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摘 要：以人教版选修3-5“原子的核式结构模型”一课的教学实践为例，说明项目学习在促进学生深度学习及发挥学生的主观能动性等方面显示出重要作用，以期为高中物理《原子结构》这一章的教学提供借鉴。
关键词：α粒子散射实验；核式结构模型；项目学习
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2019）2-0065-3
项目学习最早出现于国外，其英文全称为Project-based learning，简称PBL。项目学习是一种建构主义理念下以学生为中心的教学方式，它主张学生通过一定时长的小组合作，解决一个真实世界中复杂的、具有挑战性的问题，或者完成一项源自真实世界经验且需要深度思考的任务。学生在解决问题或完成任务的过程中，通过设计、规划项目作品和完成项目任务，进而习得知识、培养能力与素养等。
《原子结构》是高中物理人教版教材选修3-5的第十八章。因这一章是关于微观世界原子物理的领域，抽象且难度稍大，加之并非高考的重难点，所以部分老师在教学时照本宣科地强调一些结论性的内容，然后就一带而过，学生还未真正理解就被迫进入了记忆和训练的环节。然而，这一章涉及到很多科学家在探索未知世界时用到的研究思路、方法手段和受到的启发，其中的科学内涵非常豐富。这较之于实验结论对于学生接近科学探究的本质更有裨益。为改变这一章内容的传统教学现状、促进学生的深度学习、激发学生的学习兴趣，笔者在《原子结构》一章的教学实践中采用项目学习的方式，收到了良好的反馈效果。
根据物理学科的特点，项目学习的设计流程可分为以下几个环节：教师对项目任务及评价标准进行介绍、学生项目规划与实施、学生项目展示与评价及教师总结与拓展等。下面以“原子的核式结构模型”一课为例，介绍项目学习的设计与教学实践过程。
1 教师对项目任务及评价标准进行介绍
项目任务：学生在课前通过小组合作学习，撰写十分钟左右的剧本，在课堂上以角色扮演的方式对核式结构模型的建立过程进行情景再现，剧本内容需要符合史实。
【设计意图】 以往的项目学习，项目任务多是制作某种“产品”，如电梯加速度测量仪、水火箭等，而这次将项目成果的形式进行了拓展——撰写角色扮演的剧本。学生在这一项目任务的驱动下，在完成剧本之前需要先学习原子核式结构模型的相关内容，剧本只是学习成果的一种呈现方式。这一项目任务的优势在于能让学生站在科学家们的视角，而非学生的视角，去切身地看待问题，从而更好地梳理模型的建立过程。
为更好地指导学生完成课前的学习和剧本的撰写，教师可给出这一节的项目驱动问题，帮助学生理清主线。项目驱动问题如下：
（1）汤姆逊发现电子后，如何判断出原子内还有带正电物质的存在？
（2）电子的发现与人类对原子结构的探索之间有怎样的联系？
（3）汤姆逊提出原子的枣糕模型，在当时，这一模型的提出是基于哪些证据？
（4）卢瑟福进行α粒子散射实验的目的是什么？又为什么要用α粒子来进行散射实验？
（5）α粒子散射实验装置的设计和器材的选择（如金箔）有哪些道理？
（6）如果汤姆逊的枣糕模型是正确的，散射实验结果预期如何？而实际结果是怎样的？
（7）实验结果说明了什么问题？卢瑟福提出核式结构模型的思维过程是怎样的？
（8）卢瑟福和他的助手们在做这个实验时经历了哪些困难？
（9）核式结构模型有怎样的局限性？
根据项目任务，教师提前制定项目评价标准并向学生说明。
2 学生项目规划与实施
学生异质分组后，各小组进行成员的具体分工，通过查阅书籍、文献等资料在课前完成对“原子的核式结构模型”一课的学习。组内成员合作撰写剧本，通过修改、完善达到预期目标，同时完成演示道具、课件的制作等。
教师在这一环节应及时关注各组的项目进展情况，对学生进行定期指导，引导学生更好地关注科学家的思维过程。
3 学生项目展示与评价
