張霄+馬薇+吳晗清

摘要：科學(xué)要素是科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程中必然涉及的因素，其中包括觀察、假說、實(shí)驗(yàn)、理論等。以“原子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)史”為例，原子結(jié)構(gòu)的確立歷經(jīng)理論探討、實(shí)驗(yàn)探究、模型確立三個(gè)階段，體現(xiàn)了觀察是建構(gòu)與檢驗(yàn)假說的基礎(chǔ)；假說是解釋、預(yù)測現(xiàn)象以及指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的依據(jù)；實(shí)驗(yàn)是獲取現(xiàn)象以及檢驗(yàn)假說的手段。教師應(yīng)當(dāng)返還屬于學(xué)生的時(shí)間，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力；關(guān)注學(xué)生的“錯(cuò)念”，培養(yǎng)學(xué)生提出假說的能力；引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)的價(jià)值，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。

關(guān)鍵詞：原子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)史；科學(xué)要素；教學(xué)反思

文章編號：1005–6629（2016）4–0033–04 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

科學(xué)要素是科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程中必然涉及的因素，其中包括觀察、假說、實(shí)驗(yàn)、理論等。通過分析科學(xué)史可以看出，每一項(xiàng)重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程均涉及科學(xué)要素。以“原子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)史”為例，關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性探究始于16世紀(jì)的科技革命，原子結(jié)構(gòu)的確立歷經(jīng)理論探討、實(shí)驗(yàn)探究、模型確立三個(gè)階段，發(fā)展過程體現(xiàn)了觀察、假說、理論、實(shí)驗(yàn)等科學(xué)要素的交互式作用。本文旨在剖析“原子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)史”背后的科學(xué)要素，反思教學(xué)，以期為完善中學(xué)化學(xué)教學(xué)帶來教益。

1 原子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)史

1.1 原子結(jié)構(gòu)的理論探討時(shí)期

1897年，電子被發(fā)現(xiàn)以后，科學(xué)家開始對原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)探討。同年，湯姆生（Jospeh John Thomson，1857～1940）提出“葡萄干蛋糕”模型，即原子是一個(gè)帶正電的球（蛋糕），帶負(fù)電的電子（葡萄干）均勻分布在球體之中。1903年，德國物理學(xué)家勒納德（Lenard，1862～1947）“以吸收的實(shí)驗(yàn)證明高速的陰極射線能通過數(shù)千個(gè)原子”。按照當(dāng)時(shí)盛行的半唯物主義者的看法，原子的大部分體積是空無所有的空間。勒納德設(shè)想剛性物質(zhì)是“散處于原子內(nèi)部空間里的若干正電和負(fù)電的合成體”[1]。1904年，日本物理學(xué)家長崗半太郎（1865～ 1950）提出“土星型原子模型”，即原子中心是一個(gè)大質(zhì)量的正電球，電子均勻地分布在環(huán)形軌道上?！斑@一理論形成時(shí)，人們把原子看做一個(gè)太陽系，把有質(zhì)量的核比擬為處于中心的太陽，而輕質(zhì)的電子則類似要和運(yùn)行的行星”[2]。因此，這一時(shí)期的原子結(jié)構(gòu)模型完全囿于經(jīng)典力學(xué)的范疇。

1.2 原子結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)探索時(shí)期

1911年，盧瑟福（Ernest Rutherford，1871～1937）建議馬斯登完成α粒子轟擊金箔實(shí)驗(yàn)[3]。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在大約20000個(gè)入射的α粒子中，只有1個(gè)α粒子在穿過金箔時(shí)發(fā)生了90°偏轉(zhuǎn)。一束α粒子穿過金箔最可能偏轉(zhuǎn)的角度是0.87°。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進(jìn)，但有少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，有極少數(shù)α粒子的偏轉(zhuǎn)角度超過90°，甚至幾乎達(dá)到180°。盧瑟福根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)獲取的現(xiàn)象，提出了“核式原子結(jié)構(gòu)模型”，即原子內(nèi)部有很大的空間，并且電子的質(zhì)量很??；原子內(nèi)全部正電荷集中在原子球體的中心，原子核約占原子總體積的幾萬分之一；原子的質(zhì)量幾乎全部集中在原子核上；電子在核外空間內(nèi)，受到核電荷的電磁吸引繞核旋轉(zhuǎn)。盧瑟福成功地以實(shí)驗(yàn)證明了原子核與電子的關(guān)系，并提出了能夠解釋所有已知現(xiàn)象的“核式原子結(jié)構(gòu)模型”，為日后電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.3 原子結(jié)構(gòu)的確立時(shí)期

