體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的HPS教學(xué)
——以“原子的核式結(jié)構(gòu)模型”教學(xué)為例

廖東軍 任鳳竹

（河南大學(xué)物理與電子學(xué)院，河南 開封 475004）

教育部頒布的《普通高中物理課程標準（2017）年版》將科學(xué)本質(zhì)作為“科學(xué)態(tài)度與責任”的首要要素納入物理學(xué)科核心素養(yǎng)之中，并在學(xué)業(yè)質(zhì)量水平中提出了具體的要求.美國在1996年頒發(fā)的國家科學(xué)教育課程標準（National Science Education Standard，簡稱NSES）中明確地將科學(xué)本質(zhì)的相關(guān)理念放進課程標準中.英國的科學(xué)教育協(xié)會（Association for Science Education，簡稱ASE）在1983年的課程改革草案中也提到：“學(xué)生應(yīng)該對科學(xué)原理（principle）及理論（theory）的歷史發(fā)展有一些基本的了解”.［1］因此，有必要在我國中學(xué)物理教學(xué)中，進行科學(xué)本質(zhì)教育，提高學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的認識.本文以人教版高中物理選修3 5第18章第2節(jié)“原子的核式結(jié)構(gòu)模型”一課為例，結(jié)合HPS教育理念進行教學(xué)設(shè)計，力求顯化科學(xué)本質(zhì)教育，培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).

1 科學(xué)本質(zhì)與HPS教育

什么是“科學(xué)本質(zhì)”呢？人們對于科學(xué)本質(zhì)的認識是不斷發(fā)展、不斷深化的.劉健智認為在科學(xué)教育中，學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的學(xué)習(xí)有3個維度：科學(xué)知識的本質(zhì)、科學(xué)探究的本質(zhì)和科學(xué)事業(yè)的本質(zhì)，每個維度又由若干個學(xué)習(xí)范疇組成.［2］國際科學(xué)教育領(lǐng)域?qū)W(xué)?？茖W(xué)本質(zhì)教育比較一致認識包括：（1）科學(xué)知識方面，主要包括科學(xué)知識的確定性和發(fā)展性；（2）科學(xué)方法方面，主要包括實驗檢驗、數(shù)據(jù)的分析和解釋、假設(shè)與預(yù)測、科學(xué)思維的多樣性、科學(xué)的創(chuàng)造性、科學(xué)就是不斷地提出問題等；（3）科學(xué)研究群體與社會實踐方面，主要包括科學(xué)知識發(fā)展過程中的合作與協(xié)作、科學(xué)與技術(shù)的區(qū)別和相互作用等.［3］科學(xué)教育的重要目標之一就是要培養(yǎng)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)問題的認識，讓學(xué)生擁有自己的科學(xué)本質(zhì)觀.然而，調(diào)查研究顯示，目前高中物理教學(xué)中科學(xué)本質(zhì)教育的實施并不理想.［4］由此，在我國中學(xué)物理教學(xué)中，進行科學(xué)本質(zhì)觀的教育應(yīng)該引起重視.

如何開展科學(xué)本質(zhì)教育呢？提升學(xué)生科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)有內(nèi)隱和外顯兩大途徑.國際上關(guān)于科學(xué)本質(zhì)教育的研究表明：“科學(xué)本質(zhì)需要通過顯性的教才能實現(xiàn)理解”.［5］20世紀80年代興起的HPS教育成為科學(xué)本質(zhì)顯性化教學(xué)的重要途徑之一.HPS是“科學(xué)史（History of Science）、科學(xué)哲學(xué)（Philosophy of Science）和科學(xué)社會學(xué)（Sociology of Science）”的簡稱.HPS教育正是從歷史、哲學(xué)、社會學(xué)3個角度向公眾全方面宣傳科學(xué)、解讀科學(xué)，幫助公眾能夠在人文社會科學(xué)的立體語境中重新理解科學(xué)本質(zhì)，提高自身的科學(xué)素養(yǎng).［6］科學(xué)史層面，“理解科學(xué)”首先就是要理解科學(xué)的歷史，物理概念和規(guī)律背后含有豐富的史料內(nèi)容，教學(xué)中滲透物理學(xué)史，可以讓學(xué)生了解物理知識的發(fā)展規(guī)律和演變進程，有利于學(xué)生深度理解物理概念和規(guī)律.科學(xué)哲學(xué)層面，古代物理學(xué)就是自然哲學(xué)的主要組成部分，從科學(xué)哲學(xué)視角理解物理知識，有助于增強學(xué)生對科學(xué)精神的哲學(xué)思辨與形而上學(xué)思考.科學(xué)社會層面，物理學(xué)知識的建立和應(yīng)用過程充分體現(xiàn)了科學(xué)與社會的關(guān)系，挖掘這些要素可以讓學(xué)生充分理解科學(xué)與政治、經(jīng)濟、文化的相互作用，從而增強學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解，促進科學(xué)知識的傳播.

