親歷“玻爾理論”發(fā)現(xiàn)過(guò)程 領(lǐng)悟科學(xué)探究方法——以教科版“玻爾原子模型 能級(jí)”教學(xué)設(shè)計(jì)為例

魯世明

（江蘇省姜堰中學(xué)，江蘇 泰州 225500）

“玻爾原子模型 能級(jí)”是高中原子物理部分的重要內(nèi)容，一直以來(lái)都是高中物理教學(xué)的難點(diǎn).本節(jié)課學(xué)生要在掌握原子核式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，初步形成量子化觀念，理解并掌握玻爾原子模型和能級(jí).因此，在本節(jié)課處理中不僅要傳授知識(shí)與技能，更重要的是通過(guò)問(wèn)題層層設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生再現(xiàn)玻爾理論的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，使學(xué)生親歷規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，領(lǐng)悟科學(xué)探究的方法，感受量子理論的魅力.

1 教材內(nèi)容簡(jiǎn)析

現(xiàn)行教科版高中物理教材對(duì)本節(jié)課的處理過(guò)于簡(jiǎn)略，首先介紹玻爾思考了盧瑟福模型的困難，其次介紹巴爾末公式對(duì)玻爾的啟發(fā)，然后就直白說(shuō)明玻爾把原子的核式結(jié)構(gòu)模型、原子光譜和普朗克量子觀念結(jié)合起來(lái)，提出了玻爾的原子結(jié)構(gòu)理論，給出3個(gè)量子化假設(shè).

筆者認(rèn)為，教科版教材的處理存在以下3個(gè)問(wèn)題：（1）教材將普朗克的“能量子”觀念和愛(ài)因斯坦的“光子說(shuō)”放在本節(jié)教學(xué)內(nèi)容之后，會(huì)增加學(xué)生建立量子觀念的難度，不利于學(xué)生理解掌握玻爾理論.因?yàn)樵诒竟?jié)課學(xué)習(xí)之前，學(xué)生頭腦中形成了根深蒂固的以牛頓力學(xué)為核心的經(jīng)典理論，頭腦中根本不存在量子觀念，教材這種處理缺乏前后的銜接，人為造成學(xué)生學(xué)習(xí)的困難.（2）教材未能向?qū)W生清晰展示物理科學(xué)研究的途徑，即實(shí)驗(yàn)（事實(shí)）→理論假設(shè)→再實(shí)驗(yàn)（提供新的事實(shí)）→修正理論（甚至建立新的修改假設(shè)）→形成科學(xué)理論；教材也未能結(jié)合動(dòng)力學(xué)和玻爾理論解析氫原子不同能級(jí)的躍遷規(guī)律，因而使學(xué)生不能領(lǐng)悟建立新理論的科學(xué)方法，不能很好培養(yǎng)學(xué)生的探究意識(shí)、科學(xué)精神和探究能力.（3）教材未能完整向?qū)W生呈現(xiàn)物理學(xué)史原子模型建立的艱辛和求真求美的過(guò)程，不利于引導(dǎo)學(xué)生對(duì)物理規(guī)律美的追求，不利于達(dá)成情感態(tài)度價(jià)值觀這一教學(xué)目標(biāo).

我們認(rèn)為，本節(jié)課的教學(xué)核心在于引導(dǎo)學(xué)生探究“為什么要建立玻爾理論”、“如何建立玻爾理論”、“玻爾理論如何解決氫光譜問(wèn)題”，應(yīng)采用物理學(xué)史的啟發(fā)式教學(xué)設(shè)計(jì)和探究式教學(xué)設(shè)計(jì)，探索物理學(xué)史形成的歷史必然性，研究物理學(xué)史內(nèi)容的科學(xué)性，達(dá)成物理學(xué)史教學(xué)三維目標(biāo).

2 教學(xué)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

2.1 設(shè)計(jì)思路

筆者處理本節(jié)課，突出“理論探究和實(shí)踐驗(yàn)證玻爾理論”這一核心；以問(wèn)題為主線，以理論探究為載體，以體驗(yàn)為收獲，以發(fā)現(xiàn)為動(dòng)力，以物理學(xué)史為順序，重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生分析玻爾理論3個(gè)假設(shè)是如何體現(xiàn)量子化理論、合理解釋原子的穩(wěn)定性和光譜的分立性，從中得出建立新理論的科學(xué)方法；啟發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)理論發(fā)展的方向，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)物理規(guī)律美的追求，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到一切探索性發(fā)現(xiàn)都符合“實(shí)踐—認(rèn)識(shí)—再實(shí)踐—再認(rèn)識(shí)”的規(guī)律，突出科學(xué)的探究過(guò)程觀：發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出假設(shè)、分析論證、實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)、不斷修正、求真求美.使學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的同時(shí)，學(xué)會(huì)理論探究的方法，體驗(yàn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的喜悅.