3.1 各组以角色扮演的方式进行学习成果汇报
学生搜集到了丰富的史料，他们在剧本中设置了卢瑟福、助手马斯登和盖革、卢瑟福的老师汤姆逊及交代背景的旁白等角色。并且安排了卢瑟福和助手们在曼彻斯特大学实验室不舍昼夜地实验、演算及卢瑟福进行演讲等场景。通过人物间的对话来呈现核式结构模型发展的来龙去脉和关键点。有的小组利用生活中的器材制作了模拟α粒子散射实验的装置作为道具，如图1所示。
【设计意图】 学生在这种课堂模式下仿佛自己就是一个个科学家，他们通过角色扮演真实地还原或者再现α粒子散射实验的场景和卢瑟福提出核式结构模型经历的思索与挣扎。核式结构模型对学生来说不再只是几句结论，他们真正看到了模型提出的背后是科学家前辈们的智慧和为之付出的艰辛。
3.2 每组展示结束后，其他组进行提问或质疑
在这一过程中，教师需要掌控全场，进行纠错，进一步将模糊问题解释清楚，或者因势利导进行拔高和深入探究。学生在展示组结束后提出部分问题及回答，汇总如下。
（1）如何制作出这样的实验道具？
如图1所示，最底部是蛋糕盒的底盘，右侧长方体盒子模拟的是α粒子的发射源，中间模拟的是被打磨后的金箔，一条亮带穿过放大镜模拟的是α粒子穿过金箔打到荧光屏上形成光路的场景。道具制作略粗糙，但能够非常形象地模拟散射实验的装置。
（2）卢瑟福及其助手如何想到用α粒子的散射来研究原子的结构？
假设你面前有一个黑箱，你想知道里面的情况，就要想方设法把黑箱打开，看到里面的样子。但是原子结构非常紧密，用一般的方法无法打开它。因此，可以用高速粒子对它进行轰击。从放射性物质中发射出来的α粒子具有足够的能量，可以接近原子中心。通过观察α粒子的散射可以推测它的受力，从而推测金原子的结构。 （3）α粒子的穿透性较差，用一张纸就能把它挡住，实际用α粒子进行散射实验如何解决这一问题？
实际的实验是在真空下进行的，这样α粒子就不会受到空气中其他微粒的阻碍，而且金箔可以打磨成1 μm那么薄，这样α粒子就可以穿过金箔。
（4）α粒子和电子都能让荧光屏上的荧光物质发光，如何确定打到荧光屏上的是α粒子而不是从金箔中被打出的电子？
可以先让α粒子直接打在荧光屏上形成一个标准闪光点，再放上金箔，后面打出的闪光点与标准闪光点进行对照，从而确定打在荧光屏上的是否是α粒子。
（5）选择金这种材料进行实验都有哪些方面的考虑？
选择金有很多优点：首先，它是直接由原子构成的，而实验要研究的就是原子的结构；其次，卢瑟福曾用不同的材料进行实验统计，金散射的α粒子数最多，这利于实验观测统计；最后，α粒子的穿透性差，而金的延展性是所有金属中最好的。
值得一提的是，有学生补充说，在很多资料中看到金的质量数大，这也是选择金作为材料的原因之一。金是重核，核质量数大，这样散射的α粒子数就多。但这一补充很快遭到了其他学生的反对：在核式结构模型提出之前，人们并不知道原子内部有原子核，所以当时并非因为金的核质量数大而选择金。金的质量数远大于α粒子，我们可以把金原子想象成一个壮士，α粒子打在上面，金原子本身却不会受到什么影响。这才是因为金的质量数大而选择金做材料的正确解释。其他学生的反驳正说明了他们是站在了当时的角度、站在面对未知的角度，而非现在的角度去考虑选择金作为材料的原因，这是非常难能可贵的。
（6）α粒子发生大角度偏转，为什么不能是金箔中的电子导致的？
α粒子和金箔中电子的碰撞遵循动量守恒。若是正碰，由于它们之间巨大的质量差异，α粒子应该几乎以原速前进；若是非对心碰撞，α粒子也只可能发生小角度偏转，这样电子使α粒子在速度大小和方向上的改变都是微乎其微的。而动量守恒的原理在这里容易被忽略。
【设计意图】 这一环节是本节课的亮点所在。学生在展示结束后像答记者问一样接受其他人的质疑，其他学生则积极提问发表看法。学生之间通过交流实现了思维的碰撞，全体学生的积极性都得到了调动。而教师一定要做一个好的引导者，及时把握课堂中的生成资源，从而促进教学目标的落实。
3.3 其他组根据评价标准对展示组的项目完成情况进行评价
