以“史”為線 “方法”為綱落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)

李娟　馮爽

摘 要：核心素養(yǎng)指導(dǎo)下的復(fù)習(xí)課不是簡(jiǎn)單地重復(fù)知識(shí)點(diǎn)和大量練習(xí)，而是打通教材，把教材內(nèi)容進(jìn)行有機(jī)整合，引導(dǎo)學(xué)生從新的視角審視這些知識(shí)，讓這些知識(shí)在真實(shí)的情境中發(fā)生、起作用，從而形成知識(shí)的結(jié)構(gòu)化.本文以物理學(xué)史為主線，以科學(xué)大概念和科學(xué)研究方法為綱要整合原子和原子核部分內(nèi)容，重新建構(gòu)本部分的知識(shí)和思維結(jié)構(gòu)，減輕學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，發(fā)展物理學(xué)科核心素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：物理學(xué)史；原子和原子核；核心素養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G632 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-0333（2023）24-0065-03

收稿日期：2023-05-25

作者簡(jiǎn)介：李娟（1982.10-），女，山東省濟(jì)南人，碩士，中學(xué)一級(jí)教師，從事中學(xué)物理教學(xué)研究.

原子和原子核部分是近代物理的重要內(nèi)容，它為人們認(rèn)識(shí)微觀世界打開了一扇窗，也是將來(lái)學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的基礎(chǔ).此部分物理學(xué)史內(nèi)容比較多，有很多科學(xué)家，每個(gè)科學(xué)家的貢獻(xiàn)不同，知識(shí)點(diǎn)比較多，也比較散.

復(fù)習(xí)課教學(xué)不是將學(xué)過(guò)的知識(shí)簡(jiǎn)單重復(fù)，而是要引導(dǎo)學(xué)生從新的視角去審視學(xué)過(guò)的知識(shí)^［1］.通過(guò)復(fù)習(xí)把零散的概念系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化，使概念和思維之間建立有效的聯(lián)系，了解人類對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索歷程.面對(duì)眾多內(nèi)容就需要用“少而精”的大概念整合本部分內(nèi)容的分散概念和思維方式^［2］.

1 基于證據(jù)，形成科學(xué)觀念問(wèn)題：

原子是組成物質(zhì)的最小單元嗎？有哪些實(shí)驗(yàn)證據(jù)？

原子核是組成物質(zhì)的最小單元嗎？有哪些實(shí)驗(yàn)證據(jù)？

質(zhì)子和中子呢？

這三個(gè)問(wèn)題給你哪些啟示？它們的共同的本質(zhì)屬性是什么？

學(xué)生分析：陰極射線和光電效應(yīng)等現(xiàn)象讓科學(xué)家認(rèn)識(shí)到原子可能不是組成物質(zhì)的最小單元，貝克勒爾天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)證明原子核可再分，后來(lái)的科學(xué)研究表明質(zhì)子和中子也都是有結(jié)構(gòu)的.這三個(gè)問(wèn)題的共性就是物質(zhì)可以不斷進(jìn)行分割.

追問(wèn)：物質(zhì)不斷進(jìn)行分割，是否可以看成物質(zhì)都是由很小的微粒構(gòu)成？宇宙中所有的物質(zhì)都是這樣嗎？

學(xué)生分組討論交流.

師生共同總結(jié)：宇宙中所有的物質(zhì)都是由很小的微粒構(gòu)成.

設(shè)計(jì)意圖：四個(gè)問(wèn)題層層遞進(jìn)，讓學(xué)生回憶原子和原子核不是組成物質(zhì)最小單元的證據(jù)，回憶不是目的，而是基于這些實(shí)驗(yàn)事實(shí)，讓學(xué)生基于回憶知識(shí)的共同屬性，通過(guò)抽象、概括的科學(xué)思維，形成宇宙中所有的物質(zhì)都是有很小的微粒構(gòu)成的科學(xué)大觀念，達(dá)成深度學(xué)習(xí).