1920年，科學(xué)家通過大量實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象確認(rèn)原子核是由質(zhì)子和電子構(gòu)成的。與此同時(shí)，新的矛盾隨即產(chǎn)生，亨利·莫塞萊（Henry Gwyn Jeffreys Moseley，1887～1915）發(fā)現(xiàn)，“每種元素被陰極射線轟擊時(shí)，能發(fā)射出具有特征頻率ν的X射線，ν為原子序數(shù)N所決定”[4]。這一結(jié)論促使盧瑟福大膽地提出“可能還存在一種電中性的粒子”的新假說[5]。為了檢驗(yàn)這一假說，盧瑟福的學(xué)生查德威克（James Chadwick，1891～1974）經(jīng)過多年努力終于在1932年發(fā)現(xiàn)關(guān)于中子的確鑿證據(jù)。并于《英國皇家學(xué)會(huì)通報(bào)》上發(fā)表題為“中子的存在”一文，詳細(xì)地報(bào)告了實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析過程。有核模型雖然在實(shí)驗(yàn)上取得成功，但按照經(jīng)典力學(xué)理論，電子作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)輻射電磁波，損失能量。因此，理論上不存在穩(wěn)定形態(tài)的原子。20世紀(jì)初期，隨著量子力學(xué)的發(fā)展，微觀粒子的波粒二象性、測不準(zhǔn)原理等假說相繼提出。玻爾（Niels Bohr，1885～ 1962）、德布羅意（Louis Victorde Broglie，1892～1987）、海森堡（Werner Karl Heisenberg，1901～1976）等著名科學(xué)家為揭示電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)做出了巨大的貢獻(xiàn)，“經(jīng)過80余年實(shí)踐的考驗(yàn)，證明作為量子力學(xué)理論基礎(chǔ)的這些基本假設(shè)是正確的”[6]。圖1為原子結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程。

2 原子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)史的科學(xué)要素剖析

2.1 觀察：建構(gòu)與檢驗(yàn)假說的基礎(chǔ)

觀察是建構(gòu)科學(xué)假說的重要基礎(chǔ)之一，“如果一個(gè)觀察命題所構(gòu)成的事實(shí)可以直接用感官來檢驗(yàn)，并且經(jīng)得起檢驗(yàn)，那么，它足以構(gòu)成科學(xué)的基礎(chǔ)”[7]。觀察包含兩種途徑：直接觀察和間接觀察。直接觀察，即觀察者通過感官或感官的“延長”，如借助顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡等儀器，對現(xiàn)象進(jìn)行直接觀測。間接觀察，即觀察者以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過分析數(shù)據(jù)、譜圖等，間接獲取觀察結(jié)果?！翱茖W(xué)觀察要求提出任務(wù)、做出假設(shè)并且導(dǎo)出能與觀察結(jié)果相比較的各種推論；還要組織觀察的實(shí)施，選擇和充實(shí)儀器裝置，記錄觀察結(jié)果等”[8]。例如，勒納德提出的“星系模型”旨在解釋“陰極射線能穿透幾千個(gè)原子厚度”這一觀察結(jié)果。值得注意的是，觀察事實(shí)是客觀的，同時(shí)也是可錯(cuò)的。觀察活動(dòng)與觀察者的前期假設(shè)有著密切的關(guān)系，換言之，觀察者的前期經(jīng)驗(yàn)決定著觀察的內(nèi)容與對象。因此，觀察既是建構(gòu)假說的基礎(chǔ)，同時(shí)也受假說的影響。endprint

