基于科学史和科学哲学构建化学课堂和学生人生的新格局

陆春梅

摘 要：在分析原子结构演变史的教学基础上，依据原子结构演变史背后的大规律，将哲学的经典三问——原子，你从哪里来？你是谁？你到哪里去？和科学史相结合，同时结合教材编写规律与科学发展史相结合，教材编写与学生认知规律相结合，从而构建化学课的新高度，给学生学习的新角度，给学生思考自己人生的支点。

关键词：人类科学史;原子结构演变史;科学范式;认知规律

一、教学现状分析

查阅很多的期刊，发现对原子结构的演绎很多是局限于原子结构推动的细节作为教学重点，分析每个模型出现的原因和理由，这样做的意义在于教会学生“证据推理和模型认知”的能力。在这一点上，原子演变史确实是一个经典的模型。但是本人觉得如此处理对于原子演变史还是太肤浅了些。对于“证据推理和模型认知”这样的教学目标，我们有很多的机会去落实。这样分析原子结构的发展细节，这些仪器和观点离学生太远，只能给学生增加认知困难和学习化学的心理负担。

那么如何处理可以给学生更深层次的意义呢？

二、剖析原子结构演变史

原子结构演变史是一个非常经典的科学范式。

（一）從时间维度分析，原子模型可以说经过了三个阶段。

第一阶段：它从远古走来，公元前460年-前370年的哲学家德谟克利特就提出了原子，经过漫长的时间的孕育到出现道尔顿的实心球模型，这是浪漫孕育的过程，是量变引起质变的过程。从哲学意义的原子到科学意义的原子的过程。

第二阶段：汤姆孙的枣糕模型、卢瑟福的行星模型、玻尔的轨道模型。从道尔顿到汤姆孙可以说是质的飞跃，就如神话故事中的盘古开天辟地，开启人们对原子结构的精确求知过程，这个阶段是在牛顿经典力学系统中生成的，有着明显的宏观世界映射微观世界的局限性。科学家们在经典力学的思维模式下不断地对这一科学范式进行修正的过程。

第三阶段：薛定谔的电子云模型是量子力学的开启。科学家们的思想越来越开发，思维越来越活跃。思想实验和数学模型越来越多，越来越多的科学家围绕这个问题在不断地研究。未来，可能出现的情况更值得我们去期待。

原子演变史分为这样三阶段，更能体现出科学革命的结构、科学范式的研究的特点。这样的三阶段，可以体现科学革命的完整结构，同一个研究对象，经历了不同范式的变革即革命。因为原子结构的追寻经历了漫长的过程，穿插于人类的整个发展史，所以这个案例太经典、太难得了。

（二）从人物维度分析：

参与追寻原子的人员来说，有诗人、哲学家、科学家、文学家等等。

原子首先是由哲学家德谟克利特提出的。那是的原子是哲学意义的。

诗人、文学家们对原子也是魂牵梦绕。公元前约99年～公元前约55年卢克莱修在《物性论》中写道：“那些由原子的小型结合所构成/并且最接近原子的物体/也由着那些不可见的撞击而骚动起来/之后这些东西又刺激更大些的东西/”“我们都来自同样的种子/拥有同一个父亲/”。莎士比亚在《罗密欧与朱丽叶》说：“统驭她的一对精灵原子，从鼻孔中进入人的梦乡。”

科学家们更是夜以继日的研究。

这个牵动无数人的心的原子，学生们是不是也会对此充满好奇呢？

（三）从原子结构演变过程类比高一学生的学习历程：

从原子结构经历的三阶段对比分析我们高一学生的学习经历。原子，经过几千年的沉淀和演变，现在在科学家的眼中就如一个少男少女，科学家们对它充满好奇，它的结构究竟如何？它的结构有无限之可能！我们高一的学生，经过了十二年的孕育，刚刚跨入高一的大门，开启精确学习的旅程，他们也充满着活力，未来无限可期。

结合以上三点，构建原子结构的教学我想到了将哲学的经典三问——原子，你从哪里来？你是谁？你到哪里去？和科学史相结合，同时结合教材编写规律与科学发展史相结合，教材编写与学生认知规律相结合，从而构建化学课的新高度，给学生学习的新角度。

三、教学设计的意图

基于这样的背景下，对原子结构的处理，我们可以综合考虑如下：

（一）线——回顾人类科学发展史

提供绘制的科学史发展时间图，回忆已学化学知识。体会人的认知发展顺序和教材构建体系对知识逻辑性的重视。以门捷列夫对纷乱的元素的排序，教会学生认知事物的角度和方法，体会门捷列夫善于发现问题的思维方式，体会科学家和我们思维方式的不同，思考自己学习方法提升的可能性。

（二）点——学习现行教材中的原子结构

利用书本提供的数据，训练学生处理数据的能力，感受数据带来的直观性和说服力，重视数学在化学中的应用。通过数据处理体会宏观概念与微观粒子之间的关系，使隐性知识显性化。通过对稀有气体核外电子层排布的分析，学会图表的数据分析能力，归纳出原子排布的规律，满足学生对原子结构深入探索的欲望，帮助学生建立宏观辨识与微观探析之间的关系，为学生解决元素性质与原子结构、元素周期表中的位置之间的关系打下坚实的基础。

（三）线——原子结构演变史

1.将学生置身于历史情境中，分析这些模型之来源，补充材料告知学生模型之间演变的原因。了解原子模型的演变历程，学生可以认识到从宏观到微观结合的视角，分析和解决问题的重要性。了解科学研究过程中常需要依据物质及其变化的信息建构模型，提高模型认知能力。认识到科学理论并非亘古不变的永恒真理，科学始终激励着推翻与革新。

