從新舊教材對比看學(xué)習(xí)物理學(xué)史的意義

王向科 祁會玲

[摘 要]2020年人教版新教材在物理學(xué)史內(nèi)容的編排上有了較大變化，充分體現(xiàn)了新課標(biāo)的內(nèi)容要求及學(xué)業(yè)要求。文章通過將2020年新教材中《原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性》一章與舊教材中的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行對比，分析新教材在物理學(xué)史處理上的要點(diǎn)，并結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知水平，闡明了物理學(xué)史在本章學(xué)習(xí)中的重要作用和教學(xué)中需要注意的一些問題。

[關(guān)鍵詞]新教材;物理學(xué)史;原子結(jié)構(gòu);波粒二象性

[中圖分類號]? ? G633.7? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）35-0054-02

物理學(xué)史是高中物理的重要組成部分，具有科學(xué)性、形象性、趣味性等特點(diǎn)?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》在舉例和活動建議中，多次提到物理學(xué)史的學(xué)習(xí)，如“了解伽利略的實(shí)驗(yàn)研究工作”“了解中子的發(fā)現(xiàn)過程”“體會物理學(xué)發(fā)展過程中對統(tǒng)一性的追求”等等，在這些內(nèi)容的學(xué)習(xí)中，學(xué)生可以了解物理學(xué)發(fā)展的過程，理解學(xué)科知識發(fā)展的前因后果，還可以體會科學(xué)探索、發(fā)展的曲折，進(jìn)而提升自身的學(xué)科核心素養(yǎng)。

2020年人教版新教材的編寫在物理學(xué)史方面有很多亮點(diǎn)，體現(xiàn)了新課標(biāo)的要求，尤其是在近代物理的《原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性》這一章中，物理學(xué)史的內(nèi)容占據(jù)了至關(guān)重要的地位。因此，在本章的教學(xué)活動中，有意識地加強(qiáng)了物理學(xué)史的學(xué)習(xí)。

一、教材結(jié)構(gòu)的變化

2020版教材在《原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性》這一章的編寫上下足了功夫，和2010版教材相比也有了巨大的變化，使內(nèi)容的順序安排更加符合物理學(xué)的發(fā)展歷史和學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。這些變化不僅體現(xiàn)在本章內(nèi)容的編寫上，甚至將2010版教材選修系列的框架都進(jìn)行了重構(gòu)。

1.從整體結(jié)構(gòu)來看，在2010版教材中，機(jī)械波和幾何光學(xué)放在選修3-4部分，其中關(guān)于波的基礎(chǔ)知識、光的干涉和衍射等都是學(xué)習(xí)波粒二象性內(nèi)容的必備知識。但是很多學(xué)校為了追求高考升學(xué)率，讓學(xué)生放棄了選修3-4的學(xué)習(xí)，而只學(xué)習(xí)選修3-3、3-5，甚至只學(xué)習(xí)其中的一本。這一做法割裂了學(xué)生知識的連貫性，導(dǎo)致基礎(chǔ)知識的欠缺，在學(xué)習(xí)波粒二象性時(shí)完全是死記硬背，導(dǎo)致學(xué)生知其然而不知其所以然。這對學(xué)生形成正確的物質(zhì)觀念，無疑是巨大的障礙。

2020版教材在整體編寫順序上更注重時(shí)間脈絡(luò)，并通過教材模塊和順序的重構(gòu)，從評價(jià)體系上杜絕了以上錯(cuò)誤做法出現(xiàn)的可能性，起到了非常好的導(dǎo)向作用。新教材將機(jī)械波和光的知識作為選擇性必修1的內(nèi)容，成為必考知識點(diǎn)，從根源上起到了引導(dǎo)教學(xué)有序開展的作用。新教材注重了知識之間的連貫性，層層遞進(jìn)，充分考慮了學(xué)生的認(rèn)知水平，讓學(xué)生能夠循序漸進(jìn)地構(gòu)建完整的物理學(xué)知識框架，更好地發(fā)展學(xué)生的物理觀念，更好地為“立德樹人”的總目標(biāo)服務(wù)。