评价过程略。
4 教师总结与拓展
通过前期文献资料的梳理、项目作品的设计和课堂的展示、交流，学生已经明晰了核式结构模型的建立过程。此时，教师应再次点明本节课的关键点和重要的思想方法。（1）盧瑟福提出核式结构模型的思维过程很重要，为什么枣糕模型不能解释α粒子的大角度散射，卢瑟福又是怎样排除了金箔内电子和均匀分布的正电荷的影响而提出了原子核的概念。（2）在原子尺度的微观世界里，已经不能只靠眼睛来获取信息了，因此粒子散射法在原子及原子核结构的研究中具有重要作用。（3）一个新原子模型的提出，必须能解释已有的事实并且消除新的困惑，当人们意识到核式结构模型不能解释原子的稳定性与原子的线状光谱时，这一模型又将被新的模型取代。
这一项目对于《原子结构》其他几节的教学也有借鉴意义。笔者在教学中发现，学生在“电子的发现”角色扮演中，能够设计出对阴极射线本质持不同意见的英法派与德国派相互辩论、阐述各自理由的场景；以及汤姆逊向皇家研究所报告其实验发现等的场景。在“玻尔模型”角色扮演中，学生能够设计出玻尔受其好友汉森的启发找出原子光谱与原子结构间的联系等场景。通过设计剧本和角色扮演，学生能够真的站在科学家的角度，理清模型发展的来龙去脉和关键点，切身体会科学家前辈们在探索未知世界时经历的探究过程。在这一过程中，自然而然地完成了对学科知识的学习，并且对其有了更深刻的理解和掌握。这一章采用这样的教学方式，有助于学生用发展的眼光认识原子结构模型的演变过程，并且能意识到原子结构模型的发展需要经历实践的检验。
项目学习改变了学生的学习方式，学生在项目任务的驱动下，愿意在课前主动花时间进行学习，愿意在课堂上相互交流碰撞思维的火花，其主观能动性得以调动。这一方式改变了知识学习与思维实践割裂的状况，提升了学生发现问题、解决问题的能力，促使学生实现了深度学习，收获了在传统课堂上难以获得的知识和感悟。项目学习也改变了教师的教学方式，让教师从知识的灌输者变为引导者，由教书匠变为教育的研究者。教师在今后的教学实践中，也应不断寻找合适的项目，让学生在做项目的过程中乐学、善学，在项目学习中受益。（栏目编辑 张正严）
关键词：α粒子散射实验；核式结构模型；项目学习
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2019）2-0065-3
项目学习最早出现于国外，其英文全称为Project-based learning，简称PBL。项目学习是一种建构主义理念下以学生为中心的教学方式，它主张学生通过一定时长的小组合作，解决一个真实世界中复杂的、具有挑战性的问题，或者完成一项源自真实世界经验且需要深度思考的任务。学生在解决问题或完成任务的过程中，通过设计、规划项目作品和完成项目任务，进而习得知识、培养能力与素养等。
《原子结构》是高中物理人教版教材选修3-5的第十八章。因这一章是关于微观世界原子物理的领域，抽象且难度稍大，加之并非高考的重难点，所以部分老师在教学时照本宣科地强调一些结论性的内容，然后就一带而过，学生还未真正理解就被迫进入了记忆和训练的环节。然而，这一章涉及到很多科学家在探索未知世界时用到的研究思路、方法手段和受到的启发，其中的科学内涵非常豐富。这较之于实验结论对于学生接近科学探究的本质更有裨益。为改变这一章内容的传统教学现状、促进学生的深度学习、激发学生的学习兴趣，笔者在《原子结构》一章的教学实践中采用项目学习的方式，收到了良好的反馈效果。
根据物理学科的特点，项目学习的设计流程可分为以下几个环节：教师对项目任务及评价标准进行介绍、学生项目规划与实施、学生项目展示与评价及教师总结与拓展等。下面以“原子的核式结构模型”一课为例，介绍项目学习的设计与教学实践过程。
1 教师对项目任务及评价标准进行介绍
项目任务：学生在课前通过小组合作学习，撰写十分钟左右的剧本，在课堂上以角色扮演的方式对核式结构模型的建立过程进行情景再现，剧本内容需要符合史实。
