体现科学本质的HPS教学——以“原子的核式结构模型”教学为例

廖东军 任凤竹

（河南大学物理与电子学院，河南 开封 475004）

教育部颁布的《普通高中物理课程标准（2017）年版》将科学本质作为“科学态度与责任”的首要要素纳入物理学科核心素养之中，并在学业质量水平中提出了具体的要求.美国在1996年颁发的国家科学教育课程标准（National Science Education Standard，简称NSES）中明确地将科学本质的相关理念放进课程标准中.英国的科学教育协会（Association for Science Education，简称ASE）在1983年的课程改革草案中也提到：“学生应该对科学原理（principle）及理论（theory）的历史发展有一些基本的了解”.［1］因此，有必要在我国中学物理教学中，进行科学本质教育，提高学生对科学本质的认识.本文以人教版高中物理选修3 5第18章第2节“原子的核式结构模型”一课为例，结合HPS教育理念进行教学设计，力求显化科学本质教育，培养学生的物理学科核心素养.

1 科学本质与HPS教育

什么是“科学本质”呢？人们对于科学本质的认识是不断发展、不断深化的.刘健智认为在科学教育中，学生对科学本质的学习有3个维度：科学知识的本质、科学探究的本质和科学事业的本质，每个维度又由若干个学习范畴组成.［2］国际科学教育领域对学校科学本质教育比较一致认识包括：（1）科学知识方面，主要包括科学知识的确定性和发展性；（2）科学方法方面，主要包括实验检验、数据的分析和解释、假设与预测、科学思维的多样性、科学的创造性、科学就是不断地提出问题等；（3）科学研究群体与社会实践方面，主要包括科学知识发展过程中的合作与协作、科学与技术的区别和相互作用等.［3］科学教育的重要目标之一就是要培养学生对科学本质问题的认识，让学生拥有自己的科学本质观.然而，调查研究显示，目前高中物理教学中科学本质教育的实施并不理想.［4］由此，在我国中学物理教学中，进行科学本质观的教育应该引起重视.

如何开展科学本质教育呢？提升学生科学本质的教学有内隐和外显两大途径.国际上关于科学本质教育的研究表明：“科学本质需要通过显性的教才能实现理解”.［5］20世纪80年代兴起的HPS教育成为科学本质显性化教学的重要途径之一.HPS是“科学史（History of Science）、科学哲学（Philosophy of Science）和科学社会学（Sociology of Science）”的简称.HPS教育正是从历史、哲学、社会学3个角度向公众全方面宣传科学、解读科学，帮助公众能够在人文社会科学的立体语境中重新理解科学本质，提高自身的科学素养.［6］科学史层面，“理解科学”首先就是要理解科学的历史，物理概念和规律背后含有丰富的史料内容，教学中渗透物理学史，可以让学生了解物理知识的发展规律和演变进程，有利于学生深度理解物理概念和规律.科学哲学层面，古代物理学就是自然哲学的主要组成部分，从科学哲学视角理解物理知识，有助于增强学生对科学精神的哲学思辨与形而上学思考.科学社会层面，物理学知识的建立和应用过程充分体现了科学与社会的关系，挖掘这些要素可以让学生充分理解科学与政治、经济、文化的相互作用，从而增强学生对科学本质的理解，促进科学知识的传播.

HPS教育融入物理课程的教学方式如何呢？研究显示，如果教师仅仅给学生展示科学史而不引导学生反思科学的一般性问题，可能只是让学生知道几个科学家名字或历史故事，并不能有效地促进学生对科学本质的理解.即使是让学生与科学家一起亲身体验科学探究工作，学生的科学本质观也没有显著性变化.［7］鉴于此，在物理教学中，需要设置专门的教学活动来引导学生对科学的一般性问题进行反思.即教师在教学过程中有意识地将课堂教学内容涉及的科学本质通过提问、思考、讨论等方式在适当的时候，恰当地传递给学生，让学生反思科学究竟是什么，深化对科学本质的认识.

2 体现科学本质的HPS教学过程设计

2.1 呈现旧观点：汤姆逊“枣糕模型”

物质通常是不带电的，即原子是电中性的，由于原子含有带负电的电子，可推想到原子中还有带正电的部分.在原子内部，正负电荷如何分布的呢？也就是原子结构如何，下面展开讨论.

