蘇愛娣

（浙江省臺(tái)州市白云學(xué)校浙江臺(tái)州318000）

利用科學(xué)史促進(jìn)學(xué)生微粒觀的形成

蘇愛娣

（浙江省臺(tái)州市白云學(xué)校浙江臺(tái)州318000）

分析初中科學(xué)教學(xué)中物質(zhì)微粒觀的教學(xué)難點(diǎn)與影響教學(xué)有效性的因素，提出利用科學(xué)史促進(jìn)學(xué)生微粒觀形成的方法與教學(xué)功能：從日常生活經(jīng)驗(yàn)到古代先哲的詰問，引發(fā)學(xué)生探究物質(zhì)本原的欲望；從波義耳到道爾頓，向?qū)W生展現(xiàn)近代原子論提出的歷史背景；從道爾頓到盧瑟福，與學(xué)生一起探究原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)；從蓋·呂薩克到阿伏加德羅，引領(lǐng)學(xué)生從原子論探究分子論。

初中科學(xué)；物質(zhì)微粒觀；科學(xué)史

教學(xué)實(shí)踐表明，物質(zhì)的微粒觀是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，多數(shù)學(xué)生對(duì)這些微粒觀的認(rèn)識(shí)僅處于記憶層面，很難實(shí)現(xiàn)認(rèn)知上的內(nèi)化。表現(xiàn)在：由于沒有將物質(zhì)微粒觀內(nèi)化上升到理解層面，物質(zhì)微粒觀游離于科學(xué)系統(tǒng)之外，阻礙了化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)認(rèn)識(shí)的遷移；對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的多元化認(rèn)識(shí)不到位，往往把物質(zhì)的組成一律當(dāng)成是原子組成或分子組成，導(dǎo)致后續(xù)學(xué)習(xí)化學(xué)鍵、晶體類型和物質(zhì)結(jié)構(gòu)與物質(zhì)性質(zhì)的相關(guān)性等知識(shí)時(shí)感到困難。

影響微粒觀教學(xué)有效性的因素有很多，我認(rèn)為主要有兩點(diǎn)：一是物質(zhì)微粒觀的的學(xué)習(xí)需要學(xué)生有較強(qiáng)微觀想象力和學(xué)習(xí)接受力，然而不少學(xué)生缺乏對(duì)物質(zhì)本原的認(rèn)識(shí)和思考，缺乏物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)想象的認(rèn)知基礎(chǔ)，缺乏與物質(zhì)微粒觀相關(guān)的生活經(jīng)驗(yàn)；二是在探索物質(zhì)微粒性的歷史長河中雖然出現(xiàn)了眾多的哲學(xué)思想、設(shè)計(jì)精巧結(jié)論精確的實(shí)驗(yàn)，但這些實(shí)驗(yàn)多數(shù)無法在中學(xué)重現(xiàn)，加上教師對(duì)相關(guān)科學(xué)史料掌握不多等原因，無法引領(lǐng)學(xué)生達(dá)到更高的認(rèn)識(shí)層次。

提高微粒觀教學(xué)有效性在于學(xué)習(xí)者根據(jù)自身的生活經(jīng)驗(yàn)和多種形式的信息，建構(gòu)物質(zhì)可分性與微粒觀知識(shí)及其意義。針對(duì)物質(zhì)微粒觀知識(shí)本身的發(fā)展史、實(shí)驗(yàn)依據(jù)、概念意義，可以借助科學(xué)史“濃縮”人類建立物質(zhì)微粒觀的過程，引領(lǐng)學(xué)生打開探究物質(zhì)微粒觀的“閾閥”，品味科學(xué)先驅(qū)的探究歷程，從而建構(gòu)起“自己”的物質(zhì)微粒觀。