【设计意图】 以往的项目学习，项目任务多是制作某种“产品”，如电梯加速度测量仪、水火箭等，而这次将项目成果的形式进行了拓展——撰写角色扮演的剧本。学生在这一项目任务的驱动下，在完成剧本之前需要先学习原子核式结构模型的相关内容，剧本只是学习成果的一种呈现方式。这一项目任务的优势在于能让学生站在科学家们的视角，而非学生的视角，去切身地看待问题，从而更好地梳理模型的建立过程。
为更好地指导学生完成课前的学习和剧本的撰写，教师可给出这一节的项目驱动问题，帮助学生理清主线。项目驱动问题如下：
（1）汤姆逊发现电子后，如何判断出原子内还有带正电物质的存在？
（2）电子的发现与人类对原子结构的探索之间有怎样的联系？
（3）汤姆逊提出原子的枣糕模型，在当时，这一模型的提出是基于哪些证据？
（4）卢瑟福进行α粒子散射实验的目的是什么？又为什么要用α粒子来进行散射实验？
（5）α粒子散射实验装置的设计和器材的选择（如金箔）有哪些道理？
（6）如果汤姆逊的枣糕模型是正确的，散射实验结果预期如何？而实际结果是怎样的？
（7）实验结果说明了什么问题？卢瑟福提出核式结构模型的思维过程是怎样的？
（8）卢瑟福和他的助手们在做这个实验时经历了哪些困难？
（9）核式结构模型有怎样的局限性？
根据项目任务，教师提前制定项目评价标准并向学生说明。
2 学生项目规划与实施
学生异质分组后，各小组进行成员的具体分工，通过查阅书籍、文献等资料在课前完成对“原子的核式结构模型”一课的学习。组内成员合作撰写剧本，通过修改、完善达到预期目标，同时完成演示道具、课件的制作等。
教师在这一环节应及时关注各组的项目进展情况，对学生进行定期指导，引导学生更好地关注科学家的思维过程。
3 学生项目展示与评价
3.1 各组以角色扮演的方式进行学习成果汇报
学生搜集到了丰富的史料，他们在剧本中设置了卢瑟福、助手马斯登和盖革、卢瑟福的老师汤姆逊及交代背景的旁白等角色。并且安排了卢瑟福和助手们在曼彻斯特大学实验室不舍昼夜地实验、演算及卢瑟福进行演讲等场景。通过人物间的对话来呈现核式结构模型发展的来龙去脉和关键点。有的小组利用生活中的器材制作了模拟α粒子散射实验的装置作为道具，如图1所示。
【设计意图】 学生在这种课堂模式下仿佛自己就是一个个科学家，他们通过角色扮演真实地还原或者再现α粒子散射实验的场景和卢瑟福提出核式结构模型经历的思索与挣扎。核式结构模型对学生来说不再只是几句结论，他们真正看到了模型提出的背后是科学家前辈们的智慧和为之付出的艰辛。
3.2 每组展示结束后，其他组进行提问或质疑
在这一过程中，教师需要掌控全场，进行纠错，进一步将模糊问题解释清楚，或者因势利导进行拔高和深入探究。学生在展示组结束后提出部分问题及回答，汇总如下。
（1）如何制作出这样的实验道具？
如图1所示，最底部是蛋糕盒的底盘，右侧长方体盒子模拟的是α粒子的发射源，中间模拟的是被打磨后的金箔，一条亮带穿过放大镜模拟的是α粒子穿过金箔打到荧光屏上形成光路的场景。道具制作略粗糙，但能够非常形象地模拟散射实验的装置。
（2）卢瑟福及其助手如何想到用α粒子的散射来研究原子的结构？
假设你面前有一个黑箱，你想知道里面的情况，就要想方设法把黑箱打开，看到里面的样子。但是原子结构非常紧密，用一般的方法无法打开它。因此，可以用高速粒子对它进行轰击。从放射性物质中发射出来的α粒子具有足够的能量，可以接近原子中心。通过观察α粒子的散射可以推测它的受力，从而推测金原子的结构。 （3）α粒子的穿透性较差，用一张纸就能把它挡住，实际用α粒子进行散射实验如何解决这一问题？
实际的实验是在真空下进行的，这样α粒子就不会受到空气中其他微粒的阻碍，而且金箔可以打磨成1 μm那么薄，这样α粒子就可以穿过金箔。
（4）α粒子和电子都能让荧光屏上的荧光物质发光，如何确定打到荧光屏上的是α粒子而不是从金箔中被打出的电子？
