利用科学史促进学生微粒观的形成

苏爱娣

（浙江省台州市白云学校浙江台州318000）

利用科学史促进学生微粒观的形成

苏爱娣

（浙江省台州市白云学校浙江台州318000）

分析初中科学教学中物质微粒观的教学难点与影响教学有效性的因素，提出利用科学史促进学生微粒观形成的方法与教学功能：从日常生活经验到古代先哲的诘问，引发学生探究物质本原的欲望；从波义耳到道尔顿，向学生展现近代原子论提出的历史背景；从道尔顿到卢瑟福，与学生一起探究原子结构的认识；从盖·吕萨克到阿伏加德罗，引领学生从原子论探究分子论。

初中科学；物质微粒观；科学史

教学实践表明，物质的微粒观是学生学习的难点，多数学生对这些微粒观的认识仅处于记忆层面，很难实现认知上的内化。表现在：由于没有将物质微粒观内化上升到理解层面，物质微粒观游离于科学系统之外，阻碍了化学反应本质认识的迁移；对物质结构的多元化认识不到位，往往把物质的组成一律当成是原子组成或分子组成，导致后续学习化学键、晶体类型和物质结构与物质性质的相关性等知识时感到困难。

影响微粒观教学有效性的因素有很多，我认为主要有两点：一是物质微粒观的的学习需要学生有较强微观想象力和学习接受力，然而不少学生缺乏对物质本原的认识和思考，缺乏物质微观结构想象的认知基础，缺乏与物质微粒观相关的生活经验；二是在探索物质微粒性的历史长河中虽然出现了众多的哲学思想、设计精巧结论精确的实验，但这些实验多数无法在中学重现，加上教师对相关科学史料掌握不多等原因，无法引领学生达到更高的认识层次。

提高微粒观教学有效性在于学习者根据自身的生活经验和多种形式的信息，建构物质可分性与微粒观知识及其意义。针对物质微粒观知识本身的发展史、实验依据、概念意义，可以借助科学史“浓缩”人类建立物质微粒观的过程，引领学生打开探究物质微粒观的“阈阀”，品味科学先驱的探究历程，从而建构起“自己”的物质微粒观。

一、从日常生活经验到古代先哲的诘问,引发学生探究物质本原的欲望

有关物质的可分性与微粒性学生并非没有生活经验，我们可以找到能引发学生思考物质是否可分以及物质是由微观粒子组成的生活经验。例如：我们呼吸空气，而空气是看不见的，那么，诸如这类看不见的物质说明了该物质是由细小到肉眼无法看见的微粒组成的；液态水和固态水是看得见摸得着的，受热后，就变成了水蒸气分散到空气中去，于是，成为看不见的空气的一部分，这说明，可见的物质也可转变成很细小的看不见的微粒，物质的有形与无形是可以相互转化的；一张纸我们可以轻易地撕成两半，那么，有没有想过，一直不停地撕下去，会有尽头吗？

早在我国春秋战国时期，我们的先哲就提出了相似的诘问：如《庄子·天下》中的“一尺之棰，日取其半，万世不竭”，他主张物质结构是无限可分的，但最终结果是什么，并没有说；又如《管子·心术上》中的“道在天地之间也，其大无外，其小无内”，“无内”者，不可分割之谓也，他主张物质结构有限可分的，至于能分到哪个层次，同样也没有明确回答。

关于物质是否可分的问题同样也引起古希腊哲学家的兴趣，公元前6世纪古希腊的泰勒斯就开始对物质可分性问题进行了探讨，也出现过两种观点：一是“种子论”，主张物质结构无限可分；二是“原子论”，主张物质结构有限可分。

这些古代先哲的诘问与观点都停留在哲学的思考层面上，不能成为科学观点。这些争论导致人类对物质的微粒组成的认识不断深入。直到18世纪后半叶，道尔顿提出了科学的原子论，揭开近现代科学的物质微粒观的序幕。

二、从波义耳到道尔顿,向学生展现近代原子论提出的历史背景

“元素”、“原子”等概念对初学微粒观的学生来说因缺乏认知基础而成为难点。在学习道尔顿的原子论观点时，如果撇开道尔顿提出原子论的历史背景而从现代原子论的视角分析其观点的错误性，无助于学生形成科学的原子观，不利于培养学生的科学素养。在教学中，有必要将如下科学史作为阅读素材，向学生展现当时风起云涌的科学潮。

最早提出“元素”这一概念的是古希腊一位著名的唯心主义哲学家柏拉图，他认为是万物都源自“火、水、气、土”四元素。为了确定科学的化学，英国著名科学家波义耳通过一系列实验，对传统的元素观产生了怀疑，提出：只有那些不能用化学方法再分解的简单物质才是元素，作为万物之源的元素，将不会是古希腊的“四种”而一定会有许多种。经三百多年的发展，直到20世纪初终于形成现代意义上的元素概念：具有相同核电荷数的同一类原子的统称。

一百多年后，又一位英国著名科学家道尔顿在研究气体性质的基础上提出了气体的热膨胀定律、分压定律等。为了解释说明这些定律，道尔顿在1803年系统地提出了他的原子论，1808年道尔顿发表了“图形加字母”的原子符号。道尔顿的原子论使化学成为科学，促进了化学的快速发展。然而，原子是否还可再分的争论并没有停息，相反，更激发起科学家的探索兴趣。