小组讨论：同学们大胆猜想，提出可能的原子模型，并进行相互讨论.

教师介绍汤姆逊的原子模型：汤姆逊认为，原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子镶嵌其中（图1）.有人形象地把他的这个模型称为“西瓜模型”或“枣糕模型”.

图1 汤姆逊的原子模型

引导式提问：同学们和汤姆逊都提出了自己的原子结构，用什么方法可以确保提出的模型是正确的？

反思：科学知识的正确性取决于观察和实验的检验，科学必须建立在真实的证据上.物理学是一门以实验为基础的科学，所有的物理知识都是在实验的基础上建立起来的，只有经得起实践检验的理论，才能成为正确的科学知识.

2.2 发现新现象：电子束射击金属膜实验

德国物理学家勒纳德1903年做了一个实验，使电子束射到金属膜上，发现较高速度的电子很容易穿透原子.这说明原子不是一个实心球体，汤姆逊的模型可能不正确.之后不久，α粒子散射实验则完全否定了汤姆逊的原子模型.

引导式提问：新现象的发现否定了汤姆逊的原子模型，我们对科学家的形象有什么认识？

反思：尽管汤姆逊发现了电子，对物理学具有重要的贡献，但是他提出的原子模型却被证明是错误的，说明科学必须建立在真实的证据上，根据证据可以推翻权威.同时启发我们不要迷信权威，科学家得出的结论也可能是不正确的，我们需要有一定的质疑和批判精神.

2.3 提出新观点：原子的核式结构模型

新的现象否定了汤姆逊的假说，接下来需要提出新的假设，当然新的假说也可能被新的现象所证伪.其实物理学就是在不断提出假说和不断被证伪（证实）过程中慢慢发展起来的.同学们要敢于大胆猜想，但是必须小心求证，我们继续展开对原子结构的探索.

教学片段1：创设真实情景，理解实验思想.

实物演示并提问：如图2所示，装有一物体的黑色纸箱，要想知道纸箱内的物体是什么，可以怎么办？

图2 实验演示用的黑色纸箱

学生们异口同声回答：把箱子拆开直接观看.

教师追问：如果不能直接拆开它，但又想知道这里面是什么，有什么办法呢？

学生讨论，提出实验方案：摇晃、称重等.

继续追问：利用上面同学们提出的实验方案，可以大致知道内部物体的重量，我们如何判断它的形状呢？

学生：沉默中……

教师引导：可以用竹签去扎纸箱，通过多次实验，就可以确定里面物体的形状.类似的，原子的结构非常紧密，用一般的方法无法探测它内部的结构，需要用到间接的实验方法来研究.在物理学中，为了认识原子的结构，要用高速粒子对它进行轰击.卢瑟福就是采用α粒子轰击金属薄片的方法来研究原子的结构.

教学片段2：师生共讨α粒子散射实验.

课件演示α粒子散射实验装置，如图3，重点说明这个实验如何能探测到原子的结构.（α粒子是氦的原子核，带两个单位的正电，当α粒子高速轰击金箔时，可以接近金原子的中心，由于金原子中的带正电粒子对α粒子有库仑斥力的作用，一些α粒子的运动方向改变，统计散射到各个方向的α粒子所占的比例，可以推知原子中电荷的分布情况.）

图3 α粒子散射的实验装置示意图

小组讨论1：根据汤姆逊的原子模型，理论上α粒子的偏转情况如何？

问题分析：按照汤姆逊的原子模型，正电荷在原子内部均匀地分布，α粒子穿过原子时，受到正电荷各方向的库仑力平衡，因此正电荷对α粒子偏转的力会很小.由于α粒子的质量约为电子质量的7300倍，根据动量守恒定律，在α粒子跟电子碰撞后，质量大的α粒子速度几乎不变，那么电子对α粒子的速度大小和方向的影响就像灰尘对炮弹的影响，完全可以忽略，α粒子直接会穿过去，如图4.

