基于HPS教學(xué)模式的教學(xué)過程設(shè)計

孫丹鳳 蘇玉成

摘 ? 要：電子的發(fā)現(xiàn)是目前人教版高中物理選修3-5第十八章第一節(jié)的內(nèi)容，主要為電子的發(fā)現(xiàn)過程和電子比荷的測定?，F(xiàn)以物理學(xué)史為情境，參照HPS教學(xué)模式，以物理學(xué)家關(guān)于陰極射線的爭論為線索展開，還原當年英國物理學(xué)家湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子的實驗及推理過程。通過經(jīng)歷科學(xué)家的科學(xué)探究過程，認識到科學(xué)本質(zhì)是基于事實證據(jù)，掌握科學(xué)探究方法，體會科學(xué)家的科學(xué)態(tài)度。力求讓學(xué)生在物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究及科學(xué)態(tài)度與責任四個維度都獲得發(fā)展。

關(guān)鍵詞：HPS教學(xué)模式;核心素養(yǎng);陰極射線;電子;比荷

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2019）11-0028-5

為落實立德樹人的根本任務(wù)，《普通高中物理課程標準》（2017年版）提出：“引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，體會科學(xué)研究方法，養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣，增強創(chuàng)新意識和實踐能力，引領(lǐng)學(xué)生認識科學(xué)的本質(zhì)及科學(xué)·技術(shù)·社會·環(huán)境的關(guān)系，形成科學(xué)態(tài)度、科學(xué)世界觀和正確的價值觀，為做有社會責任感的公民奠定基礎(chǔ)?！盵1]在這一要求下，HPS教學(xué)模式的優(yōu)勢便得以顯現(xiàn)，在物理學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)的背景下進行教學(xué)，可以在核心素養(yǎng)的多維度下發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

1 ? ?理論基礎(chǔ)

1.1 ? ?HPS教學(xué)模式

HPS（History of Science and Philosophy of Science）教學(xué)模式最早是由英國研究者馬騰·孟克（Marten Monk）和喬納森·奧斯本（Jonathan Osborne）提出，主要通過在教學(xué)實踐中融入科學(xué)史和科學(xué)哲學(xué)，使學(xué)生對科學(xué)家的探究過程進行簡單復(fù)演，使“知識線”“思維方法線”“科學(xué)情感線”同時展開[2]。HPS以構(gòu)建主義為理論背景，因為個體從任何情境中學(xué)到的東西，不僅取決于個體能從情境中抽象出什么，還取決于情境帶來的心理構(gòu)造。HPS的教學(xué)過程主要包括六個環(huán)節(jié)，流程如圖1所示[3]。

1.2 ? ?課標分析

《普通高中物理課程標準》（2017年版）將電子的發(fā)現(xiàn)內(nèi)容設(shè)置在教材選擇性必修三中，并在第3.3.1條目中要求：了解人類探索原子及其結(jié)構(gòu)的歷史;在第3.3.5條目中要求：了解人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索歷程。結(jié)合本節(jié)內(nèi)容，從核心素養(yǎng)的角度出發(fā)，課標要求學(xué)生通過本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，完善物質(zhì)觀念，可以從物理學(xué)視角解釋與電子相關(guān)的自然現(xiàn)象和解決實際問題;通過湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子的實驗，了解發(fā)現(xiàn)電子的探索過程，并從中感悟提出假設(shè)、建立模型、實驗驗證的科學(xué)研究方法;要求學(xué)生通過相關(guān)史實的學(xué)習(xí)知道所有物理結(jié)論都必須接受實踐的檢驗，在學(xué)習(xí)與研究中做到實事求是，不迷信權(quán)威，能與他人合作;知道科學(xué)技術(shù)對人類社會和生活發(fā)展的影響。

2 ? ?基于HPS模式的教學(xué)過程設(shè)計

電子的發(fā)現(xiàn)始于科學(xué)家們對于陰極射線本質(zhì)長達40年的探索與爭論。因此，將從陰極射線的發(fā)現(xiàn)、陰極射線本質(zhì)的爭論、湯姆孫的研究這三大部分并結(jié)合HPS教學(xué)模式展開設(shè)計。