一、從日常生活經(jīng)驗(yàn)到古代先哲的詰問,引發(fā)學(xué)生探究物質(zhì)本原的欲望

有關(guān)物質(zhì)的可分性與微粒性學(xué)生并非沒有生活經(jīng)驗(yàn)，我們可以找到能引發(fā)學(xué)生思考物質(zhì)是否可分以及物質(zhì)是由微觀粒子組成的生活經(jīng)驗(yàn)。例如：我們呼吸空氣，而空氣是看不見的，那么，諸如這類看不見的物質(zhì)說明了該物質(zhì)是由細(xì)小到肉眼無法看見的微粒組成的；液態(tài)水和固態(tài)水是看得見摸得著的，受熱后，就變成了水蒸氣分散到空氣中去，于是，成為看不見的空氣的一部分，這說明，可見的物質(zhì)也可轉(zhuǎn)變成很細(xì)小的看不見的微粒，物質(zhì)的有形與無形是可以相互轉(zhuǎn)化的；一張紙我們可以輕易地撕成兩半，那么，有沒有想過，一直不停地撕下去，會(huì)有盡頭嗎？

早在我國春秋戰(zhàn)國時(shí)期，我們的先哲就提出了相似的詰問：如《莊子·天下》中的“一尺之棰，日取其半，萬世不竭”，他主張物質(zhì)結(jié)構(gòu)是無限可分的，但最終結(jié)果是什么，并沒有說；又如《管子·心術(shù)上》中的“道在天地之間也，其大無外，其小無內(nèi)”，“無內(nèi)”者，不可分割之謂也，他主張物質(zhì)結(jié)構(gòu)有限可分的，至于能分到哪個(gè)層次，同樣也沒有明確回答。

關(guān)于物質(zhì)是否可分的問題同樣也引起古希臘哲學(xué)家的興趣，公元前6世紀(jì)古希臘的泰勒斯就開始對(duì)物質(zhì)可分性問題進(jìn)行了探討，也出現(xiàn)過兩種觀點(diǎn)：一是“種子論”，主張物質(zhì)結(jié)構(gòu)無限可分；二是“原子論”，主張物質(zhì)結(jié)構(gòu)有限可分。

這些古代先哲的詰問與觀點(diǎn)都停留在哲學(xué)的思考層面上，不能成為科學(xué)觀點(diǎn)。這些爭論導(dǎo)致人類對(duì)物質(zhì)的微粒組成的認(rèn)識(shí)不斷深入。直到18世紀(jì)后半葉，道爾頓提出了科學(xué)的原子論，揭開近現(xiàn)代科學(xué)的物質(zhì)微粒觀的序幕。

二、從波義耳到道爾頓,向?qū)W生展現(xiàn)近代原子論提出的歷史背景

“元素”、“原子”等概念對(duì)初學(xué)微粒觀的學(xué)生來說因缺乏認(rèn)知基礎(chǔ)而成為難點(diǎn)。在學(xué)習(xí)道爾頓的原子論觀點(diǎn)時(shí)，如果撇開道爾頓提出原子論的歷史背景而從現(xiàn)代原子論的視角分析其觀點(diǎn)的錯(cuò)誤性，無助于學(xué)生形成科學(xué)的原子觀，不利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。在教學(xué)中，有必要將如下科學(xué)史作為閱讀素材，向?qū)W生展現(xiàn)當(dāng)時(shí)風(fēng)起云涌的科學(xué)潮。

最早提出“元素”這一概念的是古希臘一位著名的唯心主義哲學(xué)家柏拉圖，他認(rèn)為是萬物都源自“火、水、氣、土”四元素。為了確定科學(xué)的化學(xué)，英國著名科學(xué)家波義耳通過一系列實(shí)驗(yàn)，對(duì)傳統(tǒng)的元素觀產(chǎn)生了懷疑，提出：只有那些不能用化學(xué)方法再分解的簡單物質(zhì)才是元素，作為萬物之源的元素，將不會(huì)是古希臘的“四種”而一定會(huì)有許多種。經(jīng)三百多年的發(fā)展，直到20世紀(jì)初終于形成現(xiàn)代意義上的元素概念：具有相同核電荷數(shù)的同一類原子的統(tǒng)稱。