图4 汤姆逊散射模拟示意图

动画模拟演示α粒子散射实验：教师结合动画展示α粒子散射的实验现象（见图5），并引导学生进行归纳得出实验结论.在此指出当年卢瑟福得到实验结果后很诧异，卢瑟福和他的学生惊呼“这件事情是如此的不可能，就好像你用炮弹射向一层薄纸，但炮弹却被纸弹了回来”.

图5 α粒子散射示意图

小组讨论2：为什么会出现极少数α粒子偏转角超过90°，有的甚至被弹回，偏转角几乎达到180°？

小组讨论3：为什么少数α粒子却发生了较大的偏转？

小组讨论4：为什么会出现绝大部分α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进？

教师引导学生分析交流与讨论2-4 3个问题，并得出结论：① 极少数α粒子（大约为1／8000）偏转角度超过90°，有的甚至被弹回，一般观测中可能会被忽略掉，但是卢瑟福恰恰抓住了这个“极少数”，因为它对揭示原子结构具有重要的意义.他认为α粒子是在同金原子的碰撞中改变其方向的，因而静电斥力必须集中在一个极小的范围内，即原子中有一个体积很小、质量很大，对正电荷有很强偏转能力的核；② 少数粒子发生较大的偏转，说明正电荷集中在很小的一个区域（形成原子核），α粒子非常接近它时，才有可能因库仑斥力而发生大角度的偏转；③ “绝大部分α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进”说明原子内部绝大部分是空的.

α粒子散射实验背景补充：1910年前后，当时人们已经充分证明了放射性元素α、β和γ射线的存在，这恰好为探索原子内部奥秘提供所需要的工具.另外，在进行α粒子散射实验时，需要详细统计α粒子散射情况，这种观察是十分艰苦细致的工作，所用的时间也是相当长的.

引导式提问：通过阅读以上材料，同学们有哪些启发？

反思：科学的发展也会受制于社会的物质发展水平，只有社会发展到一定的水准，实验设备才能同等级地提升，才能为发现新的物理规律创造条件，物理规律才能被进一步揭示.同时，科学研究需要严谨的工作态度和吃苦耐劳的精神品质，科学家追究真理的科学态度值得我们学习.

教学片段3：介绍卢瑟福的原子核式结构.

如图6，在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎全部的质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕着核旋转.它看起来就像行星绕太阳的运动.

图6 卢瑟福的核式结构模型

2.4 总结拓展：提炼发展历程，显化科学本质

卢瑟福的原子核式结构模型提出后，很好地解释了α粒子的散射实验，但是人们发现卢瑟福的核式结构模型却无法解释原子的稳定性与氢原子光谱现象，原子结构问题又陷入困境.玻尔在卢瑟福模型的基础上，结合普朗克的量子概念，提出了自己的原子分层模型，成功地解释了氢原子光谱的实验现象.然而，对于较复杂原子的光谱现象，它仍旧无法解释.这是由于卢瑟福和玻尔深受经典物理学的影响，认为电子绕原子核运动具有确定的轨道，这导致他们的模型总是无法解释一些新的实验现象，出现理论危机.只有旧的理论基础和科学家的思维方式发生革命性改变，这样才能消解危机，克服困难.后来借助量子力学的理论才彻底解决原子结构问题，即电子绕原子核的运动没有固定轨道，只是在某处出现的概率不同，这才真正揭示了微观粒子运动的本质规律.我们会发现，物理学发展有时候不是线性积累的，而是革命性的.动画展示原子结构的发展历程（图7）.

图7 原子的核式结构模型发展总结

引导式提问：结合原子结构的科学发展历程，谈谈科学知识是否是永恒不变的，是绝对的真理？

反思：原子结构经历了道尔顿的实心球模型—汤姆逊的枣糕模型—卢瑟福的核式结构模型—玻尔的原子分层模型—电子云模型的历程.这表明：科学知识不是绝对真理，是暂时性与持久性的统一；科学的规律并不是一成不变的，再多人相信的“事实”，也会随着科学的发展而改变.即使是被实验证实的结论，也可能因为科学的进步被证明只能在某一领域成立；但同时科学知识又是持久可靠的，除非有新的证据或理论等证明原来的科学知识有缺陷，才会被修正或更改.

