一步一重天百步上云端
——賞析人教版新教材“原子結構和波粒二象性”中科學思維的滲透

胡軍輝

(石家莊市第十九中學 河北 石家莊 050011)

楊朋聚

(石家莊市第一中學 河北 石家莊 050011)

大多數課程標準的課程理念并未顯化描述，而是滲透在課程標準中，體現出對于整個課程標準編寫的指導作用[1].在新一輪的教學改革中，新教材尤其注重概念和規律等在學生頭腦中的提煉和升華，注重知識體系的建構，以大專題、大單元教學設計為主培養學生的科學思維，通過事實和理論將學生的認知趨于核心概念，讓學生理解與生活、科技相關的事件和現象.下面筆者嘗試以人教版選擇性必修三的“波粒二象性”“原子與原子核”主題為例，去引導學生體味教材中科學思維的有意滲透，體味編者對學生進行科學求真、從物理視角解釋自然現象和解決實際問題的熏陶和濡染，從而形成基本的科學思維方法，建立嚴謹的理論知識體系.

1 科學推理的作用

教材提供了豐富的史料背景，借以凸顯科學推理對新理論體系形成的重要推動作用.

在本章的開篇，教材用簡約的語言介紹了在西方工業革命時期，冶金技術的迅猛發展，迫切需要知道溫度與黑體輻射之間的對應關系，為此，科學家利用帶小孔的腔體(對煉鋼爐門的抽象)作為理想的黑體進行了一系列實驗，并得出普遍認可的實驗現象，如圖1所示.在擬合理論去解讀上述實驗事實的過程中，出現了維恩曲線和瑞利-金斯曲線兩種理論觀點，都與實驗結果有明顯偏差，為此普朗克根據實驗結果采用數學技巧“內插法”擬合推理出一條新的輻射定律——普朗克輻射定律，根據實驗現象，他“必須假定”振動著的帶電微粒的能量是某一最小能量值ε的整數倍.帶電微粒輻射或吸收能量時，也是以這個最小能量值為單位一份一份地輻射或吸收的.這個不可再分的最小能量值ε叫做能量子，ε=hν，并且得出了h=6.626×10-34J·s，h就被稱為普朗克常量.從此，恢宏壯觀的量子力學大廈拔地而起，物理學的發展進入新紀元.

圖1 黑體輻射規律

接下來教材在第3節“原子的核式結構模型”仍沿用上述思路——α粒子散射實驗現象迫使盧瑟福“必須假定”原子中帶正電部分的體積很小，但幾乎占有全部質量，帶負電的電子在正電體的外面運動.然后采用類比思維，借助經典力學中的衛星模型，提出動能、勢能、能級等系列概念，加深了學生對原子結構的認識，起到了很好的思維遷移作用.

還有第5節教材中提到，1924年法國青年才俊德布羅意天才般的反向類比推理——“整個世紀以來，在光學上，與波動方面的研究相比，忽視了粒子方面的研究；而在實物粒子的研究上，是否發生了相反的錯誤呢？”[2]，為此，他大膽提出了假設：實物粒子也具有波動性，由此提出了“物質波”這一極富浪漫主義、匪夷所思而又嚴謹必然的物理概念，極大豐富了物質、波動的內涵.凡此種種，無不彰顯科學推理在科學思維中的重要作用.

借助教材中的這些素材，配以圖片、文字說明，佐以教師繪聲繪色的演繹，筆者相信在這樣的課堂上，學生的科學思維會得以引導.在學習知識的同時，那些科學家嚴謹的思維、敏銳的洞察力一定會給學生以良好的啟迪，科學思維的萌芽由此迸發.

2 模型建構的必要性

教材系統介紹了一系列新舊理論的演繹變化，借以凸顯模型建構在知識體系構建中的必要性.

所謂物理模型，就是人們為了研究物理問題的方便和探討物理事物的本質而對研究對象所作的一種簡化的描述或模擬[3].

在光電效應部分，教材用精煉的語言概況介紹了赫茲發現光電效應，并特意指出，這是赫茲“細致觀察的意外收獲”[2]，引起許多物理學家的關注，并相繼做出關于光電效應的諸多實驗規律，這些實驗結果與經典的電磁學理論相矛盾.教材重點提出在普朗克“能量子”模型的啟發下，愛因斯坦進一步解放了思想，提出了“光量子”即“光子”這一劃時代的模型，進而用簡潔的光電效應方程Ek=hν-W0對光電效應做出了圓滿的解釋.在此基礎上，密立根精湛的實驗驗證、黑體輻射中的普朗克常量h和光電效應中h的一致性，以及相繼發現和提出的康普頓效應、波粒二象性等，進一步豐滿了“光子”這一模型的屬性，使人們對光的本性認識達到了前所未有的高度.至此，就可以明確地告訴學生，一個正確的知識體系是自洽的，可以通過一個個精雕細琢、相互關聯的物理模型，完成“殊途同歸”的思維壯舉.

