以物理基本觀念建構(gòu)為中心的“氫原子光譜”教學(xué)策略

于洪雨

摘 要 通過(guò)分析原子結(jié)構(gòu)內(nèi)容教學(xué)的特點(diǎn)及其所蘊(yùn)含的物理基本觀念，提出了物理基本觀念對(duì)高中物理物質(zhì)科學(xué)內(nèi)容教學(xué)的重要性。以“氫原子光譜”為例，探討了以學(xué)生物理基本觀念建構(gòu)為中心的教學(xué)策略，通過(guò)對(duì)目前高中學(xué)生物理基本觀念的水平進(jìn)行分析，確定了以基本觀念為中心的教學(xué)思路。

關(guān)鍵詞 氫原子光譜 教學(xué)策略 基本觀念

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.10.061

Abstract By analyzing the characteristics of the content teaching of atomic structure and the basic concepts of physics， the importance of the basic concepts of physics to the teaching of physical science content in senior high school is put forward. Take “the hydrogen atom spectrum" as an example， the paper discusses the construction as the center of teaching strategies to students' physical concept， through the analysis of the current high school students the basic concepts of the physical level， the teaching ideas to the basic ideas for the center.

Keywords Atomic spectrum of hydrogen； teaching strategies； basic concept

1 高中原子結(jié)構(gòu)內(nèi)容特點(diǎn)及教學(xué)中的問(wèn)題

對(duì)于物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，是人類在自然科學(xué)領(lǐng)域過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)永恒的主題。從知識(shí)體系看，原子結(jié)構(gòu)是構(gòu)成高中物理知識(shí)的重要組成部分，是人類認(rèn)識(shí)世界本源的一部分，與化學(xué)、醫(yī)藥生物學(xué)、地質(zhì)礦物學(xué)等關(guān)系密切；從知識(shí)特點(diǎn)看，原子結(jié)構(gòu)是微觀世界的圖景，比較抽象，不易理解，在教學(xué)中屬于介紹性知識(shí)，教材編寫(xiě)相對(duì)不夠全面細(xì)致；從高考命題看，原子結(jié)構(gòu)試題難度中下，因此教師在新課教學(xué)以及復(fù)習(xí)、習(xí)題等其他課型中強(qiáng)調(diào)的程度不夠、課時(shí)分配較少。

教學(xué)存在以下幾個(gè)層面的問(wèn)題：第一，在有限的教學(xué)時(shí)間里，學(xué)生只能掌握氫原子光譜可見(jiàn)光區(qū)的基本事實(shí)，很難理解其中蘊(yùn)含的基本思想和規(guī)律，對(duì)所學(xué)知識(shí)拓展性和遷移性功能較弱；第二，教學(xué)中注重知識(shí)的掌握和解題能力，忽視原子光譜認(rèn)識(shí)過(guò)程中數(shù)學(xué)物理方法、實(shí)驗(yàn)方法的應(yīng)用以及能量的變化特征，學(xué)生無(wú)法形成認(rèn)識(shí)事物的一般思路和方法，造成知識(shí)的碎片化；第三，注重知識(shí)與技能，忽略情感態(tài)度與價(jià)值觀，在世界科學(xué)史上，原子結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的過(guò)程具有長(zhǎng)期性和曲折性，史料生動(dòng)鮮活，是從肯定到否定再到否定之否定的自然辯證進(jìn)程，體現(xiàn)了物理價(jià)值觀、自然辯證觀。第四，教師的重視性不足，相關(guān)教學(xué)研究較少，知識(shí)自我拓展不夠深入，根據(jù)調(diào)查了解，有一些教師，本身并不能夠科學(xué)認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)蘊(yùn)含的教學(xué)價(jià)值。[1]

2 物理基本觀念在物理學(xué)習(xí)中的重要性

物理學(xué)研究物理現(xiàn)象、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)相互作用、物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律等。在物理教學(xué)中要強(qiáng)調(diào)物理基本觀念，第一，基本觀念體現(xiàn)物理學(xué)科本身的特征。第二，基本觀念的建構(gòu)符合我國(guó)中學(xué)物理教學(xué)的理論和實(shí)踐，建構(gòu)物理基本觀念的教學(xué)有利于知識(shí)的遷移進(jìn)階，有利于建立網(wǎng)絡(luò)化的知識(shí)系統(tǒng)、形成基本的物理思維，從而實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)。第三，學(xué)科基本觀念的建構(gòu)能有效促進(jìn)學(xué)生理解學(xué)科知識(shí)、建構(gòu)學(xué)科體系，對(duì)減輕學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷、促進(jìn)學(xué)生形成對(duì)自然界的整體認(rèn)識(shí)具有重要作用。第四，建構(gòu)物理基本觀念的教學(xué)定位于學(xué)生的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，把重點(diǎn)放在今后能否形成科學(xué)的思想、觀點(diǎn)和方法上。第五，建構(gòu)物理基本觀念的教學(xué)符合世界科學(xué)教育的發(fā)展趨勢(shì)，符合高中畢業(yè)科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)的需求。