可以先让α粒子直接打在荧光屏上形成一个标准闪光点，再放上金箔，后面打出的闪光点与标准闪光点进行对照，从而确定打在荧光屏上的是否是α粒子。
（5）选择金这种材料进行实验都有哪些方面的考虑？
选择金有很多优点：首先，它是直接由原子构成的，而实验要研究的就是原子的结构；其次，卢瑟福曾用不同的材料进行实验统计，金散射的α粒子数最多，这利于实验观测统计；最后，α粒子的穿透性差，而金的延展性是所有金属中最好的。
值得一提的是，有学生补充说，在很多资料中看到金的质量数大，这也是选择金作为材料的原因之一。金是重核，核质量数大，这样散射的α粒子数就多。但这一补充很快遭到了其他学生的反对：在核式结构模型提出之前，人们并不知道原子内部有原子核，所以当时并非因为金的核质量数大而选择金。金的质量数远大于α粒子，我们可以把金原子想象成一个壮士，α粒子打在上面，金原子本身却不会受到什么影响。这才是因为金的质量数大而选择金做材料的正确解释。其他学生的反驳正说明了他们是站在了当时的角度、站在面对未知的角度，而非现在的角度去考虑选择金作为材料的原因，这是非常难能可贵的。
（6）α粒子发生大角度偏转，为什么不能是金箔中的电子导致的？
α粒子和金箔中电子的碰撞遵循动量守恒。若是正碰，由于它们之间巨大的质量差异，α粒子应该几乎以原速前进；若是非对心碰撞，α粒子也只可能发生小角度偏转，这样电子使α粒子在速度大小和方向上的改变都是微乎其微的。而动量守恒的原理在这里容易被忽略。
【设计意图】 这一环节是本节课的亮点所在。学生在展示结束后像答记者问一样接受其他人的质疑，其他学生则积极提问发表看法。学生之间通过交流实现了思维的碰撞，全体学生的积极性都得到了调动。而教师一定要做一个好的引导者，及时把握课堂中的生成资源，从而促进教学目标的落实。
3.3 其他组根据评价标准对展示组的项目完成情况进行评价
评价过程略。
4 教师总结与拓展
通过前期文献资料的梳理、项目作品的设计和课堂的展示、交流，学生已经明晰了核式结构模型的建立过程。此时，教师应再次点明本节课的关键点和重要的思想方法。（1）盧瑟福提出核式结构模型的思维过程很重要，为什么枣糕模型不能解释α粒子的大角度散射，卢瑟福又是怎样排除了金箔内电子和均匀分布的正电荷的影响而提出了原子核的概念。（2）在原子尺度的微观世界里，已经不能只靠眼睛来获取信息了，因此粒子散射法在原子及原子核结构的研究中具有重要作用。（3）一个新原子模型的提出，必须能解释已有的事实并且消除新的困惑，当人们意识到核式结构模型不能解释原子的稳定性与原子的线状光谱时，这一模型又将被新的模型取代。
这一项目对于《原子结构》其他几节的教学也有借鉴意义。笔者在教学中发现，学生在“电子的发现”角色扮演中，能够设计出对阴极射线本质持不同意见的英法派与德国派相互辩论、阐述各自理由的场景；以及汤姆逊向皇家研究所报告其实验发现等的场景。在“玻尔模型”角色扮演中，学生能够设计出玻尔受其好友汉森的启发找出原子光谱与原子结构间的联系等场景。通过设计剧本和角色扮演，学生能够真的站在科学家的角度，理清模型发展的来龙去脉和关键点，切身体会科学家前辈们在探索未知世界时经历的探究过程。在这一过程中，自然而然地完成了对学科知识的学习，并且对其有了更深刻的理解和掌握。这一章采用这样的教学方式，有助于学生用发展的眼光认识原子结构模型的演变过程，并且能意识到原子结构模型的发展需要经历实践的检验。
项目学习改变了学生的学习方式，学生在项目任务的驱动下，愿意在课前主动花时间进行学习，愿意在课堂上相互交流碰撞思维的火花，其主观能动性得以调动。这一方式改变了知识学习与思维实践割裂的状况，提升了学生发现问题、解决问题的能力，促使学生实现了深度学习，收获了在传统课堂上难以获得的知识和感悟。项目学习也改变了教师的教学方式，让教师从知识的灌输者变为引导者，由教书匠变为教育的研究者。教师在今后的教学实践中，也应不断寻找合适的项目，让学生在做项目的过程中乐学、善学，在项目学习中受益。（栏目编辑 张正严）