一百多年后，又一位英國著名科學(xué)家道爾頓在研究氣體性質(zhì)的基礎(chǔ)上提出了氣體的熱膨脹定律、分壓定律等。為了解釋說明這些定律，道爾頓在1803年系統(tǒng)地提出了他的原子論，1808年道爾頓發(fā)表了“圖形加字母”的原子符號(hào)。道爾頓的原子論使化學(xué)成為科學(xué)，促進(jìn)了化學(xué)的快速發(fā)展。然而，原子是否還可再分的爭論并沒有停息，相反，更激發(fā)起科學(xué)家的探索興趣。

圖1

圖2

三、從道爾頓到盧瑟福,與學(xué)生一起探究原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)

結(jié)合相關(guān)史料，與學(xué)生一起探究“原子結(jié)構(gòu)”教學(xué)片段實(shí)錄如下：

師：1803年，道爾頓創(chuàng)立了原子學(xué)說，他的主要觀點(diǎn)是：物質(zhì)的基本組成是原子，原子就像一個(gè)小得不能再小的實(shí)心球。道爾頓提出原子學(xué)說，在科學(xué)上產(chǎn)生積極影響，使化學(xué)成為近現(xiàn)代意義上的科學(xué)。近100年后，又一位英國人湯姆生在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，從原子中能跑出比它質(zhì)量小1700倍帶負(fù)電的電子來。如果你是湯姆生，在發(fā)現(xiàn)原子內(nèi)有電子的時(shí)候，你會(huì)產(chǎn)生怎樣的想法？

生1：原子是不帶電的，而電子是帶負(fù)電的，這不是有矛盾嗎？

生2：原子是電中性的，既然能分離出帶負(fù)電的電子，肯定還有帶正電的微粒。

生3：電子質(zhì)量極小，肯定有質(zhì)量較大的微粒。

生4：說明道爾頓所認(rèn)為的原子是不可再分實(shí)心球觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。

師：根據(jù)你發(fā)現(xiàn)的問題，結(jié)合你所學(xué)過的知識(shí)，你認(rèn)為原子的結(jié)構(gòu)可能是怎么樣的呢？

生1：原子應(yīng)該由電子和另外一個(gè)質(zhì)量比電子大、帶正電的微粒組成。

生2：而且電子帶的電荷數(shù)與另一帶正電的微粒所帶的電荷數(shù)應(yīng)該是相等的，只有這樣，原子才能呈電中性。

師：根據(jù)科學(xué)實(shí)踐和當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果，物理學(xué)家發(fā)揮了他們豐富的想象力，提出了各種不同的原子模型。1897年英國科學(xué)家湯姆生提出的“葡萄干蛋糕模型”。他認(rèn)為原子是一個(gè)平均分布著正電荷的球體，電子分布在球體中，很有點(diǎn)像葡萄干點(diǎn)綴在一塊蛋糕里（如圖1）。

根據(jù)你所學(xué)過的知識(shí)，你對(duì)湯姆生模型有什么疑問嗎？你認(rèn)可湯姆生模型嗎？

生：帶負(fù)電的電子怎么可能嵌在帶正電的球體中存在呢，它們的電性不是會(huì)相互中和了嗎，怎么還能保持著自己的電性呢？

師：盧瑟福用α粒子轟擊金箔，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)α粒子就像炮彈穿越空氣一樣沒有發(fā)生什么變化，只有極少數(shù)的粒子發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，有的甚至被反彈回來（圖2）。同時(shí)播放α粒子轟擊金箔的動(dòng)畫。

如果你是盧瑟福，當(dāng)你發(fā)現(xiàn)了這些現(xiàn)象之后，你會(huì)怎么想？

生1：α粒子有的有偏轉(zhuǎn)、有的被反彈、有的不改變?cè)瓉淼穆肪€，說明原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)是不均勻的。