2.2 教學(xué)定位

2.2.1 教學(xué)目標(biāo)定位

本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生親歷玻爾理論的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展的過(guò)程，提高探究能力，學(xué)會(huì)自主探究、合作交流，體驗(yàn)從生活走向物理，從物理走向社會(huì)，具體目標(biāo)包括：① 了解玻爾的原子結(jié)構(gòu)理論及產(chǎn)生的背景依據(jù)，體會(huì)探索性發(fā)現(xiàn)符合“實(shí)踐—認(rèn)識(shí)—再實(shí)踐—再認(rèn)識(shí)”的規(guī)律；② 掌握能級(jí)的概念和氫原子的能級(jí)公式，會(huì)處理氫原子躍遷的實(shí)際問(wèn)題；③ 會(huì)用玻爾的原子結(jié)構(gòu)理論解釋氫光譜，知道玻爾理論的意義及局限性；④ 培養(yǎng)學(xué)生尊重事實(shí)、敢于質(zhì)疑、大膽想象、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神，提高學(xué)生的思維創(chuàng)新能力.

2.2.2 教學(xué)方法和學(xué)習(xí)關(guān)系定位

課堂教學(xué)注重學(xué)生的體驗(yàn)、感受、理解和表達(dá)，采用啟發(fā)式教學(xué)和探究式教學(xué)，課堂教學(xué)方式重視開(kāi)放、多元；學(xué)生的學(xué)習(xí)方式注重自主發(fā)現(xiàn)、理論探究、合作交流，學(xué)生通過(guò)自己的方式和科學(xué)的思維領(lǐng)悟科學(xué)探究的方法.教師的教是為了組織、引導(dǎo)、輔助學(xué)生的學(xué)習(xí)，教師的教必須服務(wù)于學(xué)生的學(xué).

2.3 教學(xué)過(guò)程

2.3.1 通過(guò)名人名言走進(jìn)課堂，復(fù)習(xí)提問(wèn)引入新課

問(wèn)題1：“吾愛(ài)吾師，吾更愛(ài)真理”這是哪位哲人的名言？

問(wèn)題2：我們回顧以下前幾節(jié)課內(nèi)容，英國(guó)的師生科學(xué)家湯姆孫和盧瑟福分別通過(guò)什么實(shí)驗(yàn)提出了何種原子結(jié)構(gòu)模型？盧瑟福原子的核式結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)的內(nèi)容是什么？

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)簡(jiǎn)介亞里斯多德的名言，揭示一切探索性發(fā)現(xiàn)都符合“實(shí)踐—認(rèn)識(shí)—再實(shí)踐—再認(rèn)識(shí)”的規(guī)律，啟發(fā)學(xué)生既要向教師學(xué)習(xí)，也要敢于質(zhì)疑教師，追求真理；通過(guò)復(fù)習(xí)原子結(jié)構(gòu)的建立過(guò)程梳理玻爾理論建立前的原子模型基礎(chǔ).

2.3.2 暴露經(jīng)典電磁理論與核式結(jié)構(gòu)矛盾，師生合作探討玻爾理論產(chǎn)生背景

問(wèn)題3：按照盧瑟福原子結(jié)構(gòu)模型，電子在原子核外繞原子核做圓周運(yùn)動(dòng)，根據(jù)經(jīng)典電磁理論，你會(huì)發(fā)現(xiàn)什么問(wèn)題？

錯(cuò)誤結(jié)論：① 原子將是不穩(wěn)定，電子最終將墜落于原子核，原子處在“坍塌”狀態(tài)；② 原子發(fā)射的電磁波的頻率是連續(xù)的.

客觀事實(shí)：原子通常是穩(wěn)定的；原子光譜是線狀譜.這樣產(chǎn)生了“兩點(diǎn)矛盾”

問(wèn)題4：“兩點(diǎn)矛盾”分析——你認(rèn)為原子核式結(jié)構(gòu)是否應(yīng)該拋棄？原子穩(wěn)定性和光譜分立性是否存在問(wèn)題？經(jīng)典理論在原子領(lǐng)域是否還適用？

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)暴露和合作探討分析“兩點(diǎn)矛盾”，使學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)經(jīng)典電磁理論在原子領(lǐng)域已經(jīng)不適用，必須建立適合微觀原子領(lǐng)域的新理論.

