問題引領知識建構 對話實現深度學習

陳巧云

【摘要】問題引領是以問題為載體，實現以教師為主導、學生為主體的高效課堂。本文以《結合能與比結合能概念教學》為例，闡述如何在具體教學中以問題引領學生思考，以課堂對話展開教學，實現知識體系的構建與深度學習的發生。

【關鍵詞】問題引領;概念構建;結合能;比結合能

中圖分類號：G633.7文獻標識碼：A文章編號：1006-7485（2020）35-0094-02

Questions Lead to Knowledge Construction，Dialogue to Achieve Deep Learning

——Take"Concept Teaching of Binding Energy and Specific Binding Energy"as an Example

（Yangzi High School Affiliated to Nanjing Normal University，China）CHEN Qiaoyun

【Abstract】Problem guidance is based on the problem，to achieve a teacher-led，student-oriented efficient classroom.Thispaper expounds how to realize the construction of knowledge system and the occurrence of deep learning taking the con‐cept teaching of binding energy and average binding energy for example，by leading students to think with questions，carry‐ing out teaching with classroom dialogue.

【Keywords】Problem leading;Concept construction;Binding energy;Specific binding energy

物理選修3-5是高考必考部分，原子核這一章中的結合能和比結合能這兩個概念是教學的重難點。學生經常分不清楚結合能與比結合能這兩個概念。本節教學中，筆者以討論原子核的穩定性為核心問題，以具體問題引領，展開概念教學。具體設計思路如圖1所示。

一、問題引領探究主題

介紹完核力概念后，筆者提出問題：“哪些原子核是穩定的，哪些是不穩定的？”以原子核的穩定性討論來引領接下來的平均核子質量、結合能和比結合能的概念教學。愛因斯坦質能方程指出E=mC2，式中C是真空中的光速，m是物體的質量，E是物體的能量。由此可知一定的質量總跟一定的能量相對應。物體的質量發生變化，相對應的能量也會發生改變。下面把質能方程和平均核子質量相結合，進一步討論原子核的穩定性問題。

二、問題引領概念學習

（一）核子平均質量

核子平均質量是指在一個原子核中平均每個核子的質量。科學家們發現它們隨質量數有如圖2所示的變化規律。可以看出平均核子質量大致隨質量數增加先減后增，但曲線上也有很多地方是上下起伏的。為了簡化問題，這里把圖2簡化為圖3模型進行討論。

下面以問題為引領，啟發學生思考平均核子質量和原子核穩定性的問題。

教師：如圖，哪種元素的核子平均質量最大？哪種元素的核子平均質量最小？學生：氫、鐵。教師：核反應中質量數和電荷數守恒，也就是總核子數不變。若圖3中D核與E核結合成F核，質量如何變化？若A核衰變成B核和C核，情況又如何呢？學生：都減小。教師：以上兩種核反應是吸熱還是放熱？為什么？學生：放熱，因為這兩種反應質量都要減小。教師：你認為哪種元素的核狀態最穩定？為什么？學生：鐵。同樣的核子數，核子質量越小，對應的能量就越小，其狀態就越穩定。教師：總體而言，輕核、重核和中等質量的核，哪種更穩定？學生：中等質量的核。教師：這是從平均核子質量角度理解原子核的穩定性。有沒有一種能量參數可以直接定量的表示出原子核的穩定性呢？接下來就引導學生從能量角度理解原子核的穩定性問題。

（二）結合能與比結合能

首先根據核子平均質量隨質量數變化的規律，引導學生思考一個個獨立的核子結合成原子核的過程和原子核分解為一個個獨立核子的兩個逆過程中，質量和能量都如何變化，進而了解結合能的概念。

1.結合能。教師：單個的質子和中子的質量比其他原子核的核子平均質量大還是小？學生：大，單個質子和中子也就是氫原子核的平均核子質量是所有元素里最大的。教師：一個個獨立的核子結合成任一原子核時，質量如何變化？為什么？學生：減小，因為結合過程中，總核子數不變，但平均每個核子質量減小，所以總質量就減小。教師：那么一個原子核要分解為一個個獨立的核子時，質量要如何變化？為什么？學生：增加。因為分解過程中，總核子數不變，但平均每個核子質量增加，所以總質量就增加。教師：一個個獨立的核子結合成某原子核時，要吸收還是放出能量？學生：放出能量。教師：當某原子核分解成一個個獨立的核子時，要吸收還是放出能量？學生：吸收能量。教師：以上兩個過程吸收和放出的能量大小關系是？為什么？學生：相等。因為質量變化量相等。教師：這里的質量之差，我們把它叫作質量虧損。質量虧損，應該定義為哪兩個質量之差？學生：組成原子核的核子質量與原子核的質量之差。教師：我們把核子組成原子核過程中所放出的能量，或者原子核分解成核子過程中所吸收的能量叫做結合能。在了解了結合能概念后，再引導學生學習比結合能概念，進一步探究原子核的穩定性與比結合能的關系。

2.比結合能。接下來以問題引導學生思考結合能能否描述原子核的穩定性。教師：是不是結合能越大的原子核就會越穩定？學生：不是，因為組成原子核的核子越多，它的結合能就越高。但前面根據平均核子質量知道，中等質量的核子才比較穩定，而不是質量數越大的核就越穩定。教師：質量數比較大的一些重核反而不穩定，質量數較大的核一般都具有放射性，會衰變。比如鈾235，它的結合能雖然高達200MeV，但是鈾核本身很不穩定，會發生天然放射現象而衰變為質量數較小的原子核。那有意義的到底是什么能量？學生：結合能與總核子數的比值。教師：在衡量原子核穩定性的時候，有意義的是結合能與核子數的比值，稱作比結合能，也叫平均結合能。引導學生討論出結合能的概念后，下面一個要突破的難點就是討論比結合能如何定量描述原子核的穩定性的，可以結合比結合能隨質量數變化的圖像講解。不同原子核的比結合能是不一樣的，科學家們按照實際測量結果畫出了如圖4所示的變化規律圖像。圖中可以看出比結合能大致隨質量數增加先增后減，但曲線上也有很多地方是上下起伏的，所以是大體上遵循這個規律。為了簡化問題，這里把圖4簡化為圖5模型進行討論。

教師：比結合能變化有什么規律？哪種比結合能最大？學生：大體上隨質量數增加而先增后減。鐵元素比結合能最大。教師：比結合能越大，表示什么？學生：比結合能越大，表示把原子核拆成一個個的核子，平均每個核子需要吸收的能量就越大，即越難拆開，說明核子結合得越牢固，原子核越穩定。

三、問題引領概念深化

下面對比平均核子質量和比結合能隨質量數變化的圖像，引導學生從它們和原子的穩定性的關系進一步思考總結二者的內在聯系。圖3和圖5中的A核衰變成B核和C核、D核與E核結合成F核，兩種核反應前后質量都減小從而放出能量，這似乎和學生學過的質量守恒定律和能量守恒定律相違背。教師引導學生深入思考，更深刻地理解質量守恒和能量守恒定律。

根據能量守恒定律，上述兩種核反應前后質量虧損，釋放出的核能轉化為γ光子的能量及反應后原子核的動能，主要是以γ光子的形式釋放出來。減小的那部分質量則等于γ光子的動質量，所以原子核的質量虧損并不破壞質量守恒定律。最后提出以上兩種反應需要滿足什么條件、有哪些應用和前景等問題，拋出后面兩節的探究主題，為構建更完整的知識體系做好鋪墊。

參考文獻：

[1]孫樹朋.結合能與比結合能分析[J].中學物理教學參考，2009（04）.

（責 編 林 娟）