串聯(lián)瑣碎知識促成知識的體系建構(gòu)
——物理學(xué)史在選修3-5模塊教學(xué)中的運(yùn)用和思考

孫 明

(江蘇省江安高級中學(xué) 226534)

一、問題的提出

選修3-5模塊涉及到很多近代物理學(xué)的知識，應(yīng)該說這部分內(nèi)容對應(yīng)的是物理學(xué)發(fā)展歷程中最為輝煌的篇章，所涉及到的內(nèi)容相對較為淺顯，但是學(xué)生在這一模塊的學(xué)習(xí)過程中卻感到無比困難，原因何在？這主要是有關(guān)知識都比較松散，學(xué)生學(xué)了之后總有頭昏腦脹的感覺.為此，教師要針對學(xué)生的這一學(xué)習(xí)困難，探索針對性的教學(xué)策略，改變學(xué)生學(xué)習(xí)的這一困境.

二、問題的解決

知識過于瑣碎是學(xué)生學(xué)習(xí)難點，為此筆者認(rèn)為應(yīng)該結(jié)合物理學(xué)史來重構(gòu)有關(guān)知識的脈絡(luò)，讓原本瑣碎且零散的知識顯得更有條理.以原子結(jié)構(gòu)的教學(xué)為例，教材所設(shè)計的內(nèi)容包括“電子的發(fā)現(xiàn)”、“原子的核式結(jié)構(gòu)模型”、“氫原子光譜”、“玻爾的原子模型”等等，所涉及的內(nèi)容相當(dāng)繁雜，但卻如實刻畫了科學(xué)家探索原子結(jié)構(gòu)的基本過程，我們在教學(xué)中按照物理學(xué)史的發(fā)展順序?qū)⒂嘘P(guān)知識串聯(lián)起來，這樣的處理有助于學(xué)生更加系統(tǒng)化地建構(gòu)認(rèn)知.

1.湯姆孫的棗糕模型

1897年，湯姆孫確認(rèn)了電子的存在，由此也打破了前人認(rèn)為“原子不可分割”的有關(guān)理論，指出：原子是可以分割的，原子也有內(nèi)部結(jié)構(gòu).有一個問題被提出：原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)到底是怎樣的呢？湯姆孫在已有認(rèn)知的基礎(chǔ)上提出了這樣一個模型：原子呈現(xiàn)為球狀，且?guī)в姓姾桑瑤ж?fù)電的電子則均勻地鑲嵌在這個圓球上，這就是著名的“棗糕模型”.

2.盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型

棗糕模型是否正確呢？在二十世紀(jì)初，人們沒有任何手段可以直接對原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測，怎么辦呢？一個劃時代的實驗震驚了整個物理學(xué)界，盧瑟福在實驗室用α粒子轟擊金箔，奇妙的現(xiàn)象發(fā)生了：有少數(shù)α粒子的散射角非常大，甚至反向彈回.盧瑟福用這樣的比喻來形容實驗的結(jié)果：“用一發(fā)口徑為十五英寸的炮彈轟擊一張紙，最終炮彈被彈回來.”而這是“棗糕模型”所無法解釋的現(xiàn)象，盧瑟福認(rèn)為，這表明原子核中存在一個相對集中且極其密實的核心，這個核心集中了原子的所有正電荷以及幾乎所有的質(zhì)量，以致于α粒子撞到之后發(fā)生反彈.實驗還表明，絕大多數(shù)粒子的運(yùn)動不受影響，只有極少數(shù)粒子發(fā)生大角度散射，這表明核心所占據(jù)的空間非常之小，只有原子直徑的萬分之一.為此.盧瑟福建立了自己的原子結(jié)構(gòu)模型：原子所有的正電荷以及絕大部分質(zhì)量全都集中于原子中心的核上，帶負(fù)電的電子則在核外沿著特定的軌道繞核運(yùn)動，這一點類似于行星的運(yùn)動特點，為此原子核式結(jié)構(gòu)模型也被稱作“行星系統(tǒng)”模型.