图1

图2

三、从道尔顿到卢瑟福,与学生一起探究原子结构的认识

结合相关史料，与学生一起探究“原子结构”教学片段实录如下：

师：1803年，道尔顿创立了原子学说，他的主要观点是：物质的基本组成是原子，原子就像一个小得不能再小的实心球。道尔顿提出原子学说，在科学上产生积极影响，使化学成为近现代意义上的科学。近100年后，又一位英国人汤姆生在实验中发现，从原子中能跑出比它质量小1700倍带负电的电子来。如果你是汤姆生，在发现原子内有电子的时候，你会产生怎样的想法？

生1：原子是不带电的，而电子是带负电的，这不是有矛盾吗？

生2：原子是电中性的，既然能分离出带负电的电子，肯定还有带正电的微粒。

生3：电子质量极小，肯定有质量较大的微粒。

生4：说明道尔顿所认为的原子是不可再分实心球观点是错误的。

师：根据你发现的问题，结合你所学过的知识，你认为原子的结构可能是怎么样的呢？

生1：原子应该由电子和另外一个质量比电子大、带正电的微粒组成。

生2：而且电子带的电荷数与另一带正电的微粒所带的电荷数应该是相等的，只有这样，原子才能呈电中性。

师：根据科学实践和当时的实验观测结果，物理学家发挥了他们丰富的想象力，提出了各种不同的原子模型。1897年英国科学家汤姆生提出的“葡萄干蛋糕模型”。他认为原子是一个平均分布着正电荷的球体，电子分布在球体中，很有点像葡萄干点缀在一块蛋糕里（如图1）。

根据你所学过的知识，你对汤姆生模型有什么疑问吗？你认可汤姆生模型吗？

生：带负电的电子怎么可能嵌在带正电的球体中存在呢，它们的电性不是会相互中和了吗，怎么还能保持着自己的电性呢？

师：卢瑟福用α粒子轰击金箔，发现绝大多数α粒子就像炮弹穿越空气一样没有发生什么变化，只有极少数的粒子发生了偏转，有的甚至被反弹回来（图2）。同时播放α粒子轰击金箔的动画。

如果你是卢瑟福，当你发现了这些现象之后，你会怎么想？

生1：α粒子有的有偏转、有的被反弹、有的不改变原来的路线，说明原子内部的结构是不均匀的。

生2：大多数的α粒子能够直接穿过去，说明原子内部大部分是空心的。

生3：α粒子是带正电的，它发生偏转也有可能是受到原子内部带正电的微粒的排斥。

生4：也有可能是撞到什么东西上，被撞偏了。

……

师：卢瑟福就是根据当时的发现，提出了“卢瑟福模型”。认为原子的中心是一个带正电荷的核，它的质量几乎等于原子的全部质量，电子在它的周围沿着不同的轨道运转，就像行星环绕太阳运转一样，所以又称为“太阳系模型”。

生：太阳系模型中的正负电荷不是会吸到一起吗？为什么它们还能够保持一定的距离？

师：两年后，丹麦科学家玻尔在此基础上又提出新的原子结构模型，认为电子在原子核外空间的一定轨道上绕核做高速运动，即“分层模型”（如图3）。到近代，科学家们又提出了“电子云模型”（如图4）。若干年后，人们可能还会提出更加完善的模型。

原子结构模型就是这样经过科学家们的不断发现，不断探索而得到逐步的完善和不断的修正，使模型越来越与事物的本质接近。

图3

图4

四、从盖·吕萨克到阿伏加德罗,引领学生从原子论探究分子论

法国科学家盖·吕萨克提出了一个极其重要的假说：在同温同压下，相同体积的不同气体无论是单质还是化合物都含有相同数目的原子（实为分子，因当时还没有“分子”一词）。

按盖·吕萨克的观点，相同体积的不同气体中的原子数相同，那么，由1体积的氢与1体积的氯化合后生成2体积的氯化氢中，每个氯化氢“原子”都只能是由半个原子的氢和半个原子的氯所组成，这样的“半个原子”是与道尔顿原子论中关于原子不可分割和最小的观念相矛盾。这说明，原子论需要进一步发展，必须在其中加入新的概念方能克服之。

1811年6月意大利科学家阿伏加德罗在道尔顿原子论中引入了“分子”概念，提出了分子学说。初步解决了道尔顿原子论的内在矛盾及其外化的“半个原子”问题，从而使近代科学的“原子—分子”论趋于完美。然而，阿伏加德罗没能对分子作出系统的明确论证，加上当时化学界权威的极力反对，这一学说并没有得到当时化学界的认同。

1860年，意大利科学家坎尼扎罗对分子概念进行了理论论证，将道尔顿的原子论和阿伏加德罗的分子学说加以有机整合，终于提出了科学的“原子——分子”理论，加上此时无机化学与有机化学得到迅速发展，该学说终于得到了化学界的肯定。

［1]钱长康.从物质可分性看元极学与现代科学相结合.http：//www.chinaexpertsweb.net/yxlw001

［2]张玉春.“原子—分子”论的创立及其对我们的启迪［J].化学教育，2009，（12）

［3]刘兵，江洋.科学史与教育［M].上海：上海交通大学出版社，2008

［4]张颖之，刘恩山.科学本质教育的课堂教学方法初探［J].课程·教材·教法，2007，（10）

［5]王秀红.运用科学史培养初中生的科学本质观［J].化学教育，2005，（12）

1008-0546（2011）07-0005-03

G633.8

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10.3969/j.issn.1008-0546.2011.07.002