HPS教育融入物理課程的教學(xué)方式如何呢？研究顯示，如果教師僅僅給學(xué)生展示科學(xué)史而不引導(dǎo)學(xué)生反思科學(xué)的一般性問題，可能只是讓學(xué)生知道幾個科學(xué)家名字或歷史故事，并不能有效地促進學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解.即使是讓學(xué)生與科學(xué)家一起親身體驗科學(xué)探究工作，學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)觀也沒有顯著性變化.［7］鑒于此，在物理教學(xué)中，需要設(shè)置專門的教學(xué)活動來引導(dǎo)學(xué)生對科學(xué)的一般性問題進行反思.即教師在教學(xué)過程中有意識地將課堂教學(xué)內(nèi)容涉及的科學(xué)本質(zhì)通過提問、思考、討論等方式在適當?shù)臅r候，恰當?shù)貍鬟f給學(xué)生，讓學(xué)生反思科學(xué)究竟是什么，深化對科學(xué)本質(zhì)的認識.

2 體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的HPS教學(xué)過程設(shè)計

2.1 呈現(xiàn)舊觀點：湯姆遜“棗糕模型”

物質(zhì)通常是不帶電的，即原子是電中性的，由于原子含有帶負電的電子，可推想到原子中還有帶正電的部分.在原子內(nèi)部，正負電荷如何分布的呢？也就是原子結(jié)構(gòu)如何，下面展開討論.

小組討論：同學(xué)們大膽猜想，提出可能的原子模型，并進行相互討論.

教師介紹湯姆遜的原子模型：湯姆遜認為，原子是一個球體，正電荷彌漫性地均勻分布在整個球體內(nèi)，電子鑲嵌其中（圖1）.有人形象地把他的這個模型稱為“西瓜模型”或“棗糕模型”.

圖1 湯姆遜的原子模型

引導(dǎo)式提問：同學(xué)們和湯姆遜都提出了自己的原子結(jié)構(gòu)，用什么方法可以確保提出的模型是正確的？

反思：科學(xué)知識的正確性取決于觀察和實驗的檢驗，科學(xué)必須建立在真實的證據(jù)上.物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，所有的物理知識都是在實驗的基礎(chǔ)上建立起來的，只有經(jīng)得起實踐檢驗的理論，才能成為正確的科學(xué)知識.

2.2 發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象：電子束射擊金屬膜實驗

德國物理學(xué)家勒納德1903年做了一個實驗，使電子束射到金屬膜上，發(fā)現(xiàn)較高速度的電子很容易穿透原子.這說明原子不是一個實心球體，湯姆遜的模型可能不正確.之后不久，α粒子散射實驗則完全否定了湯姆遜的原子模型.

引導(dǎo)式提問：新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)否定了湯姆遜的原子模型，我們對科學(xué)家的形象有什么認識？

反思：盡管湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子，對物理學(xué)具有重要的貢獻，但是他提出的原子模型卻被證明是錯誤的，說明科學(xué)必須建立在真實的證據(jù)上，根據(jù)證據(jù)可以推翻權(quán)威.同時啟發(fā)我們不要迷信權(quán)威，科學(xué)家得出的結(jié)論也可能是不正確的，我們需要有一定的質(zhì)疑和批判精神.

2.3 提出新觀點：原子的核式結(jié)構(gòu)模型

新的現(xiàn)象否定了湯姆遜的假說，接下來需要提出新的假設(shè)，當然新的假說也可能被新的現(xiàn)象所證偽.其實物理學(xué)就是在不斷提出假說和不斷被證偽（證實）過程中慢慢發(fā)展起來的.同學(xué)們要敢于大膽猜想，但是必須小心求證，我們繼續(xù)展開對原子結(jié)構(gòu)的探索.

教學(xué)片段1：創(chuàng)設(shè)真實情景，理解實驗思想.

實物演示并提問：如圖2所示，裝有一物體的黑色紙箱，要想知道紙箱內(nèi)的物體是什么，可以怎么辦？

圖2 實驗演示用的黑色紙箱

學(xué)生們異口同聲回答：把箱子拆開直接觀看.