2.3.3 理論探究玻爾原子結(jié)構(gòu)理論產(chǎn)生的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)

問(wèn)題5：你認(rèn)為玻爾原子結(jié)構(gòu)理論的實(shí)驗(yàn)依據(jù)是什么？

學(xué)生：（1）原子的穩(wěn)定性；（2）原子光譜是線狀譜.

問(wèn)題6：新原子理論必須保留已經(jīng)取得的成功之處、消除引起困惑之處、能解釋已知的事實(shí)，具體的要求有哪些呢？

學(xué)生：保留核式結(jié)構(gòu)、建立能解釋原子的穩(wěn)定性和光譜的分立性、不同于經(jīng)典理論的新理論，暫時(shí)應(yīng)表達(dá)成假設(shè).

問(wèn)題7：假如我們就處在盧瑟福建立核式結(jié)構(gòu)的那個(gè)時(shí)代，同學(xué)們認(rèn)為哪些科學(xué)家不同于經(jīng)典的新觀念、新理論可以給我們以啟發(fā)呢？

設(shè)計(jì)意圖：?jiǎn)l(fā)引導(dǎo)學(xué)生按照物理學(xué)史上量子觀念建立相關(guān)事件的先后順序（能量子假說(shuō)、光子說(shuō)、玻爾理論），合作交流、理論探究和體驗(yàn)量子理論；了解盧瑟福的學(xué)生，丹麥的物理學(xué)家玻爾發(fā)現(xiàn)“玻爾理論”的思維模式；體驗(yàn)玻爾經(jīng)過(guò)苦思冥想，最終在巴爾末公式的啟迪下提出玻爾原子結(jié)構(gòu)理論進(jìn)行科學(xué)探究的的艱辛，激發(fā)學(xué)生崇尚科學(xué)的勇氣和意志.

2.3.4 展示玻爾原子結(jié)構(gòu)理論內(nèi)容，交流領(lǐng)悟量子化思想

筆者先簡(jiǎn)介玻爾生平，了解其偉大成就及與我國(guó)科學(xué)交流的淵源，激發(fā)學(xué)生具備熱愛(ài)科學(xué)的情感、信心和行動(dòng)，然后呈現(xiàn)玻爾理論3個(gè)假設(shè).

（1）玻爾理論內(nèi)容.

① 軌道假設(shè)：電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的軌道不是任意的，而只能是一系列分立的、特定的軌道，這種現(xiàn)象叫做軌道量子化；② 能級(jí)假設(shè)：電子不同的軌道對(duì)應(yīng)著原子不同的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，盡管電子在做變速運(yùn)動(dòng)，原子是穩(wěn)定的，既不向外輻射能量，也不吸收能量，這些狀態(tài)成為定態(tài)；定態(tài)所具有的能量值叫能級(jí)，用En表示，n稱為量子數(shù)（能量量子化）；③ 躍遷假設(shè)：原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài)時(shí)，它輻射（或吸收）一定頻率的光子，光子的能量由這兩種定態(tài)的能量差決定，即hν＝En-Em（躍遷量子化）.

（2）軌道量子化與定態(tài)內(nèi)容分析.

問(wèn)題8：請(qǐng)你舉例說(shuō)明物體的位置可以是不連續(xù)的，以此來(lái)說(shuō)明量子化的的含義.

學(xué)生交流可獲答案：棋盤(pán)上棋子的擺放位置、人在樓梯上走臺(tái)階腳暫停的位置等.

問(wèn)題9：請(qǐng)你說(shuō)明原子的能量由哪些能量組成.

學(xué)生：電子的動(dòng)能和電勢(shì)能.

問(wèn)題10：軌道量子化與定態(tài)假設(shè)能解決原子核式結(jié)構(gòu)模型存在兩個(gè)矛盾中的哪一個(gè)矛盾？

學(xué)生：原子穩(wěn)定性的矛盾.

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)例舉宏觀世界物體位置的量子化，使學(xué)生感悟到量子化與我們生活密切相關(guān)；通過(guò)原子能量種類(lèi)的分析為后面應(yīng)用動(dòng)力學(xué)分析躍遷量子化進(jìn)行知識(shí)鋪墊.

（3）頻率條件內(nèi)容分析.

問(wèn)題11：試說(shuō)明原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)應(yīng)該吸收光子，還是釋放光子？為什么？

學(xué)生：釋放光子，滿足能量轉(zhuǎn)化和守恒定律.

