基于核心素養(yǎng)的高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)探討
——以“玻爾的原子模型”教學(xué)為例

(浙江省金華第一中學(xué)，浙江 金華 321015)

1 問(wèn)題的提出

提倡物理教學(xué)以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向，是深化教育改革的必然要求，基于核心素養(yǎng)的高中物理教學(xué)應(yīng)該堅(jiān)持學(xué)本性、實(shí)踐性、發(fā)展性等教學(xué)原則，以基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能為抓手，創(chuàng)設(shè)問(wèn)題解決的真實(shí)情境，使學(xué)生掌握問(wèn)題解決的基本方法，最后形成良好的思考、解決問(wèn)題的思維方式，關(guān)注科學(xué)方法的實(shí)際應(yīng)用，逐漸提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。筆者以“玻爾的原子模型”的教學(xué)為例，探討教學(xué)設(shè)計(jì)問(wèn)題。

傳統(tǒng)教學(xué)往往采用圖1所示的教學(xué)流程，圍繞“玻爾的原子模型以及對(duì)氫原子光譜的解釋”展開，傾向于知識(shí)的介紹。

這樣的教學(xué)存在一定的弊端，從知識(shí)接收角度來(lái)說(shuō)，忽視了知識(shí)的產(chǎn)生過(guò)程，不斷重復(fù)知識(shí)拼接后的結(jié)論，有意無(wú)意地縮短了學(xué)生對(duì)新知識(shí)學(xué)習(xí)的思考過(guò)程。從運(yùn)用知識(shí)的角度來(lái)說(shuō)，將死記硬背當(dāng)做獲得成績(jī)的主要途徑，忽視學(xué)生在技能方面的訓(xùn)練，不利于學(xué)生能力的培養(yǎng)。

2 基于核心素養(yǎng)的物理教學(xué)設(shè)計(jì)

本節(jié)課的教學(xué)由新課導(dǎo)入、質(zhì)疑猜想、生活類比和體會(huì)局限四個(gè)部分組成，體現(xiàn)了物理核心素養(yǎng)中的物理思維和科學(xué)精神的培養(yǎng)要求。

2.1 對(duì)比經(jīng)典，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，了解模型提出的背景

學(xué)生觀點(diǎn)一：根據(jù)盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型，電子圍繞原子核運(yùn)行，就像是行星圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)(如圖2)。

圖2

圖3

學(xué)生觀點(diǎn)二：根據(jù)經(jīng)典理論，電子圍繞原子核運(yùn)行，由于不斷向外輻射電磁波，電子損失了能量，其軌道半徑不斷縮小，最終落在原子核上,使原子變得不穩(wěn)定(如圖3)。

師：上述觀點(diǎn)正確嗎？除此之外，還有其他問(wèn)題嗎？

學(xué)生觀點(diǎn)三：根據(jù)實(shí)驗(yàn)，原子譜線分立、不連續(xù)(如圖4)。

圖4

學(xué)生觀點(diǎn)四：按照經(jīng)典理論，由于電子軌道是連續(xù)變化的，那么輻射出的電磁波頻率應(yīng)等于繞核運(yùn)動(dòng)的頻率，應(yīng)連續(xù)變化，所以原子光譜表現(xiàn)出來(lái)應(yīng)該是連續(xù)光譜。

師：經(jīng)典理論與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相沖突時(shí)，能否找到一個(gè)更為合理的解釋？

針對(duì)以上問(wèn)題，學(xué)生開始主動(dòng)思考，為何出現(xiàn)這樣的結(jié)果，當(dāng)已有的知識(shí)不再適用，是否可以提出新的理論？通過(guò)這樣的思考，學(xué)生體會(huì)到經(jīng)典理論存在的局限性，從而大膽地提出自己的想法。

在此過(guò)程中，教師的責(zé)任就是將學(xué)生被動(dòng)接受改為主動(dòng)學(xué)習(xí)，讓學(xué)生的質(zhì)疑精神充分彰顯。并且，在引導(dǎo)學(xué)生時(shí)，我們應(yīng)該思考，這個(gè)問(wèn)題或者現(xiàn)象學(xué)生能否結(jié)合自己的背景知識(shí)予以回答？對(duì)于理所當(dāng)然的現(xiàn)象能否大膽質(zhì)疑？面對(duì)問(wèn)題時(shí)能否制定方案解決？這與核心素養(yǎng)構(gòu)中所涉及的“科學(xué)思維”相關(guān)，學(xué)生不應(yīng)該只是一味地學(xué)習(xí)結(jié)論，而應(yīng)該經(jīng)歷結(jié)論得出的過(guò)程，從而培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題的能力。

2.2 大膽假設(shè)，科學(xué)推理，學(xué)習(xí)玻爾原子模型

師：玻爾也和你們一樣，對(duì)于眼前的問(wèn)題，想提出自己的解決方案，他的研究背景是怎樣的？

讓學(xué)生通過(guò)閱讀，了解玻爾的生平。

生：玻爾作為盧瑟福的學(xué)生，在其師行星模型的基礎(chǔ)上，試圖把量子的概念引入到盧瑟福的模型中，嘗試找到一種新的理論，以解決原子的穩(wěn)定性問(wèn)題，并解釋原子的線狀光譜。

