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原子结构教学的科学观与历史观

一、概述

原子是构成自然界万物的基本粒子,是化学反应中的最小微粒,是化学这座大

楼的基础。原子结构在化学和物理课程的教学中具有极其重要的地位,可以解释

物质状态、电离能、化学键和元素周期律等基本概念和原理。国内很多化学教材

对原子结构和各种原子模型的介绍比较简略,而美国同类教材使用了很长的篇幅

来介绍原子结构的发现过程,如《化学物质与变化》这本教材用25页的篇幅详尽

介绍了各种原子模型如何相继提出,科学家们如何通过实验的观察和分析一步步

走近微小的原子世界,探索其中的精密结构。这样的教材编排更加有利于学生了

解科学研究和发展的真实历程,学习科学研究方法和培养科学合作精神,对知识

能力的提升和人文素质的培养会起到积极作用,对我们教材的编写和教学研究也

有诸多借鉴之处。

二、美国教材原子结构部分设计特点

1.引入部分深入浅出,体现了历史观

GlencoeScience出版的《物质本性》教材开篇把读者带回了2500年前的古

希腊,在这个古代先哲辈出的国度很多哲学家已经开始热烈讨论一个问题：自然

界万物形态各异,它们到底是由什么物质组成的,如果把任何宏观物体无限分割,

最后会得到什么。以一串珍珠为例引导学生们思考倘若把珍珠切成两半,每一半

再切成两小半,这种分割是否能够一直进行下去。《化学物质与变化》开篇就指出

人类对原子结构的认识过程包含了很多思想家和科学家的有趣故事,早期的希腊

哲学家认为任何物质由土、水、空气和火四种基本元素组成,物质可以无止境地

不断分割下去。虽然这些观点在当时看来很有创造性,但却无法用实验来证明其

正确性。古希腊哲学家德谟克里特斯（Democritus）第一个提出物质不可以无限

分割,而是由很多基本粒子组成,这些粒子被称为原子（atomos）,在希腊语中意

思就是无法继续分割。虽然他的很多观点并非完全正确,但他提出的原子观相对

于他所处的时代仍旧非常超前。后来亚里士多德对原子论进行了反驳,由于他个

人在西方世界的巨大影响力,接下来两千多年人们对于原子的认识仍旧停留于此,

并未取得实质性的进展。教材引入部分的介绍使学生感受到在科学研究的道路上

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有时取得一点进步都是十分艰难的,我们更多了解的是科学爆发期所产生的各种

科学成果,但科学的沉寂期往往被人们所忽视,而教材呈现出科学发展进步的真

实历程。

2.科学实验介绍详实,体现了实践观

电子的发现是原子结构研究的重要成果,证明了原子是可以再分的。教材《物

质本性》详细介绍了电子发现的实验装置和过程。1870年英国科学家克鲁克斯

在一间暗室做实验时无意中观察到从阴极发出的射线,虽然当时对于阴极射线到

底是微粒还是电磁波无法做出定论,但足以在科学界引起不小的震动。很多科学

家重复了这个实验,其中汤姆生的工作尤其引人注目。他使用了不同材料做成阴

极管,通电后发现都会产生阴极射线。为了研究阴极射线的本质,汤姆生用磁铁靠

近阴极管,若阴极射线是带电粒子则在磁场中会发生偏转,但电磁波不会,实验结

果证明阴极射线是带负电的粒子流（电子）。由于多种阴极材料通电后都会产生

电子,从而证明电子是组成物质的基本粒子之一。教材中对阴极射线管的结构以

图文并茂的方式进行了详细介绍,帮助学生更好地了解阴极射线的本质和电子的

发现过程。教材同样详尽介绍了粒子散射实验的装置,实验前卢瑟福预测的现象,

实验实际观察到的现象和卢瑟福如何通过推理分析提出新的原子核模型,论述具