基于核心素養(yǎng)的量子物理教學(xué)探討

白晶

摘 要：量子物理的量子觀念和非確定性思想，對培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科的核心素養(yǎng)有著重要的意義.基于核心素養(yǎng)的量子物理教學(xué)策略，關(guān)注量子化、量子物理的幾率解釋等物理觀念的形成與發(fā)展，滲透物理思想，整合實(shí)驗(yàn)方法，培養(yǎng)批判性思維品質(zhì)，并用科學(xué)的人文關(guān)懷與科學(xué)家的人文情懷感染學(xué)生.

關(guān)鍵詞：量子物理；核心素養(yǎng)；教學(xué)策略

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)，主要由物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等四個方面的要素構(gòu)成.[1]高中物理課程中與原子結(jié)構(gòu)、原子核、波粒二象性有關(guān)的量子物理內(nèi)容是量子觀念和非確定性思想在中學(xué)物理課程的體現(xiàn)，對于培養(yǎng)物理學(xué)科的核心素養(yǎng)有著重要的意義.如何在高中量子物理的教學(xué)中充分挖掘這些內(nèi)容的教育價值，是值得思考與研究的.

一、基于物理觀念的教學(xué)策略

物理觀念主要指高中物理中重要的觀點(diǎn)概念和規(guī)律，主要包括物質(zhì)觀、運(yùn)動觀、能量觀、相互作用觀等.基于物理觀念的量子物理教學(xué)策略，重點(diǎn)關(guān)注包含量子化、量子物理的幾率解釋、守恒律等核心觀念的學(xué)習(xí).

（一）不連續(xù)的物質(zhì)觀——深入理解E=hν的物理內(nèi)涵

“量子”既是物理概念，又是物理觀念.學(xué)生容易記住能量子的表達(dá)式，卻難以真正接受量子化的物理觀念.能量子E=hν的物理內(nèi)涵有三個層次：第一，普朗克提出的E=hν，是基于黑體模型的原子和光相互作用時的能量這種特殊情況；第二，愛因斯坦提出的E=hν，認(rèn)為光本身就是能量子組成的，適用于每一個光量子的能量；第三，從普朗克到愛因斯坦，E=hν都在描述能量的輻射，而德布羅意則提出E=hν不僅可以描述輻射，也可以描述實(shí)物粒子.

E=hν的物理內(nèi)涵的演變與升華，從連續(xù)中發(fā)現(xiàn)不連續(xù)，從輻射到實(shí)物粒子，反映了人類認(rèn)識世界的物質(zhì)觀的革命.從課程的視角看，E=hν物理內(nèi)涵的三個層次，對應(yīng)著不同層次的物理觀念.教學(xué)中應(yīng)適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生通過能量子E=hν的認(rèn)識理解，真正建立量子的物理觀念.

（二）概率與統(tǒng)計的觀念——量子物理的“幾率解釋”

與經(jīng)典物理相比較，量子物理的基本規(guī)律是統(tǒng)計規(guī)律，這是量子物理的核心觀念之一.[2]現(xiàn)行的普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)對這個觀念強(qiáng)調(diào)得不夠充分，只提到了“光是一種概率波”.相應(yīng)地，人教版《物理》選修3-5中有一節(jié)介紹概率波的內(nèi)容.由于中學(xué)生沒有量子力學(xué)波函數(shù)表象的基礎(chǔ)，理解概率波的概念是存在很大困難的.建議在中學(xué)階段不使用“概率波”的提法，而使用光和物質(zhì)波的“幾率解釋”來表述這個核心觀念.值得一提的是，美國大學(xué)理事會（College Board）2014年頒布的美國高中AP（Advanced Placement）物理課程標(biāo)準(zhǔn)（Curriculum Framework）中界定了七個核心物理觀念（Big Ideas），其中關(guān)于量子物理的核心觀念就是幾率解釋.

（三）守恒的觀念——微觀世界里依然有效

物體間相互作用導(dǎo)致的變化受到守恒定律的制約，這是一個基本的科學(xué)觀念.光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)等現(xiàn)象，以及伴隨核反應(yīng)的質(zhì)量虧損，都是自然界守恒律在微觀世界的體現(xiàn).以光電效應(yīng)為例，愛因斯坦光電效應(yīng)方程在本質(zhì)上就是一個能量守恒的方程.有學(xué)生提出，為什么愛因斯坦光電效應(yīng)方程中物質(zhì)吸收照射光的能量只是一個光子的能量，能不能一次吸收多個光子的能量呢？這樣光電效應(yīng)方程就變成了

EK=nhν-W0

提出這樣的問題，說明學(xué)生理解了光電效應(yīng)的能量本質(zhì)，并具有一定的批判性思維品質(zhì).愛因斯坦提出光量子假設(shè)時，并不排除在強(qiáng)光下出現(xiàn)多光子過程的可能性.事實(shí)上，用強(qiáng)激光照射金屬，由于其光子密度極大，一個電子在短時間內(nèi)吸收多個光子成為可能，從而形成多光子光電效應(yīng)，這已被實(shí)驗(yàn)證實(shí).[3]

二、基于科學(xué)思維的教學(xué)策略

科學(xué)思維主要指高中物理中重要的思維方法，包括建模的思想、理想化方法、分析綜合、抽象概括、批判性思維、推理論證等思維與方法.基于科學(xué)思維的量子物理教學(xué)策略，重點(diǎn)關(guān)注辯證的思想、建模的思想的滲透和批判性思維，促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)的形成與發(fā)展.