教師追問：如果不能直接拆開它，但又想知道這里面是什么，有什么辦法呢？

學(xué)生討論，提出實驗方案：搖晃、稱重等.

繼續(xù)追問：利用上面同學(xué)們提出的實驗方案，可以大致知道內(nèi)部物體的重量，我們?nèi)绾闻袛嗨男螤钅兀?/p>

學(xué)生：沉默中……

教師引導(dǎo)：可以用竹簽去扎紙箱，通過多次實驗，就可以確定里面物體的形狀.類似的，原子的結(jié)構(gòu)非常緊密，用一般的方法無法探測它內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，需要用到間接的實驗方法來研究.在物理學(xué)中，為了認識原子的結(jié)構(gòu)，要用高速粒子對它進行轟擊.盧瑟福就是采用α粒子轟擊金屬薄片的方法來研究原子的結(jié)構(gòu).

教學(xué)片段2：師生共討α粒子散射實驗.

課件演示α粒子散射實驗裝置，如圖3，重點說明這個實驗如何能探測到原子的結(jié)構(gòu).（α粒子是氦的原子核，帶兩個單位的正電，當α粒子高速轟擊金箔時，可以接近金原子的中心，由于金原子中的帶正電粒子對α粒子有庫侖斥力的作用，一些α粒子的運動方向改變，統(tǒng)計散射到各個方向的α粒子所占的比例，可以推知原子中電荷的分布情況.）

圖3 α粒子散射的實驗裝置示意圖

小組討論1：根據(jù)湯姆遜的原子模型，理論上α粒子的偏轉(zhuǎn)情況如何？

問題分析：按照湯姆遜的原子模型，正電荷在原子內(nèi)部均勻地分布，α粒子穿過原子時，受到正電荷各方向的庫侖力平衡，因此正電荷對α粒子偏轉(zhuǎn)的力會很小.由于α粒子的質(zhì)量約為電子質(zhì)量的7300倍，根據(jù)動量守恒定律，在α粒子跟電子碰撞后，質(zhì)量大的α粒子速度幾乎不變，那么電子對α粒子的速度大小和方向的影響就像灰塵對炮彈的影響，完全可以忽略，α粒子直接會穿過去，如圖4.

圖4 湯姆遜散射模擬示意圖

動畫模擬演示α粒子散射實驗：教師結(jié)合動畫展示α粒子散射的實驗現(xiàn)象（見圖5），并引導(dǎo)學(xué)生進行歸納得出實驗結(jié)論.在此指出當年盧瑟福得到實驗結(jié)果后很詫異，盧瑟福和他的學(xué)生驚呼“這件事情是如此的不可能，就好像你用炮彈射向一層薄紙，但炮彈卻被紙彈了回來”.

圖5 α粒子散射示意圖

小組討論2：為什么會出現(xiàn)極少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)角超過90°，有的甚至被彈回，偏轉(zhuǎn)角幾乎達到180°？

小組討論3：為什么少數(shù)α粒子卻發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)？

小組討論4：為什么會出現(xiàn)絕大部分α粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進？

教師引導(dǎo)學(xué)生分析交流與討論2-4 3個問題，并得出結(jié)論：① 極少數(shù)α粒子（大約為1／8000）偏轉(zhuǎn)角度超過90°，有的甚至被彈回，一般觀測中可能會被忽略掉，但是盧瑟福恰恰抓住了這個“極少數(shù)”，因為它對揭示原子結(jié)構(gòu)具有重要的意義.他認為α粒子是在同金原子的碰撞中改變其方向的，因而靜電斥力必須集中在一個極小的范圍內(nèi)，即原子中有一個體積很小、質(zhì)量很大，對正電荷有很強偏轉(zhuǎn)能力的核；② 少數(shù)粒子發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)，說明正電荷集中在很小的一個區(qū)域（形成原子核），α粒子非常接近它時，才有可能因庫侖斥力而發(fā)生大角度的偏轉(zhuǎn)；③ “絕大部分α粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進”說明原子內(nèi)部絕大部分是空的.

α粒子散射實驗背景補充：1910年前后，當時人們已經(jīng)充分證明了放射性元素α、β和γ射線的存在，這恰好為探索原子內(nèi)部奧秘提供所需要的工具.另外，在進行α粒子散射實驗時，需要詳細統(tǒng)計α粒子散射情況，這種觀察是十分艱苦細致的工作，所用的時間也是相當長的.