2.從章節(jié)內(nèi)容來看，在2010版教材中，《波粒二象性》在《原子結(jié)構(gòu)》之前，并且分為兩章，“粒子的波動性”“概率波”“不確定性關(guān)系”這三小節(jié)內(nèi)容緊隨在“光的粒子性”之后。但是從時(shí)間跨度上來看，“光的粒子性”中介紹的愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋是在1905年提出，而德布羅意的理論是在1924年提出，薛定諤的波動方程在1925年提出，海森堡的不確定性關(guān)系在1927年提出?！肮獾牧Ｗ有浴焙秃竺嬲鹿?jié)內(nèi)容中的歷史事件間隔時(shí)間過于久遠(yuǎn)。最重要的是，在這近20年間隔中，物理學(xué)家對原子結(jié)構(gòu)的研究蓬勃發(fā)展，這其中就包括原子核式結(jié)構(gòu)的提出和玻爾的研究，這些研究對量子力學(xué)產(chǎn)生了巨大影響。了解了這些研究內(nèi)容和相關(guān)理論的提出，能幫助學(xué)生更好地理解科學(xué)家面對量子世界古怪行為時(shí)的茫然無措，也為更好地理解“波粒二象性”做好知識鋪墊。

我們欣喜地看到，2020年版的新教材對這一部分內(nèi)容進(jìn)行了大刀闊斧的修改。

從表1可以發(fā)現(xiàn)，新教材首先將原有的兩章變?yōu)橐徽?。這一變化，不是內(nèi)容上的減少，而是內(nèi)容上的融合，這種融合，恰恰反映出原子結(jié)構(gòu)的研究和量子力學(xué)的建立與物理學(xué)發(fā)展過程中密不可分的關(guān)系。其次，新教材將涉及量子力學(xué)部分的粒子的波動性、概率波等內(nèi)容調(diào)整到原子結(jié)構(gòu)和玻爾模型之后，讓整個(gè)章節(jié)的知識架構(gòu)更加合乎邏輯，同時(shí)也更加符合物理學(xué)發(fā)展的時(shí)間脈絡(luò)。

新教材還在第5節(jié)增加了關(guān)于量子力學(xué)建立的過程，點(diǎn)明了海森堡、波恩、薛定諤等人在量子力學(xué)建立過程中的貢獻(xiàn)，介紹了量子力學(xué)的應(yīng)用，在科學(xué)漫步中增加了索爾維會議的相關(guān)內(nèi)容，這些在2010版教材中是沒有的。在課本的插圖中，也增加了牛頓得到太陽光譜、夫瑯禾費(fèi)記錄光譜、索爾維會議等圖片，將光電效應(yīng)和α粒子散射實(shí)驗(yàn)的圖片變得更貼近實(shí)物，這讓學(xué)生有了更加直觀的認(rèn)識。

二、物理學(xué)史內(nèi)容對本章學(xué)習(xí)的重要意義

1.新課標(biāo)對本部分教學(xué)的內(nèi)容要求和學(xué)業(yè)要求需要靠物理學(xué)史的學(xué)習(xí)來達(dá)成

本次新課標(biāo)的修訂，更加注重學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。課程標(biāo)準(zhǔn)對本章教學(xué)內(nèi)容的要求表述以3個(gè)“知道”、4個(gè)“了解”為主，如表2。

活動建議有：查閱資料以了解華人科學(xué)家的貢獻(xiàn)和閱讀科普讀物;通過史實(shí)了解量子概念的建構(gòu)對人類認(rèn)識自然的影響，這些資料里都蘊(yùn)含著豐富的物理學(xué)史知識。學(xué)業(yè)要求方面，要求認(rèn)識建構(gòu)原子核式結(jié)構(gòu)模型的重要性，知道所有物理結(jié)論都必須接受實(shí)踐的檢驗(yàn)，在學(xué)習(xí)與研究中做到實(shí)事求是，不迷信權(quán)威。

