HPS教學模式在“電子的發現”教學中的具體運用

尹德利

(北京市東方德才學校 北京 100025)

物理學史在落實新課標三維教學目標，尤其是在落實“過程與方法”、“情感態度與價值觀”目標方面將發揮不可替代的作用，這一點廣大一線物理教師已形成共識，許多物理教師已進行了有益的探索.為了豐富這方面的教學案例，本文以人教版教材《物理·選修3-5》“電子的發現”為例，談談HPS教學模式在物理課堂教學中的具體應用和教學體會.

1 教材分析

無論是古希臘的原子論，還是近代化學中的原子論，都認為原子是組成物質的最小微粒，不可再分.電子的發現，顛覆了人類這一傳統的物質觀念，它向人們宣告，原子不是構成物質的最小微粒,原子仍然是可分的，從此拉開了人類探索物質微觀結構的序幕.

從科學方法論的角度看，電子的發現生動地體現了科學探究的幾個要素，即實驗現象-提出問題-猜想、假設-設計實驗方案-獲取實驗證據-分析論證(不同科學假說之間的碰撞)-確證性實驗-得出科學結論.通過本節課的教學，能夠讓學生親身體驗和深刻理解科學探究的7個要素，熟悉科學探究的一般程序和方法，同時,也讓學生認識科學實驗在科學發現和理論建構中的重要作用.

2 學情分析

學生在選修3-1中已學過帶電粒子在電場、磁場中的偏轉知識，會根據帶電粒子的電偏轉和磁偏轉的方向判斷帶電粒子的電性.通過物理選修3-4的學習，學生對機械波、電磁波的基本性質也有所了解.經過兩年的物理學習，學生已具備基本的科學探究能力.

3 教學目標

知識與技能：

(1)了解陰極射線及電子發現的過程.

(2)知道J·J·湯姆孫研究陰極射線發現電子的實驗及理論推導.

過程與方法：

通過電子的發現過程，進一步熟悉科學探究的一般程序，學習根據實驗現象和已有知識經驗進行猜想和假設.

情感態度與價值觀：

體驗探究過程的曲折和樂趣，增強對科學本質的理解；培養學生的合作探究意識，學習科學家的探究精神.

4 設計思想

學生之前已經知道電子是帶負電的微粒，所帶的電荷量是1.6×10-19C，因此，本節課的教學重點應放在“電子是如何被發現的”、“電子的比荷是如何測量出來的”兩個問題上.教師的主導作用是為學生探究電子的發現過程創設必要的歷史場景和提供不同的歷史觀點，從而，為學生之間不同觀點的思維碰撞創造條件.由于中學現階段還沒有定量研究陰極射線的實驗設備，學生還無法像物理學家那樣通過實驗定量測出組成陰極射線的粒子的比荷或電荷量,因此，本節課的教學設計采用歷史探究的HPS教學模式.這一教學模式是英國科學教育學者孟克和奧斯本(Monk & Osborne， 1997年)首先提出來的，該模式把科學史、科學哲學和科學社會學(history，philosophy and sociology of science，縮寫為HPS) 的有關內容融入中、小學科學課堂中，以期促進學生理解科學的本質，領悟科學的研究方法，體驗科學的探究過程.這一教學模式具有以下幾個顯著特點：

(1)將科學史及科學哲學的學習與當前的科學概念和理論的學習有機地融合在一起，有利于學生對物理學思想、觀念和規律的理解.

(2)整個教學過程是一個問題解決的探究過程，有利于培養學生解決問題的能力和創新能力.

(3) 充分發揮了學生的主體性， 促使他們主動地學習和建構知識.

(4)使學生認識到科學研究的道路是漫長、曲折而坎坷的，科學理論總是在不同學術觀點、不同學派之間的爭論中不斷前進的，科學家和常人一樣也會犯錯誤， 因而,有利于消除學生對科學研究的神秘感，有利于形成正確的科學態度和科學觀念.

HPS教學模式包括6個環節：

(1)演示現象.教師上課伊始就給學生演示某一自然現象.通過觀察現象，產生一個需要解決的問題.

(2)引出觀念.教師啟發學生就這一自然現象提出自己的觀點(解釋).

(3)學習歷史.在這一環節，教師的做法是，首先，介紹早期科學家關于這一現象的思想與實例，作為學生研究的參照系；其次，舉例說明當時其他科學家的不同觀念；再次，引導學生討論或探索這些觀念產生的背景、條件，使學生認識到科學認識的歷史(時代)制約性.

(4)設計實驗.教師將學生分組，要求學生從多種觀點(或觀念)中選擇某種觀點，設計實驗進行檢驗.