2 回顧研究方法，建立大思路

問(wèn)題：陰極射線、天然放射線是什么物質(zhì)？該如何研究？

學(xué)生分析：陰極射線是電子，天然放射線其實(shí)是原子核衰變產(chǎn)生的，可能是α射線（He原子核）、β射線（電子）、γ射線（光）.根據(jù)前面學(xué)習(xí)的知識(shí)，帶電粒子在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，中性粒子不偏轉(zhuǎn).粒子的電性、種類、初速度、場(chǎng)的方向和強(qiáng)弱決定了軌跡的唯一性.因此如果知道場(chǎng)的方向、強(qiáng)弱，軌跡等就可以算出粒子的比荷，從而確定粒子的種類.

追問(wèn)：帶電粒子垂直進(jìn)入電場(chǎng)或磁場(chǎng)時(shí)在電場(chǎng)力或洛倫茲力的作用下會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn).因此將帶電粒子引入電場(chǎng)或磁場(chǎng)是確定帶電粒子種類的一般思路.

3 碰撞是研究微觀結(jié)構(gòu)的常用方法

問(wèn)題：α粒子散射實(shí)驗(yàn)、核反應(yīng)（人工轉(zhuǎn)變、核裂變、核聚變）有哪些共同本質(zhì)屬性？

學(xué)生分析：碰撞.

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)事實(shí)的抽象、概括，從方法論上認(rèn)識(shí)到：碰撞是科學(xué)家研究微觀世界物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一種科學(xué)方法.在碰撞過(guò)程中滿足動(dòng)量守恒.發(fā)展運(yùn)動(dòng)與相互作用觀和科學(xué)思維素養(yǎng).

4 回顧建模過(guò)程，落實(shí)核心素養(yǎng)

4.1 棗糕模型的構(gòu)建與局限性

問(wèn)題：原子是電中性的，正電荷和負(fù)電荷在原子中是如何分布的？

學(xué)生分析：原子內(nèi)部具體是什么樣不清楚.但是我們可以用模型描述.湯姆孫提出了“棗糕模型”.

追問(wèn)：“棗糕模型”正確么？說(shuō)一說(shuō)你的想法.

學(xué)生分析：不完全正確吧.這得從著名的α粒子散射實(shí)驗(yàn)說(shuō)起.

從動(dòng)量角度：α粒子和電子的碰撞過(guò)程滿足動(dòng)量守恒，兩者的動(dòng)量變化量大小相等，由于α粒子的質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子的質(zhì)量，因此α粒子的速度幾乎不變.也就是電子不可能使α粒子發(fā)生大角度散射.

從模型結(jié)構(gòu)角度，由于“正電荷均勻分布”，α粒子穿過(guò)原子時(shí)受到各方向正電荷的斥力大部分被抵消，使α粒子偏轉(zhuǎn)的力不會(huì)很大.

學(xué)生質(zhì)疑：如果α粒子從原子的邊緣入射，會(huì)不會(huì)使α粒子發(fā)生大角度散射，因?yàn)榇藭r(shí)α粒子收到的排斥力最大.

教師：在物理學(xué)史上，科學(xué)家也有這樣的思考.經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)這種情況下的偏轉(zhuǎn)只有0.03度.

設(shè)計(jì)意圖：這兩個(gè)問(wèn)題不是單純地讓學(xué)生去記憶知識(shí)，更多的是讓學(xué)生學(xué)會(huì)基于證據(jù)進(jìn)行質(zhì)疑.根據(jù)事實(shí)建立模型，模型正確與否需要看理論預(yù)言和新實(shí)驗(yàn)事實(shí)是否符合，如果不符合需要對(duì)其進(jìn)行修正.通過(guò)追問(wèn)發(fā)展學(xué)生的質(zhì)疑、創(chuàng)新精神^［3］.

4.2 盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建與局限性

問(wèn)題：分析α粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果，你能想象一個(gè)原子結(jié)構(gòu)的模型么？說(shuō)一說(shuō).

學(xué)生分析：基于α粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從運(yùn)動(dòng)和相互作用的角度，絕大多數(shù)不偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明這些α粒子穿過(guò)時(shí)幾乎不受力，可以認(rèn)為原子內(nèi)部很空.少數(shù)α粒子的大角度偏轉(zhuǎn)和極少數(shù)α粒子的反彈說(shuō)明在有些地方α粒子受到了很大的力，從動(dòng)量角度分析，被碰物體的質(zhì)量、電量要比α粒子大的多.這就是著名的盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型.

