学参考》2008
　　[2]郭奕玲.沈慧君.物理学史[M].北京：清华大学出版社，2005
　　[3]杨建邺.物理学之美：插图珍藏版[M].北京：北京大学出版社，2019
　　作者简介：徐元华，男，1985.05，籍贯：湖北宜昌，大学本科，中教一级，从事高中物理教学和教学论方向研究。曾获“区高考培优先进个人”。

• 【发布时间】2021/4/6 18:32:41
• 【点击频次】323