問(wèn)題12：原子狀態(tài)變化為什么用“躍遷”兩個(gè)字來(lái)描述，有什么特別的含義嗎？

學(xué)生：“躍遷”體現(xiàn)初末狀態(tài)變化的“不連續(xù)”性，同時(shí)體現(xiàn)了“躍遷”是一種過(guò)渡狀態(tài).

問(wèn)題13：頻率條件假設(shè)能解決原子核式結(jié)構(gòu)模型與經(jīng)典電磁理論存在兩個(gè)矛盾中的哪一個(gè)矛盾？

學(xué)生：原子光譜分立性的矛盾.

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)分析原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)釋放光子，啟發(fā)學(xué)生在能級(jí)躍遷過(guò)程遵循能的轉(zhuǎn)化和守恒定律；通過(guò)對(duì)“不連續(xù)”、“躍遷”等量子化關(guān)鍵詞的分析啟發(fā)學(xué)生領(lǐng)悟玻爾理論3個(gè)假設(shè)量子化觀念和諧美的統(tǒng)一.

2.3.5 實(shí)踐檢驗(yàn)玻爾的原子結(jié)構(gòu)理論，成功解釋氫光譜

（1）給出玻爾推導(dǎo)出氫原子兩個(gè)公式.

① 軌道半徑公式：rn＝n2r1，n＝1，2，3…

（2）引導(dǎo)學(xué)生理解氫原子的能級(jí)、基態(tài)、激發(fā)態(tài)的概念.

問(wèn)題14：合作探討交流：如圖1所示，n越大，En如何變化？當(dāng)n→∞時(shí)的物理意義？為什么玻爾氫原子能級(jí)為負(fù)值？

圖1

（3）啟發(fā)學(xué)生用玻爾理論解釋巴爾末公式，引導(dǎo)學(xué)生解釋氫原子發(fā)光現(xiàn)象.

問(wèn)題15：請(qǐng)用玻爾理論推導(dǎo)巴爾末公式，并用玻爾理論解釋氫原子發(fā)光現(xiàn)象.

問(wèn)題16：試分析一個(gè)氫原子吸收一個(gè)光子發(fā)生能級(jí)躍遷時(shí)，光子所滿足的能量條件是什么？一個(gè)氫原子是否可以同時(shí)吸收幾個(gè)光子發(fā)生躍遷？

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)啟發(fā)學(xué)生用玻爾理論推導(dǎo)巴爾末公式并成功解釋氫原子發(fā)光為線狀譜現(xiàn)象，使學(xué)生能夠自己檢驗(yàn)玻爾理論的正確性，感受微觀世界符合量子化理論；通過(guò)了解氫原子吸收光子的唯一性和和被吸收光子能量的量子化條件感受微觀世界的獨(dú)特規(guī)律.

2.3.6 自主發(fā)現(xiàn)、交流探討玻爾的原子結(jié)構(gòu)理論的意義

問(wèn)題17：你認(rèn)為玻爾理論的成功之處和原因是什么？

學(xué)生：玻爾理論成功解釋并預(yù)言了氫原子光譜.成功之處在于引入了量子化理論，他提出“能級(jí)躍遷”的概念闡明了光譜的吸收和發(fā)射，揭示了微觀世界的“量子”現(xiàn)象，推動(dòng)了量子力學(xué)的發(fā)展.

問(wèn)題18：你認(rèn)為玻爾理論的局限性和原因是什么？

學(xué)生：玻爾理論僅能成功解釋氫原子光譜，對(duì)兩個(gè)以上電子的原子光譜解釋遇到困難.原因在于保留了同時(shí)又應(yīng)用了“軌道”等經(jīng)典概念和有關(guān)牛頓力學(xué)規(guī)律.

問(wèn)題19：玻爾原子模型是最著名的物理模型，你認(rèn)為它有哪些優(yōu)點(diǎn)？

學(xué)生：好的物理模型具備3個(gè)基本屬性：概括性、簡(jiǎn)單性、與實(shí)驗(yàn)的一致性.從哲學(xué)角度來(lái)看，探索玻爾理論過(guò)程就是追求簡(jiǎn)潔之美、求真之美、和諧之美的過(guò)程.

問(wèn)題20：如果讓你再來(lái)進(jìn)一步完善原子模型，應(yīng)從哪些角度思考？

學(xué)生：保留成功之處，運(yùn)用量子觀念考慮原子領(lǐng)域問(wèn)題，保留“定態(tài)”和“躍遷”概念；舍棄電子的“軌道”等經(jīng)典電磁概念和有關(guān)牛頓力學(xué)規(guī)律；尋找新的微觀世界的理論.