追問(wèn)：核式結(jié)構(gòu)模型對(duì)棗糕有哪些繼承核創(chuàng)新？

學(xué)生分析：繼承的是球體模型.創(chuàng)新的是：原子核（體積小，帶正電）集中全部正電和絕大部分質(zhì)量，電子在核外繞核做勻速圓周運(yùn)動(dòng).

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生重新體驗(yàn)科學(xué)家的思考過(guò)程，發(fā)展模型建構(gòu)，科學(xué)推理，科學(xué)論證，質(zhì)疑創(chuàng)新素養(yǎng).

4.3 玻爾模型及其局限性

問(wèn)題：為了解決盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型遇到的困難，原子模型需要做哪些改進(jìn)？

學(xué)生分析：玻爾模型有三個(gè)假設(shè)：①軌道假設(shè)：軌道量子化——電子的可能軌道不連續(xù)；②能級(jí)假設(shè)：定態(tài)——不連續(xù)的穩(wěn)定狀態(tài).雖加速但不輻射能量.這是針對(duì)原子的穩(wěn)定性提出；③躍遷假設(shè)：從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)，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.這是針對(duì)原子光譜是線狀譜提出.

教師：玻爾也是站在巨人的肩上，他受當(dāng)時(shí)巴爾末公式、量子論、光子概念的啟發(fā)提出了自己的原子模型.因此科學(xué)研究不總是一帆風(fēng)順的，研究過(guò)程是曲折的^［4］.

設(shè)計(jì)意圖：從原子結(jié)構(gòu)的棗糕模型到玻爾模型學(xué)生逐步認(rèn)識(shí)模型對(duì)研究問(wèn)題的重要性，體會(huì)基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)如何對(duì)原有模型進(jìn)行質(zhì)疑、創(chuàng)新.通過(guò)語(yǔ)言文字、表達(dá)式等多種方式進(jìn)一步理解玻爾模型，也進(jìn)一步體會(huì)玻爾模型的成功之處：可以解釋氫光譜的其他線系，并且還預(yù)言了新的譜線系，新的譜線系后來(lái)也被人們發(fā)現(xiàn).

教師總結(jié)：玻爾的成功之處在于能完美解釋氫原子光譜，后來(lái)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)玻爾模型不能解釋有兩個(gè)以上電子的原子的復(fù)雜光譜.玻爾模型的創(chuàng)新之處在于引入了量子化條件，造成問(wèn)題的原因是保留了過(guò)多的經(jīng)典理論，如軌道的概念，用經(jīng)典理論計(jì)算軌道和能量.這也就預(yù)示要沖破經(jīng)典理論的束縛，新的理論呼之欲出.后來(lái)科學(xué)家經(jīng)過(guò)探索，建立了完整描述微觀規(guī)律的量子力學(xué).

討論交流：談?wù)勀銓?duì)模型的認(rèn)識(shí).

學(xué)生分析：模型對(duì)認(rèn)識(shí)物體提供了一個(gè)直觀表象.在分析問(wèn)題、解釋已有現(xiàn)象和預(yù)言新現(xiàn)象中起到很大作用.當(dāng)模型與新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)不符時(shí)，需要對(duì)其修正或放棄.

本節(jié)課以物理學(xué)史為主線^［5］，通過(guò)層層遞進(jìn)的開放性問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣思考，降低學(xué)習(xí)難度，增加趣味性.讓學(xué)生在思考中掌握本部分的知識(shí)邏輯和思維結(jié)構(gòu)，全面落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng).

參考文獻(xiàn)：

［1］ 張紅明.高考物理備考中的整合教學(xué)實(shí)踐研究［J］.物理通報(bào)，2020（10）：35-38.

［2］ 張玉峰.以大概念、大思路、大情境和大問(wèn)題統(tǒng)領(lǐng)物理單元教學(xué)設(shè)計(jì)［J］.中學(xué)物理，2020，38（5）：2-7.

［3］ 馮爽.指向核心素養(yǎng)的物理單元教學(xué)設(shè)計(jì)策略研究 ［J］.物理教學(xué)，2020，42（7）：15-18.

［4］ 馮爽.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中物理學(xué)史內(nèi)容分析及教學(xué)策略構(gòu)建［J］．物理教師，2021，42（04）：21-25．

［5］ 中華人民共和國(guó)教育部.普通高中教科書物理選擇性必修（第三冊(cè)）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［責(zé)任編輯：李 璟］