2.5 深化研究：原子核的电荷与尺度

介绍原子、原子核的半径：原子核半径的数量级为10-15m，原子半径的数量级是10-10m，原子核的半径约为原子半径的1／100000.可见原子内部是十分“空旷”的.

举例说明：如果原子的大小跟学校田径体育场一样大，那么对应的原子核该有多大？是相当于篮球、网球、鸡蛋？还是弹珠、螺钉？

教师给出数据并引导学生进行计算，得出原子核的尺寸相当于大田径场正中央放上一颗小螺钉（横截面尺寸）.此处结合实物及其大小，让学生通过对比，感知原子核是多么的小，原子是多么的空旷.

介绍物理学研究对象尺寸：通过介绍宏观、微观物质的尺寸，拓展学生对物理学研究对象的尺度认识.如图8，物理学研究的对象大到浩瀚的宇宙，目前人类所能探测到最远的类星体距离大约是1026m，称为哈勃半径，小到基本粒子的尺寸，夸克的半径约为10-20m.当今物理学的研究领域里有两个尖端，一个是高能物理或称粒子物理，另一个是天体物理，前者在最小尺度上探索物质更深层次的结构，后者在最大尺度上追寻宇宙的演化和起源.

图8 物理学研究对象的尺度

引导式提问：通过对物理研究对象尺度的了解，同学们对人类与自然界的关系有什么认识？

反思：我们的世界很大，而人类却及其渺小，人类在自然界的位置仿佛就是沧海之一粟.然而就是这样渺小的人类却始终坚持追求真理，勇于探索自然的规律，拓展我们对世界的认知，并在此基础上改造自然，创造出举世瞩目的文明.同时，我们也应该意识到，人类只是自然界的一部分，应该与自然和谐相处，我们在应用科学发明的时候，一定要记得保护自然，爱护我们赖以生存的地球.

2.6 课后写作：深化科学本质的理解

结合原子结构发展历程，谈一谈科学知识的发展规律对你的启示，写一篇500字左右的科技作文，下节课学生间讨论交流.

3 HPS教学建议与策略

3.1 利用物理学史创设合理问题情境

教师要通过创设学科历史教学情境，帮助学生更好地理解知识的动态生成性，加深对科学本质的认识.（1）教师可以用史料故事的形式进行课程引入，激发学生的学习兴趣.通过故事的形式来呈现物理学史上的重大发现和发明过程，可以让学生置身于科学研究的氛围中，感受科学的魅力，激发学习物理的欲望.（2）实验探究过程引入物理学史，体验科学家的探究历程.根据教学内容，可以直接介绍物理学家的科学探究过程，或者在学生完成自己设计的探究实验之后，教师再为其展示物理学家的探究实验，使两者形成对比，加深学生对重要概念或规律的理解.

3.2 利用科学哲学提高学生的批判思维

科学哲学是科学在概念或话语上的哲学思辨，在科学教育中对科学进行哲学的思考能够有效促进学生理性思维的发展.（1）对现有物理知识的形成历程进行追溯，使学生认识到其发展的动态性和暂时性.那么学生在学习过程中，就会敢于大胆提出自己的猜想，并且对现有的知识提出质疑，学生的批判思维和质疑精神就会慢慢发展和提高.（2）问题是物理教学中的核心，教师可以通过问题引导并启发学生对物理现象进行观察、推理、反思和归纳，从而促进学生逻辑思维能力的提升.

3.3 利用科学社会学培养学生的社会责任感

HPS的社会教育强调，让学生在大的社会背景中去认识科学与社会的关系，理解科学的本质，从而培养学生的社会责任意识和使命感.（1）科学发展与时俱进：介绍物理学家科学发现的背景，理解古人并不是因为愚蠢才产生错误的观念，而是人们对事物的认知水平受当时社会生产条件限制，科学发现与科学家的时代背景有着一定的必然联系.（2）科学无捷径，百折不挠、大胆探索：让学生感悟科学家身上追求真理，勇于探索的科学精神.（3）科学推动人类社会物质文明进步：介绍物理学家的某项研究成果对社会发展和实际生活带来的影响，让学生在评价、讨论中增强学生的社会责任与担当.