物理學史在高中物理教學中的應用
——以高中《原子的核式結構模型》為案例

柳文蘭

(甘肅省臨夏回民中學 731100)

正在上高中的學生，正處于人生觀、世界觀、價值觀形成的關鍵時期，物理學史是一個巨大的資源寶庫，有助于學生掌握技能，獲得知識，幫助學生了解物理定理、規律的形成過程.因此，正是在新課程改革以及當前的教育現狀下，本文以高中《原子的核式結構模型》為案例，淺談物理學史在高中物理教學中的應用.

一、案例背景

科學，一個重要的觀念是”自然界是可理解的”，因此”科學家們總是進行認真的觀察、仔細的實驗、豐富的理論以及嚴謹的數學方法來建立和驗證他們對自然世界所提出的解釋”，從而創建了科學知識大廈.然而一旦發現新的證據與己有解釋不相符合，就需要修改已有的解釋或建立新的解釋，科學知識就此改變、發展.在這過程中主要體現因果邏輯關系(邏輯思維中的”充足理由律”)，即為新的實驗結果找出新的理論解釋產生這一結果的原因.正如人類對原子結構的認識過程就是科學家對不斷觀察到的實驗現象進行不同解釋的過程，也是原子結構知識不斷深入發展的過程.筆者從物理課程標準的精神出發，結合科學探究的特點，依據物理學史上的科學發現過程，從邏輯思維的角度進行課堂教學設計.

《原子的核式結構模型》是人教版選修3-5第十八章第二節的內容，本節內容向我們展現了這個發展過程.其中最有代表性的是這樣兩個過程：當盧瑟福發現a粒子散射實驗，推翻湯姆生的棗粒原子模型時，問題出現，于是他就根據新的實驗現象建立核式原子模型；可是不久后人們又發現從核式原子模型出發用經典的物理學理論推理出與事實相矛盾的結果，問題又出現，玻爾在系統研究光譜學的基礎上，把量子化概念引進盧瑟福的原子結構模型，提出了原子結構中量子化的軌道理論.通過實驗獲取相關信息，進行研究發現原有理論存在問題，根據實驗所得的信息重新推理，形成新的假說，然后將假說用于解釋問題和實驗的結果，最終建立自己的新理論，是科學家構建原子模型的主要邏輯過程和思維方法.表示如下：

根據科學家們對“原子結構”的探究歷程，筆者對本節內容進行教學設計的主要思路是：首先，創設一定的情境讓學生了解研究的歷史背景，激發學生對要研究的問題產生興趣；其次，給學生展示a粒子散射實驗的過程和結果，讓學生獲得與當年研究“原子結構”問題的科學家獲得相同的材料和信息，引導發現和思考同樣的問題，讓學生在體驗科學家的思想歷程中發現問題；然后，鼓勵學生通過思考和討論，作出推測或總結結論：最后，向學生展示科學家們在當時研究“原子結構”問題時的思維歷程和研究結果，進行比較分析，使學生產生強烈的情感體驗.在此過程中，學生體驗了科學家的思維活動，在獲得相應的知識的同時，對于科學、科學家會有更深刻的認識，這對他們理解科學本質，提高科學素養，有重要意義.設計思路如下：

創設情境，

二、案例設計

第一節《電子的發現》中己經學習了湯姆生發現電子的過程.

引導學生閱讀教材P51第一、二兩段后思考這兩個問題：

1.道爾頓提出的原子模型是什么？

2.從發現湯姆生電子的過程中你有什么啟發？(是什么原因促使湯姆生提出新原子結構模型的模型？這時人類對原子結構的認識有何進步？)

隨著科技的進步和科學的發展，人們對物質結構與性能關系的認識逐步深入，人們正鍥而不舍地探究著物質結構的奧秘，認識不斷提高.

【投影講授】我們曾經設想原子應該是個實心球體模型.(展示圖片)

湯姆生對陰極射線的研究發現了電子，說明電子是原子的重要組成部分.由于當時已知道原子是中性的，1904年，根據電子的發現，湯姆生認為產生這一現象的原因為原子是一個可以被再次分割的均勻的帶有正電的球體，電子對稱地嵌在這個球中，形成一個中性的球體.后人稱之為“棗糕式原子模型”(展示圖片)

【小結】原子結構模型的發展說明科學理論并不是確定的真理，一旦有新的證據出現，科學家們就會根據實驗事實對原來的理論進行修正和發展，形成新的理論.

問題1：“棗糕模型”描述了原子的結構是否確切呢？

下面我們不妨重現當年一些科學家的研究情境，而同學們當一回小科學家，看我們是否也能把人類對原子結構的認識推進一步.

1903年，英國科學家盧瑟福發現a射線.

盧瑟福與馬斯頓、蓋革等在1910年做了一個利用一束a粒子轟擊金箔的實驗.

【投影】粒子散射實驗演示.

問題2：請描述a粒子散射實驗的現象.

問題3：粒子散射實驗的現象與湯姆生的“棗糕模型”相符嗎？

教師引導：讓學生認真作圖，并積極討論.此過程中引導學生在充分的運動比較分析的邏輯思維方法進行思考，體現邏輯思維中的“充足理由律”這一規律.

提示：假設”棗糕式模型”是正確的，當一束a粒子轟擊金箔時，會出現怎樣的現象呢？

【投影】粒子轟擊”棗糕式模型”原子的實驗現象.(學生討論、分析)

在此過程中利用類比邏輯思維，引導學生比較分析實驗結果.此過程中學生獲得的信息與當時科學家們獲得的信息相類似，即引導學生重演了物理學史上科學家的探究過程，讓學生主動參與進來，要求他們充分發揮主觀能動性和運用比較分析的邏輯思維方法，通過自己的大腦積極思考，認真感悟，解決與科學家遇到的相同的科學問題，從中也就能感悟到與科學家相同的邏輯思維過程.

問題4：a粒子散射實驗的現象體現原子的結構應該是什么樣的才更合理呢？

(引導學生充分的討論和仔細的逐一分析實驗現象的三個結論)

(鼓勵學生用較為完整的邏輯性較強的物理語言描述原子的模型)

【結論】1.金屬原子間空隙是很小的；

2.電子帶負電，質量、體積很小.

問題5：你推理出的原子模型與實驗結果吻合嗎？嘗試用你的模型解釋實驗現象.

參考文獻：

[1]金利俊.應用物理學史培養高中生邏輯思維能力的實踐探索[D].南京：南京師范大學,2014.

[2]沙吾烈·廷阿什汗.物理學史引入高中物理課堂的現狀研究[D].烏魯木齊：新疆師范大學,2016.