師：除此之外，還有其他的影響因素嗎，比如玻爾所處的時(shí)代背景？

生：當(dāng)時(shí)的時(shí)代背景也很重要，比如1885年巴爾末分析了氫原子光譜中在可見(jiàn)光區(qū)的4條譜線，得到了巴爾末公式。1900年普朗克提出了能量量子化的概念，解釋了黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律。1905年愛(ài)因斯坦提出光量子假說(shuō)，解釋了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

讓學(xué)生圍繞盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型以及氫原子光譜，進(jìn)行探討，并介紹玻爾的兩條假說(shuō)，培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)推理”能力。

2.3 大膽類比，理解模型

玻爾原子理論的主要內(nèi)容為：(1) 能量量子化與定態(tài)假說(shuō)，原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，這些狀態(tài)叫定態(tài)，處于定態(tài)的原子中的電子雖做加速運(yùn)動(dòng)，但不輻射能量。(2) 躍遷與頻率條件假說(shuō)，原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)時(shí)，它輻射或吸收一定頻率的光子，光子的能量由這兩個(gè)定態(tài)的能量差決定。

可以看到，第1條假說(shuō)是針對(duì)原子體系不穩(wěn)定、電子軌道會(huì)慢慢變小這點(diǎn)提出。而第2條假說(shuō)是針對(duì)氫原子光譜是分立的譜線而提出。

師：該如何理解原子只能發(fā)出特定頻率的光子呢？請(qǐng)同學(xué)們分組討論，聯(lián)系生活實(shí)際，嘗試用生活中的模型進(jìn)行類比。

生：是否可以用跳階梯來(lái)進(jìn)行類比呢？如圖5所示，用階梯來(lái)表示能級(jí)，用階梯之間的跳躍表示原子在不同能級(jí)之間的躍遷。跳躍不可能懸停在半空，那么原子在躍遷時(shí)，也不會(huì)躍到能級(jí)之間的某處，這樣就可以形象地描述原子只能發(fā)出特定頻率光子的現(xiàn)象了。

圖5

師：那能否用這個(gè)模型繼續(xù)解釋不同的原子具有不同的能級(jí)？

生：就像不同的階梯，不是每個(gè)階梯都具備相同的高度差。因此，在躍遷過(guò)程中，輻射(或吸收)光子的頻率也不相同。

用生活實(shí)例來(lái)輔助原子模型的學(xué)習(xí)，不僅可以增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能加深學(xué)生對(duì)模型的理解，讓學(xué)生的認(rèn)知活動(dòng)更有意義。

2.4 肯定成就，了解局限，彰顯科學(xué)態(tài)度

師:出現(xiàn)的問(wèn)題都迎刃而解，物理的天空也出現(xiàn)了絢麗的光輝，但是這是持久的光輝嗎？是否一個(gè)問(wèn)題的解決就代表了此類問(wèn)題都解決了？

學(xué)生閱讀課本，分組討論，作相關(guān)回答。

生：這個(gè)理論無(wú)法解釋稍微復(fù)雜一點(diǎn)的現(xiàn)象，如氦原子的光譜現(xiàn)象，玻爾提出的原子模型存在局限性。不像前面提及的那樣，當(dāng)原子處于不同的狀態(tài)時(shí)，電子在特定軌道上運(yùn)行。量子力學(xué)表明此時(shí)電子在各處均可出現(xiàn)，但出現(xiàn)的概率密度是不一樣的。

師：雖然玻爾理論存在局限性，但這場(chǎng)不徹底的革命帶來(lái)更多的是啟發(fā)和借鑒作用。玻爾大膽猜測(cè)，率先在原子的研究中引入量子化的概念，為未來(lái)的研究者鋪平了道路。

盡管玻爾的模型被證明不很完善，但仍然是人們認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要里程碑，它進(jìn)一步說(shuō)明微觀世界中原子范圍內(nèi)的現(xiàn)象要用量子理論才能更好地解決。要讓學(xué)生們明白，在今后的學(xué)習(xí)中要學(xué)會(huì)質(zhì)疑，大膽假設(shè)，要明白即使錯(cuò)誤也是一種發(fā)展和成長(zhǎng)。因?yàn)榭茖W(xué)的發(fā)展就是不斷修正錯(cuò)誤、發(fā)現(xiàn)真理的過(guò)程，這是科學(xué)研究所需要的正確態(tài)度。

4 結(jié)語(yǔ)

與傳授知識(shí)為本的教學(xué)設(shè)計(jì)相比，基于核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)讓知識(shí)和能力變得更有延續(xù)性。作為教師，在設(shè)計(jì)教學(xué)時(shí)要更加領(lǐng)悟和滲透蘊(yùn)藏在教科書中的內(nèi)容，讓教學(xué)變得更有意義。