关注科学概念中的教育价值（二）——以“原子结构”的教学为例
2015-10-14 19:39阅读：
<中学化学教学参考>2015.4
摘要：每一个科学概念要能被大众接受，并写进教科书中，背后都蕴含着上述“价值观”和“方法”。这就是概念本身的一部分，不可割裂。教学中应当引导学生去发展“理智的怀疑”，并运用逻辑推理，严密地核查证据。本文以“原子结构”为例，简述具体的教学过程。
关键词：科学概念
原子结构
教育价值
证据
逻辑
高中课程中的各学科都有三个维度的教学目标。不同“知识”维度目标下的教学，在“方法”维度上可能会比较接近，在“价值观”维度上可能会更一致。这也说明了“方法”与“价值观”维度的教学目标是更为稳定持久的，也是更值得关注的。不过，在不同类型的学科中，“方法”与“价值观”的侧重点还是会有差别。“科学教育在培养态度和价值观的三个方面——好奇心、易于接受新思想和怀疑中处于特别重要的地位。”[1]而这三个方面是人们日常生活中就需要的态度和价值观。科学由于自身的特性，在强化“旺盛的好奇心”和“理智的怀疑”上有不可替代的作用。另外，“对科学发展来说，运用逻辑推理和严密地核查证据是必需的。”[1]
科学教育当仁不让要负起培养学生理性思维的责任。
而每一个科学概念要能被大众接受，并写进教科书中，背后都蕴含着上述“价值观”和“方法”。这就是概念本身的一部分，不可割裂。教学中应当引导学生去发展“理智的怀疑”，并运用逻辑推理，严密地核查证据。
下面以“原子结构”为例，简述具体的教学过程。
一、什么问题让我们好奇？
科学家同儿童一样，好奇心很旺盛。儿童与科学家的不同之处在于，他们没有学会怎样找出问题的答案和怎样检查答案的完美程度。这需要将好奇心与逻辑推理联系在一起，科学教育则具备这一功能。
好奇心首先驱使我们审视已经知道的结论。
我们已经对原子分子论有所了解，它是我们理解物质的有力工具。通过思考构成微粒是什么，我们很容易理解单质与化合物之间的区别。单质含有的全部是相同的原子，化合物含有相同的分子，这些分子又由确定的小数目的原子构成。
我们知道不同元素的原子有不同的质量，但我们不知道原因是什么。如果我们把宏观上容易观察与测量的元素质量与元素的化学性质联系在一起，我们就会很疑惑。例如，碳和氮有很相似的原子质量，但是，碳的一种单质金刚石是非常坚硬的，不易反应的固体，而它的另一种单质木炭也是固体，却可以在氧气中燃烧。而氮的单质却是一种气体，除非在很高的温度下，它一般不与氧气反应。显然，碳原子间的相互作用与氮原子间的相互作用区别很大。
道尔顿的原子分子论让我们将原子想象成微小而坚硬的实心球体。但是这么想并不能让我们理解它们的化学性质。例如碳与氢能形成甲烷意味着什么呢？我们知道甲烷的分子式为CH4，但这5个原子是怎样结合在一个分子里的呢？如果想象原子间存在磁性或电性作用，似乎有些道理。然而，氢原子与碳原子肯定是电中性的，因为宏观的氢气与碳都是电中性的，它们也是没有磁性的。那么，电中性的、无磁性的原子如何相互结合在一起呢？另一个谜是为何它们会按特定的比例结合，CH4是一种化合物，没有CH5这种化合物。
这些问题其实是自1803年道尔顿提出原子学说以来，在近100年的时间里让整个人类好奇的问题。教学中应引导学生讨论“如果认为原子是实心球体的话哪些问题让人无法理解”。回溯这些历史上困扰人们多年的问题，是激发学生好奇心的大好机会。事实上，在教学实施过程中发现，学生们在讨论的氛围中，纷纷提出了类似的疑惑。
这样，我们自然产生一个假设：原子内部还是有我们所不知道的“结构”的，否则无法理解原子的各种性质。
二、怎样像科学家那样思考实验？
人类对原子结构的认识经历了一个漫长的、不断深化的过程。“1903年，汤姆逊（J.J.Thomson）在发现电子的基础上提出了原子结构的‘葡萄干布丁’模型，开始涉及原子内部的结构。1911年，英国物理学家卢瑟福（E.Rutherford）根据α粒子散射实验提出了原子结构的核式模型。”[2]现行教材中都不仅关注了原子结构模型的发展，而且关注了提出这些模型的实验证据。在当下的教学中，教师也都会介绍阴极射线实验及α粒子散射实验，这是一大进步。只是，学生在学习这部分内容时常会感叹，这些科学家怎么会想到做这个实验的呢！另外，对实验结果的分析也常过于草率，使得这些经典实验变成一个化学史“知识”附加给学生，没有充分体现它们的教育价值。那么，如何引导学生像科学家那样思考实验？这里以α粒子散射实验为例。
汤姆逊的研究已经让我们知道，原子中含有带负电的微粒——电子，而原子是电中性的，因此每种原子也一定有电量相同的正电荷的部分。但是，我们不知道电荷在原子中如何分布的，汤姆逊提出“葡萄干布丁”模型的假设。我们的思考要从这里开始。
“葡萄干布丁”模型只是假设，如果我们要验证这一假设的正确与否，即了解电荷在原子中如何分布，做些什么呢？“用一个东西砸它，看看会发生什么。”这是孩子们喜欢玩的游戏，而卢瑟福也准备这样去做。
但是有几个问题需要想一想：一是用什么去砸。当然是微粒，而且需要带电荷，并且是有一定质量的，这样才会有一定的动量（即不能用电子这样的微粒去轰击）。这在卢瑟福那里容易解决，他本来就在研究放射性，因此找到α粒子作为“炮弹”并不难。