(5)呈示科學觀念和實驗檢驗.由教師講解當代的科學觀念，即介紹教科書上對這一自然現象的解釋，從而為學生實現觀念轉變提供契機和可能.

(6)總結與評價.通過總結與評價，幫助學生更深刻地理解科學探究的本質以及歷史上科學家的探究過程和科學觀念.

5 過程設計

環節1：引入新課

物質究竟是可分還是不可分的，2 000多年前，東西方的兩位先哲就有不同的看法.我國的莊子認為,“一尺之棰，日取其半，萬世不竭”，即物質可以無限可分，而古希臘的哲學家德謨克利特卻認為，萬物是由不可再分的原子構成的，原子是構成物質的最小微粒.這兩位先哲，誰說的對呢？1803年，英國化學家道爾頓認為，原子是化學變化中不可再分的最小微粒.19世紀末，英國物理學家湯姆孫發現了比原子小得多的電子，證明了原子是由更小的微粒組成的，是可以再分的.本節課我們一起來回顧電子被發現的歷史.

設計意圖：通過兩位先哲的兩種對立觀點引入新課，激發學生的好奇心和探究欲望.

環節2：演示現象、提出猜想

電子的發現是從研究陰極射線開始的.那么，什么是陰極射線？引導學生看教材上的介紹.

演示實驗1：教師介紹陰極射線管實驗裝置并演示如圖1實驗(先不加磁場)，學生觀察陰極射線.

圖1 陰極射線管實驗

演示實驗2:教師演示克魯克斯曾做過的圖2所示實驗.

圖2 克魯克斯的驗證實驗

師：從剛才的實驗現象中，同學們猜想一下，陰極射線到底是什么物質呢？

生：從第一個實驗現象中，可以看到，射線透過窄縫沿直線傳播，跟光的直線傳播相似，陰極射線照在不透明的物體上且在不透明物體的背后留下清晰的影子，更像是一種光.

演示實驗3：在圖1演示實驗的基礎上，用一塊蹄形磁鐵靠近陰極射線管，可以觀察到陰極射線向一邊偏轉；改變磁極的方向，射線偏轉的方向也發生改變.

師:該實驗現象說明了什么？

生：實驗現象表明，陰極射線似乎是由某種帶電的物質組成的.

師:光在電場或磁場中能不能發生偏轉?

設計意圖：教師根據史料創設探究問題的情境，讓學生模擬科學家進行猜想活動，并設計實驗進行初步驗證.

環節3：學習歷史,呈現觀點

教師利用PPT介紹歷史上關于陰極射線本質的兩種截然不同的觀點.

(1)以太波動說.德國物理學家普呂克(J.Pluker)和戈爾德施泰因(E.Goldstein)認為陰極射線是一種以太波，因為這種射線按直線傳播，對物質有化學作用，性質上類似于紫外光.為了說明他的觀點是正確的，戈爾德施泰因演示了圖2所示的實驗現象.

(2)帶電微粒說.1871年，英國物理學家瓦利(C.F.Varley)發現陰極射線在磁場中發生偏轉，這與帶電粒子的行為很相似.另一位英國物理學家克魯克斯在實驗中證實陰極射線不但在磁場中能偏轉，而且還可以傳遞能量和動量.他在陰極射線管內安裝了一個可轉動的風輪，風輪的葉片涂有各種成分的熒光材料.每當陰極射線打在葉片上時，葉片就開始旋轉，同時發出五顏六色的光.

師：克魯克斯據此認為，陰極射線是由真空管中殘余氣體的分子組成，由于無規則運動，有些氣體分子撞擊到陰極，于是從陰極獲得了負電荷，在電場的驅使下定向運動，形成帶電的分子流.分子流打到風輪的葉片上使風輪旋轉.

演示實驗4：教師演示克魯克斯的風輪旋轉實驗，學生看到葉輪果然轉動起來.

設計意圖：重現克魯克斯實驗，帶領學生以克魯克斯的“眼光”來看待陰極射線的本質.

教師講解：克魯克斯的實驗并沒有讓德國人改變觀點.德國大科學家赫茲認為，如果陰極射線是一種帶電粒子，那么當射線通過電場時，應該容易看到偏轉.但赫茲和他的學生勒納德(Lenard)在陰極射線管中加垂直于陰極射線的電場后，卻沒有發現陰極射線有任何偏轉.1891年赫茲發現，陰極射線可以像光透過透明物質那樣透過某些金屬薄片.他認為這是以太波動說的有力證據，因為只有波才能穿越實物.