2.1 ? ?展示現(xiàn)象（創(chuàng)設(shè)物理情境）

引入：氣體放電現(xiàn)象

（播放一段30 s的城市燈光夜景的視頻）

提問：同學(xué)們看到了什么？

（學(xué)生回答）

教師：每當夜幕降臨，大街小巷就亮起了各式各樣璀璨而絢爛的霓虹燈，使得城市的夜晚美麗而熱鬧。那同學(xué)們是否知道這里發(fā)光的其實是霓虹燈中通電的氣體？

在19世紀，電力工業(yè)大發(fā)展，電氣照明開始應(yīng)用，促使科學(xué)家們競相研究低壓氣體放電和真空技術(shù)。其中，德國物理學(xué)家蓋斯勒在1858年發(fā)明了氣體放電管。同年，另一位德國物理學(xué)家普呂克爾（J.Plvcker）利用蓋斯勒放電管研究氣體放電現(xiàn)象時發(fā)現(xiàn)，在放電管正對陰極的管壁上發(fā)出綠色熒光。但他當時并沒有對這一現(xiàn)象進行解釋，直到后來另一位德國物理學(xué)家戈德斯坦（Evgen Goldstein）認為，這是由于從陰極發(fā)射出了某種射線，并將其命名為陰極射線。

【設(shè)計意圖】 根據(jù)HPS教學(xué)模式的第一階段，創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為第二階段關(guān)于陰極射線本質(zhì)的爭論做鋪墊。滲透科學(xué)·技術(shù)·社會之間的關(guān)系，形成探索自然的內(nèi)在動力。

2.2 ? ?以爭論為線索誘出學(xué)生觀點（同時陳述歷史觀點）

發(fā)現(xiàn)陰極射線的存在后，隨之而來的科學(xué)問題就是，這種射線的本質(zhì)到底是什么。當時的科學(xué)家分成兩派，一派以威廉·克魯克斯（W.Crookes）為代表的科學(xué)家們認為陰極射線是由帶電粒子組成的，另一派以赫茲為代表的科學(xué)家們認為陰極射線的本質(zhì)其實是一種電磁波。雙方為了證實自己的觀點都作了大量的研究。

例如，在1871年瓦爾利（C.F.Varley）發(fā)現(xiàn)陰極射線在磁場中會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，威廉·克魯克斯通過實驗證實了陰極射線在磁場中會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，能按直線前進，能聚焦，可以傳遞能量和動量。（可以根據(jù)時間借助多媒體手段適當展開）

另一派的德國物理學(xué)家為了駁倒粒子說也做了大量的實驗。例如，戈德斯坦為了說明陰極射線不是粒子流，特意做了一組光譜實驗。赫茲也設(shè)計了許多實驗，通過實驗發(fā)現(xiàn)陰極射線可以穿過金屬板，仍舊在玻璃壁上留下熒光。（可以根據(jù)時間借助多媒體手段適當展開）

教師：那請同學(xué)們思考并回答，你們認為陰極射線的本質(zhì)是什么？

（學(xué)生思考并回答）

教師：有的同學(xué)回答是帶電粒子，有的同學(xué)回答是電磁波，請同學(xué)們思考這兩種物質(zhì)的區(qū)別是什么？

（學(xué)生思考并回答）

【設(shè)計意圖】 參照HPS教學(xué)模式的第二、三階段。

物理觀念：通過對物質(zhì)本質(zhì)的探討，進一步完善學(xué)生的物質(zhì)觀念。

科學(xué)思維：通過引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)兩種物質(zhì)特性的區(qū)別進而為后面的設(shè)計實驗做鋪墊。引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)會分析問題的科學(xué)方法（概括與猜想、比較與分類），發(fā)展學(xué)生的科學(xué)推理能力。

科學(xué)探究：培養(yǎng)學(xué)生通過觀察提出物理問題，形成猜想與假設(shè)的能力。

科學(xué)態(tài)度與責任：通過歷史的再現(xiàn)，使學(xué)生潛移默化地認識到科學(xué)發(fā)展過程的漫長和艱辛，感悟科學(xué)家們追求真理的不懈努力和科學(xué)態(tài)度。同時培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)觀：科學(xué)的發(fā)展基于事實證據(jù)，科學(xué)家們提出的理論終歸要被實踐所檢驗。

2.3 ? ?引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗

教師：對，帶電粒子帶有電荷。那么，同學(xué)們能否根據(jù)我們之前學(xué)過的帶電粒子在電場中的運動規(guī)律設(shè)計一個實驗驗證你們自己的猜想呢？請大家小組討論。