（一）辯證的思想——“波粒二象性”的認(rèn)識誤區(qū)與重新定義

為了說明概率波的概念，教材中介紹了光子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)和電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn).[3]基于這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，教學(xué)中存在一個認(rèn)識上的誤區(qū)，即認(rèn)為大量光子的行為表現(xiàn)為波動性，而個別光子的行為表現(xiàn)出粒子性.這樣的認(rèn)識誤區(qū)亟需得到糾正.

根據(jù)量子力學(xué)理論，微觀粒子同時具有粒子性與波動性.設(shè)想空間中有一個微觀粒子，任何時刻都有可能在空間中任何點(diǎn)探測到粒子（類似經(jīng)典波的特性），但一旦探測到只能在其中一個探測器處發(fā)現(xiàn)該粒子（類似經(jīng)典粒子的特性），換句話說，微觀粒子與物質(zhì)相互作用（發(fā)射、吸收）時表現(xiàn)粒子性，在空間傳播時表現(xiàn)波動性.

歷史上，量子力學(xué)哥本哈根詮釋中的互補(bǔ)原理認(rèn)為，波動性和粒子性這兩種屬性既對立又互補(bǔ)，一個實(shí)驗(yàn)中具體展示哪種屬性取決于實(shí)驗(yàn)裝置，不會同時觀測到光子的波動性和粒子性.在經(jīng)典的惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn)中，光的波動性和粒子性不能夠同時展現(xiàn)出來.

對量子力學(xué)基本原理的實(shí)驗(yàn)研究一直在不斷發(fā)展，新的物理觀念也隨之產(chǎn)生.2012年科學(xué)家已經(jīng)設(shè)計出一種量子實(shí)驗(yàn)裝置，巧妙地利用光子的偏振比特作為輔助，使測量裝置處于量子疊加態(tài)，能同時探測光子的波動性與粒子性，從而實(shí)現(xiàn)了量子的惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn).Nature Physics報道了該成果，稱它“重新定義了波粒二象性的概念”.[4-5]

（二）建模的思想——原子結(jié)構(gòu)的模型化與真實(shí)的原子觀念

物理學(xué)的特征之一就是模型化，對于原子結(jié)構(gòu)也是一樣，學(xué)生認(rèn)識的原子模型有湯姆生的“葡萄蛋糕模型”、盧瑟福的“行星模型”和玻爾的“玻爾模型”等. 要引導(dǎo)學(xué)生明確原子的結(jié)構(gòu)模型并不是真實(shí)的原子.原子和原子的結(jié)構(gòu)是實(shí)在的客觀存在，模型只不過是對它的描述，所以原子是實(shí)物，不是模型.想要用經(jīng)典的方法畫出非經(jīng)典的、由現(xiàn)代微觀理論描述的原子結(jié)構(gòu)圖是不可能的.[6]從這個意義上講，任何一種模型都是有局限性的.原子結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)告一段落時，可引導(dǎo)學(xué)生思考：盡管有人認(rèn)為從經(jīng)典物理理論到量子力學(xué)是人類認(rèn)識的一大進(jìn)步，但遺憾的是現(xiàn)有的量子力學(xué)也未能很好地解釋原子光譜的所有現(xiàn)象.原子結(jié)構(gòu)究竟怎樣？人類對原子的認(rèn)識歷程永無止境.

（三）批判性思維——深度學(xué)習(xí)的教學(xué)策略

基于批判性思維的教學(xué)表現(xiàn)為反思與評價科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程與意義，從而領(lǐng)略科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程美.例如，教學(xué)中可引導(dǎo)學(xué)生思考下面這樣一些問題.

怎樣理解測量電子的比荷對發(fā)現(xiàn)電子的意義？α粒子散射實(shí)驗(yàn)為什么說明了原子的核式結(jié)構(gòu)模型？有什么事實(shí)和理由可以說明放射性元素放出的射線來自原子核的內(nèi)部？天然放射性現(xiàn)象為什么可以說明原子核是有結(jié)構(gòu)的？當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子，并在很多原子核中打出了質(zhì)子以后，有什么理由可以認(rèn)定原子核中一定還存在著另外不同種類的粒子？這些問題促進(jìn)了高中量子物理的深度學(xué)習(xí)，豐富了學(xué)習(xí)內(nèi)容的思維含量.