而在“原子的核式結構模型”這一主題中，教材更是提供了翔實的理論探究歷程，物理模型漸趨合理，為學生打開了認知微觀世界的大門.先是通過對陰極射線的研究，J.J.湯姆孫發現了電子——教材用精美的插圖詳盡介紹了陰極射線產生的機理，渲染電子發現的重大意義.尤其是在新教材中特別提出“J.J.湯姆孫又進一步研究了許多新現象，……無論是正離子的轟擊、紫外線的照射、金屬受熱還是放射性物質的自發輻射，都能發射同樣的帶電粒子——電子”[2]，科學家嚴謹的證實態度，必將對學生的思維養成產生潛移默化的影響.

以原子結構模型的構建為主線，教材漸次展開，從“棗糕式模型”的成功，再到該模型對“α粒子散射”現象解釋的無能為力，最后得出“核式結構”模型.隨著對原子結構認識的加深，一系列矛盾也隨之呈現：經典電磁學理論對原子的穩定性、原子光譜的分立性等解釋的困難，昭示著其模型需要修正和完善，玻爾氫原子模型應運而生.

新教材就這樣一步步引導學生通過學習科學家探索原子結構的歷程，從中感悟提出假設、建立模型、實驗驗證、合理外推的科學方法，進一步理解物理模型在物理研究中的地位和作用.

3 質疑創新的地位

教材著墨于科學家研究中的困惑和突破，借以凸顯質疑創新在科學思維中的核心性.

沒有哪個章節如此密集地安排物理界的大咖出場：嚴謹的維恩、灑脫的瑞利，敏感的金斯、患得患失的普朗克，天才的赫茲、勒納德、赫赫有名的J.J.湯姆孫、G.P.湯姆孫父子、大名鼎鼎的愛因斯坦、較真的密立根、康普頓和他的中國留學生吳有訓、一代宗師盧瑟福、出色弟子查德威克、丹麥人的驕傲玻爾，神秘的沃拉斯頓和夫瑯禾費、標榜史冊的基爾霍夫和亥姆霍茲、一代傳奇德布羅意、量子力學急先鋒海森堡、狄拉克、薛定諤、玻恩、泡利、戴維森等，每一個傳奇的背后無不是一段人類最先進的大腦面對新困惑、新危機的極限挑戰、大膽質疑、并取得最終勝利的勵志故事.

其中最富創新色彩的無疑是前文提到的普朗克創建的“能量子”模型——這需要何等的勇氣，自牛頓創建微積分以來，人們就已經根深蒂固地認為世界是連續的，是“可積”的，但新的理論卻在微觀世界認為能量是分立的，是不連續的.難怪他對兒子說他的發現“要么是荒誕不經的，要么是牛頓以來最偉大的發現”，惴惴之情，溢于言表.后來，在普朗克量子假說的啟發下，愛因斯坦對光電效應、玻爾對氫原子光譜分立性的完美解釋，最終將普朗克推到歷史發展的前沿，使之成為當之無愧的“量子力學之父”，這也從一個側面說明了質疑和創新永遠是科學思維的核心屬性.

教材在第69頁“科學漫步”中提出學習物理的目的主要是“為了了解自然界的基本規律，去探索適用于這一絕對本體的規律”“回顧普朗克的一生，不難看出，正是他中學畢業時遵從自己的好奇心和興趣而作出的專業選擇，成就了他后來事業上的輝煌”[2]；教材更在第93頁右側的批注通過介紹湯姆生父子獲獎的歷史佳話，告訴學生科學本身是在發展變化的，是具有旺盛生命力的，質疑創新永遠是點燃科學思維的導火索.

教材最給人震撼感覺的還有第96～97頁“STSE”欄目中的“量子力學的創立和索爾維會議”[2](圖2).

圖2 1927 年第五屆索爾維會議參加者合影

從1911年第一屆索爾維會議在布魯塞爾召開，到第二十八屆索爾維會議因疫情原因，從2020年推遲到2021年10月21日至23日進行，百余年來，索爾維會議一直在持續舉辦，它見證了科學的發展對社會產生了怎樣巨大的推動作用.文中提到的那些如雷貫耳的科學巨匠、文中描述的那些讓人熱血沸騰的科技成就，甚至在第五屆索爾維會議上愛因斯坦與玻爾等人激烈的學術爭端，無不說明質疑創新永遠是科學思維的主旋律，會吸引更多的青年學子不畏權威、獻身科學.

《普通高中物理課程標準(2017年版)》明確指出，物理教育是科學教育的一部分，物理學科核心素養是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會發展的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力，是學生通過物理學習內化的帶有物理學科特質的品質，是學生科學素養的關鍵成分[4-5].對學生而言，教材是其掌握科學的知識體系，培養科學思維的重要載體，因此，作為教師，我們應該充分挖掘教材的育人功能，致力于對學生科學思維的培養，著力提升學生的物理思維品質，以適應學生終身發展和時代要求的需要.