（學(xué)生小組討論后舉手回答）

學(xué)生：可以施加一個電場，看對陰極射線是否有影響？

【設(shè)計意圖】 參照HPS教學(xué)模式第四階段。

科學(xué)思維：帶電粒子在電磁場中運動模型的應(yīng)用。培養(yǎng)基于事實經(jīng)驗建構(gòu)物理模型的能力。

科學(xué)探究：發(fā)展設(shè)計實驗的能力、獲取和處理信息的能力。

科學(xué)態(tài)度與責任：培養(yǎng)科學(xué)是基于事實證據(jù)的科學(xué)本質(zhì)觀。

2.4 ? ?進行科學(xué)探究

教師：同學(xué)們回答得很好！這個想法和當年的英國物理學(xué)家湯姆孫的想法不謀而合，他是帶電粒子說的支持者。他就設(shè)計了這樣一個實驗來驗證自己的觀點：他設(shè)計了一個氣體放電管，由K極發(fā)射出的陰極射線通過兩個金屬環(huán)，穿過兩片平行的金屬板之間，到達右端帶有標尺的熒光屏上，通過熒光點的位置判斷陰極射線的軌跡。

按照剛才同學(xué)的猜想，如果電場對陰極射線的軌跡產(chǎn)生了影響，那么陰極射線就是由帶電粒子組成的。那么，請大家觀看施加上負下正電壓時的現(xiàn)象。（此處教師要向?qū)W生解釋，陰極射線是看不見的，之所以能看見，是因為對其做了處理。）

學(xué)生觀看實驗現(xiàn)象：陰極射線向下偏轉(zhuǎn)

教師：可以看到陰極射線向下偏轉(zhuǎn)，所以陰極射線是由帶負電的粒子組成的。其實，早前赫茲也做了類似施加電場的實驗，但因為玻璃管真空度不高，氣體發(fā)生電離，把外加電場抵消掉了，所以陰極射線沒有偏轉(zhuǎn)。赫茲并沒有意識到實驗的問題，還將其作為駁倒粒子說的證據(jù)。但細心觀察的湯姆孫發(fā)現(xiàn)了施加電壓后陰極射線瞬間受到輕微的擾動，后來提高了玻璃管的真空度，才使實驗成功。所以，科學(xué)的發(fā)現(xiàn)需要耐心、細致的觀察和思考。

我們既然知道了陰極射線是由帶電粒子組成的，能否判斷出它具體是哪一種帶電的粒子呢？這就需要我們測定該粒子的比荷。我們之前是如何測定帶電粒子比荷的？

學(xué)生：可以在勻強磁場中測定比荷，原理是

教師：施加的磁場強度的大小和方向是可以自己決定的，如果現(xiàn)在施加一個大小為B垂直于紙面向外的磁場，r也可以由幾何關(guān)系得到，即B、r為已知量。那我們還需要知道什么？

學(xué)生：速度v。

教師：很顯然，在磁場中我們測不出速度v，那除了磁場，帶電粒子還會在什么場中偏轉(zhuǎn)？

學(xué)生：電場。

教師：帶電粒子在電場中也會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，那我們就可以施加一個電場。施加一個什么方向的電場可以得到帶電粒子進入磁場時的速度呢？

學(xué)生：向上的電場，使電場力與洛倫茲力平衡，qE=qvB，v=。

教師：這就是我們之前學(xué)習(xí)過的速度選擇器的原理（如圖5），這樣我們就可以測得該粒子的比荷：

為了充分保證試驗結(jié)果的準確性，湯姆孫又換用了不同的方法測定帶電粒子的比荷。這次他只用電場，大家認為他是否能成功？

學(xué)生：可以/不可以成功。

教師：如何通過電場測出比荷不容易想到，科學(xué)總是充滿挑戰(zhàn)和困難的，我們要學(xué)會通過思考和利用學(xué)過的知識來解決問題。如果只用電場測定比荷，必然要分析粒子在電場中的運動。如圖6所示，（不計重力）請同學(xué)們思考后根據(jù)運動軌跡和受力情況描述一下粒子的運動過程。

學(xué)生：帶電粒子垂直射入電場，在電場力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)后射出電場，做勻速直線運動。

教師：所以只用電場也是可以的，我們需要將速度偏轉(zhuǎn)的角度θ和打在屏上的位置P2與P1之間的距離y測量出來。那請大家討論一下，將比荷的表達式寫出來。

（學(xué)生小組討論）

教師：請討論出結(jié)果的同學(xué)回答。

【設(shè)計意圖】 參照HPS教學(xué)模式的第五階段。

科學(xué)思維：掌握不同種測定比荷的科學(xué)方法。具體運用分析綜合、推理論證等科學(xué)方法研究科學(xué)問題，不僅是定性的推理，還能從定量的方面進行推理，同時能夠?qū)Σ煌^點提出質(zhì)疑。

科學(xué)探究：通過經(jīng)歷比荷測定的探究過程，培養(yǎng)設(shè)計和制定實驗計劃的能力，獲取與處理信息的能力。

科學(xué)態(tài)度與責任：培養(yǎng)嚴謹認真、實事求是的科學(xué)態(tài)度。

2.5 ? ?評估與總結(jié)