引導(dǎo)式提問：通過閱讀以上材料，同學(xué)們有哪些啟發(fā)？

反思：科學(xué)的發(fā)展也會受制于社會的物質(zhì)發(fā)展水平，只有社會發(fā)展到一定的水準，實驗設(shè)備才能同等級地提升，才能為發(fā)現(xiàn)新的物理規(guī)律創(chuàng)造條件，物理規(guī)律才能被進一步揭示.同時，科學(xué)研究需要嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度和吃苦耐勞的精神品質(zhì)，科學(xué)家追究真理的科學(xué)態(tài)度值得我們學(xué)習(xí).

教學(xué)片段3：介紹盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu).

如圖6，在原子的中心有一個很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部的質(zhì)量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外空間里繞著核旋轉(zhuǎn).它看起來就像行星繞太陽的運動.

圖6 盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型

2.4 總結(jié)拓展：提煉發(fā)展歷程，顯化科學(xué)本質(zhì)

盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型提出后，很好地解釋了α粒子的散射實驗，但是人們發(fā)現(xiàn)盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型卻無法解釋原子的穩(wěn)定性與氫原子光譜現(xiàn)象，原子結(jié)構(gòu)問題又陷入困境.玻爾在盧瑟福模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合普朗克的量子概念，提出了自己的原子分層模型，成功地解釋了氫原子光譜的實驗現(xiàn)象.然而，對于較復(fù)雜原子的光譜現(xiàn)象，它仍舊無法解釋.這是由于盧瑟福和玻爾深受經(jīng)典物理學(xué)的影響，認為電子繞原子核運動具有確定的軌道，這導(dǎo)致他們的模型總是無法解釋一些新的實驗現(xiàn)象，出現(xiàn)理論危機.只有舊的理論基礎(chǔ)和科學(xué)家的思維方式發(fā)生革命性改變，這樣才能消解危機，克服困難.后來借助量子力學(xué)的理論才徹底解決原子結(jié)構(gòu)問題，即電子繞原子核的運動沒有固定軌道，只是在某處出現(xiàn)的概率不同，這才真正揭示了微觀粒子運動的本質(zhì)規(guī)律.我們會發(fā)現(xiàn)，物理學(xué)發(fā)展有時候不是線性積累的，而是革命性的.動畫展示原子結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程（圖7）.

圖7 原子的核式結(jié)構(gòu)模型發(fā)展總結(jié)

引導(dǎo)式提問：結(jié)合原子結(jié)構(gòu)的科學(xué)發(fā)展歷程，談?wù)効茖W(xué)知識是否是永恒不變的，是絕對的真理？

反思：原子結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了道爾頓的實心球模型—湯姆遜的棗糕模型—盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型—玻爾的原子分層模型—電子云模型的歷程.這表明：科學(xué)知識不是絕對真理，是暫時性與持久性的統(tǒng)一；科學(xué)的規(guī)律并不是一成不變的，再多人相信的“事實”，也會隨著科學(xué)的發(fā)展而改變.即使是被實驗證實的結(jié)論，也可能因為科學(xué)的進步被證明只能在某一領(lǐng)域成立；但同時科學(xué)知識又是持久可靠的，除非有新的證據(jù)或理論等證明原來的科學(xué)知識有缺陷，才會被修正或更改.

2.5 深化研究：原子核的電荷與尺度

介紹原子、原子核的半徑：原子核半徑的數(shù)量級為10-15m，原子半徑的數(shù)量級是10-10m，原子核的半徑約為原子半徑的1／100000.可見原子內(nèi)部是十分“空曠”的.

舉例說明：如果原子的大小跟學(xué)校田徑體育場一樣大，那么對應(yīng)的原子核該有多大？是相當于籃球、網(wǎng)球、雞蛋？還是彈珠、螺釘？

教師給出數(shù)據(jù)并引導(dǎo)學(xué)生進行計算，得出原子核的尺寸相當于大田徑場正中央放上一顆小螺釘（橫截面尺寸）.此處結(jié)合實物及其大小，讓學(xué)生通過對比，感知原子核是多么的小，原子是多么的空曠.

介紹物理學(xué)研究對象尺寸：通過介紹宏觀、微觀物質(zhì)的尺寸，拓展學(xué)生對物理學(xué)研究對象的尺度認識.如圖8，物理學(xué)研究的對象大到浩瀚的宇宙，目前人類所能探測到最遠的類星體距離大約是1026m，稱為哈勃半徑，小到基本粒子的尺寸，夸克的半徑約為10-20m.當今物理學(xué)的研究領(lǐng)域里有兩個尖端，一個是高能物理或稱粒子物理，另一個是天體物理，前者在最小尺度上探索物質(zhì)更深層次的結(jié)構(gòu)，后者在最大尺度上追尋宇宙的演化和起源.