2.2 假說：解釋和預(yù)測現(xiàn)象及指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的依據(jù)

假說旨在有效地解釋和預(yù)測現(xiàn)象。假說的提出既是建立在現(xiàn)象的基礎(chǔ)之上，又是對現(xiàn)象的解釋與預(yù)測。有學(xué)者將假說比做“筐”，當(dāng)獲取的現(xiàn)象能夠裝入“筐”中時(shí)，則假說被進(jìn)一步證實(shí)，如果新獲取的現(xiàn)象無法裝入“筐”中，則需要以新現(xiàn)象作為基礎(chǔ)，進(jìn)一步對其進(jìn)行修正。假說的證實(shí)與修正往往需要實(shí)驗(yàn)的介入，假說能夠指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)施?！皼]有理論，就無法設(shè)想出任何實(shí)驗(yàn)來，所以科學(xué)家在危機(jī)時(shí)總是嘗試去提出某些思辨性理論，如果成功了，就能找出通往新范式的道路；如果不成功，也能相對容易地將它們舍棄”[9]。例如，1897年湯姆生提出“葡萄干蛋糕”原子模型。隨后進(jìn)行的α粒子從金屬表面直接反射的實(shí)驗(yàn)，有效地獲取了“α射線大角度散射”現(xiàn)象。實(shí)際上，假說對于實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)作用，可以視作“刻意”獲取現(xiàn)象的過程。當(dāng)原有假說能夠解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)，則假說被進(jìn)一步證實(shí)。當(dāng)原有假說不能夠解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)，則假說被進(jìn)一步修正。

2.3 實(shí)驗(yàn)：獲得現(xiàn)象及檢驗(yàn)假說的手段

實(shí)驗(yàn)是化學(xué)的“靈魂”，廣而言之，實(shí)驗(yàn)是自然科學(xué)的“靈魂”。實(shí)驗(yàn)所以能夠成為自然科學(xué)的核心方法之一，是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行У刈C實(shí)或證偽科學(xué)假說。通過實(shí)驗(yàn)獲取的現(xiàn)象是溝通實(shí)驗(yàn)與假說的橋梁。對于同一現(xiàn)象，不同假說能夠給出不同合理的解釋?！皩?shí)驗(yàn)結(jié)果是由世界的作用決定的，而不是由關(guān)于世界的理論觀點(diǎn)決定的，正是這一點(diǎn)使得參照世界來檢驗(yàn)理論成為可能……嘗試參照實(shí)驗(yàn)結(jié)果去檢驗(yàn)科學(xué)理論正確與否，是一種很有意義的探索”[10]。因此，理論系統(tǒng)的建構(gòu)需要大量實(shí)驗(yàn)作為基礎(chǔ)。例如，當(dāng)代原子結(jié)構(gòu)模型的形成，歷經(jīng)赫茲的實(shí)驗(yàn)、電子通過物質(zhì)的吸收實(shí)驗(yàn)、α粒子散射實(shí)驗(yàn)、閃爍鏡觀測空氣中射線射程實(shí)驗(yàn)、輻射鈹實(shí)驗(yàn)……直到2015年科學(xué)家才通過實(shí)驗(yàn)的方式獲取粒子波粒二象性的譜圖。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲取的現(xiàn)象對假說具有高效的檢驗(yàn)作用，在檢驗(yàn)與修正假說的過程中，假說逐漸上升為系統(tǒng)的、具有高度解釋力和預(yù)測力的理論規(guī)范。

上述科學(xué)要素間的交互式作用如圖2所示。

3 對“原子結(jié)構(gòu)”教學(xué)反思

3.1 返還屬于學(xué)生的時(shí)間與空間，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力