第二个问题是砸什么。目的是研究原子内部的结构，当然要砸向某种原子。但因为原子十分微小看不见，所以要轰击单个原子几乎不可能。有一种解决的方法就是找一个金属的薄片，要非常非常薄，让它的厚度里没有太多原子。金是个很好的选择，因为金有很好的延展性而且不易发生化学反应，因此可以弄得很纯。在这个实验中，金箔的厚度只有10‑4cm，或者叫做1微米。这只有头发的二十分之厚度，因此真的很薄。
第三个问题是怎么砸。最好要向金箔发射一束α粒子，我们要观察α粒子与金箔的原子发生作用后会怎么运动。它们也许径直穿过金箔，也许会发生某种偏转，也许会以各种角度反弹回来。因此，要做“散射”实验。
α粒子散射实验的数据显示了3个主要结果。首先，也是最让人惊奇的，绝大多数α粒子直接穿过，没有发生任何偏转。第二，有少量α粒子发生小角度的偏转。第三，有非常少的α粒子（大约为1/50，000）沿着来的方向被弹回。
α粒子散射实验结果是卢瑟福得出原子核式模型的重要依据。教学中我们若想要引导学生像科学家那样思考问题，就需要对这3个主要结果认真分析。分析之前，我们要向学生再强调α粒子本身的特性——具有一定质量的、带正电荷的微粒，高速轰击金箔。
现在，我们首先关注第一和第三个结果。这非常让人吃惊，大量α粒子穿过金箔仿佛金箔根本不存在似的。事实上，只有金箔内部几乎是空的，α粒子才会这样。这显得非常奇怪，因为金箔是确确实实的固体，看上去并不是空的。第三条结果显然与这条结果正相反。α粒子如果被反弹回来，一定遇到了质量比自身大得多的微粒（动量定律）。在这里，只有金原子比α粒子重很多，但还需和第一条结果保持一致，金原子里面大多数地方必须是空的。
结合这两条实验结果，我们可以给出一种简单的原子结构模型。金原子里绝大多数地方是空的，大多数金原子的质量都集中在原子中一块很小的区域里。我们管这个质量集中的地方叫“原子核”。经过仔细计算α粒子偏转和折射的角度后可以得出原子核的直径大约比原子本身直径小100，000倍。这是个令人吃惊的结果！原子已经非常小，原子核还要小得多！
这个有趣的核式模型，指出了原子核与原子的质量关系、体积关系，可以解释三条实验结果中的两条。但如何理解第二条实验结果呢？如果α粒子只发生小角度的偏转的话，它们一定没有正撞上质量较大的原子核，但是如何解释“偏转”呢？只能从电荷角度考虑。α粒子带有正电荷，它们一定靠近但并没有碰上原子中的正电荷。这意味着它们靠近了原子核，且原子核一定带有正电荷。如果原子核集中了原子中的正电荷，那么带负电荷的电子只能在核外了。这样，一个原子核式结构模型呈现在我们面前：原子由居于中心的体积很小且带电荷的原子核和核外带负电荷的电子构成，原子的质量主要集中在原子核上。
三、在对数据的处理中体现逻辑推理的魅力。
了解到原子的核式结构是十分有趣的，特别是我们现在知道了原子中正负电荷分布在原子的不同部分。这些正负电荷间的相互影响一定在某种程度上决定了原子的不同类型。我们可以假设不同元素的原子中这些数据是不相同的，但是没有更多证据我们并不能确定这点。
我们知道原子含有电子，它们是一个整数值。我们也知道每个原子中含有数目相等的正电荷，集中在原子核中。可以理解，由于正电荷是个整数，在原子核中一定存在正电荷的微粒，我们把这些微粒叫做“质子”。这并不会有助于理解，但可能表达得简洁些。
现在我们的问题归结到不同的原子中到底有多少个质子和多少个电子。因为原子电中性，这两者的数目肯定是相同的。要找到这些整数看上去非常困难，将要揭示这一数字的实验对我们来说十分陌生，看上去与这个问题根本不相关。
在量子力学的发展历史里，亨利·莫塞莱建立的莫塞莱定律（Moseley's
law）占有很重要的角色。莫塞莱定律是一个描述从原子发射出来的
x-射线性质的经验定律。对中学生来说，要弄清“x-射线”、“原子光谱”、“标识频率”等概念还有一定的困难。不过，我们可以深入浅出地向学生介绍一些原子特征x-射线的原理，然后将重点放在对数据的分析上。
我们要关注的是原子结构，因此我们来看看每种元素发出的特征x-射线频率，见表1[3]。表1中元素的排序十分重要，我们按相对原子质量的增长排序。（按质量关系排序，钾位于氩之前，镍位于钴之前。不过经过下述分析后，我们将会对钾与氩、镍与钴的位置对调，这也是历史上经历过的过程——按核电荷数来对原子排序是比按质量排序更为合理的。教学中开始可不必纠结于这些细节。）
表1
各原子的特征x-射线频率[3]
原子序数
|
元素符号
|
x-射线频率
(1016 s-1)
|
原子序数
|
元素符号
|
x-射线频率
(1016 s-1)
|
3
|
Li
|
1.3158
|
18
|
Ar
|
71.518
|
4
|
Be
|
2.6316
|
19
|
K
|
80.118
|
5
|
B
|
4.4379
|
20
|
Ca
|
89.242
|
6
|
C
|
6.7114
|
21
|
Sc
|
98.873
|
7
|
N
|
9.4937
|
22
|
Ti
|
109.01
|
8
|
O
|
12.701
|
23
|
V
|
119.65
|
9
|
F
|
16.376
|
24
|
Cr
|
130.80
|
10
|
Ne
|
20.534
|
25
|
|