英國劍橋大學卡文迪什實驗室教授J·J·湯姆孫認為，帶電微粒說更符合實際，他決心用實驗進行周密研究，找出確鑿證據.為此，他重復了赫茲的靜電場偏轉實驗，起初也得不到任何偏轉.后來經過仔細觀察，注意到在剛加上電壓的瞬間，射線束輕微地擺動了一下.他馬上領悟到，這是由于殘余氣體分子在電場的作用下發生了電離，正、負粒子把電極上的電壓抵消掉了.顯然,這是由于真空度不高的原因.于是他在實驗技師的幫助下改善了真空條件，并且減少極間電壓，終于獲得了穩定的靜電偏轉.這樣，J·J·湯姆孫就獲得了駁斥以太說的重要證據.此后，他用實驗方法測出了陰極射線粒子的比荷，還用不同的陰極和不同的氣體做實驗，結果比荷都是同一數量級，證明了陰極射線與電極材料無關，與管內氣體成分也無關.1899年，湯姆孫用“電子”一詞表示他的陰極射線粒子，電子就是這樣被發現的.

設計意圖：設計本環節的目的是讓學生認識到，他們關于陰極射線的猜想，原來竟與物理學家的猜想不謀而合.這就激發了他們科學探究自然奧秘的興趣.另一方面，也讓他們認識到，科學研究的道路不是一帆風順的，從1858年普呂克對陰極射線的研究，到1897年湯姆孫發現電子，前后歷經近40年的時間.這期間，德、英兩國的物理學家們充分施展他們的聰明才智設計實驗，試圖反駁對方觀點的謬誤以證明自己觀點的正確.在科學面前，他們不迷信權威，只相信事實.科學家對科學研究的嚴謹認真、實事求是的科學態度是對學生情感態度與價值觀的最好教育.

環節4:理論分析比荷實驗

教師介紹湯姆孫測電子比荷的實驗裝置如圖3(PPT展示).

圖3 測量子比荷的實驗裝置

引導學生思考如下問題：

(1)當金屬板D1, D2之間不加電場時，射線射到屏上______點,施加電場后射線發生______.

(2)如果去掉D1,D2之間的電場E，在D1, D2之間加一垂直紙面向外的勻強磁場B，磁場方向與射線運動方向垂直.射線如何偏轉？

學生由

容易得到

問：怎樣測帶電粒子的初速度v?

(3)在磁場B不變的情況下，再加一方向向上,大小適當的勻強電場E，使陰極射線不發生偏轉.你能據此推出粒子的速度嗎？

由平衡條件

Bqv=Eq

得

問：這個速度與加電場前的速度大小一樣嗎？為什么？

設計意圖：復習電場力做功及其動能定理.由于粒子的運動速度與電場方向垂直，電場力沒有做功，所以粒子的速率不變.

最后求出

教師引導學生看教材第49頁.

師：J·J·湯姆孫為什么在實驗中要變換幾種陰極材料？

設計意圖：讓學生認識，科學研究不能僅憑一次實驗就妄下結論，科學研究是一項嚴肅的事情，僅憑一種陰極材料就斷言電子是一切原子的組成部分是輕率的，不能令人信服的.只有通過改變不同的陰極材料，若發射的陰極射線本質都是一樣的，才能說明電子的確是一切原子的組成部分.

師：電子被發現后，J·J·湯姆孫并沒有到此止步，1899年他用磁場偏轉法測定光電效應(1887年赫茲發現，教材后面將介紹)實驗中光電流的比荷，得到的結果與陰極射線的比荷相同，說明光電流也是由電子組成的.

環節5:歸納總結

師：通過本節課的學習，你有哪些收獲，你對物理學研究有什么新的認識？

6 教學反思

HPS教學模式為物理學史在物理課堂教學中的應用提供了一套較為具體可行的教學程式，這種教學模式對教師的專業素養要求較高，物理教師只有具備較深厚的專業知識，較豐富的學史素養和較高的哲學素養，才能比較自如地應用該模式進行探究，否則，難免會陷于邯鄲學步的窘境.此外，雖然 HPS模式教學環節比較簡單，但也不能生搬硬套，教師應當根據教學目標、教學內容、教學條件和學生情況加以靈活應用.

參考文獻

1 袁維新. 國外科學史融入科學課程的研究綜述.比較教育研究,2005(10)

2 高礦.HPS教學模式在高中物理教學中的應用——以原子核式結構模型的教學為例. 中學物理教與學, 2013(4)

3 王珂.HPS教育模式中的“電磁感應現象”教學案例設計. 中外教育研究,2009(3)

4 沈慧君,郭奕玲.觀微探幽——X射線與顯微術(第1版).上海：上海科技教育出版社，2000.7～22