在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，觀察能力是學(xué)生的基本素養(yǎng)之一。反思教學(xué)可以發(fā)現(xiàn)，多數(shù)教師在指導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象時(shí)往往帶有強(qiáng)烈的傾向性，即要求觀察結(jié)果盡量與教材中呈現(xiàn)的結(jié)果相吻合。如此一來，學(xué)生僅能夠憑借感官完成機(jī)械的觀察與記錄，既不能逾越教材中的既定現(xiàn)象，又不能自主提出假說。在真實(shí)教學(xué)情景中，教師習(xí)慣于讓學(xué)生總結(jié)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，在學(xué)生對現(xiàn)象進(jìn)行完整描述后，教師會(huì)加以完善并要求學(xué)生記錄。在這一過程中，教師針對某些復(fù)雜現(xiàn)象還會(huì)為學(xué)生編制簡單的“順口溜”或打油詩，輔助學(xué)生記憶。實(shí)際上，對現(xiàn)象的記憶不應(yīng)該脫離現(xiàn)象本身，當(dāng)學(xué)生思考某一實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)，應(yīng)當(dāng)能夠反映出相對真實(shí)的、動(dòng)態(tài)的實(shí)驗(yàn)情境，而不僅僅是抽象的文字。

培養(yǎng)學(xué)生良好的觀察能力，需要教師返還原本屬于學(xué)生的時(shí)間。部分教師在完成實(shí)驗(yàn)后，急于要求學(xué)生記錄現(xiàn)象，如此一來，直觀的、鮮活的現(xiàn)象則會(huì)變?yōu)槌橄?、冰冷的文字。培養(yǎng)學(xué)生良好的記錄能力，需要教師返還原本屬于學(xué)生的時(shí)間和空間。在“原子結(jié)構(gòu)”一課的教學(xué)過程中，教師通常讓學(xué)生觀看“α粒子轟擊金箔實(shí)驗(yàn)”的動(dòng)畫，進(jìn)而由教師總結(jié)動(dòng)畫中出現(xiàn)的現(xiàn)象，最后以相關(guān)的知識(shí)解釋所有現(xiàn)象，推導(dǎo)出原子結(jié)構(gòu)。在這一過程中，學(xué)生處于被動(dòng)接受的地位，觀察的現(xiàn)象以及解釋現(xiàn)象的理論完全由教師直接給出，學(xué)生的觀察與記錄能力無法得到有效的訓(xùn)練。教師應(yīng)當(dāng)返還原本屬于學(xué)生的時(shí)間與空間，由學(xué)生自主完成觀察與記錄。

3.2 關(guān)注學(xué)生的“錯(cuò)念”，培養(yǎng)學(xué)生提出假說的能力

在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，學(xué)生自主建立假說的過程往往被教師所忽略。一方面，受教學(xué)時(shí)間所限，教師往往直接告知學(xué)生陳述性知識(shí)，而不為學(xué)生提供自主提出假說的機(jī)會(huì)。另一方面，受教學(xué)內(nèi)容所限，教師往往有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生將觀察的現(xiàn)象納入到已有假說之中，進(jìn)而排斥“預(yù)設(shè)外現(xiàn)象”的出現(xiàn)。通過訪談學(xué)生筆者了解到，相當(dāng)一部分學(xué)生認(rèn)為電子在原子核外做圓周運(yùn)動(dòng)，說明學(xué)生對于電子運(yùn)動(dòng)的理解大多囿于經(jīng)典力學(xué)的范疇。教師應(yīng)當(dāng)以學(xué)生的這一錯(cuò)念作為基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生思考“如果電子在原子核外做圓周運(yùn)動(dòng)，則會(huì)輻射能量，電子即會(huì)墜毀在原子核上，這一事實(shí)是否與原子穩(wěn)定存在的事實(shí)相違背呢？”，進(jìn)而鼓勵(lì)學(xué)生大膽提出假說，解釋這一經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)象。