圖8 物理學(xué)研究對象的尺度

引導(dǎo)式提問：通過對物理研究對象尺度的了解，同學(xué)們對人類與自然界的關(guān)系有什么認識？

反思：我們的世界很大，而人類卻及其渺小，人類在自然界的位置仿佛就是滄海之一粟.然而就是這樣渺小的人類卻始終堅持追求真理，勇于探索自然的規(guī)律，拓展我們對世界的認知，并在此基礎(chǔ)上改造自然，創(chuàng)造出舉世矚目的文明.同時，我們也應(yīng)該意識到，人類只是自然界的一部分，應(yīng)該與自然和諧相處，我們在應(yīng)用科學(xué)發(fā)明的時候，一定要記得保護自然，愛護我們賴以生存的地球.

2.6 課后寫作：深化科學(xué)本質(zhì)的理解

結(jié)合原子結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程，談一談科學(xué)知識的發(fā)展規(guī)律對你的啟示，寫一篇500字左右的科技作文，下節(jié)課學(xué)生間討論交流.

3 HPS教學(xué)建議與策略

3.1 利用物理學(xué)史創(chuàng)設(shè)合理問題情境

教師要通過創(chuàng)設(shè)學(xué)科歷史教學(xué)情境，幫助學(xué)生更好地理解知識的動態(tài)生成性，加深對科學(xué)本質(zhì)的認識.（1）教師可以用史料故事的形式進行課程引入，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.通過故事的形式來呈現(xiàn)物理學(xué)史上的重大發(fā)現(xiàn)和發(fā)明過程，可以讓學(xué)生置身于科學(xué)研究的氛圍中，感受科學(xué)的魅力，激發(fā)學(xué)習(xí)物理的欲望.（2）實驗探究過程引入物理學(xué)史，體驗科學(xué)家的探究歷程.根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，可以直接介紹物理學(xué)家的科學(xué)探究過程，或者在學(xué)生完成自己設(shè)計的探究實驗之后，教師再為其展示物理學(xué)家的探究實驗，使兩者形成對比，加深學(xué)生對重要概念或規(guī)律的理解.

3.2 利用科學(xué)哲學(xué)提高學(xué)生的批判思維

科學(xué)哲學(xué)是科學(xué)在概念或話語上的哲學(xué)思辨，在科學(xué)教育中對科學(xué)進行哲學(xué)的思考能夠有效促進學(xué)生理性思維的發(fā)展.（1）對現(xiàn)有物理知識的形成歷程進行追溯，使學(xué)生認識到其發(fā)展的動態(tài)性和暫時性.那么學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，就會敢于大膽提出自己的猜想，并且對現(xiàn)有的知識提出質(zhì)疑，學(xué)生的批判思維和質(zhì)疑精神就會慢慢發(fā)展和提高.（2）問題是物理教學(xué)中的核心，教師可以通過問題引導(dǎo)并啟發(fā)學(xué)生對物理現(xiàn)象進行觀察、推理、反思和歸納，從而促進學(xué)生邏輯思維能力的提升.

3.3 利用科學(xué)社會學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的社會責任感

HPS的社會教育強調(diào)，讓學(xué)生在大的社會背景中去認識科學(xué)與社會的關(guān)系，理解科學(xué)的本質(zhì)，從而培養(yǎng)學(xué)生的社會責任意識和使命感.（1）科學(xué)發(fā)展與時俱進：介紹物理學(xué)家科學(xué)發(fā)現(xiàn)的背景，理解古人并不是因為愚蠢才產(chǎn)生錯誤的觀念，而是人們對事物的認知水平受當時社會生產(chǎn)條件限制，科學(xué)發(fā)現(xiàn)與科學(xué)家的時代背景有著一定的必然聯(lián)系.（2）科學(xué)無捷徑，百折不撓、大膽探索：讓學(xué)生感悟科學(xué)家身上追求真理，勇于探索的科學(xué)精神.（3）科學(xué)推動人類社會物質(zhì)文明進步：介紹物理學(xué)家的某項研究成果對社會發(fā)展和實際生活帶來的影響，讓學(xué)生在評價、討論中增強學(xué)生的社會責任與擔當.