量子力學(xué)的建立過程和經(jīng)典力學(xué)的建立過程截然不同，從第一次光的“波粒戰(zhàn)爭”到量子力學(xué)的建立，其過程可以稱得上是一波三折、跌宕起伏，這其中有量子論的創(chuàng)始人之一普朗克都對其理論一度產(chǎn)生懷疑，也有海森堡和薛定諤研究的殊途同歸，更有愛因斯坦和哥本哈根學(xué)派的巔峰對決。學(xué)生通過學(xué)習(xí)相關(guān)物理學(xué)史，置身于當(dāng)時(shí)的物理學(xué)發(fā)展背景之中，跟隨大師的腳步對相關(guān)問題進(jìn)行思考以培養(yǎng)科學(xué)思維，體會先賢為了尋求真理而不斷探索、實(shí)驗(yàn)、爭論，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神，讓學(xué)生身臨其境地理解他們在追求真理的道路上的彷徨、苦悶、勇氣和責(zé)任感，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生正確的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任感，只有更好地了解了量子力學(xué)的發(fā)展過程，才能更好地理解量子力學(xué)建立的合理性和必然性，形成正確的物理觀念，埋下科學(xué)研究的種子。

2.增加物理學(xué)史的學(xué)習(xí)內(nèi)容，符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平

根據(jù)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，學(xué)生知識的習(xí)得和內(nèi)化，必須是建立在原有知識之上的。在本章學(xué)習(xí)中，學(xué)生理解“粒子的波動性”等內(nèi)容存在著較大的困難，因?yàn)槲⒂^世界的這些理論和我們對宏觀世界的認(rèn)知有著很大的差異，和日常經(jīng)驗(yàn)顯得格格不入，很多現(xiàn)象在高中階段甚至在科學(xué)研究中都是無法直接觀測的，只能靠數(shù)學(xué)語言來表達(dá)。絕大多數(shù)高中生還不具備這樣的知識儲備，盡管他們已經(jīng)具備了一定的抽象思維能力，但還是不能缺少模型、圖形、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的形象支撐。這種沖突導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中感覺很多理論是匪夷所思、難以信服的。如果單純強(qiáng)調(diào)知識及概念的記憶，而不了解知識的來龍去脈，甚至可能讓學(xué)生形成錯(cuò)誤的物理觀念。

通過物理學(xué)史的學(xué)習(xí)可以在一定程度上解決相關(guān)問題。首先，教師可以進(jìn)行以物理學(xué)史為綱要的大單元教學(xué)設(shè)計(jì)，將相關(guān)知識的發(fā)展始末串聯(lián)起來，幫助學(xué)生清楚地認(rèn)識一些概念提出的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和原因，了解不同觀點(diǎn)之間的沖突和融合。其次，物理學(xué)史的形象性和趣味性是單純的學(xué)科知識所不具備的，其呈現(xiàn)形式也是多種多樣的，既可以是文字，也可以是動畫、視頻，可以給學(xué)生更生動的認(rèn)知體驗(yàn)，既能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能幫助學(xué)生理解抽象的概念，物理學(xué)史中還有很多物理學(xué)家精妙的比喻和思維實(shí)驗(yàn)，例如盧瑟福形容α粒子大角散射時(shí)用的“炮彈被紙張反彈”的形象描述，這些都可以給學(xué)生描繪出生動的圖景。

無論從新課標(biāo)的要求來看，還是從新教材的內(nèi)容來看，物理學(xué)史學(xué)習(xí)的重要性都進(jìn)一步提升。教材章節(jié)內(nèi)容的調(diào)整，物理學(xué)史內(nèi)容的增加，也為在本章開展以史為綱的大單元教學(xué)設(shè)計(jì)提供了保障，同時(shí)，通過物理學(xué)史的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在歷史情境中發(fā)現(xiàn)問題、理解知識，也符合新課標(biāo)對教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施過程中重視情境創(chuàng)設(shè)的要求。深入挖掘課本中蘊(yùn)含的物理學(xué)史素材，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

[1]? 廖伯琴.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2018：29.

[2]? 曹天元.上帝擲骰子嗎？量子物理史話[M].北京：北京聯(lián)合出版公司，2019：6.

[3]? 譚佐.高中物理學(xué)史教學(xué)研究[J].中學(xué)教學(xué)參考，2020（20）：44-45.

[4]? 郭奕玲，沈慧君.物理學(xué)史[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

（責(zé)任編輯 易志毅）