物理學史在高中物理教學中的應用
——以高中《原子的核式結構模型》為案例

柳文蘭

(甘肅省臨夏回民中學 731100)

正在上高中的學生，正處于人生觀、世界觀、價值觀形成的關鍵時期，物理學史是一個巨大的資源寶庫，有助于學生掌握技能，獲得知識，幫助學生了解物理定理、規(guī)律的形成過程.因此，正是在新課程改革以及當前的教育現(xiàn)狀下，本文以高中《原子的核式結構模型》為案例，淺談物理學史在高中物理教學中的應用.

一、案例背景

科學，一個重要的觀念是”自然界是可理解的”，因此”科學家們總是進行認真的觀察、仔細的實驗、豐富的理論以及嚴謹?shù)臄?shù)學方法來建立和驗證他們對自然世界所提出的解釋”，從而創(chuàng)建了科學知識大廈.然而一旦發(fā)現(xiàn)新的證據(jù)與己有解釋不相符合，就需要修改已有的解釋或建立新的解釋，科學知識就此改變、發(fā)展.在這過程中主要體現(xiàn)因果邏輯關系(邏輯思維中的”充足理由律”)，即為新的實驗結果找出新的理論解釋產生這一結果的原因.正如人類對原子結構的認識過程就是科學家對不斷觀察到的實驗現(xiàn)象進行不同解釋的過程，也是原子結構知識不斷深入發(fā)展的過程.筆者從物理課程標準的精神出發(fā)，結合科學探究的特點，依據(jù)物理學史上的科學發(fā)現(xiàn)過程，從邏輯思維的角度進行課堂教學設計.

《原子的核式結構模型》是人教版選修3-5第十八章第二節(jié)的內容，本節(jié)內容向我們展現(xiàn)了這個發(fā)展過程.其中最有代表性的是這樣兩個過程：當盧瑟福發(fā)現(xiàn)a粒子散射實驗，推翻湯姆生的棗粒原子模型時，問題出現(xiàn)，于是他就根據(jù)新的實驗現(xiàn)象建立核式原子模型；可是不久后人們又發(fā)現(xiàn)從核式原子模型出發(fā)用經典的物理學理論推理出與事實相矛盾的結果，問題又出現(xiàn)，玻爾在系統(tǒng)研究光譜學的基礎上，把量子化概念引進盧瑟福的原子結構模型，提出了原子結構中量子化的軌道理論.通過實驗獲取相關信息，進行研究發(fā)現(xiàn)原有理論存在問題，根據(jù)實驗所得的信息重新推理，形成新的假說，然后將假說用于解釋問題和實驗的結果，最終建立自己的新理論，是科學家構建原子模型的主要邏輯過程和思維方法.表示如下：

根據(jù)科學家們對“原子結構”的探究歷程，筆者對本節(jié)內容進行教學設計的主要思路是：首先，創(chuàng)設一定的情境讓學生了解研究的歷史背景，激發(fā)學生對要研究的問題產生興趣；其次，給學生展示a粒子散射實驗的過程和結果，讓學生獲得與當年研究“原子結構”問題的科學家獲得相同的材料和信息，引導發(fā)現(xiàn)和思考同樣的問題，讓學生在體驗科學家的思想歷程中發(fā)現(xiàn)問題；然后，鼓勵學生通過思考和討論，作出推測或總結結論：最后，向學生展示科學家們在當時研究“原子結構”問題時的思維歷程和研究結果，進行比較分析，使學生產生強烈的情感體驗.在此過程中，學生體驗了科學家的思維活動，在獲得相應的知識的同時，對于科學、科學家會有更深刻的認識，這對他們理解科學本質，提高科學素養(yǎng)，有重要意義.設計思路如下：

創(chuàng)設情境，

二、案例設計

第一節(jié)《電子的發(fā)現(xiàn)》中己經學習了湯姆生發(fā)現(xiàn)電子的過程.

引導學生閱讀教材P51第一、二兩段后思考這兩個問題：

1.道爾頓提出的原子模型是什么？

2.從發(fā)現(xiàn)湯姆生電子的過程中你有什么啟發(fā)？(是什么原因促使湯姆生提出新原子結構模型的模型？這時人類對原子結構的認識有何進步？)

隨著科技的進步和科學的發(fā)展，人們對物質結構與性能關系的認識逐步深入，人們正鍥而不舍地探究著物質結構的奧秘，認識不斷提高.

【投影講授】我們曾經設想原子應該是個實心球體模型.(展示圖片)

湯姆生對陰極射線的研究發(fā)現(xiàn)了電子，說明電子是原子的重要組成部分.由于當時已知道原子是中性的，1904年，根據(jù)電子的發(fā)現(xiàn)，湯姆生認為產生這一現(xiàn)象的原因為原子是一個可以被再次分割的均勻的帶有正電的球體，電子對稱地嵌在這個球中，形成一個中性的球體.后人稱之為“棗糕式原子模型”(展示圖片)

【小結】原子結構模型的發(fā)展說明科學理論并不是確定的真理，一旦有新的證據(jù)出現(xiàn)，科學家們就會根據(jù)實驗事實對原來的理論進行修正和發(fā)展，形成新的理論.

問題1：“棗糕模型”描述了原子的結構是否確切呢？

下面我們不妨重現(xiàn)當年一些科學家的研究情境，而同學們當一回小科學家，看我們是否也能把人類對原子結構的認識推進一步.

1903年，英國科學家盧瑟福發(fā)現(xiàn)a射線.

盧瑟福與馬斯頓、蓋革等在1910年做了一個利用一束a粒子轟擊金箔的實驗.

【投影】粒子散射實驗演示.

問題2：請描述a粒子散射實驗的現(xiàn)象.

問題3：粒子散射實驗的現(xiàn)象與湯姆生的“棗糕模型”相符嗎？

教師引導：讓學生認真作圖，并積極討論.此過程中引導學生在充分的運動比較分析的邏輯思維方法進行思考，體現(xiàn)邏輯思維中的“充足理由律”這一規(guī)律.

提示：假設”棗糕式模型”是正確的，當一束a粒子轟擊金箔時，會出現(xiàn)怎樣的現(xiàn)象呢？

【投影】粒子轟擊”棗糕式模型”原子的實驗現(xiàn)象.(學生討論、分析)

在此過程中利用類比邏輯思維，引導學生比較分析實驗結果.此過程中學生獲得的信息與當時科學家們獲得的信息相類似，即引導學生重演了物理學史上科學家的探究過程，讓學生主動參與進來，要求他們充分發(fā)揮主觀能動性和運用比較分析的邏輯思維方法，通過自己的大腦積極思考，認真感悟，解決與科學家遇到的相同的科學問題，從中也就能感悟到與科學家相同的邏輯思維過程.

問題4：a粒子散射實驗的現(xiàn)象體現(xiàn)原子的結構應該是什么樣的才更合理呢？

(引導學生充分的討論和仔細的逐一分析實驗現(xiàn)象的三個結論)

(鼓勵學生用較為完整的邏輯性較強的物理語言描述原子的模型)

【結論】1.金屬原子間空隙是很小的；

2.電子帶負電，質量、體積很小.

問題5：你推理出的原子模型與實驗結果吻合嗎？嘗試用你的模型解釋實驗現(xiàn)象.

參考文獻：

[1]金利俊.應用物理學史培養(yǎng)高中生邏輯思維能力的實踐探索[D].南京：南京師范大學,2014.

[2]沙吾烈·廷阿什汗.物理學史引入高中物理課堂的現(xiàn)狀研究[D].烏魯木齊：新疆師范大學,2016.