提出假說是科學(xué)研究中最為重要的能力之一。假說是對經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)象的解讀，是形成系統(tǒng)理論的前期準(zhǔn)備。當(dāng)代科學(xué)哲學(xué)指出，科學(xué)知識(shí)是人類建構(gòu)起來的用以解釋和預(yù)測經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)象的研究“范式”，假說的提出是溝通現(xiàn)象與理論的必由之路。“正是個(gè)體的主觀經(jīng)驗(yàn)構(gòu)成了個(gè)體提出問題、觀察問題和分析問題的視界”[11]。因此，對于學(xué)生提出的假說教師應(yīng)當(dāng)予以充分的尊重。學(xué)生自主提出的假說是學(xué)生基于自身經(jīng)驗(yàn)，通過理性思考建構(gòu)起來的具有一定解釋能力的“范式”，其解釋和預(yù)測能力可能較之教材中的知識(shí)相去甚遠(yuǎn)，但其源于學(xué)生的自主思考，教師應(yīng)當(dāng)予以充分的尊重與肯定。

3.3 引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)的價(jià)值，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力

在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)獲取現(xiàn)象的過程往往限于被動(dòng)地接受和機(jī)械地重復(fù)。當(dāng)“預(yù)設(shè)外現(xiàn)象”出現(xiàn)時(shí)，學(xué)生或教師的第一反應(yīng)往往是努力探尋實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的“錯(cuò)誤”，并加以改正，而不是就出現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行深入、系統(tǒng)化的反思與探討。實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)是探究，一味強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)的既定過程和結(jié)果會(huì)忽略科學(xué)實(shí)驗(yàn)的價(jià)值所在。“原子結(jié)構(gòu)”一課的內(nèi)容較為抽象，教師可以利用模擬組裝與模擬實(shí)驗(yàn)兩種方式引導(dǎo)學(xué)生分析原子結(jié)構(gòu)，例如教師可以為學(xué)生準(zhǔn)備塑料球、木棍等實(shí)驗(yàn)工具，由學(xué)生自主組裝原子結(jié)構(gòu)。教師以學(xué)生們制作的“原子結(jié)構(gòu)模型”作為基礎(chǔ)，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生“如何利用實(shí)驗(yàn)的方式檢驗(yàn)?zāi)憬M裝好的原子結(jié)構(gòu)模型呢？”，通過模擬實(shí)驗(yàn)的方式檢驗(yàn)學(xué)生的假說。例如有學(xué)生將原子結(jié)構(gòu)組裝為“葡萄干蛋糕”模型，教師即可以引導(dǎo)學(xué)生“如果用一束有規(guī)律的α粒子轟擊你組裝的原子模型，會(huì)出現(xiàn)什么情況呢？”，進(jìn)而修正學(xué)生提出的原子結(jié)構(gòu)模型。

在實(shí)驗(yàn)過程中，教師往往聚焦于“實(shí)驗(yàn)?zāi)芊耥樌瓿伞?，“學(xué)生是否記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象”，“學(xué)生能否順利完成實(shí)驗(yàn)”等內(nèi)容，缺乏對“為什么要做這一實(shí)驗(yàn)”，“為什么這一實(shí)驗(yàn)的裝置要如此設(shè)計(jì)”等問題的深入探討?！敖虒W(xué)本質(zhì)上就是一種探究”[12]。在完成實(shí)驗(yàn)前，教師首先應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)所承載的價(jià)值，即通過實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚪鉀Q何種問題，換言之，如若不進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)為何無法順利進(jìn)行。學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)價(jià)值與目標(biāo)后，教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生，若想順利完成實(shí)驗(yàn)，應(yīng)當(dāng)選擇何種裝置，進(jìn)行何種操作。實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、裝置的選擇、步驟的確定應(yīng)該是在學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)價(jià)值的基礎(chǔ)上自主完成的內(nèi)容。

綜上所述，原子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)史背后蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)要素。教師應(yīng)當(dāng)充分把握原子模型建構(gòu)過程中涉及的觀察、假說、實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)方法與科學(xué)精神。因此，對于科學(xué)要素的相關(guān)內(nèi)容教師應(yīng)當(dāng)予以高度重視。

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