生2：大多數(shù)的α粒子能夠直接穿過去，說明原子內(nèi)部大部分是空心的。

生3：α粒子是帶正電的，它發(fā)生偏轉(zhuǎn)也有可能是受到原子內(nèi)部帶正電的微粒的排斥。

生4：也有可能是撞到什么東西上，被撞偏了。

……

師：盧瑟福就是根據(jù)當(dāng)時(shí)的發(fā)現(xiàn)，提出了“盧瑟福模型”。認(rèn)為原子的中心是一個(gè)帶正電荷的核，它的質(zhì)量幾乎等于原子的全部質(zhì)量，電子在它的周圍沿著不同的軌道運(yùn)轉(zhuǎn)，就像行星環(huán)繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)一樣，所以又稱為“太陽系模型”。

生：太陽系模型中的正負(fù)電荷不是會(huì)吸到一起嗎？為什么它們還能夠保持一定的距離？

師：兩年后，丹麥科學(xué)家玻爾在此基礎(chǔ)上又提出新的原子結(jié)構(gòu)模型，認(rèn)為電子在原子核外空間的一定軌道上繞核做高速運(yùn)動(dòng)，即“分層模型”（如圖3）。到近代，科學(xué)家們又提出了“電子云模型”（如圖4）。若干年后，人們可能還會(huì)提出更加完善的模型。

原子結(jié)構(gòu)模型就是這樣經(jīng)過科學(xué)家們的不斷發(fā)現(xiàn)，不斷探索而得到逐步的完善和不斷的修正，使模型越來越與事物的本質(zhì)接近。

圖3

圖4

四、從蓋·呂薩克到阿伏加德羅,引領(lǐng)學(xué)生從原子論探究分子論

法國科學(xué)家蓋·呂薩克提出了一個(gè)極其重要的假說：在同溫同壓下，相同體積的不同氣體無論是單質(zhì)還是化合物都含有相同數(shù)目的原子（實(shí)為分子，因當(dāng)時(shí)還沒有“分子”一詞）。

按蓋·呂薩克的觀點(diǎn)，相同體積的不同氣體中的原子數(shù)相同，那么，由1體積的氫與1體積的氯化合后生成2體積的氯化氫中，每個(gè)氯化氫“原子”都只能是由半個(gè)原子的氫和半個(gè)原子的氯所組成，這樣的“半個(gè)原子”是與道爾頓原子論中關(guān)于原子不可分割和最小的觀念相矛盾。這說明，原子論需要進(jìn)一步發(fā)展，必須在其中加入新的概念方能克服之。

1811年6月意大利科學(xué)家阿伏加德羅在道爾頓原子論中引入了“分子”概念，提出了分子學(xué)說。初步解決了道爾頓原子論的內(nèi)在矛盾及其外化的“半個(gè)原子”問題，從而使近代科學(xué)的“原子—分子”論趨于完美。然而，阿伏加德羅沒能對(duì)分子作出系統(tǒng)的明確論證，加上當(dāng)時(shí)化學(xué)界權(quán)威的極力反對(duì)，這一學(xué)說并沒有得到當(dāng)時(shí)化學(xué)界的認(rèn)同。

1860年，意大利科學(xué)家坎尼扎羅對(duì)分子概念進(jìn)行了理論論證，將道爾頓的原子論和阿伏加德羅的分子學(xué)說加以有機(jī)整合，終于提出了科學(xué)的“原子——分子”理論，加上此時(shí)無機(jī)化學(xué)與有機(jī)化學(xué)得到迅速發(fā)展，該學(xué)說終于得到了化學(xué)界的肯定。

［1]錢長康.從物質(zhì)可分性看元極學(xué)與現(xiàn)代科學(xué)相結(jié)合.http：//www.chinaexpertsweb.net/yxlw001

［2]張玉春.“原子—分子”論的創(chuàng)立及其對(duì)我們的啟迪［J].化學(xué)教育，2009，（12）

［3]劉兵，江洋.科學(xué)史與教育［M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2008

［4]張穎之，劉恩山.科學(xué)本質(zhì)教育的課堂教學(xué)方法初探［J].課程·教材·教法，2007，（10）

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