串聯瑣碎知識促成知識的體系建構
——物理學史在選修3-5模塊教學中的運用和思考

孫 明

(江蘇省江安高級中學 226534)

一、問題的提出

選修3-5模塊涉及到很多近代物理學的知識，應該說這部分內容對應的是物理學發展歷程中最為輝煌的篇章，所涉及到的內容相對較為淺顯，但是學生在這一模塊的學習過程中卻感到無比困難，原因何在？這主要是有關知識都比較松散，學生學了之后總有頭昏腦脹的感覺.為此，教師要針對學生的這一學習困難，探索針對性的教學策略，改變學生學習的這一困境.

二、問題的解決

知識過于瑣碎是學生學習難點，為此筆者認為應該結合物理學史來重構有關知識的脈絡，讓原本瑣碎且零散的知識顯得更有條理.以原子結構的教學為例，教材所設計的內容包括“電子的發現”、“原子的核式結構模型”、“氫原子光譜”、“玻爾的原子模型”等等，所涉及的內容相當繁雜，但卻如實刻畫了科學家探索原子結構的基本過程，我們在教學中按照物理學史的發展順序將有關知識串聯起來，這樣的處理有助于學生更加系統化地建構認知.

1.湯姆孫的棗糕模型

1897年，湯姆孫確認了電子的存在，由此也打破了前人認為“原子不可分割”的有關理論，指出：原子是可以分割的，原子也有內部結構.有一個問題被提出：原子的內部結構到底是怎樣的呢？湯姆孫在已有認知的基礎上提出了這樣一個模型：原子呈現為球狀，且帶有正電荷，帶負電的電子則均勻地鑲嵌在這個圓球上，這就是著名的“棗糕模型”.

2.盧瑟福的原子核式結構模型

棗糕模型是否正確呢？在二十世紀初，人們沒有任何手段可以直接對原子結構進行觀測，怎么辦呢？一個劃時代的實驗震驚了整個物理學界，盧瑟福在實驗室用α粒子轟擊金箔，奇妙的現象發生了：有少數α粒子的散射角非常大，甚至反向彈回.盧瑟福用這樣的比喻來形容實驗的結果：“用一發口徑為十五英寸的炮彈轟擊一張紙，最終炮彈被彈回來.”而這是“棗糕模型”所無法解釋的現象，盧瑟福認為，這表明原子核中存在一個相對集中且極其密實的核心，這個核心集中了原子的所有正電荷以及幾乎所有的質量，以致于α粒子撞到之后發生反彈.實驗還表明，絕大多數粒子的運動不受影響，只有極少數粒子發生大角度散射，這表明核心所占據的空間非常之小，只有原子直徑的萬分之一.為此.盧瑟福建立了自己的原子結構模型：原子所有的正電荷以及絕大部分質量全都集中于原子中心的核上，帶負電的電子則在核外沿著特定的軌道繞核運動，這一點類似于行星的運動特點，為此原子核式結構模型也被稱作“行星系統”模型.

3.玻爾的原子結構模型

盧瑟福的原子結構模型完美地解釋了α粒子散射實驗，貌似該理論已經相當成功，但是隨后就有科學家指出它的一些缺陷：(1)帶有負電的電子在核外運動，必然導致周圍的磁場發生變化，這樣就會向外界輻射電磁波，如此也就使得原子系統的能量不斷減小，最終電子會一頭栽在原子核上，即原子應該是不穩定的；(2)按照電磁理論，電子繞核旋轉時所輻射光的頻率應該與圓周運動頻率相等，隨著電子軌道的連續變化，所輻射的光的頻率也要連續變化，即原子光譜應該為連續譜.以上兩點都對盧瑟福的理論形成了挑戰，為此，玻爾將量子理論引入原子結構領域，并結合自己的研究提出了玻爾原子結構模型.簡單地講，玻爾的模型包括：電子軌道是量子化的；原子的能量是量子化的；原子不同能級之間的躍遷要滿足頻率條件.這些理論的引入成功解釋了氫原子光譜，也確認了波爾模型在一定程度的正確性.

但是玻爾模型依然保留了太多的經典理論，比如它依然以軌道來描述電子的運動，這些缺陷的存在使得該理論在結構稍微復雜一點的原子光譜解釋過程中也面臨了障礙.當然，隨著量子理論的進一步發展，人們對原子結構也形成了更加深入而全面的認識.

在教學過程中，我們以物理學史來架設整個教學線索，引導學生循著前人的軌跡來探尋原子結構的發展歷程，這樣的教學有助于學生站在對應的歷史背景下重新經歷那段探索過程，學生將由此而產生更加深刻，且更有條理的認識.

三、問題解決之余的思考

教學中，我們以物理學史為線索將松散的知識串聯起來，有以下幾個方面的收獲.

1.激發學生物理學習的情感

崇拜強者、智者是一種非常普遍的社會心理現象.尤其是高中生，他們對成就非凡的科學家會產生一種強烈的欽佩和敬仰，并將他們作為自己成長過程中的偶像.利用名人效應來向學生施加教育力量，這也是我們常用的教學手段，在崇拜心理的驅使下，學生將端正自己對待學習、對待事業、對待困難、對待成功的姿態.科學家處理問題的智慧也將給予學生靈感的啟發，引領他們以科學的目光來研究和探索這個世界.物理教師在教學中要通過激發、導向等方式，讓崇拜心理在學生成長過程中發揮作用.

2.有助于學生核心素養的發展

在大力發展學生核心素養的今天，我們不但要重視學生在知識和技能方面的學習和發展，也要關注學生對過程和方法的體驗，還要強調對學生進行情感態度以及價值觀的培養.

3-5模塊所涉及的內容除了第一章“動量守恒定律”以外，其他章節都是近代物理的知識，如果詳細講解，這些都是物理里面最為深奧難懂的東西，如果我們將這些內容硬性地灌輸給學生，他們將無法感受學習的樂趣.反之，我們結合物理學史，和學生一起來分享那段波瀾壯闊的歷史，讓學生感受科學家探索過程中的心路歷程，這樣將能最大程度地激起學生的情感共鳴，進而讓他們從中受到情感上的洗禮，同時還能在思想和精神上受到熏陶.比如，引導學生學習概率波和不確定關系時，我們引導學生回顧量子力學發展史上幾次著名論戰，指導他們分析不同派別的觀點和思維方法，這些有助于學生對有關知識的來龍去脈形成認識.

參考文獻：

[1]曹義才，柯曉露.問題情景 實驗本源 多元表征 學科素養——2015年福建高考理科綜合物理試題評析[J].福建教育學院學報，2015(8).