2.可以找到科学发展的大规律，启发学生的学习和认知。

借助教材和科学史不在细节上纠结，从宏观层面上总结出科学的发展规律。科学家的批判思维本质，相对真理的推陈出新的规律。让学生体会科学家的纠错能力，启发学生思维方式的转变。引导我们的学生跳出教材的局限，像科学家一样思考。

（四）面——人类科学史和原子结构演变史对比分析。

远看人类发展史，似乎人类的进步是靠着点点滴滴的积累攒起来的，教科书就是给我们这样的感觉。但这是一般规律，教科书的目的是普及知识，同时也是为我们积攒高度，可以让我们在已知的世界的基础上明白未知的世界。走近原子结构演变过程，我们发现推动人类科技发展的是科学的革命式的理论的推陈出新。因此，我们在接受教科书知识的同时，不要忘记自己的主观能动性，我们要像科学家一样的思考问题。我们要勇于创新、勇于发现问题。

四、课例展示：

《原子结构》教案

（一）教学目标

1.回顾科学发展史、化学教材编排顺序，了解人类认知发展的规律及教材编写的逻辑;了解元素周期表和原子结构的地位和重要性。

2.计算和分析相关数据，知道质量数的概念及构成的微粒间的关系;体会化学研究有宏观到微观、由表面到本质的发展过程;感受数据的直观性和说服力。

3.找出原子核外电子的排布规律，能画出1～20号元素的原子结构示意图;体会图标的分析方法。

4.分析原子结构模型的发展史，了解原子结构的发展和完善过程，渗透模型在科学家研究中的重要作用;体会科学范式的演变过程;感悟科学不断自我纠错的特性，体会批判性思维是科学工作的关键要素。

（二）教学重点（略）

（三）教学难点（略）

（四）教学过程

[引入]诗歌

“我们都来自同样的种子，拥有同一个父亲”，这“种子”“父亲”就是指原子，

原子，让我们的哲学家、诗人们魂牵梦绕，因为他们在不断地追问世界之本源;

原子，让科学家夜以继日，因为原子结构的揭秘可以解释世间万象。

1.原子，你从哪里来？

[思考与讨论]小组合作

（1）沿着化学发展史，找一找你所熟悉的科学家或理论，和同学聊一聊你是在什么样的场合与他们相遇的？

（2）回忆你所学过的化学知识，按照教材编写的顺序找一找他们在发展史中的位置。你发现了什么规律吗？如果讓你来编写化学教科书，你会如何编排？

（3）什么是原子？在科学发展史中，原子的身影在哪里？出现的频率如何？为什么？

2.原子，你是谁？

原子的质量

[思考与讨论]（小组合作）

（1）参照初中所学的相对原子质量的计算方法，利用初中教材提供的数据，计算粒子的相对质量（保留5位有效数字）。

（2）分析计算得到的数据，感受原子核与核外电子质量之间的差距。

（3）近似处理计算得到的数据，体会粒子的相对质量与粒子个数之间的关系。

3.原子核外电子的分层排布

[思考与讨论]

下表是稀有气体元素原子的电子层排布，从中你能发现什么规律？请思考并讨论下列问题。

（1）当K成为最外层时，最多能容纳的电子数是多少？除了K层，其他各层为最外层时，最多能容纳的电子数是多少？

（2）次外层最多容纳的电子数是多少？（学生对次外层的意思不是很清楚，需要解释）

（3）你能归纳出第n层最多能容纳的电子数吗？

（4）请你根据所归纳的规律，用原子结构示意图表示核电荷数为1-20号元素原子的核外电子排布。

4.原子，你到哪里去？

[思考与讨论]阅读教材中P88的科学史话和补充材料：

（1）科学家们是怎样一步一步探究原子结构的？

（2）科学家们研究的问题是从哪里来的？他们如何解决问题？

（3）从他们的研究中你发现了哪些方法可以借鉴？

[总结]今天，我们借着小小的又举足轻重的原子，站在上帝的视角：从时间上，跨越千古，知道了原子的前世今生——知道了我们现在所学的原子结构模型——质量数、核外电子排布的规律;展望未来，我们知道未来已来——量子力学已经拉开帷幕。

五、教学反思

在常规教学实践中，大多数老师对此部分的内容并不重视，而且意识不到这部分内容的重要性。很少老师会意识到门捷列夫当时掌握的知识相当于我们学生现在所掌握的知识量，门捷列夫想到将混乱的知识找到顺序和规律，而学生在混乱中却没想到进行归纳整理。学生在接受知识时的随遇而安状态使他们不能像科学家一样的思考，也就不能使他们成为科学家，所以要提醒学生转变自己的学习方式。

通常很多老师会将原子模型的推动细节作为教学的重点，但是这样的研究细节离学生太远，即便仔细分析对学生也意义不大，只能给学生增加心理负担。在本节课中，借助教材和科学史，不在细节上纠结，而是从宏观层面上总结出科学的发展规律，科学家的批判思维本质，相对真理的推陈出新的规律。让学生体会科学家的纠错能力，启发学生思维方式的转变。引导我们的学生跳出教材的局限，像科学家一样思考。

通过对原子结构的三个问题“你是谁？你从哪里来？你到哪里去？”的追问，从“点、线、面”三个角度的分析，构建学生学习的角度和格局，让学生明白自己的思维特点，意识到自己的局限性，就可以跳出自己的“胡桃壳”，像科学家一样的思考，构建自己的诗和远方。

参考文献

[1]杨封友.基于科学要素的化学史教学设计——以“原子结构的模型”教学为例[J].化学教与学，2019（12）

[2]王小芳.浅谈初中科学中的科学史教学——以《原子结构的模型》为例[J].都市家教：上半月，2013（6）：17-17.

[3]周万伟.基于化学史的教学设计——认识原子的结构[J].新课程，2019，000（032）：P.100-101.