學(xué)科基本觀念在高中物理原子結(jié)構(gòu)學(xué)段主要包括三類，分別是：知識(shí)基本觀念的量子力學(xué)觀、能量變化觀、物質(zhì)運(yùn)動(dòng)觀；技能類基本觀念的數(shù)學(xué)物理方法、實(shí)驗(yàn)方法；情感類基本觀念的物理價(jià)值觀、自然辯證觀。

3 以物理基本觀念建構(gòu)為中心的教學(xué)策略

3.1 以觀念為核心的內(nèi)容分析

內(nèi)容角度：氫原子光譜是典型的物質(zhì)結(jié)構(gòu)知識(shí)，是人教版高中物理選修3-5的內(nèi)容，在學(xué)習(xí)波粒二象性、能量守恒的基礎(chǔ)上，通過(guò)氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)事實(shí)來(lái)認(rèn)識(shí)氫原子的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步通過(guò)氫原子去感知并認(rèn)識(shí)多電子原子。通過(guò)本節(jié)課的學(xué)習(xí)幫助學(xué)生科學(xué)認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)，創(chuàng)設(shè)認(rèn)識(shí)微觀實(shí)物的思維模式，在高中物理學(xué)習(xí)中具有總結(jié)提升的作用，它既是本章的重點(diǎn)，也是形成科學(xué)思維、物理思維的階段性總結(jié)。

認(rèn)識(shí)角度：掌握用宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象推測(cè)微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)的思維方法；感知物理現(xiàn)象的解讀不是孤立的，還需要用數(shù)學(xué)、化學(xué)、實(shí)驗(yàn)等方法；通過(guò)從氫原子去認(rèn)識(shí)原子的結(jié)構(gòu)；領(lǐng)會(huì)原子特征光譜是不同種類的原子微觀區(qū)別的宏觀表現(xiàn)。

通過(guò)學(xué)習(xí)氫原子光譜的基本特征和認(rèn)識(shí)過(guò)程，能初步構(gòu)建量子力學(xué)觀、能量變化觀、物質(zhì)運(yùn)動(dòng)觀的基本觀點(diǎn)，建立微觀粒子認(rèn)識(shí)過(guò)程，由“宏觀-微觀”的思維模式。了解原子物理的概況和主要研究方法，激發(fā)學(xué)生深入學(xué)習(xí)的興趣，為以后探究更復(fù)雜的知識(shí)和課題奠定基礎(chǔ)。

3.2 學(xué)生物理基本觀念的水平分析

知識(shí)水平：在高中物理《原子結(jié)構(gòu)》章節(jié)學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了微觀粒子波粒二象性，知道電子、原子等微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與實(shí)物粒子的區(qū)別，對(duì)原子結(jié)構(gòu)的模型，例如棗糕式模型有了基本的認(rèn)識(shí)，從化學(xué)學(xué)科掌握了氫原子是單電子原子，呈電中性，了解元素、同位素概念，會(huì)判斷不同元素的本質(zhì)區(qū)別，為本節(jié)氫原子光譜的探究打下基礎(chǔ)。[2]endprint

認(rèn)識(shí)水平：學(xué)生身心處在發(fā)展時(shí)期，求知欲強(qiáng)，興趣廣泛；但自我認(rèn)識(shí)能力不足，思維活躍但不夠深刻，需要老師加強(qiáng)新知識(shí)的講解和實(shí)驗(yàn)的演示，才能理解透徹，印象深刻。

學(xué)習(xí)障礙：①知識(shí)障礙：學(xué)生已經(jīng)學(xué)到的知識(shí)很多，但把知識(shí)抽象出核心本質(zhì)的能力不夠，掌握的知識(shí)是零亂而不系統(tǒng)的。從量子力學(xué)、數(shù)學(xué)物理、實(shí)驗(yàn)等角度的認(rèn)識(shí)思路尚不清晰。②認(rèn)知障礙：本節(jié)內(nèi)容具有較強(qiáng)的邏輯性，具有透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)的特點(diǎn)，原子結(jié)構(gòu)本身較抽象，學(xué)生用宏觀的光譜特征認(rèn)識(shí)微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的思維尚未形成。