三、基于實(shí)驗(yàn)方法的教學(xué)策略

在原子物理、量子力學(xué)發(fā)展史中有三類最重要、最有名的實(shí)驗(yàn)：一是證實(shí)光量子的實(shí)驗(yàn)，包括黑體輻射、光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)等實(shí)驗(yàn)；二是證實(shí)原子中量子態(tài)的實(shí)驗(yàn)，諸如光譜實(shí)驗(yàn)、弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)；三是證實(shí)物質(zhì)波動性的實(shí)驗(yàn)，如晶體中的電子衍射實(shí)驗(yàn).[2]這些在高中物理教材中都有所介紹，但絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)是難以在中學(xué)的普通物理實(shí)驗(yàn)室完成的，因此教學(xué)中應(yīng)主要關(guān)注量子物理實(shí)驗(yàn)的思想方法，從思想方法的層面整合教學(xué)內(nèi)容.

以密立根驗(yàn)證愛因斯坦光電效應(yīng)方程的實(shí)驗(yàn)為例，作為實(shí)驗(yàn)方法的教學(xué)素材，對于高中生是非常適合的.因?yàn)槠潴w現(xiàn)了一個具有普遍意義的思想方法，即根據(jù)實(shí)驗(yàn)圖線，擬合線性方程，獲得測量結(jié)果.于是可引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想曾經(jīng)學(xué)習(xí)過的圖像法求電源電動勢與內(nèi)電阻的實(shí)驗(yàn).這樣整合后，本屬于量子物理的實(shí)驗(yàn)素材被放置于一個更具有教育價值的層次上，有益于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

另外，建議引導(dǎo)學(xué)生通過量子物理的學(xué)習(xí)，認(rèn)識到不同尺度的研究對象對應(yīng)著不同的實(shí)驗(yàn)觀測方法，例如使用電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡、粒子加速器和對撞機(jī)等.尺度是一個科學(xué)的大概念，在這個大概念之下，才有了微觀系統(tǒng)和宏觀系統(tǒng)的概念.

四、基于科學(xué)態(tài)度的教學(xué)策略

基于科學(xué)態(tài)度的教學(xué)，旨在促進(jìn)學(xué)生正確認(rèn)識物理學(xué)本身，正確認(rèn)識物理學(xué)與人類的關(guān)系，具有學(xué)習(xí)和研究物理的好奇心與求知欲.物理學(xué)是人類理解世界的方式，也是人類思想文化的一部分.達(dá)成這一目標(biāo)的有效途徑是教學(xué)中適當(dāng)引入物理學(xué)史的素材，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注科學(xué)發(fā)現(xiàn)背后人的故事，感受物理規(guī)律背后人的思想、人的情感、人的智慧與人的精神.

例如，在量子物理學(xué)習(xí)告一段落的時候，可以帶領(lǐng)學(xué)生欣賞一張具有歷史意義的照片，即1927年在比利時布魯塞爾召開的索爾維會議留下的眾多物理學(xué)家的合影（見圖1）.學(xué)生熟悉的普朗克、居里夫人、洛倫茲、愛因斯坦、康普頓、德布羅意、玻爾等科學(xué)家的身影都在其中.這些科學(xué)家是原子時代的人類群星，是量子物理學(xué)的先驅(qū)和巨匠.學(xué)生在看到這些科學(xué)家的真實(shí)照片時，因?yàn)橛辛肆孔游锢淼膶W(xué)習(xí)經(jīng)歷，他們的內(nèi)心是震撼的.這種情感體驗(yàn)有助于學(xué)生形成良好的學(xué)科素養(yǎng).還可以補(bǔ)充介紹一些中國科學(xué)家在粒子物理領(lǐng)域的貢獻(xiàn)，如楊振寧、李政道、吳健雄、鄧稼先、王淦昌、錢三強(qiáng)、何澤慧等，增強(qiáng)民族自豪感和愛國情懷.

基于科學(xué)態(tài)度的教學(xué)策略，旨在用科學(xué)的人文關(guān)懷與科學(xué)家的人文情懷感染學(xué)生，進(jìn)而豐富學(xué)科素養(yǎng)的內(nèi)涵.物理學(xué)家李政道曾說：“整個銀河系在整個宇宙里面也是相當(dāng)渺小的.可是因?yàn)槲覀冇邪l(fā)揚(yáng)炎黃文化的祖先，因?yàn)樗陌倌昵巴h(yuǎn)鏡的發(fā)明，也因?yàn)閻垡蛩固乖谖覀冃⌒〉牡厍蛏仙钸^，我們這個黃土藍(lán)水的地球，就比宇宙其他部分有特色，有智慧，有人的道德.”

五、結(jié)語

正如愛因斯坦說過，常識是在18歲以前獲得的那批偏見.基于核心素養(yǎng)的高中量子物理教學(xué)，如同帶領(lǐng)學(xué)生一起領(lǐng)略20世紀(jì)初物理學(xué)發(fā)展史上的重大革命，經(jīng)歷自然科學(xué)的發(fā)現(xiàn)之旅，經(jīng)歷人類文明史上的思想之旅.學(xué)生可能會感嘆，世界竟然是這樣.學(xué)生可能更要感嘆，世界真的是這樣嗎？

參考文獻(xiàn)：

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