教師：我們剛剛經(jīng)歷了當年湯姆孫測定比荷的部分過程，學(xué)會了兩種測定比荷的方法。同學(xué)們也在老師的引導(dǎo)下測定出了比荷，想想當年湯姆孫需要自己獨立設(shè)計實驗，制作器材，整理數(shù)據(jù)并反復(fù)驗證。這需要克服多少困難和付出多少辛勞！

科學(xué)的發(fā)展需要付出大量艱辛的腦力和體力勞動，通過實驗獲得證據(jù)來證實猜想和結(jié)論。后來湯姆孫又做了大量的實驗，發(fā)現(xiàn)換用不同材料的陰極所得到的比荷的數(shù)值是一定的，這說明了什么？

學(xué)生：不同材料的陰極都含有這種帶電粒子。

教師：對，這就說明不同物質(zhì)都能發(fā)射這種帶電粒子，它是構(gòu)成各種物質(zhì)的共有成分。后來這種成分就被命名為我們現(xiàn)在所熟知的電子。湯姆孫發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過實驗測得的電子的比荷約是氫離子的兩千倍，他猜測是因為電子所帶的電荷量與氫離子差不多，而質(zhì)量約為氫離子的1/2000。他的這個猜想是非常大膽的，因為在當時人們的觀念里，氫離子被認為是最小的原子，怎么會有比它更小的粒子呢？科學(xué)是基于事實證據(jù)的，湯姆孫后來做了大量實驗，粗略地測得了電子所帶的電荷量真的與氫離子相同，這就驗證了他的猜想。電子是比原子更小的粒子，是更為基本的物質(zhì)單元。

電子所帶電荷量的精確值是由后來的美國物理學(xué)家羅伯特·安德魯·密立根（Robert Andrews Millikan）通過著名的油滴實驗得出的，約為1.60217733（49）×10-19 C。并且他通過實驗得到一個重要的發(fā)現(xiàn)：任何帶電體的電荷量只能是e的整數(shù)倍。

關(guān)于陰極射線的本質(zhì)，人們研究和爭論了近40年，湯姆孫從1890年開始研究陰極射線至發(fā)現(xiàn)電子經(jīng)歷了近十年的研究。因為電子的發(fā)現(xiàn)，打破了原子不可分的物質(zhì)觀念，使人們意識到原子也是具有結(jié)構(gòu)的，推動人們對于原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不斷探索，才有了后來飛速發(fā)展的原子物理學(xué)和核物理學(xué);電子的發(fā)現(xiàn)同時帶來微電子技術(shù)和電子計算機技術(shù)的發(fā)展，使得人類的科學(xué)技術(shù)發(fā)展和社會文明進入嶄新的時代。所以，電子也被稱為19/20世紀之交的三大發(fā)現(xiàn)之一。

【設(shè)計意圖】 參照HPS教學(xué)模式的第六階段。

物理觀念：通過電子的發(fā)現(xiàn)認識到原子具有自身結(jié)構(gòu)以及電荷具有量子化的特征，進一步發(fā)展學(xué)生的物質(zhì)觀念。

科學(xué)探究：培養(yǎng)對探究過程和結(jié)論的評估、交流和反思的能力。

科學(xué)態(tài)度與責任：培養(yǎng)嚴謹認真、實事求是和持之以恒的科學(xué)態(tài)度。認識到科學(xué)本質(zhì)是基于事實證據(jù)的。知道科學(xué)的發(fā)展是艱辛而曲折的，認識科學(xué)·技術(shù)·社會之間的關(guān)系。

3 ? ?結(jié) ?語

基于HPS的教學(xué)設(shè)計，以物理學(xué)史為情境，滲透人文哲學(xué)。通過概念知識的學(xué)習(xí)塑造物理觀念;通過經(jīng)歷科學(xué)家的探究過程，啟發(fā)學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)造性思維，發(fā)展科學(xué)推理和論證能力，滲透科學(xué)是基于事實證據(jù)的科學(xué)本質(zhì)觀;通過同伴討論培養(yǎng)分析、表達和質(zhì)疑能力;通過對科學(xué)家所做工作的了解，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)責任感，使得物理教學(xué)能有效、全面地提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]高礦.HPS教學(xué)模式在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用——以原子核式結(jié)構(gòu)模型的教學(xué)為例[J].物理教師，2013，34（2）：15-17.

[3]Monk M， Osborne J. Placing the history and philosophy of science on the curriculum：A model for the development of pedagogy[J]. Science Education，1997，81（4）：405-424.

（欄目編輯 ? ?鄧 ? 磊）