3.3 基本觀念為中心的教學(xué)思路

基于高中原子結(jié)構(gòu)教學(xué)目標(biāo)的總體要求，由物理基本觀念和教學(xué)背景分析制定如下教學(xué)思路：以教材分析、學(xué)生分析、課程標(biāo)準(zhǔn)分析為背景，構(gòu)建三維一體的教學(xué)目標(biāo)，確定教學(xué)重難點(diǎn)。根據(jù)教材的內(nèi)容價(jià)值、分類特點(diǎn)和學(xué)生學(xué)習(xí)的認(rèn)知機(jī)理，確定教學(xué)策略、方法與模式，設(shè)計(jì)教學(xué)流程。以觀念建構(gòu)為目的設(shè)計(jì)情境，生成問(wèn)題，讓學(xué)生在分組實(shí)驗(yàn)中建構(gòu)基本物理觀念。

體現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)觀，通過(guò)彩虹等認(rèn)識(shí)光譜，用已有的生活經(jīng)驗(yàn)來(lái)感知連續(xù)光譜，對(duì)比不連續(xù)光譜，實(shí)驗(yàn)展示氫原子光譜的線狀譜線特征，提供研究科學(xué)規(guī)律的基本思路和角度。

氫原子光譜在可見(jiàn)光區(qū)的譜線特征，作為基本實(shí)驗(yàn)事實(shí)具有穩(wěn)定性，譜線的波長(zhǎng)具有持久性。啟發(fā)學(xué)生觀察四條譜線的頻率規(guī)律，體現(xiàn)了數(shù)學(xué)物理觀。由同學(xué)們分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，總結(jié)現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力，由巴爾麥、里德堡等經(jīng)驗(yàn)規(guī)律的產(chǎn)生、發(fā)展及演變過(guò)程，體驗(yàn)認(rèn)識(shí)的自然辯證過(guò)程。

引導(dǎo)學(xué)生了解并熟悉玻爾氫原子光譜提出的基礎(chǔ)、突破性及閃光點(diǎn)，在經(jīng)典物理基礎(chǔ)之上，吸收了普朗克、愛(ài)因斯坦的量子力學(xué)觀念，創(chuàng)造性提出了三點(diǎn)假設(shè)，體會(huì)從理論邏輯到實(shí)踐智慧的辯證過(guò)程。[3]氫原子光譜在紫外區(qū)和紅外區(qū)的拓展研究，培養(yǎng)學(xué)生形成認(rèn)識(shí)事物的一般規(guī)律和方法。由每種原子具有獨(dú)特的光譜特征，培養(yǎng)學(xué)生形成物理價(jià)值觀，善于將物理與其他學(xué)科結(jié)合并應(yīng)用到生活當(dāng)中。

對(duì)原子結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生建立物質(zhì)科學(xué)觀，以量子力學(xué)、能量變化的觀點(diǎn)為基礎(chǔ)，并應(yīng)用數(shù)學(xué)物理方法、實(shí)驗(yàn)方法發(fā)現(xiàn)分析原子結(jié)構(gòu)的特征。

基于建構(gòu)基本觀念的教學(xué)，是對(duì)科學(xué)規(guī)律的遵循，也是對(duì)物理課程標(biāo)準(zhǔn)的具體落實(shí)?；居^念的建構(gòu)不會(huì)一蹴而就，教師要在教學(xué)中有意識(shí)的設(shè)計(jì)，特定的環(huán)節(jié)有明確的定位，讓學(xué)生通過(guò)物理事實(shí)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，逐漸感知到了解，再到領(lǐng)會(huì)和應(yīng)用。在氫原子光譜的整個(gè)教學(xué)流程中滲透多個(gè)物理基本觀念，如：量子力學(xué)觀、能量變化觀、物質(zhì)運(yùn)動(dòng)觀、數(shù)學(xué)物理觀、實(shí)驗(yàn)觀以及物理價(jià)值觀等。[4]多個(gè)物理基本觀念支撐著整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)，體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，發(fā)揮教師的輔助和引導(dǎo)作用，推動(dòng)教學(xué)流程的順利進(jìn)行，幫助學(xué)生解決在學(xué)習(xí)過(guò)程中存在的問(wèn)題，培養(yǎng)深層次的理解能力以及思維創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)

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[3] 宗先漢，胡揚(yáng)洋，邢紅軍.基于科學(xué)史分級(jí)的高中物理教學(xué)策略——以“天然放射現(xiàn)象 原子的結(jié)構(gòu)”為例[J].北京教育學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016（2）：54-58.

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