3.玻爾的原子結(jié)構(gòu)模型

盧瑟福的原子結(jié)構(gòu)模型完美地解釋了α粒子散射實驗，貌似該理論已經(jīng)相當(dāng)成功，但是隨后就有科學(xué)家指出它的一些缺陷：(1)帶有負(fù)電的電子在核外運(yùn)動，必然導(dǎo)致周圍的磁場發(fā)生變化，這樣就會向外界輻射電磁波，如此也就使得原子系統(tǒng)的能量不斷減小，最終電子會一頭栽在原子核上，即原子應(yīng)該是不穩(wěn)定的；(2)按照電磁理論，電子繞核旋轉(zhuǎn)時所輻射光的頻率應(yīng)該與圓周運(yùn)動頻率相等，隨著電子軌道的連續(xù)變化，所輻射的光的頻率也要連續(xù)變化，即原子光譜應(yīng)該為連續(xù)譜.以上兩點都對盧瑟福的理論形成了挑戰(zhàn)，為此，玻爾將量子理論引入原子結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，并結(jié)合自己的研究提出了玻爾原子結(jié)構(gòu)模型.簡單地講，玻爾的模型包括：電子軌道是量子化的；原子的能量是量子化的；原子不同能級之間的躍遷要滿足頻率條件.這些理論的引入成功解釋了氫原子光譜，也確認(rèn)了波爾模型在一定程度的正確性.

但是玻爾模型依然保留了太多的經(jīng)典理論，比如它依然以軌道來描述電子的運(yùn)動，這些缺陷的存在使得該理論在結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜一點的原子光譜解釋過程中也面臨了障礙.當(dāng)然，隨著量子理論的進(jìn)一步發(fā)展，人們對原子結(jié)構(gòu)也形成了更加深入而全面的認(rèn)識.

在教學(xué)過程中，我們以物理學(xué)史來架設(shè)整個教學(xué)線索，引導(dǎo)學(xué)生循著前人的軌跡來探尋原子結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程，這樣的教學(xué)有助于學(xué)生站在對應(yīng)的歷史背景下重新經(jīng)歷那段探索過程，學(xué)生將由此而產(chǎn)生更加深刻，且更有條理的認(rèn)識.

三、問題解決之余的思考

教學(xué)中，我們以物理學(xué)史為線索將松散的知識串聯(lián)起來，有以下幾個方面的收獲.

1.激發(fā)學(xué)生物理學(xué)習(xí)的情感

崇拜強(qiáng)者、智者是一種非常普遍的社會心理現(xiàn)象.尤其是高中生，他們對成就非凡的科學(xué)家會產(chǎn)生一種強(qiáng)烈的欽佩和敬仰，并將他們作為自己成長過程中的偶像.利用名人效應(yīng)來向?qū)W生施加教育力量，這也是我們常用的教學(xué)手段，在崇拜心理的驅(qū)使下，學(xué)生將端正自己對待學(xué)習(xí)、對待事業(yè)、對待困難、對待成功的姿態(tài).科學(xué)家處理問題的智慧也將給予學(xué)生靈感的啟發(fā)，引領(lǐng)他們以科學(xué)的目光來研究和探索這個世界.物理教師在教學(xué)中要通過激發(fā)、導(dǎo)向等方式，讓崇拜心理在學(xué)生成長過程中發(fā)揮作用.

2.有助于學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展

在大力發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的今天，我們不但要重視學(xué)生在知識和技能方面的學(xué)習(xí)和發(fā)展，也要關(guān)注學(xué)生對過程和方法的體驗，還要強(qiáng)調(diào)對學(xué)生進(jìn)行情感態(tài)度以及價值觀的培養(yǎng).

3-5模塊所涉及的內(nèi)容除了第一章“動量守恒定律”以外，其他章節(jié)都是近代物理的知識，如果詳細(xì)講解，這些都是物理里面最為深奧難懂的東西，如果我們將這些內(nèi)容硬性地灌輸給學(xué)生，他們將無法感受學(xué)習(xí)的樂趣.反之，我們結(jié)合物理學(xué)史，和學(xué)生一起來分享那段波瀾壯闊的歷史，讓學(xué)生感受科學(xué)家探索過程中的心路歷程，這樣將能最大程度地激起學(xué)生的情感共鳴，進(jìn)而讓他們從中受到情感上的洗禮，同時還能在思想和精神上受到熏陶.比如，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)概率波和不確定關(guān)系時，我們引導(dǎo)學(xué)生回顧量子力學(xué)發(fā)展史上幾次著名論戰(zhàn)，指導(dǎo)他們分析不同派別的觀點和思維方法，這些有助于學(xué)生對有關(guān)知識的來龍去脈形成認(rèn)識.

參考文獻(xiàn)：

[1]曹義才，柯曉露.問題情景 實驗本源 多元表征 學(xué)科素養(yǎng)——2015年福建高考理科綜合物理試題評析[J].福建教育學(xué)院學(xué)報，2015(8).