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)學(xué)生交流探討玻爾理論的成功之處和局限性，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)一步了解完善原子模型的欲望，使學(xué)生初步了解近代的原子模型觀念——量子力學(xué)，明確原子核外電子出現(xiàn)規(guī)律滿足“概率”規(guī)律，形象用“電子云”來(lái)表示.

2.3.7 自主思考、合作交流進(jìn)行課堂三維目標(biāo)總結(jié)

問(wèn)題21：請(qǐng)你總結(jié)一下本節(jié)課的收獲，學(xué)到什么知識(shí)、掌握何種方法？對(duì)原子結(jié)構(gòu)理論的建立和發(fā)展過(guò)程你有何體會(huì)？

學(xué)生三維目標(biāo)總結(jié).知識(shí)總結(jié)：玻爾原子結(jié)構(gòu)理論：① 軌道假設(shè)，② 能級(jí)假設(shè)，③ 躍遷假設(shè)hν＝En-Em；氫原子能級(jí)和半徑公式及對(duì)氫光譜解析；玻爾理論的成功與局限性.科學(xué)研究方法總結(jié)：“實(shí)踐—認(rèn)識(shí)—再實(shí)踐—再認(rèn)識(shí)”；科學(xué)的探究過(guò)程觀：發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出假設(shè)、分析論證、實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)、不斷修正、求真求美.情感態(tài)度價(jià)值觀總結(jié)：從原子結(jié)構(gòu)研究的史實(shí)，從湯姆孫、盧瑟福、玻爾走過(guò)的歷程，生動(dòng)告訴我們，科學(xué)的發(fā)展總是后人站在前人的肩膀上繼續(xù)攀登的，既不能因?yàn)槿〉靡稽c(diǎn)成績(jī)而沾沾自喜、停滯不前；也不能后人取得更高的成就而否定前人的功績(jī).這是自然科學(xué)發(fā)展的辯證法.

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)學(xué)生自我三維目標(biāo)總結(jié)，體現(xiàn)學(xué)生的主體意識(shí)，實(shí)現(xiàn)自我探究、自我發(fā)現(xiàn)、自我領(lǐng)悟、自我教育發(fā)展，進(jìn)一步提升學(xué)生理論探究的自覺(jué)意識(shí)和創(chuàng)新能力.

3 教學(xué)課后的反思

新課程提倡培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考能力、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力以及探究式學(xué)習(xí)的習(xí)慣.學(xué)生在解決問(wèn)題的過(guò)程中，教師的作用是點(diǎn)撥引導(dǎo)、提供條件、補(bǔ)充資料、創(chuàng)設(shè)氛圍.本節(jié)課教學(xué)后我們有以下反思.

（1）對(duì)學(xué)生進(jìn)行物理學(xué)史教學(xué)中絕對(duì)是必要的，其中蘊(yùn)含大量情感、態(tài)度、價(jià)值觀教學(xué)的素材.

（2）物理學(xué)史的探究式教學(xué)對(duì)鞏固基本知識(shí)與方法的作用是不言而喻的，在教學(xué)中讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程是切實(shí)可行的.本節(jié)課的教學(xué)對(duì)學(xué)生形成科學(xué)世界觀和科學(xué)價(jià)值觀的影響是巨大的，對(duì)學(xué)生產(chǎn)生這樣的影響也是我們教學(xué)中所追求達(dá)到的最高境界.

（3）自主體驗(yàn)是學(xué)習(xí)過(guò)程的歸宿.一個(gè)人獲得的知識(shí)、能力、情感，不經(jīng)過(guò)自身的體驗(yàn)很難形成.本節(jié)課是學(xué)生首次接受量子觀念，要珍惜學(xué)生獨(dú)自感受、理解、表達(dá)；啟發(fā)學(xué)生逐漸接受量子觀念新理念必須有一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程.

總之，本節(jié)課的教學(xué)，通過(guò)問(wèn)題層層設(shè)計(jì)，讓學(xué)生重走玻爾理論發(fā)現(xiàn)之路，進(jìn)行深度理論探究，親歷規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)，領(lǐng)悟科學(xué)探究的方法，體驗(yàn)道德情感的熏陶，提升意志品質(zhì)和科學(xué)素養(yǎng)，提高創(chuàng)新能力.

1 江蘇科學(xué)技術(shù)出版社物理教材編寫(xiě)組.物理（選修3-5）［M］.北京：教育科學(xué)出版社，2013：30-33.

2 李小燕.HPS教育模式下“玻爾的原子模型”教學(xué)案例設(shè)計(jì)［J］.中學(xué)教學(xué)參考，2012（17）.